数字孪生技术在水库大坝地质安全评估中的应用

摘要：数字孪生技术融合物理建模、实时监测与智能分析，为水库大坝地质安全评估提供了全新的思路与手段。通过构建虚拟映射模型，实现对地质环境与工程状态的动态感知、预测与决策支持。本文围绕数字孪生技术在水库大坝中的应用路径，重点分析数据采集、建模逻辑与运行机制，探讨其在地质灾害预警、结构安全诊断与运维策略制定中的价值与效益，力求为地质安全管理提供技术支撑与实践参考。

关键词：数字孪生；水库大坝；地质安全

一、水库大坝地质安全评估的数字孪生构建基础

（一）地质环境信息的多源融合采集机制

水库大坝所处区域的地质结构复杂多变，需构建高精度、全要素的信息采集体系。数据采集系统围绕岩体结构、水文条件、地应力分布与滑坡隐患区等关键指标设置监测网络。地面激光雷达扫描技术对坝体表面形变进行高密度点云建模，获取细致的地貌信息。钻孔测深、地震反射波与地电探测技术相结合，对地下结构的多层信息进行立体解析，提升模型对地下地质体的还原能力。遥感影像与无人机航测用于补充区域宏观信息，支持不同尺度数据的统一接入。传感终端通过无线网络与边缘计算模块连接，实现对数据的高频采集与初步清洗，保障数据源的时效性与稳定性。各类数据通过统一数据接口上传至中心平台，为数字孪生模型提供全面、真实的原始输入。

（二）数字孪生模型构建中的工程参数表达

数字孪生模型不仅需映射地质结构特征，更需反映坝体结构行为与运行特征。建模过程中融合有限元分析、地质建模与信息可视化方法，构建涵盖静态属性与动态行为的三维模型系统。坝体结构参数依据设计图纸与历史改造记录构建骨架模型，动态参数如沉降、位移、渗压与温度等通过实时监测数据进行持续赋值。模型中集成反演算法与耦合仿真引擎，能够基于历史数据进行力学行为模拟，分析坝体在不同工况下的应力响应与稳定性变化。地质体模型与坝体结构模型通过坐标配准与属性映射实现耦合建构，确保信息表达的物理一致性。模型参数具有可更新、可扩展特性，能够随着监测数据变化不断进行迭代与优化，提升模型在评估中的适应性与决策能力。

（三）孪生系统运算平台的集成与可视输出

数字孪生系统的高效运行依赖强大的运算平台与多维可视化展示能力。系统架构包括数据接入层、运算分析层与展示交互层三部分，通过高性能计算资源对复杂数据进行快速处理。运算平台支持并行运算与边缘分析，将大规模监测数据分布处理，缩短响应时间。可视化模块构建三维数字大坝地图，动态呈现坝体状态与地质特征变化。风险指标如位移速率、渗压超限与变形趋势以图表与热力图形式展现，便于管理人员直观掌握安全态势。系统设有操作权限分级机制，不同角色可按需访问相应功能模块。平台集成多种预测算法，支持基于当前数据进行趋势预测与风险演化分析。多维信息融合展现与智能分析工具协同工作，为地质安全评估提供高效、直观与可操作的决策支撑环境。

二、数字孪生技术在水库大坝地质安全评估中的典型应用

（一）渗流监测数据驱动下的坝体稳定性分析

坝体渗流问题是引发结构失稳与坝基破坏的重要诱因，数字孪生技术通过多维渗流监测数据的动态接入与模型映射，为稳定性分析提供精确支撑。监测系统沿坝体与坝基布设渗压计、水位计与温度计等传感设备，实时采集各测点渗压变化与水流路径信息。采集数据接入孪生模型后，通过地质力学仿真模块模拟渗流分布与坝体响应，分析渗流应力作用下坝体变形趋势与关键节点的应力集中情况。模型可设置不同工况条件，如蓄水位变化、雨季补水与突发泄洪等，对渗流路径与滞留区域进行变化预测，识别可能存在的管涌通道与渗漏隐患区。分析结果以三维图形方式展示渗流线分布、应力场变化与变形区域，辅助技术人员开展定点加固与坝基排水优化，显著提升渗流治理的针对性与科学性。

（二）地表与坝体位移联动预警机制的构建

坝体及其周边地表的变形行为对整体结构安全具有重要指示意义，构建基于数字孪生模型的变形联动预警机制可实现对位移异常的提前识别与动态干预。变形监测系统涵盖高精度GNSS定位设备、激光扫描仪与地表裂缝位移计，捕捉坝体表面及周边地形的微小位移变化。实时位移数据输入孪生系统后，经数据清洗与趋势分析处理形成变形时序曲线与位移热力图。系统通过空间相关性算法分析坝体结构位移与地表沉降之间的耦合关系，建立变形联动模型。在发现异常形变速率时，模型自动模拟潜在的破坏机制，评估区域性滑移或结构偏移的风险等级。系统可设置多级报警机制，根据形变幅度、速率与持续时间发出预警信息，指导现场人员进行风险核查与临时措施部署，形成科学、快速与可控的地质安全响应体系。

（三）滑坡与崩塌隐患评估中的虚拟地质建模分析

坝体周边山体与斜坡地带在受水体变化或极端天气影响下容易发生滑坡与崩塌，对大坝运行构成严重威胁。数字孪生技术在滑坡隐患分析中通过虚拟地质建模与灾变演化模拟，实现对不稳定斜坡的精准识别与演化趋势预测。工程团队依据地质勘察数据构建虚拟坡体结构，包含岩层分布、节理裂隙、地下水位与植被覆盖等关键要素。模型引入雨水入渗模拟与地下水动力分析模块，对降雨强度变化下坡体内部孔隙压力变化过程进行动态模拟，评估岩体剪切强度削弱趋势。灾变分析系统设置不同触发条件，对潜在滑移面进行数值计算与变形模拟，识别关键破坏路径与滑体规模。通过与历史滑坡数据对比验证模型精度，提升评估结果的可靠性。平台输出滑坡风险等级分布图与应对建议，为斜坡治理方案提供科学参考。

（四）数字孪生在灾害响应与后评估中的协同支持

水库大坝运行过程中可能面临突发地质灾害，数字孪生技术在应急响应与灾后评估中的作用日益凸显。系统在灾害发生初期依托传感网络实时获取现场水位、渗压、位移与气象等关键指标，通过预设灾害模型快速计算影响范围与破坏程度。孪生平台自动生成风险地图与影响区域评估报告，供管理决策机构用于指挥调度与资源配置。应急响应中系统可模拟不同处置策略的效果，如泄洪路径调整、坝顶加固或区域疏散等，辅助制定最优应急方案。灾后阶段系统对实际监测数据与模型仿真结果进行比对分析，量化灾害成因与发展路径，评估治理措施的有效性。评估报告包含形变图像、风险等级与治理建议，作为灾后复建与运行调整的重要依据。数字孪生平台与应急指挥系统无缝集成，实现灾害前中后全过程信息支持与技术协同，构建起完备的大坝地质灾害响应机制。

三、结束语

数字孪生技术在水库大坝地质安全评估中的应用，以其高度集成的数据处理能力与动态模拟优势，实现了从感知到决策的闭环管理。该技术不仅提升了安全评估的科学性与实时性，也推动了大坝管理模式从静态监控向智能运行转变。通过在渗流分析、形变监测、滑坡预警与灾后评估等多个环节的深度融合，数字孪生已成为保障水库大坝地质安全不可或缺的重要手段。以数据驱动为核心的数字孪生系统正引导大坝安全评估向更加精细化、智能化与协同化的方向发展，切实提升了大坝运行的可靠性与管理效能。

参考文献

[1] 吴宏伟. 数字孪生技术在水库大坝地质监测中的应用探索 [J]. 水利与建筑工程学报，2023， 43（02）： 98-103.

[2] 郑晓光. 基于数字孪生的大坝地质安全评估方法研究 [J]. 水电站设计，2023， 39（04）： 45-49.