基于GEOPAK軟件的尾礦庫全生命周期仿真管理系統研究

高 峰,鄭學鑫,宋會彬

（中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038）

0 引言

尾礦庫的全生命周期[1]指尾礦庫從設計、施工、生產運行到閉庫復墾的全過程。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,尾礦庫設計、施工、生產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一的整體。

隨著三維建模技術[2]、可視化技術[3]、三維仿真技術[4]等新技術的發展,在尾礦庫全生命周期內引入三維仿真管理系統,將尾礦庫各階段管理由傳統的二維轉變為三維動態管理,能實現更加精準的工程量測算及安全風險管控,建設生產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展趨勢。

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[5]。該軟件亦可應用于尾礦庫輔助設計中,其在三維建模技術、可視化技術、三維仿真技術等方面具有以下技術優勢:

(1)三維建模技術是通過點、線、面等要素將事物構造出來,經過后期處理后通過計算機或者其他視頻設備進行輸出[6]。GEOPAK軟件將傳統的平面、剖面、截面工程工作流與基于參數化關系和約束的創新型三維建模技術相結合,將三維建模、施工驅動型工程以及分析集于一體。

(2)可視化技術是利用計算機圖形和圖像處理技術,將二維數據轉換為人容易接受的三維視覺信息并在屏幕上進行顯示的計算方法。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生,擴大了對于不確定因素的控制范圍[7]。

(3)仿真技術通過對系統仿真模型的運行過程進行觀察和統計,來掌握系統的基本特性,找出仿真系統的最佳設計參數,實現對真實系統設計的改善或優化[8]。GEOPAK軟件廣泛應用于隧道施工費用預測、土方工程施工仿真、施工過程動態交互仿真,并應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軟件廣泛應用在輔助設計中,本文創新的將GEOPAK軟件應用于尾礦庫的施工、生產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。該系統包括設計輔助、施工輔助、生產運行輔助、閉庫輔助等子系統。該系統的突出優點在于對各階段各項任務的“提前”仿真,在實施之前,提前模擬出各種可能,輔助其他專業軟件和工程師的技術經驗,選擇出最優的方案來實施。避免因方案“錯誤”導致的經濟損失、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。系統組成如圖1所示。

圖1 尾礦庫全生命周期仿真管理系統組成

1 尾礦庫全生命周期仿真管理系統

1.1 設計輔助系統

在尾礦庫設計輔助系統中,首先利用GEOPAK軟件建立尾礦庫構筑物三維模型,通過在三維模型的基礎上開發了如下功能:庫容測算、工程量測算、設計階段調洪演算等。

(1)庫容測算功能,首先由測量的地形圖生成DTM數字地面模型[9-10],在DTM數字地面基礎上構建尾礦庫相關構筑物,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高與地形之間的容積測算可得出總庫容、有效庫容等參數。有別于傳統的在平面圖上進行二維庫容測算,通過三維仿真可以更好反映地形與構筑物之間的關系,庫容測算結果也更加精準。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數字地面基礎上建立構筑物三維模型,通過GEOPAK軟件可以很好的模擬出構筑物與原地形間的挖填關系,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。對比在二維基礎上進行如挖填平衡等復雜工程量測算,該三維輔助系統可節省大量時間,同時測算結果也更加精準。

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

1.2 施工輔助系統

施工輔助系統,通過GEOPAK軟件建立三維施工模型,并結合施工管理軟件,實現施工前優化、施工過程優化等功能,方便施工總承包單位更為精準的施工管理,用于指導施工、優化費用等。

其中施工前優化功能,主要用于施工組織設計的編制和優化,以初期壩施工組織設計為例,主要內容有分部分項工程量測算和施工進度測算。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行分解,分解為每層填筑的工程量,通過三維仿真模型并結合施工單位的人工、材料、施工機械等情況結合施工管理軟件進行進度預測和費用優化,從而提出更為合理的施工組織方案。

對于施工過程中的優化,通過GEOPAK軟件可以很好的進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合,例如在壩體清基完成后,以清基后的地形建立DTM數字模型,在模型上進行壩體填筑仿真,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建立DTM數字模型,在模型上進行下一填筑層的仿真,測算出下一段填筑壩體的工程量,根據施工條件進行進度、費用優化。以此不難看出,此施工輔助系統更適用于以設計單位為主體的總承包模式,可以更為熟練的運用相關軟件,進行工程量測量、方案優化和施工預報。

1.3 生產運行輔助系統

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

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,首先通過運行現狀建立DTM數字地面模型,在此模型基礎上對下階段庫容進行仿真模擬,并結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域對應的有效容積,進行放礦優化和調整。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,采用尾礦進行子壩堆筑。在每期子壩堆壩前,以運行現狀建立DTM數字地面模型,在此模型基礎上對下一級堆筑子壩進行仿真,以確定堆筑子壩的工程量、筑壩尾礦開挖區域,方便尾礦庫管理單位進行子壩堆筑施工。

其中汛前調洪演算功能,因為尾礦庫是動態的運行過程,根據安全監督管理規定要求,每座尾礦庫在汛期前需要進行調洪演算,并提出汛前安全控制指標。通過GEOPAK軟件可實現更為精準的數據測算,通過三維仿真模型測算的調洪庫容比二維測算更為精確,將調洪庫容曲線代入水文計算軟件進行調洪演算,提出準確的汛前安全控制指標供管理單位使用。運行現狀仿真模型還可以與設計模型相互校核調整,便于管理單位精準了解尾礦庫運行狀態。

1.4 閉庫輔助系統

在尾礦庫完成服務期后需要進行閉庫,這也是尾礦庫全生命周期的最后一個階段。閉庫輔助系統,可實現對尾礦庫復墾方案的模擬仿真,從而確定最優的復墾方案,并指導復墾施工。

復墾方案模擬,通過GEOPAK軟件建立復墾前的DTM數字地面模型,在模型基礎上對多個復墾方案進行仿真模擬,對比不同方案的復墾工程量和對周邊安全環境影響,通過技術經濟比較確定最合理的復墾方案。

2 結論

筆者基于GEOPAK軟件建立了尾礦庫全生命周期仿真管理系統,該系統充分發揮了GEOPAK軟件在三維建模技術、可視化技術、三維仿真技術等方面的技術優勢,實現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的二維上升至三維動態管理。

該仿真管理系統包括設計輔助、施工輔助、生產運行輔助、閉庫輔助等子系統。通過GEOPAK軟件建立的三維仿真模型,設計輔助系統實現了更為精準的工程量測算功能和設計階段調洪演算等功能；施工輔助系統實現了施工前仿真、施工過程仿真；生產運行輔助系統實現了放礦模擬、堆壩模擬和汛前調洪演算；閉庫輔助系統實現了復墾方案仿真等功能,對于其他功能尚在進一步開發之中。

這套仿真管理系統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,輔助其他專業軟件和工程師的技術經驗,選擇出最優的方案來實施。從而避免了“錯誤”方案而導致的經濟損失、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。

該系統將GEOPAK軟件在輔助設計中的優勢延伸到施工、生產運行和閉庫等其他階段,在尾礦庫全生命周期管理中實現了仿真模擬和精細化測算,大幅提高了尾礦庫日常管理水平,填補了國內此領域的技術空白。