Использование технологий 3D информационного моделирования при проектировании хранилищ промышленных предприятий

Аннотация. Хранилища (шламонакопители и хвостохранилища) отходов промышленных предприятий являются отдельной категорией гидротехнических сооружений, к проектированию и экологической безопасности которых предъявляются особые требования. Основными задачами, которые должны быть решены при проектировании, являются обеспечение устойчивости ограждающих дамб, предотвращение инфильтрации загрязняющих веществ в окружающую среду, обеспечение заданной емкости хранилища и перспективного увеличения его объема. В статье рассматривается решение этих задач на примере проектирования шламохранилища равнинного типа с использованием BIM технологии на основе профессиональных программных продуктов Carlson Geology, Civil 3D, PLAXIS. Каждая из этих программ решает свои собственные задачи, но при этом обеспечивается обмен информацией, и в результате создается 3D информационная модель объекта, для которого выполнены необходимые фильтрационные и прочностные расчеты.

Ключевые слова: проектирование хвостохранилищ и шламохранилищ, расчеты, информационная модель, BIM.

Введение

По данным статьи [1] количество катастрофических аварий на хвостохранилищах в мире в период с 1955 по 2010 год в среднем составляет около 9 событий за 5 лет. Максимальное количество случаев наблюдалось в период с 1965 по 1969 гг. и составило 14 аварий, а в период с 2000 по 2004 гг. – 12 аварий. Серьезные аварии на хвостохранилищах чаще всего происходят из-за прорыва или полного разрушения удерживающих их дамб с поступлением огромного количества токсичных отходов в окружающую среду. Одна из причин катастроф – ошибки на этапе проектирования, а также недостаточный учет природных и техногенных факторов.

Проект шламохранилища, как и любого инфраструктурного объекта, должен быть разработан на основе анализа рельефа, гидрологической ситуации и геологического строения участка для размещения хранилища, что позволит повысить надежность объекта и качество его эксплуатационных характеристик.

Процесс проектирования состоит в основном из трех этапов:
1) анализа геологического строения,
2) проектирования планировочных работ и основных сооружений: ограждающей дамбы, технологических дорог;
3) геотехнического анализа сложной природно-техногенной системы «сооружение – грунтовое основание».

Далее эти этапы рассмотрены подробнее на реальном примере.

Этап 1. Обработка данных инженерно-геологических изысканий

Геологическая модель в Carlson Geology представляет собой набор сеток подошв грунтов. При этом программа автоматически обрабатывает выклинивания и несогласные залегания. Имеется инструмент для моделирования линз.

Рис. 1. 3D блок диаграмма геологической модели

Рис. 2. Разрез по оси дамбы (часть)

Для проектирования гидротехнического сооружения построенные поверхности грунтов передаются в проектные группы через формат LandXML.

Этап 2. Проектирование в Civil 3D

Рис. 3. Сформированная модель рельефа и дамба шламохранилища

Методология работы в Civil 3D позволяет использовать различные варианты работы, так как программа является универсальным инструментом специалиста. Для реализации рассматриваемой задачи использовался инструмент создания коридоров, который позволяет, задав требуемую конструкцию сооружения, получить линейный объект. С учетом специфики решаемой задачи наиболее целесообразно использовать инструментарий модуля Autodesk Subassembly Composer (SAC), что позволяет создать конструкцию с учетом возможности регулирования всех необходимых параметров и адаптации конструкции под изменения условий.

Дальнейшая работа в Civil 3D заключается в построении трассы и проектного профиля по сооружению, с детализацией объемов работ и графическим отображением атрибутивной информации.

Этап 3. Расчетное геотехническое обоснование проекта

PLAXIS позволяет выполнять все основные виды геотехнических расчетов: оценку напряженно-деформированного состояния (НДС); оценку устойчивости; фильтрационные и теплотехнические расчеты, а также динамические расчеты для оценки влияния воздействий (естественных в виде сейсмограмм землетрясений) и техногенных (динамических воздействий от строительной техники или движущегося транспорта) [2,4].

Основные преимущества геотехнического комплекса PLAXIS по сравнению с аналитическими методами заключаются в следующем:

• во-первых, используются комплексные геомеханические модели грунтов, позволяющие описывать сложное нелинейное поведение реальных грунтов при различных механических воздействиях;
• во-вторых, МКЭ решает задачи на основе распределения напряжений, в том числе учитывая природное напряженное состояние, что существенно влияет на результат;
• в-третьих, расчеты производятся путем построения траекторий нагружения, что позволяет оценивать в одной схеме как второе предельное состояние (осадку, консолидацию, деформации), так и первое (устойчивость и несущую способность);
• в-четвертых, фильтрационная задача решается в стационарном и нестационарном режиме (в том числе с учетом влияния атмосферных осадков и колебаний уровня воды).

В качестве примера на рис. 5 и 6 показаны два основных результата, необходимых при выполнении расчетов дамбы: деформации (суммарные вертикальные и горизонтальные) и область смещения, отображающая прогнозируемую поверхность скольжения. Для наглядности результаты представлены в сечении. Удобная система отображения результатов позволяет расчетчику оценивать различные значения величин давления и деформаций.

Рис. 5. Изополя деформаций в теле дамбы (сечение)

Рис. 6. Изополя смещений, иллюстрирующих потенциальную поверхность скольжения

Заключение

Литература

1. По следам катастрофы в Бразилии. Чем чревато пренебрежение безопасностью хвостохранилищ // Интернет-журнал Геоинфо https://www.geoinfo.ru/.
2. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности // М.: Стройиздат, 1986.
3. СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов».
4. Бугров, А.К., Зиновьева, Л.Г., Киселева, М.Л., Маслова, Д.С. Совершенствование расчетов хвостохранилищ для обоснования их конструкций в сложных инженерно-геологических условиях и на сейсмоопасных территориях / Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2014 (274):48-59.