ＣＩＶＩＬ３Ｄ在尾矿库设计方案的应用

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摘要：CIVIL3D是应用于基础设施行业的图形设计软件，与尾矿库设计有很好的契合度。本文总结了尾矿库工程设计在CIVIL3D中的一般流程和所用到的工具面板，提出了能为设计提高效率的应用方向，分析了软件的工具特性。通过库址方案和排洪系统方案比选两个不同类型的实际应用案例，表明了CIVIL3D在尾矿库实际中的实用性，能为设计提高精度和效率，可供相关设计研究人员参考。

关键词：CIVIL3D；尾矿库设计；方案比选；库容曲线；工程量统计

尾矿库是为集中堆存选后尾矿砂而兴建的一种特殊工程，具有坝高、库容、运行方式等特征，一般由初期坝、堆积坝、排洪系统、输送回水系统、排渗系统、监测系统组成［1］。建设运行中后期的尾矿库，具有较大的坝高，附着较大的势能，同时，库内堆积着大量饱和松散体，是一座大型危险源，一旦发生尾矿库安全事故，对下游与周边环境的影响是巨大的［2］。因此，尾矿库设计通常取较大的安全系数，相关政策与行业标准也提供了一定的安全储备。随着尾矿库建设运行经验的不断积累，对尾矿砂物理性质的充分认识，以及对尾矿库事故的剖析总结，逐步认识到浸润线埋深和施工管理质量是影响尾矿库安全的最重要因素。在尾矿库设计工作中，结合项目区地形地质条件，对安全影响大的因素着重考虑，对安全影响小的因素适当考虑，兼顾少占土地、节约投资的原则，对拟定库区方案比选十分重要。设计方案比选是在满足需求的多种方案中，通过对占用土地、周边环境影响等政策适应性，工程量、工程投资量等经济效应作横向对比，分析比选出最适用方案，是一种经济、合理的科学设计方法。在传统设计方法中，先独立设计出多个可行方案，再对各方案分项横向对比，选出最优方案。各方案之间的相同点不能体现在设计效率中，增加一个方案就需多一次工作量，急需一种快速的设计研究方法。

1CIVIL3D的设计流程

CIVIL3D是欧特克公司开发的一款应用于基础设施行业的图形设计软件，与AutoCAD不同，它是面向对象的设计流程，包含着地形曲面、纵断面、横断面、表格等对象类型，通过在不同对象间建立相互链接关系的方式完成设计，具有动态性、参数化等特点。尾矿库设计的主要内容是初期坝、堆积坝、排洪系统、输送回水系统等。初期坝一般是中土石坝、低土石坝，堆积坝可视为由初期坝顶向上游的多级填坡，排洪系统和输送回水系统分别是无压自流管网与压力管网，均具有一定的标准型，且在CIVIL3D中有与之对应的对象类型。CIVIL3D中尾矿库设计一般包含7步流程：建立地形曲面、拟定中心线生成地形纵断面、设计纵断面、设计标准断面并装配、调整装配体生成曲面、设计横断面与统计工程量、调整出图。其中初期坝与堆积坝通过“部件编辑器”设计具有坝高、坡比、马道宽度等参数的定制部件，修改参数，组合成标准横断面完成坝体装配。排洪系统与输送回水系统通过“管网系统”设计预定隧洞管道截面与排水井结构，组合管道与结构，调整参数完成管网装配设计。设计完成后可切断面图，另存为．dxf文件，与渗流分析、稳定性计算软件衔接，为计算分析提供精确的图形文件。

2方案比选

在不同的设计阶段，对设计方案比选有不同的深度与目的。其中，库址方案比选、排洪系统技术经济指标比选是最重要的比选内容。库址方案是在满足设计需求的多个方案中，权衡坝基地质条件、建坝工程量、占用地面积及对下游环境影响之间的利弊关系，比选出最合适库址方案。在CIVIL3D中拟定库址处设计初期坝、堆积坝，圈定库区范围、占用地范围、下游影响范围，完成一种方案设计。对于多种方案，基于CIVIL3D的动态链式逻辑，可直接拖动坝轴线位置，修改坝高、坡比等参数即可快速完成与首次设计精度一致的多方案设计，而后读取各项数据对比分析优选方案。排洪系统技术经济指标是在多个可行方案中，计算各方案的工程量与工程投资量，以工程量小、施工难度小、工程投资少的原则比选出最优方案。在CIVIL3D中设计排洪系统，定义材质类型，统计工程量，计算工程投资，完成一种方案设计。拖动排洪隧洞走向位置、更改坡度、井深参数，设计多种排洪方案，基于材质类型的工程量与工程投资自动动态更新，快速完成多种方案的技术经济指标，横向对比选择最优方案。

3应用案例

3．1库址方案比选

某拟建尾矿库位于凉山州会理县，堆存选厂排放的尾铁矿砂，需求有效库容3000万m3，要求依据实测地形图设计多种库址方案并比选推荐。为满足尾矿库的正常使用需求，获得方案下的库容量［3］是最主要的设计参数，在CIVIL3D中库容分析可由以下方式得到。1）以原地形曲面为基准曲面，以堆积后曲面为对照曲面，建立三角形体积曲面，在体积面板中直接读取库容总量，也可圈定界内范围获得局部库容量。此方法以两基础曲面同平面位置处的高程差值作为体积曲面的高程，按积分法获得库容量，概念简单，数值精确，应用广泛。2）对库区最终淹没范围内的原地形曲面作曲面高程分析，设定高程间隔，获得图表分析结果，包含高程值、对应高程处界内面积，据此可容易计算得到相邻高程间体积和累加总体积。此方法操作方便、结果清晰，适用于方案拟定阶段。3）与曲面高程分析相似，对库区坡面内的地形曲面作阶段存储分析，以当前曲面显示样式中的等高线间隔为分析间隔，分析结果包含：高程值、高程处的界内面积、以平均端面法计算的层间体积与累计体积、以圆锥法计算的层间体积与累计体积，分析结果可生成文本文件方便数据处理与引用。此方法结果内容丰富，便于应用，适用于高程－库容分析。结合库址方案设计与3种库容获取方法的便宜性与兼容性，选择阶段存储法作为库容计算方法。按以下步骤完成多方案设计与比选工作：①新建空三角网曲面，命名为地形曲面，向地形曲面添加实测高程点与等高线数据，适当裁剪边界生成地形曲面，将显示样式设置为等高线模式；②在地形曲面上布置初期坝坝轴线，由坝轴线生成地形纵断面；③在地形纵断面图上设计坝顶轴线；④编辑预先定制的初期坝和堆积坝部件的坝顶宽、坝高、上下游坡面坡比、马道宽度、堆积坝高等参数，生成坝体装配体；⑤提取初期坝表面曲面、堆积坝坡面曲面与地形曲面作交线，确定坝体外表面的轮廓线；⑥将坝体轮廓线作为地形曲面的新边界，对地形曲面按等高线作阶段存储分析，得到坝高～库容曲线；⑦调整初期坝坝高、坡比和堆积坝坝高、坡比等参数，得到同一坝址处多个方案；⑧调整初期坝轴线位置，得到不同坝址的多个方案。读取不同方案的各项数据，见表1。根据表1对比优选，两方案均能满足尾矿堆存需求，但方案2的坝高及坝轴线都相对较小，滩长相对较大，因此方案2为最优方案。

3．2排洪系统技术经济指标比选

某尾矿库在初步设计阶段，明确排洪方案采用库内库外一体排洪，框架式排水井与排洪隧洞的联合排洪方式。考虑到库区沟深坡陡的地形特点，拟设计排洪隧洞沿坡体、沟底两种方案，相应地排水井也随方案调整变动。本阶段设计，需对两种排洪方案论证可行性，比较工程量与投资量，优选方案。工程量是方案研判的重要指标，在CIVIL3D中工程量一般采用以下方法计算获得：①对部件中的不同代码建立各材料之间的分界曲面，包括最外层的轮廓面；②在材质编辑器中以各材料的边界曲面定义材料，即以分界曲面的上下包含关系圈定指定的材料名；③利用体积报告分析，计算出各桩号处的横断面上的不同材质的面积、桩号间各材质的体积以及累计体积，桩号间隔可灵活设置，间隔越小计算结果越准确。对于排洪系统等具有固定型式的对象还可通过CIVIL3D中的管网系统分别建立排洪隧洞和框架式排水井，基本的设计步骤为：①编辑拟定的隧洞和排水井的型式、尺寸和结构组件；②在地形曲面上，设计隧洞的平面布置和下泄坡度，调整隧洞与排水井的衔接关系；③将隧洞与排水井绘制在断面图中，完善设计，获得隧洞的长度和井身尺寸等数据；④由于排洪系统的特殊几何特征，可按径向面积与轴向长度的乘积作为总体积的计算方法计算挖填的材料工程量；⑤通过挪动隧洞的位置坐标设计不同的布置方案，对两种方案按相同方法统计工程量，列表可横向对比各分项的工程量，以各分项单价作计算，可统计出各方案的分项投资与总投资额，为优选方案提供依据。表2为两种排洪系统方案的技术经济指标特性表。由表2可知，两个方案均能满足防排洪安全的设计需求，方案1支隧洞较长排水井较短，方案2支隧洞短排水井竖井较深，综合两方案工程量、工程投资量相当，考虑方案2排水井竖井段太深，施工难度大，安全性低，推荐方案1为最优方案。

4结语

CIVIL3D软件与尾矿库设计具有很高的契合度，对象匹配性高，设计流程简单灵活方便，能明显提高尾矿库工程设计精度和效率。多种方案的横向比选是保证工程安全可行，减少工程量节省投资额，优化方案的合理方法，使用CIVIL3D能快速实现多个方案的初步及详细参数提取，便于方案进行，提高设计效率。

作者：杨锦 苏伟强 梅浪 单位：四川西冶工程设计咨询有限公司四川省冶金地质勘查院