1、第 卷第 期红水河 年 月 水电站工程数字化技术应用孙正华，陈毅峰，崔 进，唐腾飞，龚 刚，王 锦（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳）摘 要：水电站位于西藏高海拔、高严寒、高山峡谷地带。为了解决野外勘察难，狭窄河谷条件下场地空间利用受限，全专业全过程协同设计效率低，移民征地范围实物指标调查确认困难，以及环水保设计与生态修复结合不紧密等问题，通过借鉴国内外智慧工程建设经验，综合运用当前数字化技术手段，使得 水电站勘察设计质量及效率有了极大提升，达到了工程提质增效的目的，取得一些实际应用成效的同时，为藏区工程建设过程中面临的一些共性问题提供了解决思路，可供其他类似工程参考。关键词
2、：高海拔；高严寒；水电站工程；数字化技术；应用；协同设计；西藏中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,):,:;概述随着“十四五”能源领域科技创新规划的出台，数字经济被各行业及企业提上了日程。所谓数字经济，是以数据资源为关键生产要素，以现代信息网络为重要载体，以信息通信技术的有效使用作为提升效率和经济架构优化的重要推动力的一系列经济活动。而要发挥数字经济效益，则首先需要进行数字化转型，数字化转型的主要发力点是数据的纵向集成，数据价值则体现在生产流通全过程，数据资产将在工程全生命周期中形成，并成为生产资料。目前，工程数字化主要是在单点工程的数字技术应用，包
3、括、物联网、遥感、倾斜摄影、移动互联等技术应用，辅助工程科学决策。水电工程数字化应用则同样是基于这些技术手段进行综合应用，以挖掘数字资产经济效益，优化提升传统水电工程勘察设计手段，解决一些工 收稿日期：；修回日期：作者简介：孙正华（），男，湖北黄冈人，高级工程师，硕士，主要从事水电工程设计及 运用研究。：。红水河 年第 期程实际问题。本文以 水电站工程数字化应用为例，结合工程项目特点，综合应用当前多项数字化技术手段，解决了藏区工程项目一些共性问题，取得了一些实际应用成效，达到了提质增效的目的。工程概况 工程简介 水电站位于雅鲁藏布江中游河段，其开发任务以发电为主，促进当地的经济发展及环境保护。
4、电站采用坝式开发，坝址以上集水面积 ，多年平均流量 。水库正常蓄水位 ，相应库容 亿，调节库容 亿。电站装机 台，总装机容量 ，多年平均发电量 亿 。电站为等大（）型工程，枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统和左岸地下厂房等建筑物组成，采用“断流围堰、隧洞导流、大坝基坑全年施工”的导流方式。工程特点由于该工程地理位置特殊，场地限制条件较多；高原生态脆弱，环境保护、水土保持（本文简称“环水保”）设计要求高；征地移民沟通协调难度大；采用传统技术手段，工作效率低，精准度差，成本费用较大；因此，该工程决定采用多项数字化技术手段试图解决藏区工程在勘察设计中的一些共性问题。水电站在勘察设计过程需要解决以下
5、一些难点问题：）工程位于西藏高原，外业工作在高海拔、高严寒地区开展，高边坡、滚石、落石常见，部分区域人无法到达，极大地限制了工程踏勘频次及踏勘人数，同时限制了踏勘范围（部分区域无通行道路），踏勘安全风险较大、成本较高。）藏区高山峡谷，施工场地限制极大，施工区域分散，水工建筑物集中，各施工区流水施工衔接难度极大，对施工场地重复利用率要求高，临时交通与永久交通合理性要求更高。）藏区高原生态脆弱，对多专业协同设计要求高，枢纽方案比选，多专业精细化设计要求高，因当地物价水平高，工程方案中细微差别将会被局部放大，推荐方案筛选难度大，工程量计算精度要求高。）藏区少数民族聚集，移民征地沟通协调难度大。高原生
6、态环境脆弱，环水保中涉及海拔最高、落差最大、长度最长的过鱼设施。）在国家“十四五”规划背景下，水电站是首批明确要求开展工程信息化数字化建设的水电项目，在勘察设计前期不仅需做一些数字化应用尝试，更需做好数字化全生命周期策划工作，在勘察设计阶段为工程全生命周期积攒数据资产。工程数字化技术应用情况 数字化踏勘该工程区位于青藏高原中段之东南部，河谷两岸山顶平均海拔在 ，河谷最低高程 ，相对高差大于 ，山高坡陡，平均地形坡度一般大于，右岸地形陡峭，坡度大于，无钻孔及平硐施工的交通条件，需搭建过河索桥。河道水位落差大，汛期流量在 以上，河流湍急，不具备河心钻孔条件。另外，工程区位于高原温带季风半湿润气候地
7、区，年平均气温 ，最低月均气温，最高月均气温 ，日平均气温 持续时间 个月；平均年降水量为，大部分集中在 月，气候条件相对恶劣。若采用常规的地面勘察技术手段，则无法满足 水电站可研阶段勘察工作的需要。针对该工程区外业勘察条件恶劣，在常规的勘察方法（地表测绘、坑探、钻探、洞探、物探、试验）基础上，根据不同的地形地质条件，充分利用 技术、技术、高精度光学遥感技术，无人机航测、机载激光雷达技术，三维激光扫描技术、遥感解译等，多源多层次多方法进行综合勘察，降低了踏勘频次，减少了踏勘人数，同时节约了踏勘成本，保障踏勘安全。该工程采用高精度光学遥感技术调查 水电站枢纽区人无法到达或到达困难的工程区域，调查
8、遥感影像如图 所示。全专业全过程协同设计工程所在地为高寒高海拔狭谷地区，受地形地质条件制约，可利用的生产、生活布置区域有限，科学地进行施工规划是经济、安全推进水电站建设的关键。水电项目涉及专业众多，在枢纽布置上，各建筑物、机电设备及它们之间的错漏碰问题突出，传统设计模式难以解决。该工程采用强大的 平台 平台，如图 所示，开展测绘、地质、水工、机电、金属结构、建筑等多专业协同设计，为可研阶段枢纽比选、施工总布置、施工进度、工程量准确计算及各专业的精细化设计提供技术支持，较好地解决了多专业协同设计问题。坝址区地处高寒高海拔地区，岸坡碎裂松动岩体发育，岩体卸荷、风化程度高，高边坡稳定问题相对突出。坝
9、址周边发育有多个不利组合体、危岩体。孙正华，陈毅峰，崔 进，等：水电站工程数字化技术应用图 枢纽区泥石流沟调查遥感影像图 全专业在 平台协同设计过程影像坝址区出露地层岩性为白垩系门朗单元闪长岩，岸坡局部含崩坡积物分布，厚度大于 ，河床部位有冲积砂卵砾石层分布，厚 。坝址区发育有多条泥石流冲沟，尤其是中坝址左岸下游地区发育干登泥石流沟，具备发生特大型泥石流的条件。这些不利的复杂地质条件对枢纽布置比选造成极多限制。在坝轴线选择时，有意识地避开右岸高边坡卸荷发育部位、左岸怒觉堆积体范围；同时，为了保证大坝两岸边坡稳定，减少大坝边坡开挖高度，避开上部高陡的强风化卸荷破碎岩体和下部因边坡开挖将造成岸坡回
10、弹、应力的释放、调整和重新分布的影响区域。在设计过程中依托 地质模型开展边坡稳定性专题研究，研究影响自然边坡稳定性的环境因素、演化动力过程、变形破坏模式和边界条件，进行边坡稳定二维及三维计算分析，提出边坡开挖结构、支护方式、支护参数、排水方式以及局部特殊的处理措施。结合地形地质条件、边坡稳定性计算结果、岩体力学参数变异性、边坡危害程度及危害可能性等进行边坡风险评估研究。在枢纽布置比选时，对拟定的坝后厂房方案和地下厂房方案进行 模型比选。坝后厂房方案运行采光通风等条件较好，但经过 模型虚拟布置时，发现其空间尺寸难以满足机电设备布置及消防要求，若扩大厂房尺寸则需要对高边坡进行开挖，且高边坡的稳定程
11、度将显著影响厂房的安全运 红水河 年第 期行。在通过 模型对比地下厂房方案时，发现地下厂房方案能减少对两岸边坡的开挖扰动，能够减少坝址区高边坡对工程施工及发电厂房运行安全的影响。结合技术经济比较，采用厂坝分开布置的枢纽布局，既缓解了场地空间有限的布置难题及高陡边坡对工程施工及运行安全的影响，又有效降低了施工干扰，保障施工有序开展。在施工总布置比选时，基于 模型虚拟布置，统筹解决了下游某电站与该电站施工场地布置的问题，通过充分利用下游电站施工场地及已有设备设施，达到保障施工用地的目的；统筹解决了高山峡谷区场内交通布置特别困难的问题，通过采用全封闭式长距离管带机、满管溜槽、场内管带机系统等进行材料
12、运输，取得了良好的经济与环保效益；统筹确定了“坝肩开挖先截流后施工”的原则，避免开挖过程中渣料下江，造成水土流失问题，实现水电站施工进度、环保双丰收。移民征地及环水保数字化由于该工程水库区处于藏中，建设移民征地在实物指标调查及后续移民安置征地补偿沟通过程中难度极大，在采用三维航测的方式，如图 所示，通过移民系统对工程建设征地范围内的实物指标进行调查确认，为工程建设征地移民工作提供支持。该电站为雅鲁藏布江中游河段大型工程，具有日调节能力。改变库区河道的水文情势，会影响水生生物环境及相关生态群落，对生态环境产生一定的不利影响；在结合流域生态流量下放及生态调度措施研究的基础上，采用 技术进一步论证该
13、工程的水生生物保护措施，制定了详细的增殖放流、过鱼设施、支流栖息地保护等鱼类保护措施。由于该工程渣场占地面积、弃渣量、集雨面积较大，且位于下游左岸的 号中转料场，距离雅鲁藏布江河道管理范围线较近，在 设计技术的支持下，对拦挡措施、排水设施类型、后期植被恢复方案等进行精细化比选，并选择合理、可行、最优化的弃渣场防护措施体系。图 采用三维航测技术确认移民征地范围实物指标 全生命周期工程数字化规划根据国内外智慧工程的建设经验，对电站全生命周期工程数字化进行规划设计，运用云计算、物联网、大数据、移动互联和人工智能等信息化、数字化、智能化等技术，将工程设计、施工及运维阶段的过程进行数字化，既能够提高设计
14、效率，也可提升工程建设及运维管理效率与质量。在工程勘察设计前期，就开始对该工程进行全生命周期数字化规划，并制定以下工程数字化规划方案：）在设计阶段，通过 技术覆盖全专业的三维协同设计，最大限度地优化设计方案和暴露设计方案的不足之处，如图（）所示，减少因设计错误造成的后期变更和返工，确保设计进度及质量，节约工程投资。同时，通过在线数字化协同设计，提供满足施工阶段智慧工程应用的 模型基础成果。）在施工阶段，基于设计阶段的 模型成果，研发智慧工程管理平台，已搭建完成的 水电站可视化模型管理平台如图 所示，为施工阶段能够实现施工全过程精细化管控、智能化建造、数字化施工档案的 水电站智慧工程管理平台提供
15、支持。在智慧工程管理平台的加持下，使项目在保证工程安全、环保要求的前提下，做到投资节约、质量可靠、进度可控、安全有保障和阳光廉洁，实现数字化档案管理、归档和移交工作，实现实物资产和全信息数字资产向运维阶段的整体移交。）在运维阶段，基于设计、施工阶段产生的工程数字化资产，将打造智慧电厂平台，集成智能传感与执行、智能控制和管理决策等专业技术，实现运维信息采集数字化、信息传输网络化、数据分析智能化、决策系统科学化。电站全生命周期工程数字化规划，是围绕电站数字化建设要求，充分利用现代信息技术，建设覆盖工程建设过程的信息采集、传输、储存、管理、服务、应用为一体的安全、稳定、可靠、高效的数字孪生工程，实现
16、信息化与自动化的充分结合，实现信息系统与工程建设的深度融合，以达到工程建设“生产智能化、服务生态化、管理协同化、决策数据化”的目标，为参与工程建设的各单位和各级人员提供业务数据量化与标准化的统一平台，实现以数据驱动的自组织、自更新，提升电站建设管理的智能化程度，促进绿色智能生产智能管控技术不断完善和持续升级，实现更全面、更及时地掌握电力基地生产要素的整体情况，更准确、更便捷孙正华，陈毅峰，崔 进，等：水电站工程数字化技术应用图 打造电站可视化模型管理平台地评估生产成本，更系统、更高效地提升总体效率，提升数字价值创造水平。设计成果输出该工程采用数字化设计手段，改变了传统二维出图模式，工程设计图纸基于数字化设计成果的出图率已经达到了 以上，其中厂房专业图纸基于 软件出图，如图 所示，基本脱离传统 设计。在方案设计及调整中，极大地提升了设计效率，且提升了设计方案汇报质量，提升了设计品质。图 平台设计成果输出 工程应用效益及创新 应用效益）降低踏勘成本。数字化手段解决了地理位置限制问题，解决了踏勘过程的限制性问题，降低了踏勘综合成本。）提升多专业协同设计效率。基于 平台解决多专业协同设计中的错