蓄能電站工程全面運用BIM提升勘測設計品質

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網負荷低時的多余電能，轉變為電網高峰時期高價值電能，還適于調頻、調相，穩定電力系統的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統中火電站核電站的效率。

抽水蓄能電站一般由地下廠房、水道、上水庫和下水庫組成，其核心工程水道和地下廠房是典型的地下地質工程。通過建立三維地質模型，可以使工程設計和施工最大限度地去適應客觀存在的地質條件，使得工程設計建設達到最為科學、合理、經濟的狀態。抽水蓄能電站的工程地質勘察同常規水電站的工程地質勘察一樣，在工程勘察領域是最為復雜的。一是大型水利水電工程在國民經濟中都承擔著重要任務，一旦失事，會造成政治經濟等方面的重大損失；二是由于水利水電工程大多建于高山峽谷，所處地區區域地形地質構造極為復雜，樞紐建筑物及水庫庫區涉及空間區域廣；三是地質信息眾多，鉆孔深度可達數十米至數百米,平洞勘探資料可達數百米至數千米，加之水工建筑物的規模宏大、所承受的荷載、在地基內產生的應力和變形等都很大。因此在勘察設計過程中，僅僅依靠傳統的二維、靜態的表達方式，是很難滿足需求的，利用計算機技術進行三維地質CAD建模與可視化分析，是水利水電工程地質領域手段上的突破，也是發展的必然趨勢，有著廣泛且迫切的需求和必要性。

“水利水電工程地質三維建模及可視化分析系統”是列入中國水電顧問集團公司的科技研發項目，由北京院承擔獨立自主開發，該項目是基于AutoCAD Civil 3D進行開發，獲得了中國水電顧問集團科技進步一等獎、優秀軟件一等獎，在國家版權局進行了計算機軟件著作權登記。該項目在北京院承擔的多個工程項目中進行了應用，對工程建筑物區域進行了三維地質建模，取得了比較好的應用效果。“山東文登抽水蓄能電站三維地質模型”是其中的一個應用實例。這些工程及區域地質條件均有各自不同的特點，從不同側面驗證了本項目的合理性和可行性。通過生產一線地質工程師的使用，說明了本系統具有操作簡便、符合一線工程地質人員的工作習慣、易于掌握運用等特點。

項目概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區文登市界石鎮境內。工程區距文登市公路里程約35km，對外交通方便。電站總裝機容量1800MW，年發電量26.28億kw ?h。

電站樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房系統、開關站及出線場等組成。上水庫位于昆崳山泰礴頂東南側支溝首部，最大壩高101m；下水庫位于楚峴河，最大壩高51m。水道系統沿上、下水庫之間的條形山體內展布，由上水庫進/出水口、引水隧洞、尾水閘室、尾水調壓室、尾水隧洞、下水庫進/出水口組成，其軸線長度約3100m，地下廠房近中部布置，主廠房開挖尺寸為217.5m×24.9m×53m（長×寬×高）。

圖1 文登抽水蓄能電站工程地理位置

圖2 文登抽水蓄能電站樞紐工程

工程區位于昆崳山山脈最高峰泰礴頂東南側，地勢總體上為西北高、東南低，地面高程一般變化在100~800m之間。出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長花崗巖，中生代印支期黑云角閃石英二長巖及石英正長巖，三種巖石均為高強度、高彈性模量的堅硬巖石，一般巖體作為建筑物基礎及圍巖，具有較為優良的工程地質特性。覆蓋層則主要為第四系沖積、洪積、崩積及殘坡積物等，主要分布于上水庫庫盆、下水庫河谷等主要沖溝內。

工程區構造斷裂不甚發育，主要斷裂方向為近E-W向，中、陡傾角為主，其他方向斷裂較少，多為壓扭性斷層及長大裂隙，規模較大的斷層有F3、F5、F12及F10等。工程區基巖多裸露，風化、卸荷深度不大，是工程地質條件比較優越的抽水蓄能電站站址。

中國水電顧問集團北京院三維設計應用情況

中國水電顧問集團北京院于2007年開始開展三維設計工作，提出三維設計是提高設計效率和產品質量、提升北京院核心競爭力的重要手段。確定以歐特克公司的產品為三維設計的工作平臺，地質專業的三維地質模型、水工專業的建筑物開挖和施工專業的道路設計使用AutoCAD Civil 3D 作為基礎平臺；水工專業的大壩、水道和金結專業使用Inventor 作為基礎平臺；水工、機電和建筑專業的廠房、機電、建筑和通風使用Revit作為基礎平臺；最終三維模型的組裝使用Navisworks來完成。其最終目標是要實現三維協同設計。

中國水電顧問集團北京院工程地質專業是系統內開展三維設計較早的單位，自20世紀80年代后期開始，北京院成功開發了“水利水電工程地質CAD 繪圖系統”，解決了許多二維制圖的重大技術問題，可以完成工程地質各類常用圖件的繪制。在此基礎上，自2003年以來，北京院先后以AutoCAD 和Civil 3D 為基礎平臺，開發了“水利水電工程地質三維建模及可視化分析系統”，該系統用于水利水電工程地質三維建模及相關地質分析。針對中國水電工程復雜的工程地質條件，提出了一套工程地質體三維建模方法，解決了地質勘探點、三維鉆孔、平洞和豎井勘探及地質剖面圖等資料同時綜合利用的難題。可以建立包括地層、斷層、褶皺、透鏡體、溶洞、復雜三維地質結構面、錯斷地質結構面、地形表面、地下水位面、風化界面、覆蓋層與基巖分界面等各種地質要素的復雜三維地質模型，同時實現了三維地質模型可視化與工勘成果查詢、計算、分析與演示的一體化。該系統具有獨立自主的知識產權，符合目前使用的水利水電勘察規范的最新有效版本，符合目前習慣的制圖方式和數據格式。便于一線地質人員操作和應用，并為設計專業提供了進行三維設計的基礎平臺——三維地質模型。山東文登抽水蓄能電站三維地質模型就是使用該系統建立的。

山東文登抽水蓄能電站三維地質模型概況

根據工程設計的需求，配合水工專業三維設計的需求，項目組建立了三個三維地質模型：工程區整體三維地質模型；上水庫三維地質模型；地下廠房區三維地質模型。

工程區整體三維地質模型：三維建模的基礎圖件是采用1：2000工程地質圖，如圖3所示。主要包括：三維地形、公路、河流；主要大的斷層、巖層曲面；水工建筑物：上水庫堆石壩、三維水體、水道系統、地下廠房、下水庫大壩、下水庫三維水體。

圖3 工程區整體工程地質圖

圖4 工程區整體三維地質模型

上水庫三維地質模型： 采用1：1000工程地質圖作為三維建模的基礎圖件，如圖5所示。主要包括：三維地形、公路、河流；三維鉆孔、平洞；主要大的斷層、巖層曲面；覆蓋層、風化界面；水工建筑物：上水庫堆石壩、三維水體。

圖5 上水庫1:1000工程地質圖

利用三維地質模型進行料場儲量計算，可以簡化計算過程，提高工作效率，使計算結果更加可靠。如在進行上、下水庫庫區開挖料料源儲量計算過程中，根據地質測繪、勘探鉆孔及平硐數據建好三維地質模型后，結合庫盆開挖形狀只需進行簡單的差分計算即可計算出不同風化帶及覆蓋層的儲量，相比于傳統的平行斷面法等傳統儲量計算方法不僅大大節省了計算時間，而且由于三維計算采用了三角網格剖分原理，因此其精度更高結果也更加準確。

圖6 上水庫三維地質模型

圖7 上水庫筑壩堆石料三維計算

圖8 地下廠房區三維地質模型

根據計算，上水庫各種風化料儲量合計約504萬m3。其中全、強風化軟巖料儲量合計約216萬m3，占到庫區開挖總量的1/3以上，若不加以利用，棄料量將非常大；另一方面堆石料設計需要量為473萬m3，而硬巖料儲量約為287萬m3，僅利用硬巖料儲量不足，因此需考慮利用軟巖堆石料。

廠房區三維地質模型：采用1：2000工程地質圖作為三維建模的基礎圖件，主要包括：地下廠房及水道系統、主要地質結構面。

利用廠房區三維地質模型，能夠更加直觀地反映地質勘探成果，對覆蓋層、風化帶及構造等不同地質單元均能以三維形式進行模擬。如根據勘探平硐等勘察成果對地下廠房及其所揭露的構造進行模擬，能夠形象地反映出斷層與廠房頂拱及邊墻的交切關系并進行初步穩定分析，彌補了傳統平切圖不夠直觀的不足。已知主要結構面切割地下洞室圍巖形成的若干個塊體，可以直接的了解到每個塊體的分布位置、形態、體積以及與建筑物的關系。還可以根據結構面的物理力學參數計算塊體的穩定性。

三維地質模型的應用與分析

圖9 切制平(斜)切圖、曲面剖切

圖10 三維地質模型切制剖面圖

通過完整的山東文登抽水蓄能電站三維地質模型，設計師可以進行全方位的3D漫游展示。項目組使用Autodesk Navisworks進行三維地質模型的整合，并且進行三維動態顯示的AVI視頻文件，使用Adobe PDF軟件進行三維瀏覽。實現了對三維地質模型多種方式的瀏覽，以滿足工程人員直觀多方位的觀察與分析需要。包括：三維立體方式、單層顯示方式、掀蓋層三維顯示方式、切面方式、動態顯示方式、透明顯示方式、三維PDF顯示方式等。地質人員可以通過三維瀏覽為設計師們講解地質構造，什么地方是地質不良體，什么部位需要工程建筑物回避，設計師們會在三維實體地質模型上看得一清二楚。從而幫助建筑師對建筑的最終造型和外觀有更加感性和直觀的認識。

圖11 地形曲面的高程分析

在水電工程地質勘察中，一項非常重要和繁瑣的工作就是切制剖面圖和平切圖。當三維地質模型建立好以后，實現了在三維地質模型上切制任意方向、任意角度、任意高程部位的各類圖件，最終解決了在二維制圖中無論是采用手工或計算機都很難解決的技術難題。其中利用三維地質數據模型切制各類地質圖件，可以在AutoCAD圖形中，沒有任何圖形元素的情況下，從這些數據文件中切制圖件，即減少了AutoCAD圖形文件所占用的磁盤空間，又提高了切制速度，而且精度未受任何影響。圖9所示是切出的各類平切圖。

三維地質模型的建立不僅為工程地質專業本身提供了極大的便利，同時也為設計專業提供了一個三維設計基礎平臺，設計師們在三維地質模型上可以直接完成設計構思，進行工程建筑物布置，根據地層巖性及地質構造空間環境，可以任意調整設計方案使之獲得最佳布置效果，特別是地下建筑物的空間布置、調整、平移和旋轉。對于那些用語言和文字都不易表達清楚的工程地質問題，通過三維地質模型各方位的可視化，可以非常直觀的表達清楚，達到一目了然的效果。

上水庫和大壩壩體做成三維實體，可以利用AutoCAD的命令直接計算出水庫庫容和大壩體積，如圖12所示。

利用Civil 3D原有的功能和北京院自主開發的功能，實現了基礎建模數據與三維地質模型的動態關聯，即曲面建立好后，當原始數據進行了改變，曲面可以按照更改后的數據進行自動更新。實現了三維地質模型與剖面圖、平切圖的雙向動態關聯，這是生產一線工程地質人員迫切需要的功能，也是優秀的三維地質CAD軟件所應該具備的功能。同時也在目前水利水電行業三維地質CAD軟件中尚屬首次實現，具有獨創性。

未來展望

三維設計已經在中國水電顧問集團北京院地質專業獲得了廣泛的應用，目前已經在十多個項目中實現了三維建模和可視化分析。三維地質模型在計算機上的實現，將使工程地質人員的制圖水平和地質理論分析水平得以提高，使工程地質制圖實現系統化、專業化、標準化。工程地質制圖和分析質量大大提高，從而達到在計算機上自動切制各類地質剖面的目標，這一目標的實現，將是工程地質計算機制圖領域的一次飛躍。首先得益的是每天為切制各類縱橫地質剖面、平切圖、分析圖等忙得不可開交的地質師們。他們將有更多的時間來進行工程地質分析。大大提高工作效率，節約設計時間。工程地質三維模型在水利水電行業的應用前景十分廣闊，大到宏觀決策，小到用于水利水電一個具體樞紐工程勘測設計工作。通過三維地質模型，實現任意切制剖面圖和平切圖，不僅解決了長期困擾地質專業人員的技術難題，同時也為設計專業提供了一個實現三維設計的基礎平臺，設計專業可以在三維實體地形地質模型上進行水工建筑物的設計、工程量計算等，從而推進勘測設計一體化的進程，這也必將在水利水電工程的勘測設計中發揮重要作用。

受訪感言

“BIM是一項新興技術，是未來發展的方向，它是服務于建筑全生命周期的一個信息平臺，用于集成、分享和管理信息，它的表現形式是三維的、實時動態的。在水利水電行業BIM技術必將獲得更廣泛的應用。”

——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院信息中心主任 鄭兆信

“之所以我們稱三維地質模型的應用是水利水電工程地質專業的一次革命，是因為它將使得工程決策更加科學化、合理化、標準化、系統化，為最終實現水電工程多專業三維協同設計打下一個良好的基礎。BIM為我們實現這一目標搭建了非常好的平臺。”

——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院專業總工程師 徐春才

“目前絕大部分水電設計院在進行設計時，采用的是全2D制圖，而水電工程多為巨型或大型工程，巨大的工程量帶來了大量溝通和實施環節的信息流失。隨著3D技術在行業中逐漸得到重視，帶來的不僅僅是效率的提升，更是一次革命。

——中國水電顧問集團北京勘測設計研究院工程師 高立東