水利工程信息模型：方法、框架与应用*

徐文杰 曾树元 徐慧雅 张 斌 王 瑞

(①清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084，中国)

(②中国电建贵阳勘探设计研究院有限公司，贵阳 550081，中国)

(③中国矿业大学(北京)，北京 100083，中国)

0 引 言

随着计算机可视化及数字技术的发展，建立在野外地质调查资料分析基础上的二维地质模型(地质图)已经不能满足行业发展的需求。快速构建地质体的三维“概念模型”，从而更加真实、直观地展示地下岩层、矿床及地质构造等的空间分布和定量化分析，并进而深入揭示地质体的演化机理，近几年得到了飞速的发展。目前，三维地质模型已经成为地质矿床资源开发(郭智等，2015；李金池等，2020)、地质构造(陈麒玉等，2020)及城市地下空间利用(刘欣等，2020)等重要的基础性工作。纵观目前地质建模发展及应用，主要集中在地质结构模型(如，岩层、地质构造等)及地质属性(岩性、电阻率、孔隙度等)的三维空间分布及可视化表达上；从数据模型上也主要是采用实体化单元的网格模型(吴立新等，2007；Kaufmann et al.，2008)，这将使得模型精度很大程度上依赖于所采用的网格大小，而且在进行区域性地质模型构建时会导致大规模的数据网格。而基于面的网格建模方法，可以轻便地实现任意复杂的及大区域的三维地质模型重构(Varga et al.，2019)。

地质模型也是大型工程建设和稳定性评价的重要基础。然而受现有三维地质模型建模方法及数据格式的限制，目前的三维地质模型很难直接用于工程的设计、稳定性计算分析，从而使得已有的三维地质模型只能到达“可视”，而无法直接用于“可算”。基于逆向工程建模技术，徐文杰等(2007)，将其应用于三维地质体建模，实现了“可视”与“可算”的统一，为快速、精细化地质建模提供了新的思路，同时为地质体的稳定性分析提供了模型基础(邓小龙等, 2017；高相波等, 2020)。

近几年来建筑信息模型(BIM)作为一种具有极高效率的建筑设计施工新方法和建筑过程的数字化表达技术，融合了参数化技术和信息管理技术，极大地促进了工程设计、施工服务以及设施项目管理的协同过程，已经成为世界范围内行业内增长最快的工具之一(Ku et al.，2010)。BIM提供的以三维模型为核心的系统不仅拥有立体全方位观察模型，具有可视化建筑模型、相互关联的模型设计、信息高度整合、跨阶段和学科的协调性等优势(张建平等，2009)。而对于大坝、隧道、边坡等工程而言，工程建筑结构与地质体是一个有机的整体，三维地质结构模型是工程的设计、施工及稳定性分析等的重要基础。受模型数据格式的影响，使得目前常用的“三维地质模型”与工程结构的“BIM”无法融合。而且，由于地质体具有结构复杂、空间单元复杂等特征，使得模型在建立过程中工作繁琐、甚至难于进行，有的研究者为了建立一个合理的模型甚至要花费几周的时间。为此，国内外在对工程地质体的数值计算分析中往往不得不对地质模型进行大量的简化，这在一定程度上影响了数值计算分析的效果。

构建具有统一数据格式的“三维地质模型”和工程结构“BIM”，一方面实现重大工程中“地质-工程”的融合与信息化分析，另一方面实现模型的“可视-可测-可算”等功能的融合，对于重大工程的全生命周期运行和管理无疑具有重要的意义。

1 三维信息模型重构

重构复杂地质体的三维精细结构模型，是对地质体稳定性分析的前提，也是重大工程结构设计、稳定性评价及全生命周期运行和管理的关键问题。在三维地质建模中常用的软件有GoCAD、Petrel及ArcGIS等，但这是软件在三维模型的数据结构上或者是建立在自己独立的数据格式上、或者建立在GIS的三维数据格式上，而难以与目前通用的三维模型文件建立接口。目前工程中最常用的BIM软件为Autodesk 公司的Revit软件，虽然Revit软件在工程结构建模方面有着强大的优势，但是难以用于建立复杂的三维地质模型。因此，要解决“三维地质模型”与工程结构“BIM”的统一融合，需要建立在统一的通用三维模型数据格式基础上。

随着计算机硬件及软件技术的飞速发展，三维建模技术在各行各业取得了飞速的发展，尤其在制造业、电子业、鞋业、艺术业、医学工程及产品造型设计等领域，涌现出多款强大的CAD及CAM三维建模软件。这类CAD及CAM三维建模软件，一方面可以实现复杂模型的逆向工程建模及参数化建模；另一方面也可以实现复杂几何模型的布尔运算(相交、相加及相减)，从而构建更为复杂的模型。此外，它们大都建立在通用的三维模型数据文件基础上(如*.stl、*.obj、*.igs等)，这也是目前主流三维建模程序所采用的数据文件格式，一方面可以非常方便地用于自主开发数值计算软件的模型前处理；另一方面，可以直接导入一些常用数值计算软件(如，Abaqus，ANSYS等)进行网格划分及数值计算。

法国达索公司开发的Catia作为目前主流的强大的三维CAD/CAE/CAM建模软件之一，该软件具有强大的三维模型构建能力，在建模过程中可以通过CAD设计图正向建立三维模型，也可以通过导入点云等方式逆向生成三维模型；此外还具有强大的参数化建模和复杂曲面生成功能，并支持二次开发，因此被广泛应用于工业制造行业(如飞机制造、汽车制造等)。Catia从建模思路上与三维地质模型重构及工程结构三维建模具有一致性，因此近几年来在三维地质建模(徐文杰等，2007；王秋明等2011；马丹璇等，2014；钱骅等，2014)及BIM(秦海洋等，2021)方面取得了一些应用性的成果，并体现出其强大的优势。为此，本文将基于Catia开展三维信息模型重构研究。

2 大型水电工程三维信息模型

我国西南大型水电工程中受区域强构造运动及全球极端气象影响，库区地质灾害是影响电站全生命周期正常运行的重要因素之一，尤其是随着梯级水电工程的不断建设，库区重大地质灾害将趋于链生灾害过程发展。因此，水电工程在设计、施工及运行期，库区地质体稳定性-库坝工程建设是一个系统的有机整体。对于水电工程而言，构建库坝区大型滑坡地质体的三维精细化模型(LIM)及枢纽工程建筑信息模型(BIM)，实现库区LIM-BIM的融合与统一，形成水电工程三维信息模型(HIM)(图1)，对于实现水电工程信息化管理、稳定性分析、潜在灾害评估和预测等具有重要的意义。本节将以贵州省索风营水利工程为例进行阐述。

2.1 滑坡信息模型(LIM)

堆积体滑坡水电工程中最常见、也是影响最大的一类滑坡体，其稳定性演化受降雨、库水位变动等外部营力因素影响较大，因此一直是水电工程建设中重点关注的库区承灾体。同时，由于堆积体滑坡结构通常结构比较复杂，其三维信息模型重构方法也相对较为复杂。目前工程中对堆积滑坡的野外测绘及勘察成果通过包括工程地质图(含地质图)、钻孔柱状图、工程地质剖面等信息(图2，表1)。LIM即是基于这些多源信息，实现滑坡体三维地质模型的重构和分析，即“逆向建模”(图3)。滑坡体的这些信息数据格式，一般为通用的文本文件或CAD文件。

表1 卞家寨堆积体部分钻孔信息Table 1 Parts of borehole information of the Bianjiazhai Slope

对于滑坡区地形有时是采用三维激光扫描或倾斜摄影的方法获取地形点云，需要删除明显高程有误的点及去除地面树木和建筑，从而得到表征地形信息的点云数据。若地形信息为CAD格式的等高线、或数字高程(DEM)等，需要通过脚本将其转换为地形点云数据。基于地形点云数据，通过利用Catia中的“创建网格(Mesh Creation)”功能创建形成地形三角网，并进而利用“表面重构(Surface Reconstruction)”功能实现实体地形曲面逆向重构建模(图4)。

基于野外工程地质勘察得到的堆积体边界(图2a)、地质剖面(图2b)、地质钻探(表1)等信息，并根据其空间位置，生成相应的三维空间信息模型(图5)。从图5可以看出，各条已有的地质勘探剖面并不平行，难以直接重构生成相应的滑动面。为了生成合理的堆积体基覆面及内部分界面的三维模型，采用Catia正向三维面建模方法，为此需要根据已有的剖面信息创建新的与堆积体(滑坡)主剖面线平行的剖面。如图6所示，第8、第9、第10、第11 4条剖面线方向与堆积体主方向基本一致，这4条剖面线将直接用于堆积体基覆面及内部分界面的重构，其余剖面线作为参考并新的平行剖面线。新构建的3D剖面曲线(图6b)与8、9、10、11平行，且尽量穿越已有剖面线。生成的剖面线两端需穿过滑坡范围边界线，一方面容易控制创建滑面范围，另一方面能够后续与地形面相互切割。滑坡边界范围的两侧无控制线，生成的滑坡面范围与划定的区域(滑坡范围)不吻合，需在两侧添加边界控制剖面(图6c)。生成相应的引导线(图6c)，穿越所有平行剖面线，并基于Catia中的[多截面]功能生成堆积体基覆面(及其他分界面)的曲面模型(图6d)。曲面生成后，可通过对平行剖面线调整，来调整曲面模型；并通过调整，使所建立得到的基覆面(及其他分界面)平滑合理。最后与地形面切割生成最终滑动面以及滑体(图7)。

2.2 工程建筑结构信息模型(BIM)

对于工程建筑结构信息模型(BIM)的构建，在Catia中主要是采用其正向建模方法，根据大坝、引水隧洞等工程的2D设计图纸(图8)，构建其三维模型(图9)，实现工程模型的三维信息化及可视化管理，并为HIM提供信息和模型基础。

3 HIM应用

基于上述提出的水电工程信息模型，以贵州省乌江索风营电站为例开展相关应用性研究。索风营电站位于贵州省中部乌江中游六广河河段，是乌江梯级开发的第5级水电站。电站枢纽工程为大(Ⅱ)型，由碾压混凝土重力坝、右岸引水发电系统、左岸导流洞(渠)构成。近坝库区存在有4个大型堆积体，其稳定性对于电站的安全运行有潜在的影响。本文将依托索风营电站大坝及近坝库区4个大型堆积体为依托开展HIM的应用研究。工程模型包括卞家寨上游2km及下游5km(含大坝下游3.5km)的近坝库区，图10显示了索风营电站的HIM全景。

基于所建立的HIM，可以实现：

(1)库区内堆积体的工程地质信息三维可视化查询、分析及参数管理。

由于所有模型基于Catia构建，可以生成*.stl、*.obj 及*.igs等标准化三维模型文件，从而方便地用于不同场景的三维模型可视化、分析及后续数值计算模型网格划分等。

同时，也可以根据建立的地质体的三维地质模型，进行定量分析。如本文中，一方面可以实现各个堆积体的三维地质模型可视化查询、分析和参数特征赋值(表2)；另一方面，也可以准确计算得到各个堆积体的体积(表3)，从而实现堆积体三维地质信息的定量化表征。

表2 索风营电站库区堆积体物理力学特性参数Table 2 The parameters of the deposits in the reservoir of Suofengying Hydropower Station

表3 索风营电站近坝库区堆积体体积Table 3 The volume of the deposits in the reservoir of Suofengying Hydropower Station

(2)水库蓄水与堆积体关系时空分析及监测信息的三维空间管理与可视化分析

HIM 建立一个基础性的水电工程、地质模型框架平台，提供准确的水电工程结构及地质信息，可以作为水电站各种专用模型的一个共同基础，以节省成本。图11显示了电站正常蓄水位状态是库区及堆积体的淹没情况分析。

(3)基于LIM的滑坡数值计算模型

根据上述建立的卞家寨堆积体LIM，构建滑坡三维有限元数值计算分析模型(图12)。采用8节点六面体单元，共584640个单元，6154265个节点。根据滑坡体实际的工程地质结构特征，数值计算模型将滑坡区划分为3个分区：块碎石区、层状变位岩体区及基岩。其中块碎石区构成了堆积体的主体。

为了考虑“层状变位岩体区”内部含有较大的块石，基于蒙特卡洛法根据空间位置随机在生成模型时将构成该部分15%的单元设置为“块石”，以研究块石对其力学性质的影响。从 图12也可以看出“层状变位岩体区”的随机分布的“块石”空间分布特征。

4 结 论

随着信息化、三维模型及三维可视化技术的飞速发展，三维信息化模型对于重大工程的全生命周期运维具有重要的意义。然而，结构BIM、三维地质模型在数据格式上的不统一，导致不同功能的三维“模型”难以融合，从而大大限制了模型的应用。

本文基于三维建模技术提出了大型堆积体的三维精细化模型(LIM)及枢纽工程建筑信息模型(BIM)建模方法，并针对大型水电工程及库区工程地质特点提出水电工程三维信息模型(HIM)基本框架，实现库区LIM-BIM的融合与统一。大型水电工程HIM建立了一个基础性的水电工程、地质模型框架平台，提供准确的水电工程结构及地质信息，可以作为水电站各种专用模型的一个共同基础，对于实现水电工程信息化管理、稳定性分析、潜在灾害评估和预测等具有重要的意义，并且节省成本。

论文以索风营电站近坝库区为例，实现了大坝精细化BIM及4个堆积体的精细化三维地质模型(LIM)的融合，构建了其HIM，为后续堆积体稳定性分析及库区地质灾害链生动力学分析奠定了基础。