¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

25 марта 2020

»спользование технологий 3D информационного моделировани€ при проектировании хранилищ промышленных предпри€тий

јлексей  уренков, ќльга Ћиферова, ≈вгений ‘едоренко

 уренков јлексей —ергеевич Ч ведущий инженер отдела —јѕ– »нфраструктура и горное дело, окончил —амарский государственный архитектурно-строительный университет в 2004 году.
Ћиферова ќльга Ћьвовна Ч начальник отдела —јѕ– »нфраструктура и √орное дело, окончила —анкт-ѕетербургский ѕолитехнический университет в 1972 году.
‘едоренко ≈вгений ¬ладимирович, к.г.-м.н., научный консультант ЂЌ»ѕ-»нформатикаї, окончил ƒальневосточный государственный университет путей сообщени€ в 2003 году, в 2007 году защитил кандидатскую диссертацию.


јннотаци€. ’ранилища (шламонакопители и хвостохранилища) отходов промышленных предпри€тий €вл€ютс€ отдельной категорией гидротехнических сооружений, к проектированию и экологической безопасности которых предъ€вл€ютс€ особые требовани€. ќсновными задачами, которые должны быть решены при проектировании, €вл€ютс€ обеспечение устойчивости ограждающих дамб, предотвращение инфильтрации загр€зн€ющих веществ в окружающую среду, обеспечение заданной емкости хранилища и перспективного увеличени€ его объема. ¬ статье рассматриваетс€ решение этих задач на примере проектировани€ шламохранилища равнинного типа с использованием BIM технологии на основе профессиональных программных продуктов Carlson Geology, Civil 3D, PLAXIS.  ажда€ из этих программ решает свои собственные задачи, но при этом обеспечиваетс€ обмен информацией, и в результате создаетс€ 3D информационна€ модель объекта, дл€ которого выполнены необходимые фильтрационные и прочностные расчеты.


 лючевые слова: проектирование хвостохранилищ и шламохранилищ, расчеты, информационна€ модель, BIM.

¬ведение

Ўламохранилища крупных горнообогатительных предпри€тий и комбинатов могут достигать в высоту более 200 м и иметь внушительные объемы складируемых материалов Ц отходов (Ђхвостовї) Ц дес€тки миллионов кубических метров. ¬ практике эксплуатации таких сооружений нередки случаи необходимости наращивани€ объемов складировани€. ќсновным и важным элементом шламоохранилища €вл€етс€ ограждающа€ дамба, котора€ по принципу работы сопоставима с грунтовыми плотинами и дамбами водохранилищ. Ёто сложное искусственное сооружение оказывает существенное вли€ние на природную среду, а аварии привод€т к экологическим катастрофам. ћирова€ статистика свидетельствует, что далеко не всегда ранее построенные дамбы справл€лись с природными процессами и €влени€ми.

ѕо данным статьи [1] количество катастрофических аварий на хвостохранилищах в мире в период с 1955 по 2010 год в среднем составл€ет около 9 событий за 5 лет. ћаксимальное количество случаев наблюдалось в период с 1965 по 1969 гг. и составило 14 аварий, а в период с 2000 по 2004 гг. Ц 12 аварий. —ерьезные аварии на хвостохранилищах чаще всего происход€т из-за прорыва или полного разрушени€ удерживающих их дамб с поступлением огромного количества токсичных отходов в окружающую среду. ќдна из причин катастроф Ц ошибки на этапе проектировани€, а также недостаточный учет природных и техногенных факторов.

ѕроект шламохранилища, как и любого инфраструктурного объекта, должен быть разработан на основе анализа рельефа, гидрологической ситуации и геологического строени€ участка дл€ размещени€ хранилища, что позволит повысить надежность объекта и качество его эксплуатационных характеристик.

ѕроцесс проектировани€ состоит в основном из трех этапов:
1) анализа геологического строени€,
2) проектировани€ планировочных работ и основных сооружений: ограждающей дамбы, технологических дорог;
3) геотехнического анализа сложной природно-техногенной системы Ђсооружение Ц грунтовое основаниеї.

ƒалее эти этапы рассмотрены подробнее на реальном примере.

Ётап 1. ќбработка данных инженерно-геологических изысканий

ƒанные инженерно-геологических изысканий обычно представлены в виде геологических колонок и физико-механических характеристик грунтов. Ёта информаци€ была использована в программе Carlson Geology дл€ создани€ 3D геологической модели, анализа участка на основе этой модели и далее дл€ проектировани€ сооружений и геотехнических расчетов. —ледует отметить, что в программе можно использовать исходные данные различных форматов, а удобные команды дл€ работы со скважинами позвол€ют упростить поиск ошибок и их коррекцию.

√еологическа€ модель в Carlson Geology представл€ет собой набор сеток подошв грунтов. ѕри этом программа автоматически обрабатывает выклинивани€ и несогласные залегани€. »меетс€ инструмент дл€ моделировани€ линз.

проектирование хранилищ

–ис. 1. 3D блок диаграмма геологической модели

—озданный набор 3D сеток используетс€ дл€ анализа геологического строени€ участка и получени€ отчетов в графической форме: разрезов, карт изолиний. Ќа рис. 2 представлен разрез по оси дамбы. Ќа разрез можно также выводить дополнительные поверхности Ц уровни грунтовых вод, глубины промерзани€, построенные по данным гидрогеологических изысканий.
проектирование хранилищ

–ис. 2. –азрез по оси дамбы (часть)

¬ Carlson Geology имеютс€ очень простые и полезные инструменты по объединению грунтов со схожими свойствами, например по трудности разработки, или выделение групп слабых и прочных грунтов. — помощью 3D геологической модели можно легко вывести в чертеж области залегани€ и подсчитать объемы слабых грунтов. »нтересной возможностью €вл€етс€ определение выходов грунтов на дно проектируемого хранилища. “ак, дл€ рассматриваемого объекта, в соответствии с рекомендаци€ми [2], необходимо было определить области залегани€ слабых и сильносжимаемых грунтов с целью прин€ти€ решени€ о необходимости их выторфовывани€.

ƒл€ проектировани€ гидротехнического сооружени€ построенные поверхности грунтов передаютс€ в проектные группы через формат LandXML.

Ётап 2. ѕроектирование в Civil 3D

Ќемаловажной задачей перед началом проектировани€ €вл€етс€ анализ существующего рельефа. Ќа основе инженерно-геодезических данных была получена поверхность в Civil 3D. Ёто позвол€ет получать правильные разрезы и сечени€, а на ключевых местах Ц точные отметки проектных решений. –езультатом этого станет повышение качества получаемой документации, точность объемов и автоматизаци€ рутинных процессов.
проектирование хранилищ

–ис. 3. —формированна€ модель рельефа и дамба шламохранилища

—ледующий шаг Ц импорт подготовленной трехмерной модели геологического строени€ (формат XML из программы Carlson Geology) и совмещение ее с построенной поверхностью рельефа.

ћетодологи€ работы в Civil 3D позвол€ет использовать различные варианты работы, так как программа €вл€етс€ универсальным инструментом специалиста. ƒл€ реализации рассматриваемой задачи использовалс€ инструмент создани€ коридоров, который позвол€ет, задав требуемую конструкцию сооружени€, получить линейный объект. — учетом специфики решаемой задачи наиболее целесообразно использовать инструментарий модул€ Autodesk Subassembly Composer (SAC), что позвол€ет создать конструкцию с учетом возможности регулировани€ всех необходимых параметров и адаптации конструкции под изменени€ условий.

ƒальнейша€ работа в Civil 3D заключаетс€ в построении трассы и проектного профил€ по сооружению, с детализацией объемов работ и графическим отображением атрибутивной информации.

проектирование хранилищ

—формированна€ в Civil 3D трехмерна€ модель объекта, включающа€ рельеф, геологические слои и проектируемые сооружени€, готова дл€ передачи в геотехническую программу PLAXIS 3D (формат DXF). “аким образом, использование технологий информационного моделировани€ (BIM) позвол€ет исключить большинство непреднамеренных ошибок при формировании расчетной модели.

Ётап 3. –асчетное геотехническое обоснование проекта

—формированна€ в Civil 3D трехмерна€ модель объекта, включающа€ рельеф, геологические слои, грунтовые сооружени€, дамбы, шлам, дороги и площадки, готова дл€ передачи в геотехническую программу PLAXIS 3D (формат DXF). ѕрименение программы обосновано —ѕ 39.13330.2012 Ђѕлотины из грунтовых материаловї [3], требующим выполн€ть фильтрационные расчеты (п. 9.5), оценку напр€женно-деформированного состо€ни€ (приложение ∆) и расчеты устойчивости (приложение ») путем численного моделировани€.

PLAXIS позвол€ет выполн€ть все основные виды геотехнических расчетов: оценку напр€женно-деформированного состо€ни€ (Ќƒ—); оценку устойчивости; фильтрационные и теплотехнические расчеты, а также динамические расчеты дл€ оценки вли€ни€ воздействий (естественных в виде сейсмограмм землетр€сений) и техногенных (динамических воздействий от строительной техники или движущегос€ транспорта) [2,4].

ќсновные преимущества геотехнического комплекса PLAXIS по сравнению с аналитическими методами заключаютс€ в следующем:

  • во-первых, используютс€ комплексные геомеханические модели грунтов, позвол€ющие описывать сложное нелинейное поведение реальных грунтов при различных механических воздействи€х;
  • во-вторых, ћ Ё решает задачи на основе распределени€ напр€жений, в том числе учитыва€ природное напр€женное состо€ние, что существенно вли€ет на результат;
  • в-третьих, расчеты производ€тс€ путем построени€ траекторий нагружени€, что позвол€ет оценивать в одной схеме как второе предельное состо€ние (осадку, консолидацию, деформации), так и первое (устойчивость и несущую способность);
  • в-четвертых, фильтрационна€ задача решаетс€ в стационарном и нестационарном режиме (в том числе с учетом вли€ни€ атмосферных осадков и колебаний уровн€ воды).
ѕолучаема€ при таком многофакторном анализе оценка надежности сооружени€, обеспечивает проектировщика полным пониманием возможных негативных последствий и оценкой эффективности принимаемых решений или противодеформационных меропри€тий.

¬ качестве примера на рис. 5 и 6 показаны два основных результата, необходимых при выполнении расчетов дамбы: деформации (суммарные вертикальные и горизонтальные) и область смещени€, отображающа€ прогнозируемую поверхность скольжени€. ƒл€ нагл€дности результаты представлены в сечении. ”добна€ система отображени€ результатов позвол€ет расчетчику оценивать различные значени€ величин давлени€ и деформаций.

проектирование хранилищ

–ис. 5. »зопол€ деформаций в теле дамбы (сечение)

ќценка деформаций сооружени€, в особенности на слабых грунтах, €вл€етс€ важной, поскольку в процессе намыва отходов в хранилища осадки могут вызвать сквозные трещины в дамбах.
проектирование хранилищ

–ис. 6. »зопол€ смещений, иллюстрирующих потенциальную поверхность скольжени€

ѕо результатам геотехнических расчетов производитс€ корректировка проектного положени€ сооружени€, его геометрических размеров и дополнительных противодеформационных конструкций или меропри€тий в Civil 3D с получением требуемых объемов работ. ƒинамическа€ модель позвол€ет выполн€ть все задачи автоматически. Ќа заключительном этапе производ€тс€ подсчет вместимости шламохранилища дл€ разных стадий его заполнени€.

«аключение

¬ современных услови€х работы проектных организаций проектирование таких сложных объектов, как шламо- и хвосто-хранилища, требует особого внимани€. Ќеутешительна€ статистика разрушений свидетельствует о необходимости учета многих факторов при выполнении проектов. –ассмотренный подход, основанный на использовании профессионального программного обеспечени€, позвол€ет качественно выполн€ть проектирование, назначать надежные проектные решени€ и выполн€ть работу в короткие сроки. ќсобенно актуально применение программного обеспечени€ при проектировании в услови€х сложного рельефа (овражные, пойменные, косогорные хранилища) и необходимости учета трехмерного пространства.
Ћитература
  1. ѕо следам катастрофы в Ѕразилии. „ем чревато пренебрежение безопасностью хвостохранилищ // »нтернет-журнал √еоинфо https://www.geoinfo.ru/.
  2. –екомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности // ћ.: —тройиздат, 1986.
  3. —ѕ 39.13330.2012 Ђѕлотины из грунтовых материаловї.
  4. Ѕугров, ј. ., «иновьева, Ћ.√.,  иселева, ћ.Ћ., ћаслова, ƒ.—. —овершенствование расчетов хвостохранилищ дл€ обосновани€ их конструкций в сложных инженерно-геологических услови€х и на сейсмоопасных территори€х / »звести€ ¬сероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Ѕ.≈. ¬еденеева. 2014 (274):48-59.


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: √лавное отличие человека от животного в том, что он хочет знать
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2020 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.