尾矿库排洪系统结构仿真计算解决方案
本文摘要：
这篇文档介绍了一款用于计算和设计尾矿库排洪系统结构安全的工程设计工具——尾矿库排洪系统结构计算软件。该软件支持排水井、排水斜槽、涵管、隧洞等多种排洪系统结构形式计算，大幅降低了排洪系统结构计算的专业技术门槛。文章以 6 柱框架式排水井为例，详细介绍了该软件的计算流程，包括参数设置与荷载生成、基于概率极限状态设计理论的排水井承载能力极限状态计算、计算书一键生成功能等。目前，该软件已成功应用于二等新建尾矿库的初步设计审查。
1、背景介绍
尾矿库作为重大危险源之一，在国际灾害事故排名中位列第18位，根据中国钼业2019年8月刊《中国尾矿库溃坝与泄漏事故统计及成因分析》的统计，在46起尾矿库泄漏事故中，由于排洪设施导致的尾矿泄漏事故占比高达1/3，给人民生命和财产安全造成了巨大损失。
2015年至2020年五年间，不少于4座尾矿库发生了排洪系统坍塌事故，甚至引发了次生重大突发环境事件，数十万人民的正常生活受到影响。
图 1 排水竖井坍塌引起的尾矿库泄漏事故现场（图片源自网络）
《尾矿库安全规程GB39496-2020》中明确指出，“尾矿库排洪构筑物应进行结构计算，结构计算应满足相应水工建筑物设计规范要求，排水井还应满足 GB 50135 的相关要求”。目前尾矿库排洪系统结构计算依据的主要资料为《尾矿设施设计参考资料》，专用计算软件尚为空白。这主要是由于尾矿专业、结构专业、数值仿真模拟等多专业的融合知识体系庞杂，工程经验依赖性强。
尾矿库排洪系统结构计算软件是一款专门用于计算和设计尾矿库排洪系统结构安全的工程设计工具。该软件支持排水井、排水斜槽、涵管、隧洞等多种排洪系统结构形式计算，为尾矿设计人员更加科学、可靠地进行结构选型与配筋设计提供了有效手段。
该软件将复杂的框架式排水井有限元仿真流程进行封装，设计工程师只需输入形状和材料参数，无需考虑建模流程及仿真细节，就可轻松掌握框架式排水井受力状态。大幅度降低了排洪系统结构计算的专业技术门槛，提高了设计与现行规范的融合水平。
图 2 尾矿库排洪系统结构仿真软件
2、尾矿库排洪系统结构仿真解决方案
本文以6柱框架式排水井为例，对尾矿库排洪系统结构仿真软件的计算流程进行介绍。
（1）参数设置与荷载生成
根据界面引导输入必要的材料参数和几何参数，点击“确定”按钮后，程序会将所有数据传递给荷载计算模块和内力计算模块。参数设置界面引导清晰、概念明确、用户操作感受十分良好。
图 3 参数设置界面
用户可根据需求自定义或选择默认荷载进行工况组合，陆续开展拱板、基础、井座筒壁、盖板封堵、地基承载力、抗倾覆和抗浮验算。
荷载计算模块会自动生成排水井建成未蓄水、建成未投产已蓄水、尾矿堆积至排水井顶部、尾矿堆积至排水井最终标高等关键工况的各种荷载结果。用户可根据实际需求进行默认值的引用和自定义设置。
图 4 复杂荷载工况自动计算
（2）基于概率极限状态设计理论的排水井承载能力极限状态计算
根据框架式排水井的受力特点，程序内置拱板、井座、底板、盖板、框架的内力计算和配筋、抗倾覆验算、抗浮验算、地基承载力验算等计算模块，各计算模块默认配置荷载组合工况及荷载分项系数，以满足现行规范的设计需求，用户也可根据实际需求进行自定义荷载组合。
用户在完成基本参数和荷载工况的设置后，程序内部自动将参数传递给各个计算模块，用户只需要点击计算按钮，界面即可输出对应计算过程及最终结果。
图 5 仿真APP分析功能
图 6 框架式排水井内力及变形计算结果—框架变形图（放大200倍）
（3）辅助功能助力工程设计成果梳理
本软件具备计算书一键生成功能，旨在为工程人员提供便捷的成果梳理工具支持计算书的预览、自定义模板设定及导出。工程师可以轻松生成、查看并调整计算结果，确保其符合项目要求和格式规范。此外，该功能的灵活性和用户友好性大大提高了工作效率，使工程文档的管理和呈现变得更为专业和高效。
目前，本软件已被成功支撑二等新建尾矿库通过初步设计审查。仿真平台与行业专业算法的融合，不仅提高了软件的适用性和有效性，还使得仿真技术更加贴合实际工程应用，为行业带来创新和效率的提升。
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