三維設(shè)計(jì)在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李云清

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 10038)

1 前言

BIM 技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、水利、機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)[1-2]。BIM 模型可以包含從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等全生命周期中各階段的信息。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,二維設(shè)計(jì)理念已經(jīng)逐漸在被三維設(shè)計(jì)所取代,三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)相比的優(yōu)勢(shì)見表1。

表1 三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

三維設(shè)計(jì)以其可視化、協(xié)同性等優(yōu)勢(shì)正逐步向各設(shè)計(jì)領(lǐng)域推廣,其中也包括尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

尾礦庫(kù)工程設(shè)計(jì)[3],是一項(xiàng)復(fù)雜且需對(duì)種因素進(jìn)行綜合性考慮的工作,以往的尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)大多是在二維平面圖上進(jìn)行,地形地貌的空間立體感缺失,造成設(shè)計(jì)人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷地形和地貌的特征。三維設(shè)計(jì)的發(fā)展,避免了設(shè)計(jì)人員在二維圖紙和三維實(shí)體之間的思路轉(zhuǎn)換,設(shè)計(jì)成果準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)者的意圖。通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)上快捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)三維建模,可以多方面、多角度的呈現(xiàn)尾礦庫(kù)全貌。

本文通過(guò)介紹尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中尾礦庫(kù)庫(kù)容計(jì)算、尾礦庫(kù)庫(kù)容利用系數(shù)計(jì)算及壩體工程量計(jì)算的方法,來(lái)展示三維設(shè)計(jì)在尾礦庫(kù)工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用,對(duì)比傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法,顯示三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

2 軟件介紹

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(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

GEOPAK 是Bentley 公司出品的一款三維輔助設(shè)計(jì)軟件,它具有一整套靈活的動(dòng)態(tài)場(chǎng)地設(shè)計(jì)工具,廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目,如場(chǎng)地平整,公路、水電站、礦山項(xiàng)目等[4]。工程場(chǎng)地主要使用GEOPAK Site 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的開挖、回填、壩體的堆筑等設(shè)計(jì)。GEOPAK 軟件具有以下特點(diǎn)[5-7]:

(1)能以不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速的瀏覽,并能通過(guò)功能強(qiáng)大的場(chǎng)地模型工具對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行可視化的編輯。在通用設(shè)計(jì)平臺(tái)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(chǔ)接觸的特征輪廓線并結(jié)合地形地質(zhì)的三維數(shù)字模型在中就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的三維可視化設(shè)計(jì)。

(2)能夠很容易的建立模型和對(duì)模型進(jìn)行修改設(shè)計(jì),從而可以大幅的提高工作效率。

(3)將地質(zhì)資料和數(shù)字地模導(dǎo)入,并將建筑物的特征輪廓線投影到實(shí)際設(shè)計(jì)高程然后按照給定設(shè)計(jì)坡比在原地形上進(jìn)行放坡、修筑馬道等。

(4)在建筑物基礎(chǔ)開挖有交集的地方軟件可自動(dòng)處理或者人工干預(yù)進(jìn)而防止重復(fù)計(jì)算開挖量。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 總庫(kù)容計(jì)算

尾礦庫(kù)庫(kù)址方案比選階段,往往需要選定多個(gè)庫(kù)址、壩址,通過(guò)計(jì)算比較,綜合選擇庫(kù)容滿足要求,工程量最小的方案作為最優(yōu)方案。

二維的通常做法,通過(guò)CAD 軟件,在等高線地形圖上初步選定壩軸線的位置,根據(jù)壩高和邊坡坡度進(jìn)行放坡,與相應(yīng)標(biāo)高的等高線相連,然后將壩體與各標(biāo)高等高線圍成的封閉面積依次記錄,利用臺(tái)體體積公式近似推求尾礦庫(kù)庫(kù)容。此方法的缺點(diǎn)如下:

(1)改變壩軸線位置或者庫(kù)容不夠,需重新進(jìn)行放坡,重復(fù)以上工作,耗費(fèi)時(shí)間,且容易出錯(cuò),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(jìn)行連接、內(nèi)插等。

GEOPAK 軟件通過(guò)模擬尾礦庫(kù)的地面形態(tài),將地面模型數(shù)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(diǎn)等)。在建模過(guò)程中,信息的傳遞主要通過(guò)模型生成的中間內(nèi)部文件實(shí)現(xiàn),無(wú)需人工量求和讀取數(shù)據(jù),較大程度地避免了人為差錯(cuò)的出現(xiàn)。GEOPAK 軟件計(jì)算庫(kù)容的主要步驟如下:

(1)首先將地形文件作為參考導(dǎo)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(diǎn)等),存儲(chǔ)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(wǎng)信息的tin 文件,具體如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)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(chǔ)上進(jìn)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(jìn)行庫(kù)容計(jì)算,同時(shí)可輸出各標(biāo)高下的庫(kù)容。

某工程選礦廠產(chǎn)生尾礦量為6 832.98 t/d,每年工作300 d,服務(wù)期為24年,尾礦性質(zhì)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(jīng)過(guò)計(jì)算所需尾礦庫(kù)庫(kù)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(kù)容計(jì)算對(duì)比表,兩種方法所計(jì)算的庫(kù)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(shí)較高,一旦改變壩軸線位置或者壩高,試算花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),相比二維方法,三維前期基礎(chǔ)工作準(zhǔn)備好后,后期調(diào)整的耗時(shí)往往很短。

表1 二維方法與三維方法計(jì)算對(duì)比表

利用三維軟件,可方便、快捷的檢查地形數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,可迅速得出壩高-庫(kù)容曲線,更改方案時(shí),可迅速判斷新方案庫(kù)容是否滿足要求,可生動(dòng)、形象的展示各方案的相對(duì)位置。

3.2 有效庫(kù)容計(jì)算

尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容是指尾礦壩體外表面以下、庫(kù)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(kù)區(qū)別于水庫(kù)在于尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容是斜面,而水庫(kù)的庫(kù)容是平面。這就導(dǎo)致利用二維設(shè)計(jì)方法計(jì)算有效庫(kù)容比較困難,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出庫(kù)容利用系數(shù)。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》給出的不同庫(kù)型、不同放礦方式的經(jīng)驗(yàn)庫(kù)容利用系數(shù)值,粗略估算尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容,但是對(duì)于地形比較復(fù)雜,放礦工藝采用庫(kù)前庫(kù)尾聯(lián)合放礦或者采用庫(kù)前庫(kù)周支溝聯(lián)合放礦的尾礦庫(kù)的庫(kù)容利用系數(shù)往往難以準(zhǔn)確估算。

某尾礦總庫(kù)容2.858 × 108m3,有效庫(kù)容2.572 ×108m3,屬于二等庫(kù),尾礦堆積壩采用上游式尾礦筑壩。尾礦庫(kù)位于某河溝中上游山間河谷地帶,尾礦庫(kù)主溝走向?yàn)闁|西向,尾部向西北傾斜,由一個(gè)主溝和四個(gè)支溝組成,其中右岸3 個(gè)支溝,左岸1 個(gè)小型支溝。尾礦庫(kù)的庫(kù)型為較寬闊山谷型但是支溝較多,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)采用庫(kù)前式排礦時(shí),庫(kù)容利用系數(shù)僅為0.8,為了提高庫(kù)容利用系數(shù),增大尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容,采用庫(kù)前與庫(kù)周支溝聯(lián)合放礦的方式。

利用GEOPAK 軟件,在已建好的尾礦庫(kù)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行放礦模擬,驗(yàn)證尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容是否可以達(dá)到預(yù)期。首先,進(jìn)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(dú)進(jìn)行放礦模擬;對(duì)于支溝放礦,可以采用圓形擴(kuò)散的方式進(jìn)行模擬,此種模擬方式比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。通過(guò)壩前及支溝放礦模擬,計(jì)算出有效庫(kù)容2.572 ×108m3,總庫(kù)容2.858 ×108m3,庫(kù)容利用系數(shù)為0.9,增大了尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容約2 800 ×104m3。

不同的地形環(huán)境,很難利用以往的經(jīng)驗(yàn),但是通過(guò)利用GEOPAK 軟件,模擬不同的放礦模式,可以較準(zhǔn)確的確定尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容。

3.3 壩體工程量計(jì)算

對(duì)于尾礦庫(kù)工程,無(wú)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(jì)算壩體的工程量。尤其是采用廢石尾礦聯(lián)合堆存工藝時(shí),筑壩的廢石量需與采場(chǎng)開采的廢石量相平衡,壩體堆筑需考慮尾礦庫(kù)內(nèi)尾礦上升速度、壩體的穩(wěn)定性等因素。

某尾礦庫(kù)采用廢石筑壩,最終壩頂標(biāo)高1 070 m,最大壩高260 m,壩軸線長(zhǎng)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(tái)排土機(jī)與汽車堆筑同時(shí)進(jìn)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(shí)還有考慮排土機(jī)的移設(shè)時(shí)間長(zhǎng),盡量減少移設(shè)次數(shù)等因素。汽車堆筑負(fù)責(zé)保證壩體高度的上升超過(guò)尾礦水位的上升速度,排土機(jī)向下排土,排土高度為40 m,負(fù)責(zé)壩體寬度方向的延伸,保證壩體穩(wěn)定。綜合考慮各項(xiàng)因素,平衡排土機(jī)所排廢石量與汽車堆筑的廢石量至關(guān)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(jù)每年開采廢石的總量,分別估算排土機(jī)與汽車堆筑的廢石量。在GEOPAK 中先假定一段平臺(tái)的長(zhǎng)度,根據(jù)坡度進(jìn)行放坡操作。然后利用查詢工具,查詢這一平臺(tái)的工程量,與估算的排土機(jī)的排放廢石量相比,進(jìn)行調(diào)整,縮短或者加長(zhǎng)平臺(tái)的長(zhǎng)度,繼續(xù)進(jìn)行放坡操作,直到此平臺(tái)的工程量與估算量相差不大,然后進(jìn)行下一平臺(tái)的長(zhǎng)度選擇。以此方法進(jìn)行,直到堆筑到壩頂標(biāo)高。此時(shí),每一平臺(tái)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(tǒng)方法二維進(jìn)行試算,每選定一個(gè)平臺(tái)的長(zhǎng)度,就要在二維地形圖中進(jìn)行放坡,然后利用二維的方法計(jì)算工程量,計(jì)算結(jié)果與估算量相比較,進(jìn)行調(diào)整,然后繼續(xù)上一步驟的手動(dòng)放坡,手動(dòng)計(jì)算工程量,如此反復(fù),直到平衡。

二維方法的計(jì)算量大,耗時(shí)長(zhǎng),容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。三維操作只需要選定壩頂或者平臺(tái)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(chǎn)中可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況產(chǎn)生的廢石量來(lái)調(diào)整壩體堆筑進(jìn)度等。

4 結(jié)論

在Bentley 平臺(tái)的基礎(chǔ)上,充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和三角網(wǎng)差分法給場(chǎng)地設(shè)計(jì)尤其是復(fù)雜的邊坡開挖、壩體堆筑提供了巨大的支持。計(jì)算精度在很大程度上依賴于地形測(cè)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)工程師所選用的三角網(wǎng)格精度,相比于常規(guī)二維設(shè)計(jì)通過(guò)剖切典型斷面計(jì)算工程量,三維設(shè)計(jì)能夠更準(zhǔn)確迅速的計(jì)算工程量,更真實(shí)形象地反應(yīng)堆筑壩體的效果。

GEOPAK 軟件有實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)功能即通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)要素線重新運(yùn)算后,整個(gè)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(yùn)行工程量查詢命令可以得到更新后的工程量。運(yùn)用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)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(shí)際壩體的堆筑,在壩體分區(qū)方案比選優(yōu)化以及工程量統(tǒng)計(jì)上有著無(wú)與倫比的快捷。此外還可以根據(jù)三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積并指導(dǎo)應(yīng)用于征地移民工作檢查邊坡設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)而避免過(guò)多的高邊坡出現(xiàn)。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。隨著勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的市場(chǎng)化,通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量要求,將會(huì)越來(lái)越高,而工程設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短,利用進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),不僅可以快速地進(jìn)行工程的方案優(yōu)選比較,同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案的修改也能在很短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)反饋,尤其是在開挖及回填工程量的計(jì)算統(tǒng)計(jì)上。

尾礦庫(kù)壩坡滲流、穩(wěn)定分析往往需要利用其他軟件進(jìn)行,目前三維軟件發(fā)展也在向著更便捷的操作方向,將滲流、穩(wěn)定等分析模塊集成在一款軟件中,設(shè)計(jì)者只需要進(jìn)行一次模型,尾礦庫(kù)所有的信息都將集成在模型中,可以在模型中進(jìn)行三維滲流模擬,進(jìn)而完成三維壩坡穩(wěn)定分析,可以查找安全系數(shù)最小的剖面等等功能。

BIM 已經(jīng)在設(shè)計(jì)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得以應(yīng)用,隨著技術(shù)的發(fā)展,BIM 的理念將會(huì)貫徹在尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)、施工、放礦、監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面,形成尾礦庫(kù)全生命周期的仿真管理系統(tǒng),為業(yè)主管理尾礦庫(kù)提供便利。