三維地質(zhì)模型在水庫(kù)清淤工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中的研究

單 威，潘宏岳，李國(guó)寧，黃軍學(xué)，李麗娜

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

水庫(kù)淤積層受區(qū)域水文特征、運(yùn)行工況及工程地質(zhì)條件等多種因素直接影響，其分布特征多變復(fù)雜，為精準(zhǔn)確認(rèn)清淤量、提高工程預(yù)算精度、直觀反應(yīng)工程清淤社會(huì)影響，是合理設(shè)計(jì)清淤方案所需考慮的主要問(wèn)題。

建筑信息模型BIM作為水利行業(yè)逐步推廣普及的新興協(xié)同設(shè)計(jì)模式，是內(nèi)蒙古自治區(qū)水利設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容，具有提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本、以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)。

本次研究以昆都侖水庫(kù)清淤工程為研究對(duì)象，在查明現(xiàn)狀工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，根據(jù)庫(kù)區(qū)淤積層布置的鉆探勘察成果，運(yùn)用北京院地質(zhì)數(shù)據(jù)BIM管理系統(tǒng)及Civil 3d軟件，建立水庫(kù)庫(kù)區(qū)的三維地質(zhì)模型，精確模擬淤積層中再利用層、無(wú)用層、基巖層的巖性、構(gòu)造影響、及分布范圍，直觀反應(yīng)各層間接觸關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算各層體積方量，與多專業(yè)體系協(xié)同設(shè)計(jì)，為開展BIM設(shè)計(jì)清淤方案、精準(zhǔn)計(jì)算工程投資建立地質(zhì)模型基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)域概況

昆都侖水庫(kù)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市西北方，位于黃河一級(jí)支流昆都侖河下游溝口處，于20世紀(jì)50年代修建，經(jīng)除險(xiǎn)加固后設(shè)計(jì)總庫(kù)容7850萬(wàn)m3，工程規(guī)模為中型，工程等別應(yīng)為Ⅲ等，由于其保護(hù)對(duì)象的重要性，水庫(kù)永久水工建筑物工程級(jí)別提高1級(jí)。近年來(lái)，水庫(kù)淤積問(wèn)題突出，主要原因有兩點(diǎn)：其一為上游支溝及山脈近年來(lái)大規(guī)模采礦采石，導(dǎo)致植被破壞，水土流失問(wèn)題嚴(yán)重；其二為昆都侖河下游近包頭市區(qū)段近年來(lái)打造濕地公園，為保證公園安全，限制水庫(kù)下泄流量，一定程度上影響了水庫(kù)正常運(yùn)行管理，汛期洪水來(lái)時(shí)無(wú)法開閘沖砂，導(dǎo)致逐年淤積。現(xiàn)狀水庫(kù)壩前淤積高程約為1155m，高于新建泄洪沖砂洞入水口底高程1145m，現(xiàn)狀淤積庫(kù)容約3300萬(wàn)m3，占總庫(kù)容7850萬(wàn)m3的42%?，F(xiàn)狀淤積已對(duì)水庫(kù)運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)效益、流域生態(tài)環(huán)境造成了不利影響。

3 三維地質(zhì)模型

3.1 模型概況

3.1.1模型邊界

3.1.2模型分區(qū)

本次研究結(jié)合昆都侖水庫(kù)庫(kù)區(qū)現(xiàn)狀淤積特性，將庫(kù)區(qū)沿順?biāo)鞣较騽澐譃棰?、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域，并針對(duì)3個(gè)區(qū)域共布置了11個(gè)典型剖面，51個(gè)鉆孔進(jìn)行勘探取樣。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)定名并確定各層控制深度，剖析模型網(wǎng)格分區(qū)，將模型同步概化劃分為3個(gè)分區(qū)：

Ⅰ區(qū)：主砂礫石層(再利用層)分布區(qū)；

Ⅱ區(qū)：上砂礫石下淤泥質(zhì)粘土混合區(qū)；

Ⅲ區(qū)：主淤泥質(zhì)粘土層(無(wú)用層)分布區(qū)。

模型分區(qū)及鉆孔孔位如圖1所示，地層分布及鉆孔成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 模型分區(qū)及鉆孔孔位示意圖

表1 地層分布及鉆孔成果統(tǒng)計(jì)表

3.2 建模流程

(1)收集二維資料，包括但不限于平面圖、剖面圖、柱狀圖，原始地形圖等。

(2)將上述資料錄入到三維建模平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(3)通過(guò)基于civil 3D的三維建模平臺(tái)，將原始二維地形圖轉(zhuǎn)成三維建模所需要的地形曲面。導(dǎo)入測(cè)繪專業(yè)提供的地形面，

(4)將基礎(chǔ)地質(zhì)資料導(dǎo)入三維建模平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)提供的各種功能將基礎(chǔ)地質(zhì)資料轉(zhuǎn)換為空間點(diǎn)、線數(shù)據(jù)。通過(guò)點(diǎn)模型、線模型，建立各地質(zhì)曲面，包括地層巖性、覆蓋層、基巖等。

(5)通過(guò)提取各地質(zhì)曲面間的實(shí)體，并通過(guò)并集、差集、交集等實(shí)體運(yùn)算，建立各地質(zhì)體的實(shí)體模型。

(6)輸出模型，為后續(xù)設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)用提供實(shí)體模型或各類曲面?？梢詫⒛Ｐ椭苯訉?dǎo)出為nwc格式，利用Nawiswork為平臺(tái)，將設(shè)計(jì)模型與地質(zhì)模型合并。

3.3 建模技術(shù)路線

建模技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 建模技術(shù)路線

3.4 模型成果運(yùn)用

3.4.1清淤量精準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建砂礫和粘土的地質(zhì)曲面，砂礫層曲面和粘土層曲面。結(jié)合地質(zhì)曲面結(jié)果，可分區(qū)分土質(zhì)計(jì)算清淤工程量。計(jì)算原則如下：

(1)砂礫層(砂礫僅在Ⅰ區(qū)存在)

高程情況計(jì)算原則砂礫層底部高程>開挖面高程沙礫層曲面-原始地形砂礫層底部高程<開挖面高程清淤完成曲面-原始地形

(2)淤泥質(zhì)粘土層(Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū))

a.無(wú)砂礫層存在時(shí)：清淤完成曲面-原始地形

b.有砂礫層存在時(shí)：

高程情況計(jì)算原則砂礫層底部高程>開挖面高程無(wú)粘土砂礫層底部高程<開挖面高程清淤完成曲面-砂礫層曲面

根據(jù)以上原則，根據(jù)不同施工組織方案，分別計(jì)算不同清淤高程情況下各層清淤量。例：清淤至1140高層線時(shí)，累計(jì)清淤量為27094420m3，見(jiàn)表2。

表2 開挖1140m底高程清淤工程量統(tǒng)計(jì)表

3.4.2施工模擬

(1)模型拆分

根據(jù)淤積厚度和地層巖性，將庫(kù)區(qū)淤積體劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)大區(qū)。平面內(nèi)以庫(kù)區(qū)中位線為界，將Ⅱ、Ⅲ區(qū)左側(cè)和右側(cè)沿水流方向每200m劃分一個(gè)小分區(qū)，Ⅰ區(qū)土層較薄，每500m劃分一個(gè)小分區(qū)，左側(cè)偶數(shù)、右側(cè)奇數(shù)，分別編號(hào)。立面內(nèi)從現(xiàn)狀淤積面向下，每4m分一層，這樣就將庫(kù)區(qū)淤積體總共劃分成163個(gè)單元，每個(gè)單元為一個(gè)工作面。根據(jù)施工組織提資成果施工分區(qū)圖，對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行按區(qū)域拆分，如圖3所示。

圖3 庫(kù)區(qū)淤積物模型拆分分區(qū)方案

(2)施工模擬

按照施工原則：分層開挖深度為4m，先挖下游，再挖上游；先挖雙數(shù)區(qū)，再挖單數(shù)區(qū)，相鄰開挖區(qū)域高度不超過(guò)4m。對(duì)區(qū)域拆分后的實(shí)體模型進(jìn)行按層拆分，根據(jù)整個(gè)區(qū)域的高程范圍，確定開挖的底部高程為1145m，頂部高度為1173m。并對(duì)不同高程的開挖層進(jìn)行區(qū)分配色。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的分區(qū)分層的實(shí)體單元工程量，提資給施工組織專業(yè)，定制施工計(jì)劃進(jìn)度。結(jié)合實(shí)體模型和施工計(jì)劃進(jìn)度，制作施工模擬動(dòng)畫。

3.4.3水庫(kù)實(shí)體模型設(shè)計(jì)

地質(zhì)模型完成后，根據(jù)施工計(jì)劃進(jìn)度提供的施工分區(qū)方案，將Civil 3D中完成清淤開挖的數(shù)據(jù)無(wú)縫導(dǎo)入Infraworks，同時(shí)完成大壩、溢洪道、泄洪洞等建筑物BIM建模，按實(shí)際坐標(biāo)精確放置于開挖后的GIS場(chǎng)景中，完成了昆都侖水庫(kù)清淤后的BIM模型。另外，根據(jù)水庫(kù)正常蓄水位在庫(kù)區(qū)添加水域，完成了昆都侖水庫(kù)清淤后蓄水BIM模型。

3.4.4清淤效果展示

通過(guò)模型成果運(yùn)用及施工組織設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)多種清淤方案下庫(kù)區(qū)清淤量，直觀展示清淤前庫(kù)容與清淤后即本次開挖后庫(kù)容成果對(duì)比效果，詳見(jiàn)表3，如圖4所示。

表3 清淤前庫(kù)容與清淤后即本次開挖后庫(kù)容成果對(duì)比表

圖4 等高程清淤前后庫(kù)容對(duì)比圖表

4 結(jié)論

(1)本次采用三維地質(zhì)模型進(jìn)行基礎(chǔ)框架構(gòu)建，精確計(jì)算水庫(kù)清淤量的方式，具有精準(zhǔn)、直觀、高效的特征，提供了一種全新的集成圖、土石開挖預(yù)測(cè)、可視化同時(shí)進(jìn)行的綜合性解決方案，能夠作為地質(zhì)人員全新的工作模式。該方法同樣可應(yīng)用于水庫(kù)工程、輸水管線、河道治理等多種水利設(shè)計(jì)及施工過(guò)程。

(2)本次研究在運(yùn)用建筑信息模型BIM協(xié)同設(shè)計(jì)模式基礎(chǔ)上，短時(shí)高效的完成了地質(zhì)建模、施工組織模擬、清淤方案設(shè)計(jì)及投資概算一系列設(shè)計(jì)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了全專業(yè)同時(shí)參與反饋、全程模型直觀演示、設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施匯總的設(shè)計(jì)過(guò)程，切實(shí)體現(xiàn)了BIM提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)，是水利設(shè)計(jì)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向。