安全且具韧性的水坝与堤防-中仿数字化方法助力关键水坝基础设施的规划、建设与监测

概要

全球许多水坝基础设施正在老化。要在预算内保持其安全、稳定与高效，难度正与日俱增。与此同时，未来的水坝与堤防可能需要建在更难施工和设计的区域，这带来额外挑战。

深入了解水坝的结构、地基、地下及周边影响区域，对于维持其在防洪、供水或能源利用中的正常运作愈发重要。数字孪生技术结合直观易懂的三维地质模型，是应对这些挑战的理想答案。二者结合能够更清晰地揭示问题，将其有效传达给业主、运营方及工程团队，加快决策过程，同时降低成本。

水坝和堤防处在多学科交叉的复杂领域。工程与地学专家必须合作，而非陷入传统壁垒，才能发挥效能。

"美国92,000多座水坝的平均年龄为64岁。换句话说，如果把水坝看作人类……大多数已经接近退休。"——Pat McLarin，Seequent民用事业部总监

我们面临的挑战

水坝与堤防对我们的生活方式至关重要。没有它们，全球的水资源与能源供应将陷入危机。它们是社会的基础支撑——从农作物种植，到工业生产，再到日常供水。

然而，“现代”一词却很难用来形容全球许多水坝与堤防。它们建造时，全球人口仅30多亿，如今已达80亿且仍在增长。随着需求增加，这些关键而常被忽视的基础设施承受的压力只会越来越大。

保持其韧性与持续运作至关重要。幸运的是，今天的专业人士能够借助数字化工具，比前人拥有更多优势。Seequent与Bentley携手带来数字化方法，有助于有效管理、监测水坝与堤防的健康状况，并保持其性能。

本文将探讨这一方法如何为现有水坝与堤防管理提供更多洞见，并助力下一代设施的开发，同时增强工程师与地质学家决策的信心。

地基条件的影响

不足（Too little）

• 艰难的选址：最适合蓄水的坝址往往是狭窄峡谷或河谷，但这些地方往往是河流冲蚀最薄弱的地带，存在断层和破碎带，导致地表与地下问题。

• 复杂的地下环境：施工需充分考虑地质与岩土条件。水坝的土石或混凝土结构与周边地基及地下环境形成复杂系统，必须全面理解，方能确保结构的长寿命。

• 边坡稳定性影响：地下水位抬升会削弱边坡稳定性，后果可能灾难性。例如1963年意大利Vajont水坝滑坡并漫坝，造成约2,000人死亡。

• 气候变化挑战：气候变化使水坝压力增加。干旱区需要更多安全的水坝，强降雨则可能超出防洪与泄洪能力。

过多（Too much）

• 防洪价值巨大：仅在美国，堤防就保护了价值超2万亿美元的财产和2,300万人。

• 现有防洪设施不足：极端天气与强降雨增加，美国土木工程师学会估算，需要200亿美元投资修复高风险水坝。

• 压力不断增加：沿海低洼区海平面上升与风暴潮加剧，近期极端洪灾已导致利比亚沙漠和喜马拉雅山区的水坝失事。

• 绿色能源推动：全球碳中和进程推动超1万亿美元投资，新增740GW水电装机容量。大型项目尤其在山区需大量隧洞开挖，地质不确定性高，更需深入了解地基条件。

水质不达标

• 更严格的水资源监管：清洁水对生活和公共健康至关重要。政府机构监管水质，工程师需通过测试、水库充气、坝体内衬等手段保障水质。

• 实时数字监测：水质监测已从SCADA系统发展到基于数字孪生与水力网络模型的实时监测，能自动分析氯含量、水龄等参数，减少污染与泄漏风险。

• 矿业尾矿挑战：尾矿库用于防止污染水危害周边，设计难度大。重大尾矿坝事故促使全球制定标准，目标是“零伤害”。

数字化水坝

虽然许多水坝建于数字化工具普及之前，但它们仍能“补课”。

• 旧系统往往数据类型有限，且数据分散存储，难以整合，削弱了对水坝健康的整体认知。

• 手工分析大规模数据困难，影响分析深度与决策速度。

但老水坝同样可以进入数字时代。例如，旧的施工记录与手绘地质图可扫描并注册到数字模型中，成为宝贵数据。还能利用地球物理勘测与LiDAR建立真实模型，结合物联网监测裂缝、渗漏与露头。

“你的旧数据比想象中更有价值，数字化水坝与延长寿命的方法比预期更多。”——PatMcLarin，Seequent民用事业部总监

数据与痛点

• 79%的水坝业主以Excel作为主要数据管理平台

• 59%的业主表示：数据维护困难、缺乏可视化是首要痛点

• 55%的业主表示：易出错的数据是第二大痛点

数字化工具如何发挥作用

对水坝与堤防基础设施形成统一、详细且富有洞见的认知，是其有效管理的核心。

如果缺乏多方共享的统一认知，那么任何项目的高效管理都会变得更加困难——无论是新坝建设、加高改造、帷幕灌浆、溢洪道升级还是监测项目。

相关方包括坝主、咨询工程师、承包商、监管机构和当地社区。各方对数据的需求不同，公众尤其可能难以理解其中含义。

解决之道在于建立基础设施及其场址的数字化模型——一个由数据驱动的环境及一整套数字工具，来整合现实模型、地球物理与岩土分析、物联网传感器等信息，从而形成关于岩土与地下水条件、水坝与地下泵房、隧洞施工及坝体完整性的统一理解。

解决方案

健全且高效的数字工具关键要素
Seequent与Bentley的水坝与堤防解决方案可帮助您理解场地与结构，并传达相关洞见。它为利益相关者提供及时见解，为设计提供可靠数据，帮助传达风险并预测全寿命周期的变化。

一切始于对场址的地质、水文地质和岩土数据的清晰理解：

• 通过OpenGround在云端轻松管理、分析和报告历史勘察数据。

• 将高质量数据无缝接入Leapfrog Works概念场地模型，更早提升地质理解，识别风险并优化后续勘察。

• 借助Seequent Central跟踪项目全程的地下认知演变，自动生成决策点与模型审查的可追溯记录。

工程设计与BIM模型开发

• 借助Civil WorkSuite的参数化CAD建模，快速应对变化需求，自动生成图纸。

• 与中仿GeoStudio、PLAXIS等行业领先软件联用，分析边坡稳定、孔压、帷幕与排水设计、加固措施及变形沉降。

• 使用无人机LiDAR或地面扫描生成的真实网格，将现状条件准确呈现在iTwin数字孪生中。

• 在iTwin中接入物联网监测，实现运行状态与安全警报集中管理。

• 借助iTwin制作直观可视化成果，提升与利益相关者的沟通。

方案深度解析

岩土与地球物理数据管理——OpenGround

• 在基础设施施工前、中、后对地基条件的更好理解有助于优化设计、减少材料用量并降低风险。

• OpenGround提供安全的、空间感知的单一数据源，覆盖所有历史与当前岩土数据和实验结果。

• 云端连接提高团队间的数据可访问性，并通过开放API支持与第三方应用集成。

Res2DInv与Res3DInv Professional

• 通过电阻率层析成像（ERT）检测渗漏、内部侵蚀及地基缺陷。

• 可生成不同时期电阻率模型的变化比图，并通过二维/三维可视化揭示坝体内外的渗透区。

• 是进行时序ERT数据建模的理想工具。

三维地质建模——中仿Leapfrog Works

• 可生成三维地下模型，增强对坝基条件的理解。

• 动态更新模型，减少返工，保持准确性。

• 直观清晰的三维可视化促进跨专业团队和非技术人员沟通。

• 有助于优化设计、评估环境影响，并满足监管合规要求。

岩土设计与分析——中仿GeoStudio与PLAXIS

• 施工前分析：预测固结引起的变形，验证设计稳定性。

• 施工后分析：确认建成条件是否满足稳定与渗流要求，必要时提出补救措施。

• GeoStudio适用于极限平衡与应力分析，PLAXIS可处理复杂土-结构相互作用。

• 关键事件（如地震或洪水）模拟：PLAXIS可预测坝体在这些情况下的失效程度。

• GeoStudio还可模拟气候条件变化对坝体孔压的影响。

工程设计——Bentley Civil WorkSuite

• 包含MicroStation、Open Roads、Open Tunnel、OpenSite Designer，支持从坝体到地下结构的全面设计。

• 与ProjectWise集成，支持协同设计与数字化交付。

• Open Tunnel Designer可高效建模各类隧洞，结合Leapfrog Works模型并一键导入PLAXIS进行加固设计验证。

• 参数化BIM建模与自动化出图帮助快速应对范围变更。

施工——SYNCHRO 4D与Project Wise

• 尾矿坝在寿命周期内需持续施工，数字孪生可降低风险、缩短工期。

• SYNCHRO4D可将设计模型转为施工模型，实现工程量提取、排程和施工模拟，并在沉浸式4D环境中减少风险与返工。

• ProjectWise支持跨团队实时协作，提高质量、降低成本。

供水与数字孪生——OpenFlows与iTwin平台

• OpenFlows提供全面的水力建模软件，用于规划、设计与优化配水系统，并支持水质分析（物质扩散、水龄、微量元素等）。

  iTwin平台：

• oiTwin Capture：通过三维真实网格直观展示水坝现状，辅助监测与缺陷识别。

• oiTwin IoT：整合监测数据，及时发现风险行为，生成预警与报告。

• oiTwin Experience：提升数据共享与参与度，加快应对不利事件。

前进之路

要实现进步，必须转变水坝的设计、建设与运行方式。

数字化工具不可或缺。它们通过云端数据驱动的方法改进工作流和分析，提升协作与参与度，为关键基础设施带来更深层次的理解与韧性。

水坝与堤防处在多学科交汇处。工程师与地质学家必须围绕统一认知合作，而非各自为政。          
Seequent与Bentley携手，提供业内最全面的工程与地学解决方案，覆盖所有挑战。

“无论您面对的是老化基础设施还是新建项目，数字化解决方案都能帮助您更高效地贡献力量，成为首选合作伙伴，同时节省资金并支持业务扩展。”——PatMcLarin，Seequent民用事业部总监

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