单 威，潘宏岳，李国宁，黄军学，李丽娜

(1.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区水利事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

水库淤积层受区域水文特征、运行工况及工程地质条件等多种因素直接影响，其分布特征多变复杂，为精准确认清淤量、提高工程预算精度、直观反应工程清淤社会影响，是合理设计清淤方案所需考虑的主要问题。

建筑信息模型BIM作为水利行业逐步推广普及的新兴协同设计模式，是内蒙古自治区水利设计行业发展的重要研究内容，具有提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展的优点。

本次研究以昆都仑水库清淤工程为研究对象，在查明现状工程地质、水文地质条件基础上，根据库区淤积层布置的钻探勘察成果，运用北京院地质数据BIM管理系统及Civil 3d软件，建立水库库区的三维地质模型，精确模拟淤积层中再利用层、无用层、基岩层的岩性、构造影响、及分布范围，直观反应各层间接触关系，准确计算各层体积方量，与多专业体系协同设计，为开展BIM设计清淤方案、精准计算工程投资建立地质模型基础。

2 研究区域概况

昆都仑水库地处内蒙古自治区包头市西北方，位于黄河一级支流昆都仑河下游沟口处，于20世纪50年代修建，经除险加固后设计总库容7850万m3，工程规模为中型，工程等别应为Ⅲ等，由于其保护对象的重要性，水库永久水工建筑物工程级别提高1级。近年来，水库淤积问题突出，主要原因有两点：其一为上游支沟及山脉近年来大规模采矿采石，导致植被破坏，水土流失问题严重；其二为昆都仑河下游近包头市区段近年来打造湿地公园，为保证公园安全，限制水库下泄流量，一定程度上影响了水库正常运行管理，汛期洪水来时无法开闸冲砂，导致逐年淤积。现状水库坝前淤积高程约为1155m，高于新建泄洪冲砂洞入水口底高程1145m，现状淤积库容约3300万m3，占总库容7850万m3的42%。现状淤积已对水库运行安全、经济效益、流域生态环境造成了不利影响。

3 三维地质模型

3.1 模型概况

3.1.1模型边界

3.1.2模型分区

本次研究结合昆都仑水库库区现状淤积特性，将库区沿顺水流方向划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，并针对3个区域共布置了11个典型剖面，51个钻孔进行勘探取样。经室内试验定名并确定各层控制深度，剖析模型网格分区，将模型同步概化划分为3个分区：

Ⅰ区：主砂砾石层(再利用层)分布区；

Ⅱ区：上砂砾石下淤泥质粘土混合区；

Ⅲ区：主淤泥质粘土层(无用层)分布区。

模型分区及钻孔孔位如图1所示，地层分布及钻孔成果统计见表1。

图1 模型分区及钻孔孔位示意图

表1 地层分布及钻孔成果统计表

3.2 建模流程

(1)收集二维资料，包括但不限于平面图、剖面图、柱状图，原始地形图等。

(2)将上述资料录入到三维建模平台的数据库中。

(3)通过基于civil 3D的三维建模平台，将原始二维地形图转成三维建模所需要的地形曲面。导入测绘专业提供的地形面，

(4)将基础地质资料导入三维建模平台，通过系统提供的各种功能将基础地质资料转换为空间点、线数据。通过点模型、线模型，建立各地质曲面，包括地层岩性、覆盖层、基岩等。

(5)通过提取各地质曲面间的实体，并通过并集、差集、交集等实体运算，建立各地质体的实体模型。

(6)输出模型，为后续设计专业应用提供实体模型或各类曲面。可以将模型直接导出为nwc格式，利用Nawiswork为平台，将设计模型与地质模型合并。

3.3 建模技术路线

建模技术路线如图2所示。

图2 建模技术路线

3.4 模型成果运用

3.4.1清淤量精准计算

根据地质钻孔数据构建砂砾和粘土的地质曲面，砂砾层曲面和粘土层曲面。结合地质曲面结果，可分区分土质计算清淤工程量。计算原则如下：

(1)砂砾层(砂砾仅在Ⅰ区存在)

高程情况计算原则砂砾层底部高程>开挖面高程沙砾层曲面-原始地形砂砾层底部高程<开挖面高程清淤完成曲面-原始地形

(2)淤泥质粘土层(Ⅱ区、Ⅲ区)

a.无砂砾层存在时：清淤完成曲面-原始地形

b.有砂砾层存在时：

高程情况计算原则砂砾层底部高程>开挖面高程无粘土砂砾层底部高程<开挖面高程清淤完成曲面-砂砾层曲面

根据以上原则，根据不同施工组织方案，分别计算不同清淤高程情况下各层清淤量。例：清淤至1140高层线时，累计清淤量为27094420m3，见表2。

表2 开挖1140m底高程清淤工程量统计表

3.4.2施工模拟

(1)模型拆分

根据淤积厚度和地层岩性，将库区淤积体划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个大区。平面内以库区中位线为界，将Ⅱ、Ⅲ区左侧和右侧沿水流方向每200m划分一个小分区，Ⅰ区土层较薄，每500m划分一个小分区，左侧偶数、右侧奇数，分别编号。立面内从现状淤积面向下，每4m分一层，这样就将库区淤积体总共划分成163个单元，每个单元为一个工作面。根据施工组织提资成果施工分区图，对三维实体模型进行按区域拆分，如图3所示。

图3 库区淤积物模型拆分分区方案

(2)施工模拟

按照施工原则：分层开挖深度为4m，先挖下游，再挖上游；先挖双数区，再挖单数区，相邻开挖区域高度不超过4m。对区域拆分后的实体模型进行按层拆分，根据整个区域的高程范围，确定开挖的底部高程为1145m，顶部高度为1173m。并对不同高程的开挖层进行区分配色。根据统计的分区分层的实体单元工程量，提资给施工组织专业，定制施工计划进度。结合实体模型和施工计划进度，制作施工模拟动画。

3.4.3水库实体模型设计

地质模型完成后，根据施工计划进度提供的施工分区方案，将Civil 3D中完成清淤开挖的数据无缝导入Infraworks，同时完成大坝、溢洪道、泄洪洞等建筑物BIM建模，按实际坐标精确放置于开挖后的GIS场景中，完成了昆都仑水库清淤后的BIM模型。另外，根据水库正常蓄水位在库区添加水域，完成了昆都仑水库清淤后蓄水BIM模型。

3.4.4清淤效果展示

通过模型成果运用及施工组织设计，精准预测多种清淤方案下库区清淤量，直观展示清淤前库容与清淤后即本次开挖后库容成果对比效果，详见表3，如图4所示。

表3 清淤前库容与清淤后即本次开挖后库容成果对比表

图4 等高程清淤前后库容对比图表

4 结论

(1)本次采用三维地质模型进行基础框架构建，精确计算水库清淤量的方式，具有精准、直观、高效的特征，提供了一种全新的集成图、土石开挖预测、可视化同时进行的综合性解决方案，能够作为地质人员全新的工作模式。该方法同样可应用于水库工程、输水管线、河道治理等多种水利设计及施工过程。

(2)本次研究在运用建筑信息模型BIM协同设计模式基础上，短时高效的完成了地质建模、施工组织模拟、清淤方案设计及投资概算一系列设计内容，实现了全专业同时参与反馈、全程模型直观演示、设计参数实施汇总的设计过程，切实体现了BIM提高工作效率、节省资源、降低成本、可持续发展的优点，是水利设计行业未来发展的重要方向。