尾矿库三维点云数字化安全闭库技术_周帅.pdf

Series No. 481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 02- 03 基金项目四川省科技支撑计划项目 编号 12ZC1861 ， 四川省科技厅国际合作计划项目 编号 12GH0005 。 作者简介周帅 1987 ， 男， 博士研究生。 机电与自动化 尾矿库三维点云数字化安全闭库技术 周帅 1 施富强 1， 2 许杰 2 黄小华 3 唐宇峰 1 1． 西南交通大学机械工程学院， 四川 成都 610031;2． 四川省安全科学技术研究院， 四川 成都 610045;3． 中国中铁二院集团有限责任公司， 四川 成都 610031 摘要针对目前尾矿库闭库设计问题研究不足的现状， 提出了在三维点云基础上开展数字化闭库设计。结合 某尾矿库闭库实际需求， 首先， 利用长距离三维激光扫描仪获取了尾矿库及周边环境的三维点云数据， 经拼接、 去噪、 孤点剔除、 植被过滤等数据处理过程， 建立了尾矿库堆积三维实体模型。然后， 根据拟定的闭库总体方案， 依次进行了 排洪系统、 库顶结构、 截洪沟的三维数字设计， 提出了阶梯式台地新型库顶结构， 使整个库区总体形成库底地势高、 坝 体地势低的有利于排水的库区顶部结构， 可保持自然稳定， 且可避免形成山顶水库， 大大减小了洪水漫坝进而溃坝的 风险。最后， 针对闭库方案， 分别进行了调洪演算与稳定性分析， 验证结果表明 两者均符合尾矿库安全要求。基于三 维点云数据建立的实体模型， 为尾矿库数字化闭库设计的开展提供了准确数据基础， 结合提出的新型库顶结构， 可为 类似尾矿库闭库设计提供一种新的思路。 关键词三维点云数字化闭库设计库顶结构阶梯式台地 中图分类号X913． 4文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 155- 05 Digital Closure Technology of Tailings Pond based on 3D Points Cloud Zhou Shuai1Shi Fuqiang1， 2Xu Jie2Huang Xiaohua3Tang Yufeng1 1． Mechanical Engineering College， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2． Sichuan Academy of Safety Science ＆ Technology， Chengdu 610045， China;3． China Railway Eryuan Engineering Group Co． ， Ltd． ， Chengdu 610031， China AbstractAccording to the current research situation of closure problem for tailings pond， digital closure design based on 3D points cloud was put forward． Combined with the actual closure needs of one tailings pond， first of all， the three- dimensional points cloud data of tailings pond and surrounding environment was obtained by the long range 3D laser scanner． Then， three- dimensional entity model was generated after the denoising， splicing and modeling process of three- dimensional points cloud da- ta were finished． On the basis of the proposed closure scheme， 3D digital design of the drainage system， roof structure of pond， and flood intercepting trench were carried out one by one． The terrace bench as a new roof structure of pond was proposed for the closure design． The flood water on the roof of pond was so easily drained out that the tailings dam can maintain the natural stability， and can greatly reduce the dam break risk from the flood overtopping． Finally， in order to verify the closure scheme， the analysis of flood regulating calculation and stability were implemented． The verification results showed that both met the safety requirements of tailings pond． The accurate data for digital closure design was provided by the entity model established based on 3D points cloud data． Combined with the new roof structure of pond proposed， it can be a new way for closure design of similar tailings pond． Keywords3D points cloud， Digital closure design， Roof structure of pond， Terrace bench 随着我国矿山的快速发展， 尾矿库的数量也急剧 上升， 据不完全统计， 我国现有尾矿库1. 2 万余座 ［1 ］， 尾矿堆积量达 80 亿 t。而随着矿山生产的不断进行， 有很多尾矿库已经到了或者濒临闭库阶段。其中， 有 的尾矿库已达到服务年限， 或者达到了设计堆置标 高; 有的尾矿库因为矿山资源开采枯竭， 矿山面临着 倒闭而停止使用; 有的尾矿库则出现了坝体渗漏、 排 洪系统失效等问题而放弃使用。这些尾矿库都需要 而且必须进行闭库建设与投入 ［2 ］。 国内外关于尾矿库闭库问题的研究并不多， 在尾 551 ChaoXing 矿 库 相 关 方 面 主 要 集 中 在 溃 坝 灾 害 及 风 险 研 究 ［1， 3- 5 ］、 安全评价与保障体系［6- 7 ］、 事故统计与分 析 ［8- 9 ］、 监控与预警［10 ］、 尾矿库边坡稳定性分析与破 坏机理 ［13- 14 ］、 环境影响［15 ］、 尾矿物理力学性质［16- 17 ］等 专项技术研究中。 针对目前国内外研究中关于尾矿库闭库相关研 究的不足， 在对尾矿库利用三维激光扫描技术开展测 控获取的 “大数据” 基础上， 结合勘察、 设计资料， 研 究适合尾矿库自身特点的安全闭库技术， 实现三维数 字化设计， 有非常重要的学术价值和现实意义。 1闭库尾矿库基本情况 1. 1尾矿库概况与工程背景 库区原始形态总体为南、 北、 东三面环山， 向西汇 集的沟谷， 地处蚂蝗沟水库右岸支流河沟上， 沟口标 高 1 379 m， 地形最大高差仅 92 m， 属浅切割侵蚀地 形。尾矿库所在区域属低中山区构造剥蚀单元。该 尾矿坝位于蚂蝗沟上游地段， 为山前丘陵区， 河谷地 貌形态。河谷两岸山坡地形较陡， 在坝轴线附近， 平 均坡度达 30。山体整体上较为完整。 该尾矿库由某设计院于 2004 年 12 月设计， 设计 总坝高 49 m， 设计最终标高 1 425 m， 总库容 270 万 m3， 属四等库， 库内排洪系统采用排水管连接排水斜 槽及坝肩设溢洪道联合排洪。2008 年 4 月， 库底排 水管结构发生破坏， 采用 C15 毛石混凝土在洞口往 上游 45 m 处进行封堵。2011 年 1 月， 另一家设计院 为该尾矿库出具了改扩建可行性研究报告， 采用新建 “溢水塔竖井支洞主排洪隧洞” 方式排洪 主 排洪隧洞长约900 m ， 设计改扩建后总坝高74 m， 设 计最终标高 1 450 m。该尾矿库按设计开始了施工， 但在主排洪隧洞施工约 750 m 长时， 由于种种原因， 公司自行决策放弃改扩建项目的建设， 因此终止了主 排洪隧洞施工， 改扩建项目所设计的排水竖井亦未动 工且不再建设。目前， 尾矿库堆积高度已达到最初设 计的最终标高 1 425 m。因此， 该尾矿库亟需开展闭 库的设计工作。 1. 2尾矿库三维点云与实体模型 通过三维激光扫描， 获取了尾矿库及周边环境现 状的三维点云数据， 所用仪器为长距离三维激光扫描 仪 I － site8810， 布设测站 13 站。三维点云数据经拼 接、 去噪、 孤点剔除、 植被过滤等数据处理过程， 生成 尾矿库三维地面模型， 并进一步建立尾矿库堆积三维 实体模型 如图 1 。从现场扫描的过程和周边环境 的观察情况来看， 尾矿库上下游环境复杂， 安全影响 因素较多。 图 1尾矿库三维实体模型 Fig． 13D entity model of tailings pond 该尾矿库初期坝下游有 40 余户居民， 距离约 260 m， 距下游民房最近距离为 225 m。尾矿库上游 正东方向、 距离约 860 m 处为已停产的中天尾矿库， 东偏南 25方向、 距离约 770 m 处为已停产的天龙尾 矿库。 2三维数字闭库设计过程 2. 1总体方案 尾矿库闭库方案的设计是基于三维点云数据建 立三维实体模型而开展的。该尾矿库最初设计的排 洪系统因排水管结构发生破坏而进行了封堵。且改 扩建设计的排洪系统未能完成施工， 目前， 只有企业 自行建设的坝肩溢洪道保持通畅， 排洪能力不足。基 于此情况， 本次设计的闭库内容分为两部分。 第一步， 病库治理， 完善尾矿库的排洪系统。具 体措施 修建山体截洪沟与坝肩溢洪道相通; 同时在 前期工程的基础上， 继续完成排洪系统。以排洪隧洞 当前断面位置为起点， 向上施工斜井， 再在适当位置 向上开挖竖井通达地表， 并与山体截洪沟相通， 最终 形成完善的排洪系统。 第二步， 合理闭库。首先通过建设阶梯式台地逐 步降低库区水位， 最终消除库内积水; 然后通过完善 库区台地周围及台地各台段的截排水设施， 使得整个 库区总体形成库底地势高， 坝体地势低的库顶结构， 有利于排水; 最后对台地各台段进行覆土植被， 最终 与周围环境达成和谐统一的自然状态。 2. 2排洪系统三维数字设计 根据尾矿库目前的情况， 可在前期企业改扩建时 未完工的主排洪隧洞 约 750 m 的基础上继续完成 排洪系统。以排洪隧洞当前断面位置为起点， 向上施 工斜井， 在适当位置向上开挖竖井通达地表。连通竖 井、 斜井和排洪隧洞后， 再在库区沿山体修筑截洪沟。 最终由山体截洪沟、 竖井、 斜井、 排洪隧洞与坝肩溢洪 道共同形成完善的排洪系统。 尾矿库现有坝肩溢洪道畅通且修建质量较高， 但 排洪能力不足 ， “溢水塔竖井支洞主排洪隧 洞” 尚未完工。根据尾矿库的具体现状， 提出“竖 651 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 井斜井主排洪隧洞” 的建设方案。以排洪隧洞 当前断面位置为起点， 向上施工斜井， 再在适当位置 向上开挖竖井通达地表， 如图 2 所示。 图 2 “竖井斜井主排洪隧洞” 建设方案 Fig． 2Design scheme of “vertical shaft- inclined shaft- main drainage tunnel“ 斜井净高 3. 0 m， 净宽2. 5 m， 壁厚300 mm， 垂高 28 m， 斜长 108. 2 m， 倾角 15， 采用 C25 钢筋混凝土 衬砌; 竖井内径 3. 0 m， 壁厚300 mm， 垂高14 m， 采用 C25 钢筋混凝土衬砌。竖井、 斜井、 排洪隧洞、 山体截 洪沟、 台地底部截水沟、 人字沟、 尾矿坝现有的溢洪道 都应设专人定期清理， 保证其通畅无阻， 使台地上的 汇水和山体上的汇水能够顺利排放至下游。 2. 3闭库三维数字设计 消除水患是闭库的关键， 尾矿库闭库后如形成山 顶水库， 则有漫坝风险。目前， 尾矿库库区内面积达 到 106 963 m2， 若按常规闭库方式进行建设， 极易形 成山顶水库， 且库区面积大、 容量大。一旦漫顶进而 引发溃坝， 将对下游造成巨大灾难。因此， 此次设计 从逐步放低坝顶水库水位入手， 同时向库区底部方向 利用尾矿砂逐步推进堆积， 通过建设阶梯式台地， 使 得整个库区总体形成库底地势高， 坝体地势低的有利 于排水的库区顶部结构， 最终消除库内积水。然后通 过台地各台段的截排水设施与库区台地周围截洪沟 相联通， 建成排洪系统解决库区内外的排水问题。最 后对台地各台段进行覆土植被， 最终与周围环境达成 和谐统一的自然状态。在保证工程安全性、 经济性的 前提下， 最大限度地利用资源， 从而实现合理闭库的 同时增加企业排放量， 得到环境、 企业双赢的结果。 因此， 此次闭库设计秉承“天人合一、 疏堵结合” 的理念， 将尾矿库库区堆筑成为阶梯式台地， 并开挖 山体截洪沟， 最后覆土种植植被。结构方面， 可保持 自然稳定， 且可避免形成山顶水库， 大大减小了洪水 漫坝的风险。排水方面， 开挖山体截洪沟将上游来水 引导至竖井， 经排洪隧道排至下游， 同时台地各台段 平台、 台段坡面修建人字沟和台段底部截水沟将库区 内部来水导入山体截洪沟， 通过竖井和排洪隧洞排至 下游， 可避免尾矿库坝体遭受洪水冲刷， 现有的坝肩 溢洪道亦可作为洪水满溢的备用通道。生态恢复方 面， 覆土并种植植被后， 可固结沙土， 恢复库区的自然 生态环境， 有效制止库区扬尘污染环境的现象， 防止 水土流失。如此， 闭库后的尾矿库便可形成自然稳定 的结构和完善的泄洪排水系统， 从而达到长久稳定的 目的。 2. 3. 1库顶结构设计 将库顶堆积为阶梯式台地结构， 既可形成自然稳 定的堆积体， 又可避免产生山顶水库， 使整个尾矿库 与周围环境融为一体。 在现有 1 425 m 标高平面的基础上， 堆积 5 级台 段形成阶梯式台地。每级台地高度 3 m， 外坡坡比 1∶ 5， 反坡坡度 1. 5， 库顶结构形成后， 总体堆积工 程量 96 万 m3， 如图 3 所示。 图 3尾矿库库顶结构 Fig． 3Roof structure of tailings pond 第 1 级台地外坡坡底线距现有 1 425 m 子坝水 平距离 45 m， 每两级台地的外坡底线之间水平距离 115 m， 台地最高标高为 1 434 m， 水平长度 720 m。 在尾矿库堆积三维实体模型 见图 1 基础上， 附 加建立阶梯式台地表面模型， 得到该尾矿库闭库后的 整体三维实体模型， 如图 4 所示。 图 4闭库后尾矿库三维实体模型 Fig． 43D entity model of tailings pond after closure 2. 3. 2闭库排洪系统补充设计 除治理工程中所建“竖井斜井排洪隧洞” 以 外， 还应开挖山体截洪沟导水。 山体截洪沟采用浆砌块石梯形断面， 整体坡度为 1. 5。山体左侧 A 点下游的截洪沟， 底净宽 2. 5 m， 净深 2 m， 两侧边墙坡比为 1∶ 0. 5; A 点上游和山体 右侧的截洪沟， 底净宽 2 m， 净深 1. 5 m， 两侧边墙坡 比为 1∶ 0. 2。每级台地反坡坡面上设人字沟、 坡底 设截水沟， 断面尺寸为 0. 5 m 0. 5 m， 截水沟与山体 截洪沟连通， 台地上的汇水经人字沟和台地底部截水 751 周帅等 尾矿库三维点云数字化安全闭库技术2016 年第 7 期 ChaoXing 沟汇入山体截洪沟后引至竖井或直接排往下游。第 4 级台地将淹没竖井， 因此在竖井处修建沉砂池， 将 竖井与台地隔离。第 4 级台地上游汇水通过山体截 洪沟导入沉砂池后， 经竖井或下游山体截洪沟排至下 游。沉砂池长 30 m， 宽20 m， 高10 m， 壁厚1 m， 池底 坡度 1， 边坡比 1∶ 0. 58， 竖井井口高出沉砂池底 1. 5 m。整体山体截洪沟如图 5 所示。 图 5闭库排洪系统截洪沟设计 Fig． 5Design of flood intercepting trench 3闭库方案验证 3. 1调洪演算验证排洪能力 该尾矿库为四等库， 参照GB508632013尾 矿设施设计规范 ， 相应防洪标准为 100 ～200 a。因 此， 调洪演算按照 200 a 一遇洪水频率计算， 所需流 域特征参数见表 1。 表 1流域特征参数 Table 1Watershed characteristic parameters 汇水面积/km2主河槽长度/km 主河槽平均纵坡 3. 663. 840. 118 洪水计算采用推理公式计算 Qp 0． 278ψSp τn F， 1 式中， QP为洪峰流量， m3/s; ψ 为洪峰径流系数; SP为 频率为 P 的暴雨雨力， mm/h; F 为坝址以上的汇水面 积， km2; n 为暴雨公式指数; τ 为当 ψ n 时的流域汇 流时间， h。具体参数取自四川省中小流域暴雨洪 水计算手册 。 尾矿库内任一时段 Δt 的水量平衡方程式为 1 2 QS QZ Δt － 1 2 qs qz Δt VZ－ VS， 2 式中， QS、 QZ分别为时段始、 终尾矿库的来洪流量， m3/s; qS、 qZ分别为时段始、 终尾矿库的泄洪流量， m3/s; VS、 VZ分别为时段始、 终尾矿库的蓄洪量， m3/s。 经计算， 尾矿库上游汇水面积为 3. 66 km2， 200 a 设防洪峰流量为 42. 73 m3/s， 洪水总量为 61. 8 万 m3。分别对主隧洞、 竖井过流能力进行验算， 可知 主隧洞过流量为 54. 33 m3/s， 竖井下泄流量为 45. 51 m3/s， 满足泄洪能力需求。 3. 2稳定性分析 在三维实体模型上获取准确剖面线， 结合尾矿库 勘察与设计资料， 对闭库方案进行稳定性计算分析 如图 6 ， 获得安全系数为 1. 76， 大于规范规定的最 小安全系数 1. 15， 所以闭库方案满足稳定性要求。 图 6闭库方案稳定性计算 Fig． 6Stability calculation of pond closure scheme 4结论 1 利用长距离三维激光扫描仪获取了尾矿库 区域及周边环境的三维点云数据， 在此基础上建立了 尾矿库区域的三维实体模型， 为尾矿库闭库设计提供 了准确数据基础。 2 在三维实体模型基础上， 结合尾矿库现状， 提出了三维数字化闭库设计总体方案 首先开展病库 治理， 对尾矿库的排洪系统进行了相应三维数字设 计; 然后进行闭库， 对库顶结构、 补充排洪系统开展三 维数字设计。 3 提出了一种新型库顶结构， 即阶梯式台地结 构。这种结构使整个库区总体形成库底地势高、 坝体 地势低的有利于排水的库区顶部结构， 可保持自然稳 定， 且可避免形成山顶水库， 大大减小了洪水漫坝进 而溃坝的风险。并且， 针对这种闭库方案， 分别进行 了调洪演算与稳定性分析， 验证结果表明两者均符合 尾矿库安全要求。 4 基于三维点云数据建立的实体模型， 为尾矿 库数字化闭库设计的开展提供了准确数据基础， 结合 提出的新型库顶结构， 可为类似尾矿库闭库设计提供 一种新的思路。 参考文献 ［ 1］张力霆． 尾矿库溃坝研究综述［J］． 水利学报， 2013， 44 5 594- 600． Zhang Liting． Summary on the dam- break of tailing pond［J］． Journal of Hydraulic Engineering， 2013， 44 5 594- 600． ［ 2］沈楼燕， 魏作安． 探讨矿山尾矿库闭库的一些问题［J］． 金属矿 山， 2002 6 47- 48． Shen Louyan， Wei Zuoan． On problems in the closure of tailings dam ［J］． Metal Mine， 2002 6 47- 48． ［ 3］王晋淼， 贾明涛， 王建， 等． 基于物元可拓模型的尾矿库溃坝 风险评价研究［J］． 中国安全生产科学技术， 2014， 10 4 96- 102． Wang Jinmiao， Jia Mingtao， Wang Jian， et al． Risk uation of break- dam in tailings reservoir based on matter- element extension 851 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing model［J］． Journal of Safety Science and Technology， 2014， 10 4 96- 102． ［ 4］李全明， 张兴凯， 王云海， 等． 尾矿库溃坝风险指标体系及风险 评价模型研究［J］． 水利学报， 2009 8 989- 994． Li Quanming， Zhang Xingkai， Wang Yunhai， et al． Risk index system and uation model for failure of tailings dams［J］ ． Journal of Hy- draulic Engineering， 2009 8 989- 994． ［ 5］郭朝阳， 唐治亚． 尾矿库溃坝模型探讨［J］ ． 中国安全生产科学 技术， 2010， 6 1 63- 67． Guo Zhaoyang， Tang Zhiya． Study on the tailings dam- break model ［J］． Journal of Safety Science and Technology， 2010， 6 1 63- 67． ［ 6］李仲学， 曹志国， 赵怡晴． 基于 Safety case 和 PDCA 的尾矿库安 全保障体系［J］． 系统工程理论与实践， 2010 5 936- 944． Li Zhongxue， Cao Zhiguo， Zhao Yiqing． Safety case and PDCA based safety assurance system for mine tailings facilities［ J］ ． Systems Engi- neering- Theory ＆ Practice， 2010 5 936- 944． ［ 7］郑欣， 许开立， 周家红． 基于集对分析的尾矿库安全评价研究 ［J］． 安全与环境学报， 2008， 8 1 160- 162． Zheng Xin， Xu Kaili， Zhou Jiahong． Research on the safety ua- tion of the tailing pond by way of the set pair analysis［ J］ ． Journal of Safety and Environment， 2008， 8 1 160- 162． ［ 8］梅国栋， 王云海． 我国尾矿库事故统计分析与对策研究［J］． 中 国安全生产科学技术， 2010， 06 3 211- 213． Mei Guodong， Wang Yunhai． Statistic analysis and countermeasure study on tailings pond accidents in China［ J］ ． Journal of Safety Sci- ence and Technology， 2010， 6 3 211- 213． ［ 9］Rico M， Benito G， Salgueiro A R， et al． Reported tailings dam fail- ures A review of the European incidents in the worldwide context ［J］． Journal of Hazardous Materials， 2008， 152 2 846- 852． ［ 10］廖文景， 皇甫凯龙， 何易， 等． 尾矿库实时监控与安全分析及 预警耦合系统［ J］ ． 中国安全科学学报， 2014 8 158- 163． Liao Wenjing， Huangfu Kailong， He Yi， et al． Integrated real- time monitoring， analyzing and analyzing pre- warning system for tailings reservoir［J］． China Safety Science Journal， 2014 8 158- 163． ［ 11］张登， 简文彬， 叶琪， 等． 尾矿库边坡时变分析模型及其应 用［J］． 岩土力学， 2014 3 835- 840． Zhang Deng， Jian Wenbin， Ye Qi， et al． A time- varying analytic model of tailings slope and its application［J］． Rock and Soil Me- chanics， 2014 3 835- 840． ［ 12］张铎， 刘洋， 吴顺川， 等． 基于离散 － 连续耦合的尾矿坝边 坡破坏机理分析［J］． 岩土工程学报， 2014 8 1473- 1482． Zhang Duo， Liu Yang， Wu Shunchuan， et al． Failure mechanism a- nalysis of tailing dams based on coupled discrete and continuous ［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2014 8 1473- 1482． ［ 13］冀红娟， 杨春和， 张超， 等． 尾矿库环境影响指标体系及评价 方法及其应用［J］． 岩土力学， 2008， 29 8 2087- 2091． Ji Hongjuan， Yang Chunhe， Zhang Chao， et al． Index system of en- vironmental impact of tailings pond and application of assessment approach［J］． Rock and Soil Mechanics， 2008， 29 8 2087- 2091． ［ 14］张志军， 李亚俊， 贺桂成， 等． 某尾矿坝毛细水带内的坝体材料 物理力学特性研究［J］． 岩土力学， 2014 6 1561- 1568． Zhang Zhijun， Li Yajun， He Guicheng， et al． Study of physic- me- chanical properties of dam body materials in capillary water fringe of a certain tailings dam［J］． Rock and Soil Mechanics， 2014 6 1561- 1568． ［ 15］李全明， 陈立宏， 王云海， 等． 尾矿坝堆坝材料非线性力学特性 试验研究及数学模型拟合［J］． 安全与环境学报， 2009 5 132- 135． Li Quanming， Chen Lihong， Wang Yunhai， et al． On the non- linear mechanical characteristics of tailing reservoir and a numerical mod- el fitting［J］． Journal of Safety and Environment， 2009 5 132- 135． 责任编辑徐志宏 951 周帅等 尾矿库三维点云数字化安全闭库技术2016 年第 7 期 ChaoXing