蓄能电站工程全面运用BIM提升勘测设计品质

抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站核电站的效率。

抽水蓄能电站一般由地下厂房、水道、上水库和下水库组成，其核心工程水道和地下厂房是典型的地下地质工程。通过建立三维地质模型，可以使工程设计和施工最大限度地去适应客观存在的地质条件，使得工程设计建设达到最为科学、合理、经济的状态。抽水蓄能电站的工程地质勘察同常规水电站的工程地质勘察一样，在工程勘察领域是最为复杂的。一是大型水利水电工程在国民经济中都承担着重要任务，一旦失事，会造成政治经济等方面的重大损失；二是由于水利水电工程大多建于高山峡谷，所处地区区域地形地质构造极为复杂，枢纽建筑物及水库库区涉及空间区域广；三是地质信息众多，钻孔深度可达数十米至数百米,平洞勘探资料可达数百米至数千米，加之水工建筑物的规模宏大、所承受的荷载、在地基内产生的应力和变形等都很大。因此在勘察设计过程中，仅仅依靠传统的二维、静态的表达方式，是很难满足需求的，利用计算机技术进行三维地质CAD建模与可视化分析，是水利水电工程地质领域手段上的突破，也是发展的必然趋势，有着广泛且迫切的需求和必要性。

“水利水电工程地质三维建模及可视化分析系统”是列入中国水电顾问集团公司的科技研发项目，由北京院承担独立自主开发，该项目是基于AutoCAD Civil 3D进行开发，获得了中国水电顾问集团科技进步一等奖、优秀软件一等奖，在国家版权局进行了计算机软件著作权登记。该项目在北京院承担的多个工程项目中进行了应用，对工程建筑物区域进行了三维地质建模，取得了比较好的应用效果。“山东文登抽水蓄能电站三维地质模型”是其中的一个应用实例。这些工程及区域地质条件均有各自不同的特点，从不同侧面验证了本项目的合理性和可行性。通过生产一线地质工程师的使用，说明了本系统具有操作简便、符合一线工程地质人员的工作习惯、易于掌握运用等特点。

项目概况

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区文登市界石镇境内。工程区距文登市公路里程约35km，对外交通方便。电站总装机容量1800MW，年发电量26.28亿kw •h。

电站枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房系统、开关站及出线场等组成。上水库位于昆嵛山泰礴顶东南侧支沟首部，最大坝高101m；下水库位于楚岘河，最大坝高51m。水道系统沿上、下水库之间的条形山体内展布，由上水库进/出水口、引水隧洞、尾水闸室、尾水调压室、尾水隧洞、下水库进/出水口组成，其轴线长度约3100m，地下厂房近中部布置，主厂房开挖尺寸为217.5m×24.9m×53m（长×宽×高）。

图1 文登抽水蓄能电站工程地理位置

图2 文登抽水蓄能电站枢纽工程

工程区位于昆嵛山山脉最高峰泰礴顶东南侧，地势总体上为西北高、东南低，地面高程一般变化在100~800m之间。出露基岩主要为晚元古代晋宁期二长花岗岩，中生代印支期黑云角闪石英二长岩及石英正长岩，三种岩石均为高强度、高弹性模量的坚硬岩石，一般岩体作为建筑物基础及围岩，具有较为优良的工程地质特性。覆盖层则主要为第四系冲积、洪积、崩积及残坡积物等，主要分布于上水库库盆、下水库河谷等主要冲沟内。

工程区构造断裂不甚发育，主要断裂方向为近E-W向，中、陡倾角为主，其他方向断裂较少，多为压扭性断层及长大裂隙，规模较大的断层有F3、F5、F12及F10等。工程区基岩多裸露，风化、卸荷深度不大，是工程地质条件比较优越的抽水蓄能电站站址。

中国水电顾问集团北京院三维设计应用情况

中国水电顾问集团北京院于2007年开始开展三维设计工作，提出三维设计是提高设计效率和产品质量、提升北京院核心竞争力的重要手段。确定以欧特克公司的产品为三维设计的工作平台，地质专业的三维地质模型、水工专业的建筑物开挖和施工专业的道路设计使用AutoCAD Civil 3D 作为基础平台；水工专业的大坝、水道和金结专业使用Inventor 作为基础平台；水工、机电和建筑专业的厂房、机电、建筑和通风使用Revit作为基础平台；最终三维模型的组装使用Navisworks来完成。其最终目标是要实现三维协同设计。

中国水电顾问集团北京院工程地质专业是系统内开展三维设计较早的单位，自20世纪80年代后期开始，北京院成功开发了“水利水电工程地质CAD 绘图系统”，解决了许多二维制图的重大技术问题，可以完成工程地质各类常用图件的绘制。在此基础上，自2003年以来，北京院先后以AutoCAD 和Civil 3D 为基础平台，开发了“水利水电工程地质三维建模及可视化分析系统”，该系统用于水利水电工程地质三维建模及相关地质分析。针对中国水电工程复杂的工程地质条件，提出了一套工程地质体三维建模方法，解决了地质勘探点、三维钻孔、平洞和竖井勘探及地质剖面图等资料同时综合利用的难题。可以建立包括地层、断层、褶皱、透镜体、溶洞、复杂三维地质结构面、错断地质结构面、地形表面、地下水位面、风化界面、覆盖层与基岩分界面等各种地质要素的复杂三维地质模型，同时实现了三维地质模型可视化与工勘成果查询、计算、分析与演示的一体化。该系统具有独立自主的知识产权，符合目前使用的水利水电勘察规范的最新有效版本，符合目前习惯的制图方式和数据格式。便于一线地质人员操作和应用，并为设计专业提供了进行三维设计的基础平台——三维地质模型。山东文登抽水蓄能电站三维地质模型就是使用该系统建立的。

山东文登抽水蓄能电站三维地质模型概况

根据工程设计的需求，配合水工专业三维设计的需求，项目组建立了三个三维地质模型：工程区整体三维地质模型；上水库三维地质模型；地下厂房区三维地质模型。

工程区整体三维地质模型：三维建模的基础图件是采用1：2000工程地质图，如图3所示。主要包括：三维地形、公路、河流；主要大的断层、岩层曲面；水工建筑物：上水库堆石坝、三维水体、水道系统、地下厂房、下水库大坝、下水库三维水体。

图3 工程区整体工程地质图

图4 工程区整体三维地质模型

上水库三维地质模型： 采用1：1000工程地质图作为三维建模的基础图件，如图5所示。主要包括：三维地形、公路、河流；三维钻孔、平洞；主要大的断层、岩层曲面；覆盖层、风化界面；水工建筑物：上水库堆石坝、三维水体。

图5 上水库1:1000工程地质图

利用三维地质模型进行料场储量计算，可以简化计算过程，提高工作效率，使计算结果更加可靠。如在进行上、下水库库区开挖料料源储量计算过程中，根据地质测绘、勘探钻孔及平硐数据建好三维地质模型后，结合库盆开挖形状只需进行简单的差分计算即可计算出不同风化带及覆盖层的储量，相比于传统的平行断面法等传统储量计算方法不仅大大节省了计算时间，而且由于三维计算采用了三角网格剖分原理，因此其精度更高结果也更加准确。

图6 上水库三维地质模型

图7 上水库筑坝堆石料三维计算

图8 地下厂房区三维地质模型

根据计算，上水库各种风化料储量合计约504万m3。其中全、强风化软岩料储量合计约216万m3，占到库区开挖总量的1/3以上，若不加以利用，弃料量将非常大；另一方面堆石料设计需要量为473万m3，而硬岩料储量约为287万m3，仅利用硬岩料储量不足，因此需考虑利用软岩堆石料。

厂房区三维地质模型：采用1：2000工程地质图作为三维建模的基础图件，主要包括：地下厂房及水道系统、主要地质结构面。

利用厂房区三维地质模型，能够更加直观地反映地质勘探成果，对覆盖层、风化带及构造等不同地质单元均能以三维形式进行模拟。如根据勘探平硐等勘察成果对地下厂房及其所揭露的构造进行模拟，能够形象地反映出断层与厂房顶拱及边墙的交切关系并进行初步稳定分析，弥补了传统平切图不够直观的不足。已知主要结构面切割地下洞室围岩形成的若干个块体，可以直接的了解到每个块体的分布位置、形态、体积以及与建筑物的关系。还可以根据结构面的物理力学参数计算块体的稳定性。

三维地质模型的应用与分析

图9 切制平(斜)切图、曲面剖切

图10 三维地质模型切制剖面图

通过完整的山东文登抽水蓄能电站三维地质模型，设计师可以进行全方位的3D漫游展示。项目组使用Autodesk Navisworks进行三维地质模型的整合，并且进行三维动态显示的AVI视频文件，使用Adobe PDF软件进行三维浏览。实现了对三维地质模型多种方式的浏览，以满足工程人员直观多方位的观察与分析需要。包括：三维立体方式、单层显示方式、掀盖层三维显示方式、切面方式、动态显示方式、透明显示方式、三维PDF显示方式等。地质人员可以通过三维浏览为设计师们讲解地质构造，什么地方是地质不良体，什么部位需要工程建筑物回避，设计师们会在三维实体地质模型上看得一清二楚。从而帮助建筑师对建筑的最终造型和外观有更加感性和直观的认识。

图11 地形曲面的高程分析

在水电工程地质勘察中，一项非常重要和繁琐的工作就是切制剖面图和平切图。当三维地质模型建立好以后，实现了在三维地质模型上切制任意方向、任意角度、任意高程部位的各类图件，最终解决了在二维制图中无论是采用手工或计算机都很难解决的技术难题。其中利用三维地质数据模型切制各类地质图件，可以在AutoCAD图形中，没有任何图形元素的情况下，从这些数据文件中切制图件，即减少了AutoCAD图形文件所占用的磁盘空间，又提高了切制速度，而且精度未受任何影响。图9所示是切出的各类平切图。

三维地质模型的建立不仅为工程地质专业本身提供了极大的便利，同时也为设计专业提供了一个三维设计基础平台，设计师们在三维地质模型上可以直接完成设计构思，进行工程建筑物布置，根据地层岩性及地质构造空间环境，可以任意调整设计方案使之获得最佳布置效果，特别是地下建筑物的空间布置、调整、平移和旋转。对于那些用语言和文字都不易表达清楚的工程地质问题，通过三维地质模型各方位的可视化，可以非常直观的表达清楚，达到一目了然的效果。

上水库和大坝坝体做成三维实体，可以利用AutoCAD的命令直接计算出水库库容和大坝体积，如图12所示。

利用Civil 3D原有的功能和北京院自主开发的功能，实现了基础建模数据与三维地质模型的动态关联，即曲面建立好后，当原始数据进行了改变，曲面可以按照更改后的数据进行自动更新。实现了三维地质模型与剖面图、平切图的双向动态关联，这是生产一线工程地质人员迫切需要的功能，也是优秀的三维地质CAD软件所应该具备的功能。同时也在目前水利水电行业三维地质CAD软件中尚属首次实现，具有独创性。

未来展望

三维设计已经在中国水电顾问集团北京院地质专业获得了广泛的应用，目前已经在十多个项目中实现了三维建模和可视化分析。三维地质模型在计算机上的实现，将使工程地质人员的制图水平和地质理论分析水平得以提高，使工程地质制图实现系统化、专业化、标准化。工程地质制图和分析质量大大提高，从而达到在计算机上自动切制各类地质剖面的目标，这一目标的实现，将是工程地质计算机制图领域的一次飞跃。首先得益的是每天为切制各类纵横地质剖面、平切图、分析图等忙得不可开交的地质师们。他们将有更多的时间来进行工程地质分析。大大提高工作效率，节约设计时间。工程地质三维模型在水利水电行业的应用前景十分广阔，大到宏观决策，小到用于水利水电一个具体枢纽工程勘测设计工作。通过三维地质模型，实现任意切制剖面图和平切图，不仅解决了长期困扰地质专业人员的技术难题，同时也为设计专业提供了一个实现三维设计的基础平台，设计专业可以在三维实体地形地质模型上进行水工建筑物的设计、工程量计算等，从而推进勘测设计一体化的进程，这也必将在水利水电工程的勘测设计中发挥重要作用。

受访感言

“BIM是一项新兴技术，是未来发展的方向，它是服务于建筑全生命周期的一个信息平台，用于集成、分享和管理信息，它的表现形式是三维的、实时动态的。在水利水电行业BIM技术必将获得更广泛的应用。”

——中国水电顾问集团北京勘测设计研究院信息中心主任 郑兆信

“之所以我们称三维地质模型的应用是水利水电工程地质专业的一次革命，是因为它将使得工程决策更加科学化、合理化、标准化、系统化，为最终实现水电工程多专业三维协同设计打下一个良好的基础。BIM为我们实现这一目标搭建了非常好的平台。”

——中国水电顾问集团北京勘测设计研究院专业总工程师 徐春才

“目前绝大部分水电设计院在进行设计时，采用的是全2D制图，而水电工程多为巨型或大型工程，巨大的工程量带来了大量沟通和实施环节的信息流失。随着3D技术在行业中逐渐得到重视，带来的不仅仅是效率的提升，更是一次革命。

——中国水电顾问集团北京勘测设计研究院工程师 高立东