Использование технологий информационного 3D-моделирования при проектировании хранилищ промышленных предприятий

Алексей Куренков
Ведущий инженер отдела «САПР Инфраструктура и горное дело», окончил Самарский государственный архитектурно-строительный университет в 2004 году.
Ольга Лиферова
Начальник отдела «САПР Инфраструктура и горное дело», окончила Санкт-Петербургский политехнический университет в 1972 году.
Евгений Федоренко
К. г.м. н., научный
консультант «НИП-Информатика», окончил Дальневосточный государственный университет путей сообщения в 2003 году, в 2007-м защитил кандидатскую диссертацию.

Введение

Шламохранилища крупных горнообогатительных предприятий и комбинатов в высоту могут достигать более 200 м и иметь внушительные объемы складируемых материалов (отходов, или «хвостов») — десятки миллионов кубических метров. В практике эксплуатации таких сооружений нередки случаи, когда необходимо наращивать объемы складирования. Основным и важным элементом шламохранилища является ограждающая дамба, которая по принципу работы сравнима с грунтовыми плотинами и дамбами водохранилищ. Это сложное искусственное сооружение оказывает существенное влияние на природную среду, а аварии приводят к экологическим катастрофам. Мировая статистика свидетельствует, что далеко не всегда ранее построенные дамбы справлялись с природными процессами и явлениями.

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 год и составило 14 аварий, а в период с 2000 по 2004 год — 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 из трех основных 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». Рассмотрим эти этапы более подробно на реальном примере.

Этап 1. Обработка данных инженерно-геологических изысканий

Данные инженерно-геологических изысканий обычно представлены в виде геологических колонок и физико-механических характеристик грунтов. Эта информация была использована в программе Carlson Geology для создания геологической 3D-модели, анализа участка на основе этой модели и далее — для проектирования сооружений и геотехнических расчетов (рис. 1). Следует отметить, что в программе можно применять исходные данные различных форматов, а удобные команды для работы со скважинами позволяют упростить поиск ошибок и их коррекцию.

Рис. 1. 3D-блок-диаграмма геологической модели

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.

Созданный набор 3D-сеток используется для анализа геологического строения участка и получения отчетов в графической форме: разрезов, карт изолиний. На рис. 2 представлен разрез по оси дамбы. На разрез можно также выводить дополнительные поверхности — уровни грунтовых вод, глубины промерзания, построенные по данным гидрогеологических изысканий.

Рис. 2. Разрез по оси дамбы (часть)

В Carlson Geology имеются очень простые и полезные инструменты по объединению грунтов со схожими свойствами, например по трудности разработки, или выделению групп слабых и прочных грунтов. С помощью геологической 3D-модели можно легко вывести в чертеж области залегания и подсчитать объемы слабых грунтов. Интересной возможностью является определение выходов грунтов на дно проектируемого хранилища. Так, для рассматриваемого объекта, в соответствии с рекомендациями [2], необходимо было определить области залегания слабых и сильносжимаемых грунтов с целью принятия решения о необходимости их выторфовывания.

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

Этап 2. Проектирование в Civil 3D

Немаловажной задачей перед началом проектирования является анализ существующего рельефа. На основе инженерно-геодезических данных была получена поверхность в Civil 3D (рис. 3). Это позволяет получать правильные разрезы и сечения, а на ключевых местах — точные отметки проектных решений. Результатом этого станет повышение качества получаемой документации, точность объемов и автоматизация рутинных процессов.

Рис. 3. Сформированная модель рельефа и дамба шламохранилища

Следующий шаг — импорт подготовленной трехмерной модели геологического строения (формат XML из программы Carlson Geology) и совмещение ее с построенной поверхностью рельефа.

Методология работы в Civil 3D позволяет применять 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 воспользоваться инструментарием 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 (рис. 4).

Рис. 4. Поперечный профиль проектируемого сооружения

Сформированная в Civil 3D трехмерная модель объекта, включающая рельеф, геологические слои и проектируемые сооружения готова для передачи в геотехническую программу PLAXIS 3D (формат DXF). Таким образом, использование технологий информационного моделирования (BIM) позволяет исключить большинство непреднамеренных ошибок при формировании расчетной модели.

Этап 3. Расчетное геотехническое обоснование проекта

Сформированная в Civil 3D трехмерная модель объекта, включающая рельеф, геологические слои, грунтовые сооружения, дамбы, шлам, дороги и площадки, готова для передачи в геотехническую программу PLAXIS 3D (формат DXF). Применение программы обосновано СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов» [3], требующим выполнять фильтрационные расчеты (п. 9.5), оценку напряженно-деформированного состояния (приложение Ж) и расчеты устойчивости (приложение И) путем численного моделирования.

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 (динамические воздействия 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 с учетом природного напряженного состояния, 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 несущая способность); в-четвертых, фильтрационная задача решается в стационарном и нестационарном режиме (в том числе с учетом влияния атмосферных осадков и колебаний уровня воды). Получаемая при таком многофакторном анализе оценка надежности сооружения обеспечивает проектировщика полным пониманием возможных негативных последствий и оценкой эффективности принимаемых решений или противодеформационных мероприятий.

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, иллюстрирующие потенциальную поверхность скольжения

Оценка деформаций сооружения, в особенности на слабых грунтах, представляется очень важной, поскольку в процессе намыва отходов в хранилища осадки могут вызвать сквозные трещины в дамбах.

По результатам геотехнических расчетов производится корректировка проектного положения сооружения, его геометрических размеров и дополнительных противодеформационных конструкций или мероприятий в Civil 3D с получением требуемых объемов работ, динамическая модель позволяет выполнять все задачи автоматически. На заключительном этапе производится подсчет вместимости шламохранилища для разных стадий его заполнения.

Заключение

В современных условиях работы проектных организаций проектирование таких сложных объектов, как шламо — и хвостохранилища, требует особого внимания. Неутешительная статистика разрушений свидетельствует о необходимости учета многих факторов при выполнении проектов. Рассмотренный подход, основанный на использовании профессионального программного обеспечения, позволяет качественно выполнять проектирование, назначать надежные проектные решения и выполнять работу в короткие сроки. Особенно актуально применение программного обеспечения при проектировании в условиях сложного рельефа (овражные, пойменные, косогорные хранилища) и необходимости учета трехмерного пространства.

PLAXIS 2D / 3D CONNECT Edition v20 + Activation [2020]

Plaxis is a finite and advanced element software for analyzing deformation and stability and is used in geotechnical engineering projects. In important geotechnical issues, an advanced behavioral model is usually required to model nonlinear and time-dependent behavior depending on the intended target. With this software, step excavation and embankment can be modeled with different loading and boundary conditions using triangular elements of 6 knots and 15 knots.

The first edition of Plaxis was prepared in 1987 to analyze the earthen dams built on soft soils in the lowlands and lowlands of the Netherlands at the request of the country’s Water Resources Management at Delft University of Technology in 1987 and then expanded in 1993. for Civil Engineering Research and Codes has also been approved and supported.

In Plaxis, the Mohr-Columb Behavior Models, the Humorous Hardening Model, the Softening Model (Cam-Clay Model) and the Creeping Softening Modeling Model can be used. Model in the calculation step. An example of the application of this feature is layer-by-layer analysis of the stability of slopes, dams and tunnels.

Plaxis 3D

Plaxis 3D Foundation is a software for analyzing the finite element of soil stability and transformation in geotechnical engineering. With its many features, this program fully analyzes geotechnical structures from different angles, and this analysis is based on the scientific and theoretical foundations that the researchers of this scientific branch have achieved. Plaxis 3D Foundation defines complex structures consisting of artificial structures and soil in separation modes, and separate work is possible on each mode. This user-friendly product is designed and has high flexibility in modeling and simulation, has a powerful processing core and performs post-processing processes well.

With its various features, this program is one of the best in the field of geotechnical engineering. plaxis is a company that specializes in geotechnical software and in addition to software, conferences and research seminars around the world. The company’s software is based on a finite element analysis method that is used effectively in two-dimensional and three-dimensional products. The seminars held by Plexiglas are not about the company’s software training, but about the transfer of engineering knowledge among the members. Both to improve the quality of their products and to transfer the technical knowledge and achievements of the day among the researchers in this field.

PLAXIS software features :

– Limited Software Software for Two-Dimensional Analysis of Deformation and Stability in Geotechnical Engineering

– Development of advanced hybrid models of nonlinear simulation, dependent on time and uneven behavior of soil and rock

– Using special methods to solve hydrostatic and non-hydrostatic problems of pore pressure in the soil

– Structural modeling and interaction between soil and structure

– Has a very powerful graphical environment

– Automatic two-dimensional mesh

– Automatic 3D model creation

– It has two-dimensional elements of 6 knots and 15 knots

– Has special elements for sheet, joint and rotary springs

– Has a variety of centralized and extensive loading methods

– Ability to model complex boundary conditions

– Ability to use a variety of soil reinforcers

– Considering the types of soil behavior models

– Possibility to consider groundwater level

– Has advanced analytical options

– Create detailed outputs

– Very high flexibility

– Accurate simulation of different structures based on proven scientific principles and theories

– Tools for calculating soil volume and…

Plaxis Installaion Video