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摘要：CIVIL3D是應用于基礎設施行業的圖形設計軟件，與尾礦庫設計有很好的契合度。本文總結了尾礦庫工程設計在CIVIL3D中的一般流程和所用到的工具面板，提出了能為設計提高效率的應用方向，分析了軟件的工具特性。通過庫址方案和排洪系統方案比選兩個不同類型的實際應用案例，表明了CIVIL3D在尾礦庫實際中的實用性，能為設計提高精度和效率，可供相關設計研究人員參考。

關鍵詞：CIVIL3D；尾礦庫設計；方案比選；庫容曲線；工程量統計

尾礦庫是為集中堆存選后尾礦砂而興建的一種特殊工程，具有壩高、庫容、運行方式等特征，一般由初期壩、堆積壩、排洪系統、輸送回水系統、排滲系統、監測系統組成［1］。建設運行中后期的尾礦庫，具有較大的壩高，附著較大的勢能，同時，庫內堆積著大量飽和松散體，是一座大型危險源，一旦發生尾礦庫安全事故，對下游與周邊環境的影響是巨大的［2］。因此，尾礦庫設計通常取較大的安全系數，相關政策與行業標準也提供了一定的安全儲備。隨著尾礦庫建設運行經驗的不斷積累，對尾礦砂物理性質的充分認識，以及對尾礦庫事故的剖析總結，逐步認識到浸潤線埋深和施工管理質量是影響尾礦庫安全的最重要因素。在尾礦庫設計工作中，結合項目區地形地質條件，對安全影響大的因素著重考慮，對安全影響小的因素適當考慮，兼顧少占土地、節約投資的原則，對擬定庫區方案比選十分重要。設計方案比選是在滿足需求的多種方案中，通過對占用土地、周邊環境影響等政策適應性，工程量、工程投資量等經濟效應作橫向對比，分析比選出最適用方案，是一種經濟、合理的科學設計方法。在傳統設計方法中，先獨立設計出多個可行方案，再對各方案分項橫向對比，選出最優方案。各方案之間的相同點不能體現在設計效率中，增加一個方案就需多一次工作量，急需一種快速的設計研究方法。

1CIVIL3D的設計流程

CIVIL3D是歐特克公司開發的一款應用于基礎設施行業的圖形設計軟件，與AutoCAD不同，它是面向對象的設計流程，包含著地形曲面、縱斷面、橫斷面、表格等對象類型，通過在不同對象間建立相互鏈接關系的方式完成設計，具有動態性、參數化等特點。尾礦庫設計的主要內容是初期壩、堆積壩、排洪系統、輸送回水系統等。初期壩一般是中土石壩、低土石壩，堆積壩可視為由初期壩頂向上游的多級填坡，排洪系統和輸送回水系統分別是無壓自流管網與壓力管網，均具有一定的標準型，且在CIVIL3D中有與之對應的對象類型。CIVIL3D中尾礦庫設計一般包含7步流程：建立地形曲面、擬定中心線生成地形縱斷面、設計縱斷面、設計標準斷面并裝配、調整裝配體生成曲面、設計橫斷面與統計工程量、調整出圖。其中初期壩與堆積壩通過“部件編輯器”設計具有壩高、坡比、馬道寬度等參數的定制部件，修改參數，組合成標準橫斷面完成壩體裝配。排洪系統與輸送回水系統通過“管網系統”設計預定隧洞管道截面與排水井結構，組合管道與結構，調整參數完成管網裝配設計。設計完成后可切斷面圖，另存為．dxf文件，與滲流分析、穩定性計算軟件銜接，為計算分析提供精確的圖形文件。

2方案比選

在不同的設計階段，對設計方案比選有不同的深度與目的。其中，庫址方案比選、排洪系統技術經濟指標比選是最重要的比選內容。庫址方案是在滿足設計需求的多個方案中，權衡壩基地質條件、建壩工程量、占用地面積及對下游環境影響之間的利弊關系，比選出最合適庫址方案。在CIVIL3D中擬定庫址處設計初期壩、堆積壩，圈定庫區范圍、占用地范圍、下游影響范圍，完成一種方案設計。對于多種方案，基于CIVIL3D的動態鏈式邏輯，可直接拖動壩軸線位置，修改壩高、坡比等參數即可快速完成與首次設計精度一致的多方案設計，而后讀取各項數據對比分析優選方案。排洪系統技術經濟指標是在多個可行方案中，計算各方案的工程量與工程投資量，以工程量小、施工難度小、工程投資少的原則比選出最優方案。在CIVIL3D中設計排洪系統，定義材質類型，統計工程量，計算工程投資，完成一種方案設計。拖動排洪隧洞走向位置、更改坡度、井深參數，設計多種排洪方案，基于材質類型的工程量與工程投資自動動態更新，快速完成多種方案的技術經濟指標，橫向對比選擇最優方案。

3應用案例

3．1庫址方案比選

某擬建尾礦庫位于涼山州會理縣，堆存選廠排放的尾鐵礦砂，需求有效庫容3000萬m3，要求依據實測地形圖設計多種庫址方案并比選推薦。為滿足尾礦庫的正常使用需求，獲得方案下的庫容量［3］是最主要的設計參數，在CIVIL3D中庫容分析可由以下方式得到。1）以原地形曲面為基準曲面，以堆積后曲面為對照曲面，建立三角形體積曲面，在體積面板中直接讀取庫容總量，也可圈定界內范圍獲得局部庫容量。此方法以兩基礎曲面同平面位置處的高程差值作為體積曲面的高程，按積分法獲得庫容量，概念簡單，數值精確，應用廣泛。2）對庫區最終淹沒范圍內的原地形曲面作曲面高程分析，設定高程間隔，獲得圖表分析結果，包含高程值、對應高程處界內面積，據此可容易計算得到相鄰高程間體積和累加總體積。此方法操作方便、結果清晰，適用于方案擬定階段。3）與曲面高程分析相似，對庫區坡面內的地形曲面作階段存儲分析，以當前曲面顯示樣式中的等高線間隔為分析間隔，分析結果包含：高程值、高程處的界內面積、以平均端面法計算的層間體積與累計體積、以圓錐法計算的層間體積與累計體積，分析結果可生成文本文件方便數據處理與引用。此方法結果內容豐富，便于應用，適用于高程－庫容分析。結合庫址方案設計與3種庫容獲取方法的便宜性與兼容性，選擇階段存儲法作為庫容計算方法。按以下步驟完成多方案設計與比選工作：①新建空三角網曲面，命名為地形曲面，向地形曲面添加實測高程點與等高線數據，適當裁剪邊界生成地形曲面，將顯示樣式設置為等高線模式；②在地形曲面上布置初期壩壩軸線，由壩軸線生成地形縱斷面；③在地形縱斷面圖上設計壩頂軸線；④編輯預先定制的初期壩和堆積壩部件的壩頂寬、壩高、上下游坡面坡比、馬道寬度、堆積壩高等參數，生成壩體裝配體；⑤提取初期壩表面曲面、堆積壩坡面曲面與地形曲面作交線，確定壩體外表面的輪廓線；⑥將壩體輪廓線作為地形曲面的新邊界，對地形曲面按等高線作階段存儲分析，得到壩高～庫容曲線；⑦調整初期壩壩高、坡比和堆積壩壩高、坡比等參數，得到同一壩址處多個方案；⑧調整初期壩軸線位置，得到不同壩址的多個方案。讀取不同方案的各項數據，見表1。根據表1對比優選，兩方案均能滿足尾礦堆存需求，但方案2的壩高及壩軸線都相對較小，灘長相對較大，因此方案2為最優方案。

3．2排洪系統技術經濟指標比選

某尾礦庫在初步設計階段，明確排洪方案采用庫內庫外一體排洪，框架式排水井與排洪隧洞的聯合排洪方式。考慮到庫區溝深坡陡的地形特點，擬設計排洪隧洞沿坡體、溝底兩種方案，相應地排水井也隨方案調整變動。本階段設計，需對兩種排洪方案論證可行性，比較工程量與投資量，優選方案。工程量是方案研判的重要指標，在CIVIL3D中工程量一般采用以下方法計算獲得：①對部件中的不同代碼建立各材料之間的分界曲面，包括最外層的輪廓面；②在材質編輯器中以各材料的邊界曲面定義材料，即以分界曲面的上下包含關系圈定指定的材料名；③利用體積報告分析，計算出各樁號處的橫斷面上的不同材質的面積、樁號間各材質的體積以及累計體積，樁號間隔可靈活設置，間隔越小計算結果越準確。對于排洪系統等具有固定型式的對象還可通過CIVIL3D中的管網系統分別建立排洪隧洞和框架式排水井，基本的設計步驟為：①編輯擬定的隧洞和排水井的型式、尺寸和結構組件；②在地形曲面上，設計隧洞的平面布置和下泄坡度，調整隧洞與排水井的銜接關系；③將隧洞與排水井繪制在斷面圖中，完善設計，獲得隧洞的長度和井身尺寸等數據；④由于排洪系統的特殊幾何特征，可按徑向面積與軸向長度的乘積作為總體積的計算方法計算挖填的材料工程量；⑤通過挪動隧洞的位置坐標設計不同的布置方案，對兩種方案按相同方法統計工程量，列表可橫向對比各分項的工程量，以各分項單價作計算，可統計出各方案的分項投資與總投資額，為優選方案提供依據。表2為兩種排洪系統方案的技術經濟指標特性表。由表2可知，兩個方案均能滿足防排洪安全的設計需求，方案1支隧洞較長排水井較短，方案2支隧洞短排水井豎井較深，綜合兩方案工程量、工程投資量相當，考慮方案2排水井豎井段太深，施工難度大，安全性低，推薦方案1為最優方案。

4結語

CIVIL3D軟件與尾礦庫設計具有很高的契合度，對象匹配性高，設計流程簡單靈活方便，能明顯提高尾礦庫工程設計精度和效率。多種方案的橫向比選是保證工程安全可行，減少工程量節省投資額，優化方案的合理方法，使用CIVIL3D能快速實現多個方案的初步及詳細參數提取，便于方案進行，提高設計效率。

作者：楊錦 蘇偉強 梅浪 單位：四川西冶工程設計咨詢有限公司四川省冶金地質勘查院