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摘 要：CCS水电站调蓄水库天然库容有限，根据电站运行需求，为满足调蓄水库日调节的要求，需对库盆进行开挖以增加足够的库容。在增加一定库容的条件下，开挖量最小是设计优化的目标和重点。CCS水电站调蓄水库库盆的开挖设计是一个反复试算的过程。为提升计算精度与设计效率，采用BIM技术建立库容增量与开挖的参数化三维模型，保证库容前提下，确定最优的开挖方案，对工程实施具有重要的意义。
关键词：调蓄水库;库容;开挖;BIM;CCS水电站
中图分类号：TV222.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.023
Abstract：The natural storage capacity of the regulation and storage reservoir of CCS Hydropower Station in Ecuador is limited. According to the operation demand of the power station， in order to meet the requirements of daily regulation of the regulating reservoir， it is necessary to excavate the reservoir basin to increase the sufficient storage capacity. Under the condition of increasing a certain storage capacity， the minimum excavation volume is the goal and key point of design optimization. The excavation design of reservoir basin of CCS Hydropower Station in Ecuador is a trial and error process. In order to improve the calculation accuracy and design efficiency， BIM technology was used to build a parameterized threedimensional model of storage capacity increment and excavation， and the optimal excavation scheme was given under the premise of ensuring the storage capacity， which was of great practical significance for the project implementation.
Key words： regulating reservoir; storage capacity; excavation; BIM; CCS Hydropower Station
1 项目概况
厄瓜多尔CCS水电站系厄瓜多尔政府确定的“国家重点项目”，总装机容量1 500 MW，年发电量88亿kW·h，能够满足该国1/3人口的电力需求。主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等。
调蓄水库位于Coca河右岸支流Granadillas溪上，由面板堆石坝、溢洪道、导流兼放空洞组成。水库正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m，调节库容88万m3。根据电站运行要求，调蓄水库为日调节，4 h内水位将从正常蓄水位降到死水位，水位维持在死水位附近15 h，然后5 h内水位由死水位升至正常蓄水位。因正常蓄水位至死水位之间的天然库容仅有51.9万m3，故剩余部分由库盆开挖获得。
2 设计要点分析
为满足调蓄水库日调节的运行需求，需通过库盆开挖得到至少36.1万m3的有效库容（日调节所需库容88万m3减去天然有效库容51.9万m3）。库盆开挖时，只有在正常蓄水位以下、死水位以上的开挖工程量才能计入有效库容。受地形限制，在有效库容开挖的同时，必将伴随着一部分无效的开挖工程量。如果开挖方案选择不当，无效的开挖工程量是巨大的，对成本控制和工期都将产生不利影响。因此，在设计开挖方案时应尽量选择对正常蓄水位以下、死水位以上坡度较缓的岸坡进行开挖，在获得一定有效开挖库容的前提下，产生较少的无效开挖工程量。
调蓄水库通过长约25 km的输水隧洞从首部枢纽引水，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾;压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。库盆开挖应尽可能考虑交通需求，形成连接调蓄水库库盆内各建筑物的环形通道，进一步发挥库盆开挖效益。
3 设计难点
如何在有限时间内设计出满足库容要求、开挖量最少、库区内建筑物布置协调、并兼顾交通的方案是CCS水电站调蓄水库库盆开挖方案的重点和难点。
（1）工期紧迫。为追求开挖库容与工程量的平衡，调蓄水库库盆开挖设计是一个漫长反复优化试算的过程。一方面项目违约金每日高达USD 800 000;另一方面CCS水电站是厄瓜多尔战略性能源工程，被誉为厄瓜多尔“第一工程”，备受中厄两国领导人关注，具有深远的政治意义。因此，常规设计方法很难满足工期要求，需借助BIM技術提升设计效率。
（2）工程量偏差大。平均断面法是目前最为普遍的开挖工程量计算方法，该方法简单明了，便于计算，但其结果误差太大。一般认为误差约为5%，最大可达10%[1]。因此，土石方工程量的核算在工程预、结算中经常存在较大争议。CCS水电站项目为EPC总承包项目，采用传统的平均断面法计算工程量不利于成本控制，需借助BIM技术提升工程量计算精度。 （3）设计方案审批困难。厄瓜多尔的官方语言为西班牙语，沟通难度大，并且CCS水电站的设计要求采用美国及国际规范，增加了设计施工方案审批的难度[2]。图纸是工程师的语言，通过BIM技术构建调蓄水库库盆开挖的三维可视化模型，能更好地表达设计意图，突出设计效果，方便与参建各方协同和沟通。
4 BIM技术的应用
CATIA平台是目前主流的BIM软件平台，是一款功能强大的CAD/CAE/CAM一体化终端，其设计技术和解决方案在世界上处于领先地位，目前已广泛应用于航空航天、机械制造、电器电子、土木工程等领域，并逐渐向水利水电、岩土工程、地理信息、资源环境等领域发展[3]。其强大的逆向工程与参数化联动功能，为调蓄水库方案优化效率和工程量的精准计算提供了高效的解决方案。
4.1 高精度三维地形构建
精准的地形是调蓄水库库盆开挖设计优化的前提，在CATIA平台上可运用逆向工程理论，实现高精度三维地形的模拟。
在CATIA平台上导入工程DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）点云数据，考虑原始地形资料的精度及网格精度的设置要求，其间要进行面、片之间的漏洞与补洞处理[4]，形成一个网格（Mesh）格式的三维地表。网格格式的三维地表以DEM点云数据为基础，几乎无损模拟了地形地貌，具有较高的精度，但操作不方便（修剪、布尔操作等命令不稳定，甚至有时出现无法进行的情况），工程中一般将这种网格面转化为易于操作的曲面，在网格转曲面的过程中不可避免地伴随着一定的精度损失。在CATIA平台“形状→Quick Surface Reconstruction（快速曲面创建）”模块中用“Automatic Surface（自动表面）”命令，可将网格转为曲面。通过曲面平均偏差、曲面细节、自由边偏差和目标比率等几个参数控制网格转曲面的精度。一般情况下曲面平均偏差取小值，曲面细节取大值，自由边偏差取小值，目标比率取大值，以减小精度的损失。CCS水电站调蓄水库库盆长度近1 km，经反复测试，在网格地形转曲面过程中平均偏差值取0.1 m、曲面细节取10 000、自由边偏差取0.1 m、目标比率取90时，生成的曲面地形与1∶500的DEM数据基本吻合，满足设计要求。网格格式地形转曲面的过程如图1所示。
高精度的三维地形可直观真实地反映地形起伏特征，方便选择在平缓、开挖条件好的区域进行开挖，有效减少方案调整的过程，提升设计效率与方案变更的响应速度，在保证开挖工程量精度的同时，达到以最少开挖量换取较大有效库容的目的。
4.2 参数化关联动态方案调整
对方案调整的快速响应是BIM技术中参数化设计的显著优势之一。其理念就是将图形中的一些图素的尺寸和位置与一定的约束条件相关联，当某一图素的尺寸和位置发生改变后，系统依据其与周围图素之间的约束条件，自动修改这些图素的尺寸和位置来更新整个图形[5]。CATIA软件本身参数化功能强大，对方案的关联动态响应很迅速，并且在水利水电工程中应用比较广泛。在CCS水电站调蓄水库库盆开挖优化设计中基于BIM技术的参数化关联动态方案调整流程如图2所示。
基于BIM技术的参数化关联动态方案调整包含如下3个层次。
（1）常规意义上的参数化，在CATIA平台上构建参数，并与边坡开挖要素（开挖边坡高度、开挖边坡坡度和边坡马道宽度等）建立驱动关系，通过修改结构树中代表开挖边坡要素的参数，驱动BIM模型更新，进而得到不同边坡开挖要素下设计方案与相应的开挖工程量，如图3所示。
（2）在CATIA平台上采用自上而下的建模方式进行建模，建模过程完整记录在结构树中，本身具有上下承接关系，下一步将自动根据上一步的修改内容实现模型更新。在此基础上，通过修改调蓄水库库盆开挖边坡的基础边线，更改开挖位置，来实现开挖工程量及开挖方案的变更。
（3）在CATIA软件中，以代表调蓄水库正常蓄水位与死水位的水平面及开挖地形为约束条件，通过修剪命令，在整个开挖地形中剪去正常蓄水位以上和死水位以下的开挖量，建立开挖工程量与有效库容增加量的参数驱动关系。当开挖工程量变化时，修剪過程随之更新，实时获取开挖有效库容的工程量和无效开挖工程量，如图4所示。
在CCS水电站调蓄水库库盆开挖优化设计过程中，运用上述3个层次建立边坡要素、开挖轴线、开挖工程量与有效库容增量的参数驱动关系。反复联动调节边坡要素参数与开挖轴线，直至有效库容总量略大于88万m3（考虑一定保证率）的同时无效开挖量最小。再综合考虑库盆周边水工建筑物的布置以及两岸交通要求，快速、高效获取最优的库盆开挖方案，BIM技术的应用助力提升了设计方案审批通过的效率，精确了工程量，缩短了设计周期，为项目的顺利开展提供了技术保障。
在BIM技术支撑下，具体实施的库盆开挖方案如下：左岸高程1 233.5 m设4.5 m宽马道，马道以下边坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之间开挖边坡1∶0.3;高程1 245.5 m设3 m宽马道，该马道以上开挖边坡1∶1.5，并每6 m设一级马道，马道宽3 m。环库道路宽8 m，由高程1 253.0 m降至1 237.5 m。右岸高程1 233.5 m设8 m宽马道兼做环库公路，以下边坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之间开挖边坡1∶0.3;1 245.5 m高程设马道，马道宽3 m;1 245.5～1 253.5 m高程之间开挖边坡1∶0.5;1 253.5 m高程以上开挖边坡1∶1.5，每8 m设一级马道，马道宽3 m，如图5所示。
根据以上原则，在BIM模型中量取库盆开挖总量约147.92万m3，调蓄水库左、右岸和相关建筑物开挖和混凝土施工后形成的有效库容为95.31万m3，略大于基本设计阶段确定的88.00万m3，开挖获得有效库容的效率比较高，满足设计与运行要求。
5 结 语
CCS水电站调蓄水库通过长约25 km的输水隧洞从首部枢纽引水，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾;压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。库盆开挖应尽可能考虑交通需求，形成连接调蓄水库库盆内各建筑物的环形通道，进一步发挥库盆开挖效益。如何在有限时间内设计出满足库容要求、开挖量最少、库区内建筑物布置协调、兼顾交通的方案是厄瓜多尔CCS水电站调蓄水库库盆开挖方案设计的重点和难点。为提升计算精度与设计效率，采用BIM技术建立库容增量与开挖的参数化三维模型，在保证库容前提下，确定最优的开挖方案，对工程实施具有重要的意义。
参考文献：
[1] 唐平英.断面法土方量计算公式的精度[J].港工技术，1998（1）：32-33.
[2] 刘增强，史玉龙，梁春光.厄瓜多尔CCS水电站BIM综合应用[J].水利规划与设计，2018（2）：14-19.
[3] 董甲甲，杨磊，杜燕林.基于CATIA三维重力坝可视化设计[J].水利水电科技进展，2010，30（5）：57-60.
[4] 陈艳国，李斌，吴伟功.基于CATIA的古贤水利枢纽三维地质建模[J].人民黄河，2011，33（5）：138-139.
[5] 周锐.基于参数化的围堰三维可视化设计[J].黑龙江水利科技，2013，41（2）：4-8.
【责任编辑 张华岩】
关键词：调蓄水库;库容;开挖;BIM;CCS水电站
中图分类号：TV222.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.023
Abstract：The natural storage capacity of the regulation and storage reservoir of CCS Hydropower Station in Ecuador is limited. According to the operation demand of the power station， in order to meet the requirements of daily regulation of the regulating reservoir， it is necessary to excavate the reservoir basin to increase the sufficient storage capacity. Under the condition of increasing a certain storage capacity， the minimum excavation volume is the goal and key point of design optimization. The excavation design of reservoir basin of CCS Hydropower Station in Ecuador is a trial and error process. In order to improve the calculation accuracy and design efficiency， BIM technology was used to build a parameterized threedimensional model of storage capacity increment and excavation， and the optimal excavation scheme was given under the premise of ensuring the storage capacity， which was of great practical significance for the project implementation.
Key words： regulating reservoir; storage capacity; excavation; BIM; CCS Hydropower Station
1 项目概况
厄瓜多尔CCS水电站系厄瓜多尔政府确定的“国家重点项目”，总装机容量1 500 MW，年发电量88亿kW·h，能够满足该国1/3人口的电力需求。主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等。
调蓄水库位于Coca河右岸支流Granadillas溪上，由面板堆石坝、溢洪道、导流兼放空洞组成。水库正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m，调节库容88万m3。根据电站运行要求，调蓄水库为日调节，4 h内水位将从正常蓄水位降到死水位，水位维持在死水位附近15 h，然后5 h内水位由死水位升至正常蓄水位。因正常蓄水位至死水位之间的天然库容仅有51.9万m3，故剩余部分由库盆开挖获得。
2 设计要点分析
为满足调蓄水库日调节的运行需求，需通过库盆开挖得到至少36.1万m3的有效库容（日调节所需库容88万m3减去天然有效库容51.9万m3）。库盆开挖时，只有在正常蓄水位以下、死水位以上的开挖工程量才能计入有效库容。受地形限制，在有效库容开挖的同时，必将伴随着一部分无效的开挖工程量。如果开挖方案选择不当，无效的开挖工程量是巨大的，对成本控制和工期都将产生不利影响。因此，在设计开挖方案时应尽量选择对正常蓄水位以下、死水位以上坡度较缓的岸坡进行开挖，在获得一定有效开挖库容的前提下，产生较少的无效开挖工程量。
调蓄水库通过长约25 km的输水隧洞从首部枢纽引水，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾;压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。库盆开挖应尽可能考虑交通需求，形成连接调蓄水库库盆内各建筑物的环形通道，进一步发挥库盆开挖效益。
3 设计难点
如何在有限时间内设计出满足库容要求、开挖量最少、库区内建筑物布置协调、并兼顾交通的方案是CCS水电站调蓄水库库盆开挖方案的重点和难点。
（1）工期紧迫。为追求开挖库容与工程量的平衡，调蓄水库库盆开挖设计是一个漫长反复优化试算的过程。一方面项目违约金每日高达USD 800 000;另一方面CCS水电站是厄瓜多尔战略性能源工程，被誉为厄瓜多尔“第一工程”，备受中厄两国领导人关注，具有深远的政治意义。因此，常规设计方法很难满足工期要求，需借助BIM技術提升设计效率。
（2）工程量偏差大。平均断面法是目前最为普遍的开挖工程量计算方法，该方法简单明了，便于计算，但其结果误差太大。一般认为误差约为5%，最大可达10%[1]。因此，土石方工程量的核算在工程预、结算中经常存在较大争议。CCS水电站项目为EPC总承包项目，采用传统的平均断面法计算工程量不利于成本控制，需借助BIM技术提升工程量计算精度。 （3）设计方案审批困难。厄瓜多尔的官方语言为西班牙语，沟通难度大，并且CCS水电站的设计要求采用美国及国际规范，增加了设计施工方案审批的难度[2]。图纸是工程师的语言，通过BIM技术构建调蓄水库库盆开挖的三维可视化模型，能更好地表达设计意图，突出设计效果，方便与参建各方协同和沟通。
4 BIM技术的应用
CATIA平台是目前主流的BIM软件平台，是一款功能强大的CAD/CAE/CAM一体化终端，其设计技术和解决方案在世界上处于领先地位，目前已广泛应用于航空航天、机械制造、电器电子、土木工程等领域，并逐渐向水利水电、岩土工程、地理信息、资源环境等领域发展[3]。其强大的逆向工程与参数化联动功能，为调蓄水库方案优化效率和工程量的精准计算提供了高效的解决方案。
4.1 高精度三维地形构建
精准的地形是调蓄水库库盆开挖设计优化的前提，在CATIA平台上可运用逆向工程理论，实现高精度三维地形的模拟。
在CATIA平台上导入工程DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）点云数据，考虑原始地形资料的精度及网格精度的设置要求，其间要进行面、片之间的漏洞与补洞处理[4]，形成一个网格（Mesh）格式的三维地表。网格格式的三维地表以DEM点云数据为基础，几乎无损模拟了地形地貌，具有较高的精度，但操作不方便（修剪、布尔操作等命令不稳定，甚至有时出现无法进行的情况），工程中一般将这种网格面转化为易于操作的曲面，在网格转曲面的过程中不可避免地伴随着一定的精度损失。在CATIA平台“形状→Quick Surface Reconstruction（快速曲面创建）”模块中用“Automatic Surface（自动表面）”命令，可将网格转为曲面。通过曲面平均偏差、曲面细节、自由边偏差和目标比率等几个参数控制网格转曲面的精度。一般情况下曲面平均偏差取小值，曲面细节取大值，自由边偏差取小值，目标比率取大值，以减小精度的损失。CCS水电站调蓄水库库盆长度近1 km，经反复测试，在网格地形转曲面过程中平均偏差值取0.1 m、曲面细节取10 000、自由边偏差取0.1 m、目标比率取90时，生成的曲面地形与1∶500的DEM数据基本吻合，满足设计要求。网格格式地形转曲面的过程如图1所示。
高精度的三维地形可直观真实地反映地形起伏特征，方便选择在平缓、开挖条件好的区域进行开挖，有效减少方案调整的过程，提升设计效率与方案变更的响应速度，在保证开挖工程量精度的同时，达到以最少开挖量换取较大有效库容的目的。
4.2 参数化关联动态方案调整
对方案调整的快速响应是BIM技术中参数化设计的显著优势之一。其理念就是将图形中的一些图素的尺寸和位置与一定的约束条件相关联，当某一图素的尺寸和位置发生改变后，系统依据其与周围图素之间的约束条件，自动修改这些图素的尺寸和位置来更新整个图形[5]。CATIA软件本身参数化功能强大，对方案的关联动态响应很迅速，并且在水利水电工程中应用比较广泛。在CCS水电站调蓄水库库盆开挖优化设计中基于BIM技术的参数化关联动态方案调整流程如图2所示。
基于BIM技术的参数化关联动态方案调整包含如下3个层次。
（1）常规意义上的参数化，在CATIA平台上构建参数，并与边坡开挖要素（开挖边坡高度、开挖边坡坡度和边坡马道宽度等）建立驱动关系，通过修改结构树中代表开挖边坡要素的参数，驱动BIM模型更新，进而得到不同边坡开挖要素下设计方案与相应的开挖工程量，如图3所示。
（2）在CATIA平台上采用自上而下的建模方式进行建模，建模过程完整记录在结构树中，本身具有上下承接关系，下一步将自动根据上一步的修改内容实现模型更新。在此基础上，通过修改调蓄水库库盆开挖边坡的基础边线，更改开挖位置，来实现开挖工程量及开挖方案的变更。
（3）在CATIA软件中，以代表调蓄水库正常蓄水位与死水位的水平面及开挖地形为约束条件，通过修剪命令，在整个开挖地形中剪去正常蓄水位以上和死水位以下的开挖量，建立开挖工程量与有效库容增加量的参数驱动关系。当开挖工程量变化时，修剪過程随之更新，实时获取开挖有效库容的工程量和无效开挖工程量，如图4所示。
在CCS水电站调蓄水库库盆开挖优化设计过程中，运用上述3个层次建立边坡要素、开挖轴线、开挖工程量与有效库容增量的参数驱动关系。反复联动调节边坡要素参数与开挖轴线，直至有效库容总量略大于88万m3（考虑一定保证率）的同时无效开挖量最小。再综合考虑库盆周边水工建筑物的布置以及两岸交通要求，快速、高效获取最优的库盆开挖方案，BIM技术的应用助力提升了设计方案审批通过的效率，精确了工程量，缩短了设计周期，为项目的顺利开展提供了技术保障。
在BIM技术支撑下，具体实施的库盆开挖方案如下：左岸高程1 233.5 m设4.5 m宽马道，马道以下边坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之间开挖边坡1∶0.3;高程1 245.5 m设3 m宽马道，该马道以上开挖边坡1∶1.5，并每6 m设一级马道，马道宽3 m。环库道路宽8 m，由高程1 253.0 m降至1 237.5 m。右岸高程1 233.5 m设8 m宽马道兼做环库公路，以下边坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之间开挖边坡1∶0.3;1 245.5 m高程设马道，马道宽3 m;1 245.5～1 253.5 m高程之间开挖边坡1∶0.5;1 253.5 m高程以上开挖边坡1∶1.5，每8 m设一级马道，马道宽3 m，如图5所示。
根据以上原则，在BIM模型中量取库盆开挖总量约147.92万m3，调蓄水库左、右岸和相关建筑物开挖和混凝土施工后形成的有效库容为95.31万m3，略大于基本设计阶段确定的88.00万m3，开挖获得有效库容的效率比较高，满足设计与运行要求。
5 结 语
CCS水电站调蓄水库通过长约25 km的输水隧洞从首部枢纽引水，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾;压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。库盆开挖应尽可能考虑交通需求，形成连接调蓄水库库盆内各建筑物的环形通道，进一步发挥库盆开挖效益。如何在有限时间内设计出满足库容要求、开挖量最少、库区内建筑物布置协调、兼顾交通的方案是厄瓜多尔CCS水电站调蓄水库库盆开挖方案设计的重点和难点。为提升计算精度与设计效率，采用BIM技术建立库容增量与开挖的参数化三维模型，在保证库容前提下，确定最优的开挖方案，对工程实施具有重要的意义。
参考文献：
[1] 唐平英.断面法土方量计算公式的精度[J].港工技术，1998（1）：32-33.
[2] 刘增强，史玉龙，梁春光.厄瓜多尔CCS水电站BIM综合应用[J].水利规划与设计，2018（2）：14-19.
[3] 董甲甲，杨磊，杜燕林.基于CATIA三维重力坝可视化设计[J].水利水电科技进展，2010，30（5）：57-60.
[4] 陈艳国，李斌，吴伟功.基于CATIA的古贤水利枢纽三维地质建模[J].人民黄河，2011，33（5）：138-139.
[5] 周锐.基于参数化的围堰三维可视化设计[J].黑龙江水利科技，2013，41（2）：4-8.
【责任编辑 张华岩】