北江数字大堤建设关键技术及成果

郭恒睿，徐志雄,刘 智

（广东省水利水电科学研究院，510640，广州）

近年北江流域水利建设快速发展，但是，随着流域经济社会的高速发展，北江流域水安全呈现出新老问题交织的严峻形势，防洪减灾体系不完善、水资源调配能力不强、水资源供需矛盾日益突出、水污染防治压力日渐增大、流域和区域水利管理改革任重道远。新时期信息化发展战略和治水方略的重大调整以及深化水利改革发展的迫切需求，对北江大堤防洪能力建设提出了更高要求。大力推进水利信息化建设，以信息技术为有效手段，建立北江大堤防洪抗旱减灾体系、水工程安全运行监管体系、有利于水利科学发展的制度体系，不断促进非工程措施与水利工程措施的深度结合，进一步提高北江大堤防洪减灾和水工程综合管理的能力，进一步提升水治理和水管理能力，努力构建具有北江大堤特色的水安全、水管理、水服务三大现代水利新格局。

本文介绍“数字江河”北江芦苞试验段关键技术和设备研制项目中的数字大堤建设，介绍建立全大堤动态精细化“可感知、可分析、可预警、可控制”的智能化大堤感知、评估、预警体系等关键技术及所取得的成果。

一、北江数字大堤建设关键技术

1.北江堤围特点

本次数字北江试点段位于北江干流芦苞涌水闸至肇花高速公路北江大桥（试点段），全长4.0 km，上宽2.0 km，下宽1.4 km，四姓洲、芦苞洲、中间洲左岸为深槽，高程-10.0m，水深约 1.0～14.0m，2007年以后，河床及河势稳定。其堤围特点：①迎流顶冲、强透水地基、“金包银”堤身（内为砂土）；②二元地层结构，盖层黏土厚10～15m，局部夹砂，下部强透水层，含卵石粗砂1.2～9.6m。

2.建设方案

以实景三维模型为基础，以视频融合、边缘计算、物联网、智能展示、全面感知、云计算平台与大数据分析等新一代信息技术为基本手段，以智能3D展示、全面感知、实时传送和智能处理为基本运行方式，按照“所见即所得”原则，对大堤外部环境、大坝内外空间、大坝核心设施设备进行实景三维扫描建模，实现高度还原且具有高度识别度。在此基础上，进行多源数据接入，多种图层叠加，建立融合数据平台，做到环境、资产、水情、监控、演示的五个“可视化”，建立“真实感知、智能分析、科学预警、安全控制”现代数字北江平台。

采用全息可视化实景大屏将静态展示无法容纳、无法表现的各类数据，如文本、数字等传统枯燥的操作界面和单一数据，以实景渲染图形化方式呈现。相比于传统数据可视化界面，让枯燥单一的数据变得更加具有灵活性和绚丽震撼的视觉效果。

配套360度全景相机，依靠数据湖、应用支撑平台、浪潮iXR云平台等支撑体系，实现全景拍摄与直播。

3.关键技术

（1）堤防岸滩冲刷与稳定预警

在迎流顶冲堤段，堤围岸滩易受冲刷而引起堤防稳定安全性降低。根据地形资料，对比历年河床地形特别是近岸河段的变化情况，分析不同水位、流速条件下堤防岸滩的冲刷变化以及堤防安全系数的变化情况，再结合堤防的变形监测提出预警。

（2）渗流场快速模拟及预警

在渗流场计算模拟方面，基于区域多层地质的特点，建立相应的渗流有限元计算模型，解决区域渗流场中众多小尺寸阻排水结构物的模拟难题，极大地提高计算精度与效率，满足工程快速应用要求。针对不同的水位条件，快速计算区域渗流场，并根据堤后覆盖层的厚度关系，进一步计算出抗渗安全系数，了解相对危险的区域，与预警系统相结合，再根据轻重缓急安排加固工程的实施。

二、北江数字大堤建设成果

北江数字大堤建设取得堤围安全诊断及预警等多项成果。

1.建立北江大堤三维模型

三维模型涵盖了堤防断面形式、护坡及防渗设施、地质信息、感知设备布置、堤身测压管水位等。

2.堤防稳定及变形分析评价系统

针对迎流顶冲堤段堤围岸滩易受冲刷而引起堤防稳定安全性降低，所设计的堤防稳定及变形分析评价系统可根据地形资料，对比历年河床地形特别是近岸河段的变化情况进行预警。

3.渗流场模拟评价及预警系统

采用三维渗流有限元方法，对堤防的渗流场进行模拟，得出覆盖层底部的承压水头以及渗流出口的水力坡降数值，并通过实测资料对计算结果进行校核，最终绘出符合实际情况的覆盖层承压水头等值线。可根据覆盖层盖重与承压水头浮托力的平衡关系，以及渗流出口临界水力坡降，通过与极限破坏状态进行比较计算安全系数的大小，从而了解堤防相对危险的区域，再按轻重缓急实施加固工程。

4.堤围隐患分析评价和预警系统

根据北江大堤的实际情况，系统收集和分析北江大堤所在区域已有的地质及地球物理资料，分析其区域构造趋势和区域活动性及其对北江大堤的影响，了解其地层分布规律，以及大堤可能发生的隐患部位及特点。而后利用综合地球物理探测方法，对北江大堤可能存在的各种隐患重点堤段进行一次有效的大堤体检探测，查明隐患的类型、分布位置，分析其可能带来的危害和程度，然后采用自然电位法、激化电极法和高密度电法得到地质剖面图。在此基础上，对已查明的隐患进行分类，根据其危险程度确定定期或不定期的探测方案，随时掌握隐患的变化情况，建立隐患数据库，有针对性地开展相关应用研究，探究切实可行的堤坝隐患探测快速检测方法技术，进一步分析隐患的发展趋势，为堤围安全提供预警服务。

5.堤防安全综合评价及预警系统

根据河床演变分析、预警，边坡稳定分析、预警，渗流稳定分析、预警，堤围隐患及评价成果，将堤防边坡稳定划分为安全、轻度危险、严重危险和即将破坏等4个等级，并在地形图上标出，全面辨识堤防工程的危险等级。据此，在汛前按轻重缓急对河道险段进行整治，对危险边坡进行加固；做到汛期及时发现、预报险情，以便尽快制定科学的防洪抢险方案，最大程度地减少洪灾损失。

三、结 语

本文介绍了基于云计算、物联网、大数据、智慧城市、互联网+、5G+等新技术的“智慧大堤”建设，这些新技术应用有效提升了信息化资源有效利用、整合与共享水平，为实现北江芦苞段大堤管理从粗放式向精细化管理、业务从分散向集中统一管理转变提供坚实可靠的信息化支撑。通过“智慧大堤”建设，加强了水资源和水环境等监测，提高了灾害预防、预警能力，提升了水资源保障能力、预防水生态破坏能力，整个水利系统对突发性或潜在问题的快速反应能力增强，减轻经济损失。北江流域芦苞段“智慧大堤”在广东省甚至国内数字江河建设中将起到示范引领作用，促使水利信息化发生新的变革。