基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應(yīng)急救援系統(tǒng)

胡祥群,鄭學(xué)鑫

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 背景

尾礦庫是指利用山區(qū)溝谷或者利用平地建筑圍堤壩形成庫容,用以堆存金屬或非金屬礦山選礦后排出礦渣的場所[1]。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源,存在潰壩危險,一旦失事,容易造成重特大安全和環(huán)保事故[2]。尾礦壩作為尾礦庫的主體工程,其穩(wěn)定性是關(guān)系尾礦庫能否正常運行的關(guān)鍵因素之一。

目前,根據(jù)堆積子壩的壩頂軸線推移方向,可以將尾礦壩的筑壩方法分為上游式尾礦筑壩法、下游式尾礦筑壩法和中線式尾礦筑壩法[3]。

上游式尾礦筑壩法:在初期壩上游方向堆積尾礦的筑壩方式[4]。上游式尾礦筑壩法具有工藝簡單,操作方便,基建投資少,經(jīng)營費低等優(yōu)點,是我國目前廣泛應(yīng)用的尾礦壩建筑方法。但是,上游式尾礦筑壩法容易形成復(fù)雜的、混合的壩體結(jié)構(gòu),壩體內(nèi)易形成細(xì)顆粒透晶體、浸潤線較高,從而容易引起壩體滲透破壞或滑坡,尤其是在地震作用下易發(fā)生液化破壞。

下游式尾礦筑壩法:在初期壩下游方向用旋流器分離粗尾砂的筑壩方式[4]。下游式尾礦筑壩法具有粗砂筑壩、滲透性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但是需要使用大量的粗粒尾礦,容易出現(xiàn)粗粒尾礦量不足的問題。

中線式尾礦筑壩法:在初期壩軸線處用旋流器分離粗尾砂的筑壩方式[4]。中線式尾礦筑壩法所建筑的壩體,其壩型介于上游式尾礦筑壩法和下游式尾礦筑壩法之間,其壩體的抗震穩(wěn)定性也介于上游式與下游式尾礦筑壩法之間,但其壩體上升所需的粗顆粒尾礦要比下游式尾礦筑壩少,筑壩費用也比下游式尾礦筑壩法低。

綜合上述,下游式或者中線式尾礦筑壩方法具有粗砂筑壩、滲透性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[5],在高震區(qū)有優(yōu)勢,《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)也提倡地震設(shè)防烈度為8 度～9 度地區(qū)采用下游式或者中線式尾礦筑壩[4],而中線式尾礦筑壩方法所需的粗尾礦比下游式尾礦筑壩方法少,筑壩成本較低。因此,中線式尾礦筑壩方法具有廣大的應(yīng)用前景,尤其是高震地區(qū)。

中線式尾礦筑壩管理的關(guān)鍵是砂量平衡的管理,即排往壩外坡的旋流器分離的粗尾砂與排往庫內(nèi)的細(xì)尾砂兩者需平衡,使得尾礦壩各階段壩頂上升速度滿足庫內(nèi)尾砂沉積灘面的上升速度[5]。目前,尚沒有一種成熟的管理方法用來實時監(jiān)測和指導(dǎo)中線式尾礦筑壩,使得中線式尾礦筑壩管理過程中容易混亂,容易出現(xiàn)分級粗尾砂過多不經(jīng)濟(jì)或分級粗尾砂不足而影響筑壩安全、壩外坡局部欠砂不利于局部邊坡的穩(wěn)定、子壩堆筑過早不利于邊坡穩(wěn)定、子壩堆筑滯后影響尾礦庫防洪安全的不良后果[6]。因此,需要尋求一種新的用于中線式尾礦筑壩的管理系統(tǒng),為中線式尾礦筑壩日常管理提供實時監(jiān)測和指導(dǎo)。

與此同時,緣于我國尾礦庫數(shù)量之多,且隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)度加快,尾礦庫距離人口居住區(qū)越來越近,一旦發(fā)生潰壩或者尾礦滲漏,將會嚴(yán)重影響到下游人民的生命財產(chǎn)安全,對周邊環(huán)境造成極大的負(fù)面影響,尾礦庫監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急信息化管理方面近年來也逐漸被重視。傳統(tǒng)的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)重尾礦庫數(shù)據(jù)的采集、管理和展示,無法滿足尾礦庫應(yīng)急救援需求,在險情發(fā)生時往往已經(jīng)癱瘓,無法發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)輔助應(yīng)急救援的作用[7]。因此,需要尋求一種新的中線式尾礦壩應(yīng)急救援系統(tǒng),當(dāng)險情發(fā)生時,可以集成豐富的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、影像等,為尾礦庫應(yīng)急救援構(gòu)建一個抗干擾性強、性能穩(wěn)定、反映迅速的綜合信息化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概況

提出一種基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應(yīng)急救援系統(tǒng),該系統(tǒng)以三維激光掃描儀為測量手段,實現(xiàn)集尾礦庫正常運行時的尾礦分級和筑壩過程精細(xì)化管理、險情發(fā)生時的應(yīng)急指揮和輔助救援于一體的綜合化管理。

日常管理過程中,結(jié)合三維激光掃描儀與中線式尾礦筑壩砂量平衡原理,參照中線式尾礦分級筑壩計劃,實時對比通過掃描儀獲得的實際壩體三維地形與設(shè)計規(guī)劃的壩體三維圖形,分析尾礦粗砂欠缺情況,優(yōu)化后續(xù)尾礦分級和筑壩過程,避免出現(xiàn)分級粗尾砂的浪費或不足、子壩堆筑過早或滯后的現(xiàn)象[6]。

險情發(fā)生時,以三維激光掃描儀為觀測手段,保證在最危急的時刻,應(yīng)急救援系統(tǒng)能夠獲得第一線的數(shù)據(jù),并提供輔助性應(yīng)急指揮,為尾礦壩應(yīng)急救援、排險加固等提供強有力的支撐。

2 三維掃描儀

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)[8-9],是測繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的一次技術(shù)革命[10]。三維激光掃描的主動性和非接觸性測量系統(tǒng),采用高速激光測量獲取目標(biāo)物表面三維點云數(shù)據(jù)的方式,來快速獲取三維坐標(biāo)(X,Y,Z),為特殊環(huán)境條件下的工程監(jiān)測提供了一種新的量測方案[11-13]。目前,三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程測量、變形監(jiān)測、古建筑和文物修復(fù)、數(shù)字智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域[14-16],并且國外學(xué)者在捕獲海底圖像、農(nóng)田土壤侵蝕測量等復(fù)雜環(huán)境領(lǐng)域也成功進(jìn)行了應(yīng)用。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù),因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型[17]。

日常管理過程中,通過三維激光掃描儀及配套軟件實時獲取中線式尾礦壩壩頂標(biāo)高、沉積灘標(biāo)高、下游累積粗砂量和欠砂區(qū)域,為下一步尾礦分級和筑壩精細(xì)化管理提供依據(jù)。

險情發(fā)生時,通過三維激光掃描儀及配套軟件第一時間獲取壩體變形區(qū)域的位置和范圍,全面掌控事態(tài)發(fā)展趨勢,保證應(yīng)急救援工作迅速有序高效開展。

3 筑壩管理系統(tǒng)

3.1 技術(shù)方案

根據(jù)中線式尾礦分級筑壩砂量平衡原理,制作尾礦分級筑壩計劃圖,從該圖上能查出任意堆壩壩頂標(biāo)高時庫內(nèi)尾礦沉積灘標(biāo)高、下游累積需要粗砂量和對應(yīng)的累積排放尾礦時間,這個計劃圖作為中線式尾礦筑壩管理的準(zhǔn)繩。尾礦庫實際運行過程中,根據(jù)三維激光掃描儀測算的實際庫內(nèi)尾礦沉積灘標(biāo)高、實際下游累積粗砂量,和查得的實際累積尾礦排放時間,對照尾礦分級筑壩計劃圖,查算出目前堆壩壩頂標(biāo)高下,尚需下游粗砂量和允許的排放尾礦時間,從而得到需要的日均粗砂產(chǎn)量,據(jù)此確定后續(xù)尾礦分級計劃,并調(diào)整旋流器設(shè)備的運行數(shù)量。其間,根據(jù)下一級子壩施工工期,可反推出堆筑下一級子壩的起始時間。

3.2 實施方式

中線式尾礦分級筑壩壩體橫剖面示意圖如圖1所示,圖中:H為某堆壩壩頂標(biāo)高,H0為某堆壩壩頂標(biāo)高H下實際庫內(nèi)尾礦沉積灘標(biāo)高,H1為某堆壩壩頂標(biāo)高H下最終庫內(nèi)尾礦沉積灘標(biāo)高,W0為某堆壩壩頂標(biāo)高H下實際下游累積粗砂量,ΔW為某堆壩壩頂標(biāo)高H下尚需粗砂量。

圖1 中線式尾礦分級筑壩壩體橫剖面示意圖

根據(jù)中線式尾礦分級筑壩橫剖面和中線式尾礦分級筑壩砂量平衡原理,制作中線式尾礦分級筑壩計劃示意圖,如圖2 所示。

圖2 中線式尾礦分級筑壩計劃示意圖

中線式尾礦分級筑壩管理流程如圖3 所示,圖中:t0為某堆壩壩頂標(biāo)高H下實際累積排放尾礦時間,t1為某堆壩壩頂標(biāo)高H下最終累積排放尾礦時間,t為堆筑下一級子壩的施工工期,ta為堆筑下一級子壩的起始時間,m0為實際每日生產(chǎn)粗砂量,m1為調(diào)整后的每日生產(chǎn)粗砂量。

圖3 中線式尾礦分級筑壩管理方法流程圖

具體實施方案為[6]:根據(jù)圖2,查得W1、H1、t1。根據(jù)三維激光掃描儀測得H0,再由圖2 查得t0。根據(jù)三維激光掃描儀和配套軟件測算得W0。計算m1:

將m1與m0對比,調(diào)整日后旋流器設(shè)備的運行數(shù)量。

其間,根據(jù)t,計算出ta:

3.3 有益效果

一種新的中線式尾礦筑壩管理系統(tǒng),在中線式尾砂筑壩管理過程中,實時、精準(zhǔn)、快捷地測算出實際粗砂量與設(shè)計所需粗砂量之間的差距,再結(jié)合排放尾礦時間,指導(dǎo)和調(diào)整后續(xù)尾礦分級和子壩堆筑,該管理方法貫穿于中線式尾砂筑壩的整個生命周期,使得中線式尾礦筑壩管理有章可循,避免了出現(xiàn)分級粗尾砂量的浪費或不足、子壩堆筑過早或滯后的不良現(xiàn)象,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,同時為中線式尾砂筑壩提供了安全保障。

4 應(yīng)急救援系統(tǒng)

4.1 技術(shù)方案

借助三維激光掃描儀和配套軟件測量計算出壩體表面位移,結(jié)合其他監(jiān)測項(浸潤線埋深、干灘、庫水位、降雨量等),通過數(shù)據(jù)預(yù)處理對多角度、多層次的數(shù)據(jù)進(jìn)行有序存儲和過濾,使得準(zhǔn)確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)送到計算和安全評價模塊,評估出尾礦庫安全狀態(tài),一旦通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢發(fā)現(xiàn)未來有險情發(fā)生可能時,啟動聯(lián)動報警和預(yù)案管理流程,指揮中心通過在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和影像資料,實時全面準(zhǔn)備地掌握險情狀態(tài)和發(fā)展趨勢,以確定救援方案,保證應(yīng)急救援工作迅速有序高效開展。

4.2 實施方式

根據(jù)中線式尾礦筑壩應(yīng)急救援技術(shù)方案,構(gòu)建在線監(jiān)測及應(yīng)急指揮拓?fù)鋱D,如圖4 所示,拓?fù)鋱D由四個模塊組成,分別為監(jiān)測模塊、計算模塊、評價模塊和應(yīng)急指揮模塊。

圖4 在線監(jiān)測及應(yīng)急指揮拓?fù)鋱D

監(jiān)測模塊完成數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集和預(yù)處理任務(wù),實現(xiàn)尾礦庫全方位監(jiān)測,監(jiān)測內(nèi)容有壩體內(nèi)部位移、壩體表面位移、浸潤線、干灘長度和安全超高、庫水位、降雨量、視頻等,其中三維掃描儀負(fù)責(zé)壩體表面位移觀測,儀器支架安裝在地基穩(wěn)固、沒有滑坡傾向的山體處,以防險情發(fā)生時設(shè)備失靈。

計算模塊[8]完成數(shù)據(jù)存儲、模型和計算、統(tǒng)計和整理任務(wù),將準(zhǔn)備有效的數(shù)據(jù)傳遞給評價模塊和供指揮中心調(diào)用。

評價模塊[8]根據(jù)各監(jiān)測數(shù)據(jù)、趨勢分析,對尾礦庫安全性進(jìn)行綜合評價,得出結(jié)論。

應(yīng)急指揮模塊[9]包括報警預(yù)案、指揮中心和工業(yè)現(xiàn)場三部分,報警預(yù)案是指評價得出尾礦庫有險情時,自動啟動報警程序,通過電話、短信、郵件、鈴聲、燈光等方式告知工作人員報警,同時啟動應(yīng)急預(yù)案程序。指揮中心根據(jù)現(xiàn)場險情狀況和發(fā)展趨勢,制定應(yīng)急救援方案,指揮調(diào)度應(yīng)急物資和資源。

4.3 有益效果

一種新的中線式尾礦壩應(yīng)急救援系統(tǒng),彌補傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足,啟用三維掃描儀對壩體表面位移實施觀測,結(jié)合其他在線監(jiān)測項,構(gòu)建一個抗干擾能力、性能穩(wěn)定性、反映速度相對較好的綜合信息化系統(tǒng),當(dāng)險情發(fā)生時,為尾礦庫應(yīng)急救援提供強有力的保障。

5 結(jié)論和建議

(1)本文提出了一種基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應(yīng)急救援系統(tǒng),以三維激光掃描儀為測量手段,實現(xiàn)集尾礦庫正常運行時的尾礦分級和筑壩過程精細(xì)化管理、險情發(fā)生時的應(yīng)急指揮和輔助救援于一體的綜合化管理。

(2)結(jié)合三維激光掃描儀與中線式尾礦筑壩砂量平衡原理,參照中線式尾礦分級筑壩計劃,構(gòu)建中線式尾礦筑壩管理系統(tǒng),實時對比分析壩體實際填筑與設(shè)計填筑的差別,以優(yōu)化后續(xù)尾礦分級和筑壩過程,實現(xiàn)中線式尾礦筑壩精細(xì)化管理,有利于尾礦壩安全和降低尾礦分級和筑壩成本。

(3)利用三維掃描儀對壩體表面位移實施觀測,結(jié)合其他在線監(jiān)測項,構(gòu)建中線式尾礦壩應(yīng)急救援系統(tǒng),險情將發(fā)生或發(fā)生時,應(yīng)急救援系統(tǒng)獲得第一線數(shù)據(jù),并提供輔助性應(yīng)急指揮,為尾礦壩應(yīng)急救援、排險加固等提供強有力的支撐。

(4)中線式尾礦筑壩方法下游壩采用粗砂堆筑,透水性較強,有利于壩體穩(wěn)定,在高震區(qū)優(yōu)勢明顯,本文提出的基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應(yīng)急救援系統(tǒng)能較好地幫助礦山企業(yè)管理中線式尾礦壩最關(guān)鍵的砂量平衡問題,當(dāng)險情將發(fā)生或發(fā)生時,能提供輔助應(yīng)急指揮,為應(yīng)急救援提供強有力的支撐,建議在類似工程中可以借鑒使用。