CN115099092B - 基于三维建模的尾矿库渗流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,采用Auto CAD与MIDAS GTS NX协同建模的方式,先用Auto CAD对尾矿库原始三维地形图中的高程点坐标和尾矿库设计图中的坝体线框进行数据提取,再将提取的数据导入MIDAS GTS NX实现由点生成三维地表和坝体线框生成坝体,最后采用地质勘探孔资料生成地表以下不同岩层的分界曲面,由不同地层分界曲面生成地层三维模型。从建模到渗流计算以真实的三维坐标为依据,确保水域范围和水位高度的准确性,可以得到真实的渗流流量和渗流范围,为实际工程提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于尾矿库渗流计算方法技术领域,具体涉及一种基于三维建模的尾矿库渗流计算方法。
背景技术
我国矿产资源丰富,尾矿库众多,由于尾矿库筑坝方式的特殊性,尾矿运行过程中尾矿泥浆中的水渗流进入地层对地下水和周围的生态环境造成不同程度的影响。
传统计算坝体渗流基本以二维模型为主,选取某一断面进行建模和渗流计算,由于多数尾矿库和地层在几何形态不具有对称性,不能反映尾矿库的实际渗流情况,因此建立真实的尾矿库三维模型,通过三维渗流计算,得到尾矿库渗流流量、渗流流线、渗流流速、渗流范围和渗流的浸润面可为尾矿库的建造、加固和安全管理提供理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,解决了现有坝体渗流计算方法不能反映尾矿库实际渗流情况的问题。
本发明所采用的技术方案是:基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,包括以下步骤:
步骤1、将尾矿库地形图中高程点坐标导入MIDAS GTS NX中生成三维曲面,得到尾矿库三维地表图形;
步骤2、通过Auto CAD将尾矿库设计图中的坝体线框导入MIDAS GTS NX中扩展生成实体,采用步骤1得到的尾矿库三维地表图形切割实体得到尾矿库三维坝体模型;
步骤3、根据勘察钻孔的坐标和不同地层的深度建立各个地层的分界曲面,由步骤1得到的尾矿库三维地表图形和各个地层的分界曲面扩展分割生成三维地层模型;
步骤4、对步骤2得到的尾矿库三维坝体模型和步骤3得到的三维地层模型赋予材料参数并进行网格划分使得所有节点耦合,网格划分完毕后对网格进行属性匹配;
步骤5、添加网格和渗流边界条件至分析工况模型进行渗流计算,提取渗流计算结果。
本发明的特点还在于,
步骤1具体为:在Auto CAD中将尾矿库地形图中200个以上高程点的坐标导出至Excel表格中,再将高程点坐标导入MIDAS GTS NX中生成三维曲面,该三维曲面即为尾矿库三维地表图形。
步骤2具体为:通过Auto CAD仅保留尾矿库设计图中的坝体线框,再将线框导入MIDAS GTS NX中,将坝体线框做延伸使线框两端穿过尾矿库三维地表图形,采用两点矢量方法将线框按照顺序依次扩展成面,再将扩展生成的面沿竖直方向进行扩展生成实体,实体底部低于三维地表面图形,最后用三维地表面图形切割生成的实体,将三维地表面图形以下部分实体删除,仅保留三维地表面图形以上部分,得到尾矿库三维坝体模型。
步骤3具体为:根据勘察钻孔的坐标和不同地层的深度建立各个地层的分界曲面,根据各个钻孔处岩层的风化程度将三维地表面图形沿竖直方向扩展生成实体,实体底部低于最下方地层的分界曲面,再用各个地层的分界曲面对三维地表面图形扩展生成的实体进行切割,得到三维地层模型。
步骤4中赋予的材料参数包括容度、渗透系数和贮水率。
步骤4中进行网格划分具体为:将尾矿库三维坝体模型各个部分与三维地层模型进行印刻连接处理。
步骤4中网格划分完毕后建立网格属性并对网格进行属性匹配,具体为:建立网格属性为3D属性,网格命名与材料保持一致,材料选择为与网格对应的实体材料,材料坐标系设置为整体直角。
步骤5中的渗流边界条件包括上游边界条件和下游边界条件,上游边界条件根据干摊后方实际水域在分析工况模型中对应部位施加,边界设置为节点水头,水头高度采用与实际工况相匹配的总水头或压力水头;下游边界条件为自由出流边界,施加方式为节点施加。
步骤5中的分析工况模型设置为稳态渗流。
步骤5中的渗流计算结果包括渗流流量、渗流流线、渗流流速、渗流范围以及浸润面,渗流流量采用下式进行计算:
本发明的有益效果是:本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,针对传统尾矿库二维建模计算尾矿库渗流量以及地层渗流范围和浸润面未知的缺陷,通过三维渗流计算,得到尾矿库渗流流量、渗流流线、渗流流速、渗流范围和渗流的浸润面可为尾矿库的建造、加固和安全管理提供理论支撑。
附图说明
图1是本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法的流程示意图;
图2是本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法生成的三维地层模型图;
图3是本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法进行的网格划分图;
图4是本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法得到的尾矿库三维渗流流线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,如图1所示,包括以下步骤:
三维地表生成:在Auto CAD中将尾矿三维图形中高程点(高程点数量需在200个以上)坐标导出至Excel表格中,再将高程点坐标导入MIDAS GTS NX中,由点生成三维曲面,该三维曲面即为尾矿库三维地表。
尾矿库坝体的生成:将CAD图形中将尾矿库设计图中的坝体线框导入MIDAS GTSNX中,在该软件中将坝体线框做适当的延伸,使线框两端穿过三维地表图形,采用两点矢量方法(即从一条线中点指向另一条线的中点构成一个线扩展成面的辅助方向)将线框按照顺序依次扩展成面,再将扩展生成的面沿竖直方向进行扩展生成实体,实体底部应低于三维地表面,最后用三维地表面切割生成的实体,将三维地表面以下部分实体删除,仅保留三维地表面以上部分,得到尾矿库坝体部分。坝体一般包含初期坝、堆积坝、干摊等部分。
不同地层三维分界曲面的生成:利用勘察钻孔的坐标和不同地层(例如强风化岩层、中风化岩层、微风化岩层和极微风化岩层)的深度建立各个地层的分界曲面。
如图2所示,由三维地表和不同地层三维分界曲面扩展分割生成地层实体:具体做法是根据各个钻孔处岩层的风化程度将三维地表面沿竖直方向扩展一定距离生成实体,实体底部需低于最下方的地层分界面,再用各个地层分界面对三维地表面扩展生成的实体进行实体切割,即可得到不同的地层。
通过以上步骤可得到尾矿库坝体和地层模型,对模型各个部分需赋予材料参数,材料参数包括容度、渗透系数和贮水率。
如图3所示,网格划分:网格划分的关键在于节点是够耦合,为了确保网格节点耦合需对尾矿库模型进行印刻处理,具体为将坝体各个部分与表面地层进行印刻,使得模型连接成整体保证网格划分的准确性。
建立网格属性:由于建立的是三维模型,建立网格属性为3D属性,网格命名可与材料保持一致材料选择与该网格对应的实体的材料,材料坐标系设置为整体直角,网格属性建立完毕应对网格进行属性匹配。
尾矿库三维渗流计算具体包括以下步骤:
渗流边界条件:上游边界条件根据干摊后方实际水域在模型中对应部位施加,边界设置为节点水头,水头高度采用总水头或压力水头均可,但需与实际工况相匹配;下游出流边界在初期坝底部表面,具体施加方式为节点施加,具体边界条件为自由出流边界。
建立分析工况:这里的分析工况设置为稳态渗流,在分析工况模型中需将所要参与计算的网格和边界条件激活。
渗流计算结果的提取具体包括以下几点:
渗流流量:在渗流计算结果中的节点渗流结果中选择渗流入口处的全部节点,统计每个节点的处的渗流流量,将其全部相加即可得到尾矿库的渗流流量,采用下式进行计算:
如图4所示,渗流流线:在结果中选择流径,类型为节点,逐个选中渗流入口边界处和出口边界处的节点可得到完整的三维渗流流线,为了达到视觉效果可以选择渗流输出为动画形式。
渗流流速:在结果中的3D单元渗流结果中以表格形式输出各个单元的渗流流速,根据单元编号可定位至具体位置,另外可以有渗流流速云图结果进行渗流流速的查看。
渗流范围:在三维模型中渗流范围为所有流线最外侧的一个包络面,在模型中可定位至具体的坐标点。
浸润面:在渗流计算结中通过等值面找出孔隙水压力为零,即可显示三维渗流的浸润面。
通过上述方式,本发明的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,从建模到渗流计算以真实的三维坐标为依据,确保水域范围和水位高度的准确性,可以得到真实的渗流流量和渗流范围,为实际工程提供技术支撑。
Claims (10)
1.基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将尾矿库地形图中高程点坐标导入MIDAS GTS NX中生成三维曲面,得到尾矿库三维地表图形;
步骤2、通过Auto CAD将尾矿库设计图中的坝体线框导入MIDAS GTS NX中扩展生成实体,采用步骤1得到的尾矿库三维地表图形切割实体得到尾矿库三维坝体模型;
步骤3、根据勘察钻孔的坐标和不同地层的深度建立各个地层的分界曲面,由步骤1得到的尾矿库三维地表图形和各个地层的分界曲面扩展分割生成三维地层模型;
步骤4、对步骤2得到的尾矿库三维坝体模型和步骤3得到的三维地层模型赋予材料参数并进行网格划分使得所有节点耦合,网格划分完毕后对网格进行属性匹配;
步骤5、添加网格和渗流边界条件至分析工况模型进行渗流计算,提取渗流计算结果。
2.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤1具体为:在AutoCAD中将尾矿库地形图中200个以上高程点的坐标导出至Excel表格中,再将高程点坐标导入MIDAS GTS NX中生成三维曲面,该三维曲面即为尾矿库三维地表图形。
3.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤2具体为:通过AutoCAD仅保留尾矿库设计图中的坝体线框,再将线框导入MIDAS GTS NX中,将坝体线框做延伸使线框两端穿过尾矿库三维地表图形,采用两点矢量方法将线框按照顺序依次扩展成面,再将扩展生成的面沿竖直方向进行扩展生成实体,实体底部低于三维地表面图形,最后用三维地表面图形切割生成的实体,将三维地表面图形以下部分实体删除,仅保留三维地表面图形以上部分,得到尾矿库三维坝体模型。
4.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤3具体为:根据勘察钻孔的坐标和不同地层的深度建立各个地层的分界曲面,根据各个钻孔处岩层的风化程度将三维地表面图形沿竖直方向扩展生成实体,实体底部低于最下方地层的分界曲面,再用各个地层的分界曲面对三维地表面图形扩展生成的实体进行切割,得到三维地层模型。
5.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤4中赋予的材料参数包括容度、渗透系数和贮水率。
6.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤4中进行网格划分具体为:将尾矿库三维坝体模型各个部分与三维地层模型进行印刻连接处理。
7.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤4中网格划分完毕后建立网格属性并对网格进行属性匹配,具体为:建立网格属性为3D属性,网格命名与材料保持一致,材料选择为与网格对应的实体材料,材料坐标系设置为整体直角。
8.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤5中的渗流边界条件包括上游边界条件和下游边界条件,上游边界条件根据干摊后方实际水域在分析工况模型中对应部位施加,边界设置为节点水头,水头高度采用与实际工况相匹配的总水头或压力水头;下游边界条件为自由出流边界,施加方式为节点施加。
9.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤5中的分析工况模型设置为稳态渗流。
10.如权利要求1所述的基于三维建模的尾矿库渗流计算方法,其特征在于,所述步骤5中的渗流计算结果包括渗流流量、渗流流线、渗流流速、渗流范围以及浸润面,渗流流量采用下式进行计算:
式中:为第一个平面单元;为第n个平面单元;为平面单元外法向渗透系数;为水力坡降;为单元的面积。
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