李云清
(中國恩菲工程技術有限公司,北京 10038)
BIM 技術的發展,已經廣泛應用于建筑、水利、機械設計行業[1-2]。BIM 模型可以包含從規劃、設計、施工、運營管理等全生命周期中各階段的信息。在設計領域中,二維設計理念已經逐漸在被三維設計所取代,三維設計與二維設計相比的優勢見表1。
表1 三維設計與二維設計的優劣勢對比
三維設計以其可視化、協同性等優勢正逐步向各設計領域推廣,其中也包括尾礦庫設計領域。
尾礦庫工程設計[3],是一項復雜且需對種因素進行綜合性考慮的工作,以往的尾礦庫設計大多是在二維平面圖上進行,地形地貌的空間立體感缺失,造成設計人員無法準確判斷地形和地貌的特征。三維設計的發展,避免了設計人員在二維圖紙和三維實體之間的思路轉換,設計成果準確地反映設計者的意圖。通過三維設計軟件,設計人員可以在計算機上快捷、準確地實現三維建模,可以多方面、多角度的呈現尾礦庫全貌。
本文通過介紹尾礦庫設計中尾礦庫庫容計算、尾礦庫庫容利用系數計算及壩體工程量計算的方法,來展示三維設計在尾礦庫工程設計的應用,對比傳統二維設計方法,顯示三維設計的優勢。
目前主流的三維軟件包括Bentley、CATIA、Soildworks、Civil 3D 等,本文主要介紹Bentley 中的GEOPAK 軟件在尾礦設計中的應用。
GEOPAK 是Bentley 公司出品的一款三維輔助設計軟件,它具有一整套靈活的動態場地設計工具,廣泛應用于工程項目,如場地平整,公路、水電站、礦山項目等[4]。工程場地主要使用GEOPAK Site 模塊來實現場地的開挖、回填、壩體的堆筑等設計。GEOPAK 軟件具有以下特點[5-7]:
(1)能以不同的設計方案進行快速的瀏覽,并能通過功能強大的場地模型工具對設計成果進行可視化的編輯。在通用設計平臺中建立建筑物各部位三維模型,將分部模型組裝完成后提取建筑物與基礎接觸的特征輪廓線并結合地形地質的三維數字模型在中就可以實現場地的三維可視化設計。
(2)能夠很容易的建立模型和對模型進行修改設計,從而可以大幅的提高工作效率。
(3)將地質資料和數字地模導入,并將建筑物的特征輪廓線投影到實際設計高程然后按照給定設計坡比在原地形上進行放坡、修筑馬道等。
(4)在建筑物基礎開挖有交集的地方軟件可自動處理或者人工干預進而防止重復計算開挖量。
3.1 總庫容計算
尾礦庫庫址方案比選階段,往往需要選定多個庫址、壩址,通過計算比較,綜合選擇庫容滿足要求,工程量最小的方案作為最優方案。
二維的通常做法,通過CAD 軟件,在等高線地形圖上初步選定壩軸線的位置,根據壩高和邊坡坡度進行放坡,與相應標高的等高線相連,然后將壩體與各標高等高線圍成的封閉面積依次記錄,利用臺體體積公式近似推求尾礦庫庫容。此方法的缺點如下:
(1)改變壩軸線位置或者庫容不夠,需重新進行放坡,重復以上工作,耗費時間,且容易出錯,不容易校核。
(2)等高線不封閉、部分缺失、精度不足等,需人工進行連接、內插等。
GEOPAK 軟件通過模擬尾礦庫的地面形態,將地面模型數字化,最大程度地利用所有已知高程信息(包括等高線、高程點等)。在建模過程中,信息的傳遞主要通過模型生成的中間內部文件實現,無需人工量求和讀取數據,較大程度地避免了人為差錯的出現。GEOPAK 軟件計算庫容的主要步驟如下:
(1)首先將地形文件作為參考導入到DGN 文件中。
(2)提取地形文件中的高程信息(等高線、高程點等),存儲在dat 文件中,具體如圖1所示。
圖1 提取高程信息
(3)利用dat 文件生成包含三角網信息的tin 文件,具體如圖2所示。
圖2 生產tin 文件
(4)利用Site Modeler 生成gsf 文件,gsf 文件中以生成的地形tin 文件輸入為存在地形,在其基礎上進行壩體的建模。
(5)壩體建模完成后,利用Analysis 模塊下的Volumes 功能進行庫容計算,同時可輸出各標高下的庫容。
某工程選礦廠產生尾礦量為6 832.98 t/d,每年工作300 d,服務期為24年,尾礦性質如下:尾礦比重為2.7,尾礦粒度-0.074 mm 占60%,尾礦堆積干密度取1.3 t/m3。經過計算所需尾礦庫庫容至少為4 919.75 ×104m3。表1為分別采用二維方法與三維方法庫容計算對比表,兩種方法所計算的庫容相差4.10 ×104m3,誤差率為0.08%,兩者的精確度都較高,但是二維方法的耗時較高,一旦改變壩軸線位置或者壩高,試算花費的時間較長,相比二維方法,三維前期基礎工作準備好后,后期調整的耗時往往很短。
表1 二維方法與三維方法計算對比表
利用三維軟件,可方便、快捷的檢查地形數據錯誤,可迅速得出壩高-庫容曲線,更改方案時,可迅速判斷新方案庫容是否滿足要求,可生動、形象的展示各方案的相對位置。
3.2 有效庫容計算
尾礦庫的有效庫容是指尾礦壩體外表面以下、庫底面以上用于貯存尾礦(含懸浮狀尾礦漿體)的空間容積。尾礦庫區別于水庫在于尾礦庫的有效庫容是斜面,而水庫的庫容是平面。這就導致利用二維設計方法計算有效庫容比較困難,無法準確計算出庫容利用系數。
傳統的設計方法是根據《尾礦設施設計參考資料》給出的不同庫型、不同放礦方式的經驗庫容利用系數值,粗略估算尾礦庫的有效庫容,但是對于地形比較復雜,放礦工藝采用庫前庫尾聯合放礦或者采用庫前庫周支溝聯合放礦的尾礦庫的庫容利用系數往往難以準確估算。
某尾礦總庫容2.858 × 108m3,有效庫容2.572 ×108m3,屬于二等庫,尾礦堆積壩采用上游式尾礦筑壩。尾礦庫位于某河溝中上游山間河谷地帶,尾礦庫主溝走向為東西向,尾部向西北傾斜,由一個主溝和四個支溝組成,其中右岸3 個支溝,左岸1 個小型支溝。尾礦庫的庫型為較寬闊山谷型但是支溝較多,根據以往經驗采用庫前式排礦時,庫容利用系數僅為0.8,為了提高庫容利用系數,增大尾礦庫的有效庫容,采用庫前與庫周支溝聯合放礦的方式。
利用GEOPAK 軟件,在已建好的尾礦庫模型的基礎上進行放礦模擬,驗證尾礦庫的有效庫容是否可以達到預期。首先,進行壩前放礦模擬,參照壩體放礦的方法,壩前放礦往往很難放到支溝中,就需要在支溝處單獨進行放礦模擬;對于支溝放礦,可以采用圓形擴散的方式進行模擬,此種模擬方式比較符合現場實際情況。通過壩前及支溝放礦模擬,計算出有效庫容2.572 ×108m3,總庫容2.858 ×108m3,庫容利用系數為0.9,增大了尾礦庫的有效庫容約2 800 ×104m3。
不同的地形環境,很難利用以往的經驗,但是通過利用GEOPAK 軟件,模擬不同的放礦模式,可以較準確的確定尾礦庫的有效庫容。
3.3 壩體工程量計算
對于尾礦庫工程,無論是上游式尾礦筑壩法、中線式尾礦筑壩法、下游式尾礦筑壩法還是采用一次建壩形式,都需要計算壩體的工程量。尤其是采用廢石尾礦聯合堆存工藝時,筑壩的廢石量需與采場開采的廢石量相平衡,壩體堆筑需考慮尾礦庫內尾礦上升速度、壩體的穩定性等因素。
某尾礦庫采用廢石筑壩,最終壩頂標高1 070 m,最大壩高260 m,壩軸線長2 350 m,壩頂寬255 m,上游壩坡1∶2.0,最終下游壩坡1∶3.0。尾礦后期壩堆筑采用兩臺排土機與汽車堆筑同時進行。開采初期廢石量較少,廢石中含有較多松散土,初期廢石利用率低,且初期尾礦上升速度快,要求后期壩的上升速度至少與尾礦的上升速度同步;同時還有考慮排土機的移設時間長,盡量減少移設次數等因素。汽車堆筑負責保證壩體高度的上升超過尾礦水位的上升速度,排土機向下排土,排土高度為40 m,負責壩體寬度方向的延伸,保證壩體穩定。綜合考慮各項因素,平衡排土機所排廢石量與汽車堆筑的廢石量至關重要。表2為每年開采廢石量與擬用于堆筑尾礦壩的廢石量。
表2 每年開采廢石量與擬用于堆筑尾礦壩的廢石量
根據每年開采廢石的總量,分別估算排土機與汽車堆筑的廢石量。在GEOPAK 中先假定一段平臺的長度,根據坡度進行放坡操作。然后利用查詢工具,查詢這一平臺的工程量,與估算的排土機的排放廢石量相比,進行調整,縮短或者加長平臺的長度,繼續進行放坡操作,直到此平臺的工程量與估算量相差不大,然后進行下一平臺的長度選擇。以此方法進行,直到堆筑到壩頂標高。此時,每一平臺每期所需的廢石量可以精確得到,并且每期堆筑壩體的輪廓線可以精確在地形圖上顯示。圖3所示為第9年末尾礦壩堆筑輪廓,圖4所示為尾礦壩最終堆筑輪廓,由圖可以清晰的看到尾礦壩的每期變化情況,每期堆筑壩體的輪廓線所在位置等。
圖3 第9年末尾礦壩堆筑輪廓
圖4 尾礦壩最終堆筑輪廓
如果使用傳統方法二維進行試算,每選定一個平臺的長度,就要在二維地形圖中進行放坡,然后利用二維的方法計算工程量,計算結果與估算量相比較,進行調整,然后繼續上一步驟的手動放坡,手動計算工程量,如此反復,直到平衡。
二維方法的計算量大,耗時長,容易出現錯誤。三維操作只需要選定壩頂或者平臺所需放坡的直線,輸入坡度,即可完成上述工作,方便快捷。而且在生產中可根據生產實際情況產生的廢石量來調整壩體堆筑進度等。
在Bentley 平臺的基礎上,充分利用計算機的計算能力和三角網差分法給場地設計尤其是復雜的邊坡開挖、壩體堆筑提供了巨大的支持。計算精度在很大程度上依賴于地形測量基礎數據以及設計工程師所選用的三角網格精度,相比于常規二維設計通過剖切典型斷面計算工程量,三維設計能夠更準確迅速的計算工程量,更真實形象地反應堆筑壩體的效果。
GEOPAK 軟件有實時設計功能即通過調整對應設計要素線重新運算后,整個工程的模型隨著更新使三維壩體堆筑變得更加直觀,重新運行工程量查詢命令可以得到更新后的工程量。運用軟件進行輔助設計能夠實時反映壩體堆筑三維效果,形象的反映工程整體布置,并高效的輔助實際壩體的堆筑,在壩體分區方案比選優化以及工程量統計上有著無與倫比的快捷。此外還可以根據三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積并指導應用于征地移民工作檢查邊坡設計方案的合理性進而避免過多的高邊坡出現。
三維協同設計是設計行業的一個發展趨勢。隨著勘測設計工作的市場化,通過競爭業主對設計成果的質量要求,將會越來越高,而工程設計周期卻越來越短,利用進行輔助設計,不僅可以快速地進行工程的方案優選比較,同時對設計方案的修改也能在很短的時間內及時反饋,尤其是在開挖及回填工程量的計算統計上。
尾礦庫壩坡滲流、穩定分析往往需要利用其他軟件進行,目前三維軟件發展也在向著更便捷的操作方向,將滲流、穩定等分析模塊集成在一款軟件中,設計者只需要進行一次模型,尾礦庫所有的信息都將集成在模型中,可以在模型中進行三維滲流模擬,進而完成三維壩坡穩定分析,可以查找安全系數最小的剖面等等功能。
BIM 已經在設計尾礦庫設計領域得以應用,隨著技術的發展,BIM 的理念將會貫徹在尾礦庫的設計、施工、放礦、監測等各個方面,形成尾礦庫全生命周期的仿真管理系統,為業主管理尾礦庫提供便利。
猜你喜歡支溝庫容尾礦庫三峽-葛洲壩兩壩間動庫容概化計算研究水利水電快報(2022年10期)2022-11-23某鐵礦山尾礦庫回采工藝設計實例昆鋼科技(2022年2期)2022-07-08長期運行尾礦庫的排滲系統滲透特性的差異化反演分析有色金屬（礦山部分）(2021年4期)2021-08-30按支溝穴緩解習慣性便秘戀愛婚姻家庭·養生版(2021年2期)2021-05-06點按支溝穴治岔氣家庭醫藥·快樂養生(2021年1期)2021-02-04跑步岔氣，點按支溝穴老友(2020年11期)2020-11-28筑牢尾礦庫安全防線勞動保護(2018年8期)2018-09-12全省已建成水庫總庫容河南水利年鑒(2016年0期)2016-08-03每天揉10分鐘支溝穴，治便秘家庭醫藥(2016年1期)2016-01-20白沙水庫淤積測量探討河南水利與南水北調(2015年22期)2015-08-19