高 峰,鄭學(xué)鑫,宋會彬

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038）

0 引言

尾礦庫的全生命周期[1]指尾礦庫從設(shè)計、施工、生產(chǎn)運行到閉庫復(fù)墾的全過程。目前我國還沒有一套完整的尾礦庫全生命周期仿真管理系統(tǒng),尾礦庫設(shè)計、施工、生產(chǎn)運行和閉庫等階段管理大多停留在二維層面,各階段之間也未形成統(tǒng)一的整體。

隨著三維建模技術(shù)[2]、可視化技術(shù)[3]、三維仿真技術(shù)[4]等新技術(shù)的發(fā)展,在尾礦庫全生命周期內(nèi)引入三維仿真管理系統(tǒng),將尾礦庫各階段管理由傳統(tǒng)的二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S動態(tài)管理,能實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的工程量測算及安全風(fēng)險管控,建設(shè)生產(chǎn)過程的仿真模擬和可視化展示,將大幅提高尾礦庫的管理水平,也是未來尾礦庫管理的發(fā)展趨勢。

GEOPAK是Bentley公司出品的一款三維輔助設(shè)計軟件,它具有一整套靈活的動態(tài)場地設(shè)計工具,廣泛應(yīng)用于工程項目,如場地平整,公路、水電站、礦山項目等[5]。該軟件亦可應(yīng)用于尾礦庫輔助設(shè)計中,其在三維建模技術(shù)、可視化技術(shù)、三維仿真技術(shù)等方面具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

(1)三維建模技術(shù)是通過點、線、面等要素將事物構(gòu)造出來,經(jīng)過后期處理后通過計算機(jī)或者其他視頻設(shè)備進(jìn)行輸出[6]。GEOPAK軟件將傳統(tǒng)的平面、剖面、截面工程工作流與基于參數(shù)化關(guān)系和約束的創(chuàng)新型三維建模技術(shù)相結(jié)合,將三維建模、施工驅(qū)動型工程以及分析集于一體。

(2)可視化技術(shù)是利用計算機(jī)圖形和圖像處理技術(shù),將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人容易接受的三維視覺信息并在屏幕上進(jìn)行顯示的計算方法。依靠GEOPAK軟件的自然空間分析能力和三維可視化分析能力,減少不確定因素的發(fā)生,擴(kuò)大了對于不確定因素的控制范圍[7]。

(3)仿真技術(shù)通過對系統(tǒng)仿真模型的運行過程進(jìn)行觀察和統(tǒng)計,來掌握系統(tǒng)的基本特性,找出仿真系統(tǒng)的最佳設(shè)計參數(shù),實現(xiàn)對真實系統(tǒng)設(shè)計的改善或優(yōu)化[8]。GEOPAK軟件廣泛應(yīng)用于隧道施工費用預(yù)測、土方工程施工仿真、施工過程動態(tài)交互仿真,并應(yīng)用到大型地下洞室群施工、交通運輸、土石壩施工等多個方面。

目前GEOPAK軟件廣泛應(yīng)用在輔助設(shè)計中,本文創(chuàng)新的將GEOPAK軟件應(yīng)用于尾礦庫的施工、生產(chǎn)運行和閉庫等其他階段,并建立尾礦庫全生命周期的三維仿真管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括設(shè)計輔助、施工輔助、生產(chǎn)運行輔助、閉庫輔助等子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點在于對各階段各項任務(wù)的“提前”仿真,在實施之前,提前模擬出各種可能,輔助其他專業(yè)軟件和工程師的技術(shù)經(jīng)驗,選擇出最優(yōu)的方案來實施。避免因方案“錯誤”導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失、誤工和安全事故,從而大幅提高尾礦庫的安全管理水平和效率。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 尾礦庫全生命周期仿真管理系統(tǒng)組成

1 尾礦庫全生命周期仿真管理系統(tǒng)

1.1 設(shè)計輔助系統(tǒng)

在尾礦庫設(shè)計輔助系統(tǒng)中,首先利用GEOPAK軟件建立尾礦庫構(gòu)筑物三維模型,通過在三維模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了如下功能:庫容測算、工程量測算、設(shè)計階段調(diào)洪演算等。

(1)庫容測算功能,首先由測量的地形圖生成DTM數(shù)字地面模型[9-10],在DTM數(shù)字地面基礎(chǔ)上構(gòu)建尾礦庫相關(guān)構(gòu)筑物,如尾礦壩、排水井、輸送泵站、隧洞等模型。通過對尾礦庫最終堆積標(biāo)高與地形之間的容積測算可得出總庫容、有效庫容等參數(shù)。有別于傳統(tǒng)的在平面圖上進(jìn)行二維庫容測算,通過三維仿真可以更好反映地形與構(gòu)筑物之間的關(guān)系,庫容測算結(jié)果也更加精準(zhǔn)。某尾礦庫三維仿真示例如圖2所示。

圖2 某尾礦庫三維仿真示例

(2)工程量測算功能,在DTM數(shù)字地面基礎(chǔ)上建立構(gòu)筑物三維模型,通過GEOPAK軟件可以很好的模擬出構(gòu)筑物與原地形間的挖填關(guān)系,從而很容易測算出相互間工程量,如尾礦壩清基工程量、尾礦壩筑壩工程量、上壩道路挖填平衡量、尾礦庫周邊截洪溝挖填平衡量、隧洞開挖工程量等。對比在二維基礎(chǔ)上進(jìn)行如挖填平衡等復(fù)雜工程量測算,該三維輔助系統(tǒng)可節(jié)省大量時間,同時測算結(jié)果也更加精準(zhǔn)。

(3)設(shè)計階段調(diào)洪演算功能,在典型標(biāo)高的尾礦庫三維仿真模型基礎(chǔ)上,測算出各計算工況下的調(diào)洪庫容,再將測算的調(diào)洪庫容曲線代入水文計算軟件,進(jìn)行調(diào)洪演算,從而提出相對應(yīng)標(biāo)高下尾礦庫的安全控制指標(biāo)。

1.2 施工輔助系統(tǒng)

施工輔助系統(tǒng),通過GEOPAK軟件建立三維施工模型,并結(jié)合施工管理軟件,實現(xiàn)施工前優(yōu)化、施工過程優(yōu)化等功能,方便施工總承包單位更為精準(zhǔn)的施工管理,用于指導(dǎo)施工、優(yōu)化費用等。

其中施工前優(yōu)化功能,主要用于施工組織設(shè)計的編制和優(yōu)化,以初期壩施工組織設(shè)計為例,主要內(nèi)容有分部分項工程量測算和施工進(jìn)度測算。施工前總包單位(或施工單位)可以采用GEOPAK軟件對筑壩總工程量進(jìn)行分解,分解為每層填筑的工程量,通過三維仿真模型并結(jié)合施工單位的人工、材料、施工機(jī)械等情況結(jié)合施工管理軟件進(jìn)行進(jìn)度預(yù)測和費用優(yōu)化,從而提出更為合理的施工組織方案。

對于施工過程中的優(yōu)化,通過GEOPAK軟件可以很好的進(jìn)行施工全過程仿真和分階段仿真。還以初期壩施工為例,各施工階段都可以與三維仿真相結(jié)合,例如在壩體清基完成后,以清基后的地形建立DTM數(shù)字模型,在模型上進(jìn)行壩體填筑仿真,可以模擬出每一層填筑壩體的外形與容積。還可以在每一層填筑完成后,以完成的壩體為基礎(chǔ)建立DTM數(shù)字模型,在模型上進(jìn)行下一填筑層的仿真,測算出下一段填筑壩體的工程量,根據(jù)施工條件進(jìn)行進(jìn)度、費用優(yōu)化。以此不難看出,此施工輔助系統(tǒng)更適用于以設(shè)計單位為主體的總承包模式,可以更為熟練的運用相關(guān)軟件,進(jìn)行工程量測量、方案優(yōu)化和施工預(yù)報。

1.3 生產(chǎn)運行輔助系統(tǒng)

生產(chǎn)運行輔助系統(tǒng),在尾礦庫運行過程中建立仿真模型并結(jié)合水文計算軟件、放礦計劃等,可以建立起一套生產(chǎn)運行輔助系統(tǒng),該系統(tǒng)能實現(xiàn)放礦模擬、汛前調(diào)洪演算等功能,從而實現(xiàn)對尾礦庫的精細(xì)化運行管理。

其中放礦模擬功能,方便每年年初或者每季度初制定下階段放礦計劃,首先通過運行現(xiàn)狀建立DTM數(shù)字地面模型,在此模型基礎(chǔ)上對下階段庫容進(jìn)行仿真模擬,并結(jié)合選礦廠的尾礦排放計劃,測算出放礦量與堆壩庫容的平衡,從而制定合理的放礦計劃。同時放礦模擬功能還能實現(xiàn)對不同排放方式(壩前、周邊和庫尾放礦)仿真模擬,從而測算出不同放礦區(qū)域?qū)?yīng)的有效容積,進(jìn)行放礦優(yōu)化和調(diào)整。例如,某尾礦庫單一壩前放礦和壩前、庫尾同時放礦模擬示例如圖3所示。

圖3 某尾礦庫放礦模擬示例

其中堆壩模擬功能,在尾礦庫運行過程中,采用尾礦進(jìn)行子壩堆筑。在每期子壩堆壩前,以運行現(xiàn)狀建立DTM數(shù)字地面模型,在此模型基礎(chǔ)上對下一級堆筑子壩進(jìn)行仿真,以確定堆筑子壩的工程量、筑壩尾礦開挖區(qū)域,方便尾礦庫管理單位進(jìn)行子壩堆筑施工。

其中汛前調(diào)洪演算功能,因為尾礦庫是動態(tài)的運行過程,根據(jù)安全監(jiān)督管理規(guī)定要求,每座尾礦庫在汛期前需要進(jìn)行調(diào)洪演算,并提出汛前安全控制指標(biāo)。通過GEOPAK軟件可實現(xiàn)更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測算,通過三維仿真模型測算的調(diào)洪庫容比二維測算更為精確,將調(diào)洪庫容曲線代入水文計算軟件進(jìn)行調(diào)洪演算,提出準(zhǔn)確的汛前安全控制指標(biāo)供管理單位使用。運行現(xiàn)狀仿真模型還可以與設(shè)計模型相互校核調(diào)整,便于管理單位精準(zhǔn)了解尾礦庫運行狀態(tài)。

1.4 閉庫輔助系統(tǒng)

在尾礦庫完成服務(wù)期后需要進(jìn)行閉庫,這也是尾礦庫全生命周期的最后一個階段。閉庫輔助系統(tǒng),可實現(xiàn)對尾礦庫復(fù)墾方案的模擬仿真,從而確定最優(yōu)的復(fù)墾方案,并指導(dǎo)復(fù)墾施工。

復(fù)墾方案模擬,通過GEOPAK軟件建立復(fù)墾前的DTM數(shù)字地面模型,在模型基礎(chǔ)上對多個復(fù)墾方案進(jìn)行仿真模擬,對比不同方案的復(fù)墾工程量和對周邊安全環(huán)境影響,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定最合理的復(fù)墾方案。

2 結(jié)論

筆者基于GEOPAK軟件建立了尾礦庫全生命周期仿真管理系統(tǒng),該系統(tǒng)充分發(fā)揮了GEOPAK軟件在三維建模技術(shù)、可視化技術(shù)、三維仿真技術(shù)等方面的技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)了對尾礦庫全生命周期的三維仿真模擬,將尾礦庫管理由傳統(tǒng)的二維上升至三維動態(tài)管理。

該仿真管理系統(tǒng)包括設(shè)計輔助、施工輔助、生產(chǎn)運行輔助、閉庫輔助等子系統(tǒng)。通過GEOPAK軟件建立的三維仿真模型,設(shè)計輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了更為精準(zhǔn)的工程量測算功能和設(shè)計階段調(diào)洪演算等功能；施工輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了施工前仿真、施工過程仿真；生產(chǎn)運行輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了放礦模擬、堆壩模擬和汛前調(diào)洪演算；閉庫輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了復(fù)墾方案仿真等功能,對于其他功能尚在進(jìn)一步開發(fā)之中。

這套仿真管理系統(tǒng)的核心特點在于事前仿真和精確計算。在尾礦庫全生命周期每階段的各項工作實施之前,提前模擬出各種可能,輔助其他專業(yè)軟件和工程師的技術(shù)經(jīng)驗,選擇出最優(yōu)的方案來實施。從而避免了“錯誤”方案而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失、誤工和安全事故,大幅提高了尾礦庫的安全管理水平和管理效率。

該系統(tǒng)將GEOPAK軟件在輔助設(shè)計中的優(yōu)勢延伸到施工、生產(chǎn)運行和閉庫等其他階段,在尾礦庫全生命周期管理中實現(xiàn)了仿真模擬和精細(xì)化測算,大幅提高了尾礦庫日常管理水平,填補(bǔ)了國內(nèi)此領(lǐng)域的技術(shù)空白。