数字化技术在高坝大库勘察中的应用

陈建辉，王晨浩，郭抒燕

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，300222，天津；2.天津市龙网科技发展有限公司，300181，天津）

我国现有已建和在建水库98 000多座， 其中坝高超过100 m 的已建和在建水库达191 座， 坝高200 m 以上20 座。

高坝大库前期勘察自然环境恶劣、地形地貌复杂、工作条件艰苦；生产过程中勘察资料整理内业繁琐，传统二维成果不形象、不具体，成果表达形式难以适应与时俱进的设计、业主及审查需求。 在各行各业都在发展智慧化的背景下，急需以数字化技术解放传统勘察生产力。 随着数字化技术快速发展， 一方面无人机、RTK 等终端数据采集、 定位设备向便携、易操作、低成本、多功能方向发展，一定程度上为高坝大库的地表测量、地质测绘工作提供了基础支撑；另一方面高性能软件使BIM、GIM、数值分析及效果模型向简单、高效、智能方向快速普及，为高坝大库地质基础资料整理、水利工程设计及成果展现提供了技术支撑。

高坝大库的勘察工作往往存在工作周期历时数年、设计调整优化、多阶段逐步深入的特点。 通过分析勘察各阶段任务重点以及各专业对地质资料需求， 提出对高坝大库各勘察阶段数字化应用任务重点及技术要求，既满足生产需求，又避免过度投入， 提高勘察成果精准度及勘察生产效率， 推动勘测全过程数字化应用的正向设计， 再循序渐进推动高质量发展。

高坝大库枢纽工程区范围小，建设周期往往数年甚至数十年，后期随着勘测的深入， 数字化成果多次应用、复核、完善后，更加系统化、合理化、精准化，相对于其他地质条件简单、范围广的水利工程，数字化技术应用投入价值优势更加明显。

一、高坝大库勘察各阶段重点

参照水利行业及水利勘察设计单位高坝大库工程勘察设计流程，一般分为规模论证、方案设计、可行性研究、初步设计、招标设计、施工详图设计6个阶段。

①规模论证阶段主要了解各坝址的基本地质条件，初步评价枢纽区工程地质条件和工程地质问题，初步提出岩土体主要物理力学参数建议值，提出坝址、坝型比选的地质初步建议。

②方案设计阶段勘测设计任务为论证设计方案的可行性，并基本确定设计方案，避免可研阶段出现重大调整。 地质方面重点关注影响工程建设和方案比选的重大工程地质问题，以及是否存在制约因素；对影响工程建设和方案比选的主要工程地质问题进行勘察、论证；基本查明制约工程建设和方案比选的主要工程地质条件，评价重大工程地质问题。

③可行性研究阶段是在方案设计阶段的基础上，对选定坝址和推荐建筑物进行论证。 初步查明枢纽区及建筑物的工程地质条件、存在的主要工程地质问题，并作出初步评价。

④初步设计阶段在可行性研究基础上，查明各类建筑物的工程地质条件，为选定建筑物形式、轴线、工程总布置提供地质依据。 对选定的各类建筑物的主要工程地质问题进行评价，并提供工程地质资料。

⑤招标设计阶段在审查批准初步设计报告的基础上，复核初步设计阶段的地质资料和结论，查明遗留工程地质问题，为完善和优化设计及编制招标文件提供地质资料。

⑥施工详图设计阶段工程地质勘察应在招标设计阶段基础上，检验、 核定前期勘察的地质资料与结论， 补充论证专门性工程地质问题，进行施工地质工作， 为施工详图设计、优化设计、建设实施、竣工验收等提供工程地质资料。

二、高坝大库勘察对数字化技术的需求

1.外业方面

传统地表地质测绘工作受恶劣自然环境、复杂地形地貌及艰苦工作条件的影响，存在勘察精度及工作效率低、外业危险性大的问题。 因而勘察前期可能对工程区地质情况整体性、系统性把控不够，可能遗漏部分重要地质信息或造成工作重复。 数字化技术利用航测获得高清影像资料及精准三维定位模型， 实现地形、地表地质信息空间数字化采集， 实现“把外业工作搬到家”的初步目标。

传统勘探钻孔、平硐、探井等野外勘察数据采集广泛采用 “铅笔＋记录纸”的作业方式，后期手工录入成较简单的文字信息，最终以二维剖面图形式展现。 传统模式中往往存在查询存储前期资料不便、重复整理录入工作量大、二维剖面难以真正直观系统等问题。 数字化技术可利用灵活的电子移动终端实现地质勘察工作一次电子化， 减少重复整理录入工作量，提高数据采集、整理效率。

2.内业方面

现状传统钻孔水文试验（压水试验、注水试验）、原位测试（标准贯入试验、圆锥动力触探试验等）、水土常规室内试验（岩土室内试验、水土腐蚀性试验等）等计算过程通常为人工批量、多层次、分别计算统计，同时还需对整理结果进行二次计算统计（如各岩土层透水性判别、物理力学指标建议值选取、液化判别）、三次计算统计（渗漏计算、渗透稳定计算、抗滑稳定计算、抗倾覆稳定计算、不均匀沉降计算等）， 计算统计多利用零散统计表，难以做到规范化、标准化和流程化，数据整理过程易错漏，数据成果校审困难。 数字化技术汇总标准化生产软件，将无纸化、数字化外业采集成果快速获得各种数据计算统计成果，甚至接入相关专业（钻探编录表、岩土试验成果、物探各类测试成果）录入成果，经简单地质分析处理，可获得供报告使用的数据成果。

在“大数据”的背景下，企业应该学会将新兴的互联网技术同人工神经网络模型的建立相结合。依据大数据的ANN模型，把获得的数据同企业内部审计预警机制相结合，并通过实际运用的结果的分析，测试数据的准确性和完整性及企业风险内部的审计过程。

报告编制过程需自动化、标准化模板，使报告编制成为填空式、流水线式作业。 各种地质参数建议值的获取，以大数据作为驱动，结合试验成果及经验修正，快速获得合理的参数建议值。

3.设计配合方面

现状设计配合过程中，提供的勘察成果多为剖面图、平切图，而在设计方案布置过程中希望有和建筑物相关的三维地质信息，这样在布置建筑物过程中更能充分考虑地质条件，避免设计后期因考虑不充分导致建筑物布置调整。

三维正向设计正在快速普及，计算开挖量、土石方平衡等均需以三维地质模型为基础模型， 数值分析、效果模型的建立如果以地质模型为基础，可大大简化建模流程，提高产品质量及效果。

4.成果的延续性

高坝大库自勘察至完工往往数年甚至数十年，需综合性的软件及数据存储平台，使数据可溯源、可延续，不受人员更替影响。

三、各勘察阶段数字化技术应用分析

①规模论证阶段重点关注区域构造及稳定。 可利用LocaSpace Viewer 查询工程区附近主要构造，结合区域影像初步分析构造应力场、区域构造稳定性。

②方案设计阶段外业以地表测绘为主，辅以必要的勘探工作。 可基于倾斜模型，利用IDATE-3D 提取基岩覆盖层界线、地层界线、不良物理地质现象等地质信息， 经现场复核后， 导入GeoStation 快速建立地质三维模型，为报告编制提供支撑。

④初步设计阶段外业工作针对建筑物，对坝基渗漏、边坡稳定等重要问题进行研究。 以地质三维模型为基础，根据规范要求，有目的有重点地优化外业勘探布置，为设计优化建筑物布置提供支撑。 以地质三维模型为基础，利用GTX、NX 等数值分析软件快速建立数值分析模型，对重要工程地质问题进行模拟分析，并提出工程处理措施建议。 以地质三维模型及倾斜模型为基础， 利用Supermap、SketchUp、Lumion 等效果制作软件建立开挖后实景地质模型及效果模型，满足审查、参观展示需求。

高坝大库勘察各阶段对数字化技术的应用应根据勘察深度，采用相应技术手段，循序渐进、逐渐深入，满足各阶段工作需求，提高工作质量及效率，见图1。根据项目进展进行正向设计和持续更新，避免重复工作。 地质模型应用于数值分析模型及效果模型，延长地质模型寿命。 外业采集、地质三维模型、数值分析模型、效果模型相互配合， 简化各模型基础工作，提高效率。 在传统地质三维建模软件GeoStation 基础上，利用itasCAD提高建模效率，在传统效果模型制作基础上结合倾斜模型，更加真实地反映工程现场。

图1 数字化技术在高坝大库勘察各阶段应用流程

四、工程应用

数字化技术在四川高桥水库及西藏多个高坝大库项目勘察过程中进行了不同程度的应用，得到了优越的效果和反馈。 其中西藏两座水库海拔均在4 000 m 以上， 通过倾斜模型进行数字化外业信息采集，地表测绘工作时间能节省约70%，在提高测绘精度及产品质量的同时，减少了高海拔对勘察人员的影响；利用地质三维模型切制工程地质剖面图，比传统方法节省制图时间约80%；利用地质三维模型生成数值分析模型，或利用倾斜模型生成效果模型，在模型精度及效率上均有质的提高。 自实景三维模型进行数字化外业信息采集，到地质三维模型建立、二维出图、工程地质分析和评价、数值分析及效果模型建立，数字化技术切实提高了生产效率及产品质量。

五、结 语

数字化技术在高坝大库勘察中可减少外业勘察工作量，提高勘察精度、效率、产品及服务质量，推动勘察过程中数字化应用的正向设计，工作逐渐深入、互为基础、循序渐进，可避免大量的重复工作。 高坝大库建设周期长，数字化技术相对其他水利工程可用性更高。

与此同时，数字化技术在实践中也存在一些不足之处， 如数字化技术发展速度跟不上与时俱进的勘察需求，受勘察专业性强限制，软件开发人员要求高， 受植被茂密影响部分地区定位困难， 在线状工程勘察中运用效率较低等， 相信随着计算机及网络行业的进一步发展， 此类问题也会逐步解决， 数字化技术的应用将给高坝大库勘察带来越来越多的效益。 ■