尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究

摘要

尾矿坝是用来阻挡尾矿使其沉积的土工构筑物，它的使用功能、建筑工艺、坝体结构和静动力特性均不同于一般的水工土石坝。随着我国经济的快速发展和工业水平的迅速提高，对矿山原材料产出的需求越来越大，尾矿坝数量也随之增加。尾矿坝按其构造形式可分成三类：上游式、中线式和下游式。上游式尾矿坝后继断面小及占地少，且工艺简单、造价低，我国大多数尾矿坝均采用上游式修建。国内外震害表明，因上游式尾矿坝浸润线较高，大部分坝体处于饱和状态，地震作用下易发生液化变形破坏。我国是一个多地震国家，而尾矿坝几乎是永久性建筑，在设计阶段、服务期及废弃后均需要进行抗震分析。因此，深入研究尾矿坝的抗震设计、稳定、变形及抗震措施就显得尤其重要和迫切。本文主要进行了以下几方面的研究工作： 1．传统的场地液化评估法通常以安全系数的大小作为评估标准，安全系数的要求则由工程师经验确定，但不能给出相应的液化概率。首先阐述了砂土液化机理及场地液化评价方法，其次用对数退化模型分析国内外现场实测标贯数据，建立场地液化极限状态函数，然后将可靠度理论引入场地液化评价中，用一次二阶矩法建立场地液化概率评价模型，进行实例应用并与规范结果进行了比较。分析表明，建议模型具有较高的可靠性，相比传统的确定性分析方法，不仅能判定液化发生与否，还能给出液化概率，这为进行基于风险分析的抗震设计提供了可能。 2．现有规范中尾矿坝抗震设计方法的计算过程相当繁琐，有必要提出一种实用的地震液化稳定分析简化法。结合《构筑物抗震设计规范》的修订，用有限元程序计算多个60m高的尾矿坝，确定坝顶加速度放大倍数、坝体加速度分布系数和应力折减系数，建立尾矿坝地震作用应力比的简化计算式。基于尾矿抗液化性能的影响因素分析，对规范中抗液化应力比计算式进行简化。液化分析简化法只要求简单的物理力学特性数据和地震烈度，避免了进行大量的土力学试验和数值计算来评价尾矿土层的液化特性。根据砂土抗液化安全系数与超孔隙水压力比的经验关系，建立了超孔隙水压力简化计算式，并应用到瑞典条分法中，克服了用传统拟静力法进行尾矿坝地震稳定分析时忽略超孑L隙水压力带来的风险。综合中日尾矿坝抗震设计规范并进行比较分析，提出上游式四、五级尾矿坝在小于或等于 8 度地震时，用简化法进行抗震设计。 3．以某上游式尾矿坝为例，用有限元法分析了坝体的地震反应、永久变形及超孔隙水压力的发展过程，研究了降低浸润线、碎石排水和加筋的抗震效果，提出了一种综合抗震措施，即在子坝区加筋、初期坝外坡增设反压体及坝基土密实。分析表明，采取综合抗震措施加固后坝体地震变形显著减小。 4．应用二维商用软件 ALID 研究了 Mochikoshi 尾矿坝在不同条件下发生液化流动变形的特征，分析了降低浸润线、在上游增设稳定柱、下游施加反压体和坝基土密实对抑制尾矿坝液化流动变形的作用效果。从经济、方便施工的角度出发，提出了两种抑制尾矿坝液化流动变形的综合措施，即在坝基土密实加固，并同时在坝体外坡施加反压体和降低浸润线。分析表明，采取综合措施加固后坝体液化流动变形得到了有效控制。 5．基于 Watanabe 提出的边坡地震稳定滑移分析法，以某上游式尾矿坝为例，研究了输入不同加速度峰值对坝体等价加速度时程、安全系数时程与潜在滑块滑移量发展过程的影响，分析了加筋对提高尾矿坝地震稳定及减小坝坡滑移量的有效性。分析表明，随着输入水平加速度峰值的增大，水平等价加速度与地震安全系数的变化幅值相应地增大，超越加速度的幅值增加、历时较长，地震滑移量增大；加筋能较好地改善尾矿的力学性能，大大提高坝体的稳定性，减小滑动位移；筋材间距的增大与设计强度的降低都会减小坝体的地震稳定系数。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1尾矿及其处理现状

1.2尾矿坝

1.2.1尾矿坝及其分类

1.2.2尾矿坝的主要特点

1.2.3尾矿坝的安全等级

1.3尾矿坝基本状况

1.4地震概况及尾矿坝震害分析

1.5国内外研究现状

1.6论文研究意义

1.7论文主要工作

2场地液化概率评价研究

2.1砂土液化机理

2.2砂土液化影响因素

2.3砂土液化评价方法

2.3.1剪应力法

2.3.2剪应变法

2.3.3能量法

2.3.4液化概率评价

2.4基于对数退化分析的场地液化极限状态函数

2.4.1对数退化分析方法

2.4.2场地实测数据分析

2.4.3场地液化极限状态函数的建立

2.5一次二阶矩法在场地液化概率评价中的应用

2.5.1液化概率评价模型的建立

2.5.2场地液化评价标准

2.5.3算例

2.6本章小结

3尾矿坝简化抗震设计研究

3.1引言

3.2中日尾矿坝抗震设计规范的比较

3.2.1中国尾矿坝抗震设计规范(GB50191-93)介绍

3.2.2日本尾矿坝抗震设计规范介绍

3.2.3中日规范尾矿坝抗震设计方法的比较

3.3尾矿坝地震液化稳定分析简化法

3.3.1简化抗震设计思路

3.3.2地震反应分析

3.3.3尾矿料抗液化应力比的估算

3.3.4尾矿坝土单元液化判别

3.3.5尾矿坝地震稳定分析

3.4简化方法的应用

3.4.1液化分析

3.4.2地震稳定分析

3.5本章小结

4尾矿坝抗震措施及其抗震效果研究

4.1引言

4.2尾矿坝抗震措施

4.2.1降低浸润线

4.2.2碎石桩

4.2.3加筋

4.2.4其他抗震措施

4.3分析理论

4.3.1基本方程式

4.3.2有限单元分析

4.4计算模型

4.5加固前计算结果分析

4.6抗震措施效果分析

4.7本章小结

5尾矿坝地震液化流动变形分析

5.1引言

5.2砂土液化后大变形研究现状

5.2.1砂土液化后变形

5.2.2砂土液化后变形的预测方法

5.3 ALID(Analysis for Liquefaction-Induced Deformation)

5.4计算模型

5.5加固前计算结果分析

5.6抑制尾矿坝液化流动变形措施的作用效果分析

5.7本章小结

6尾矿坝地震稳定及坝坡滑移分析

6.1引言

6.2 Newmark有限滑移计算方法及其发展

6.3 Watanabe地震边坡稳定滑移分析法

6.3.1动力抗滑稳定计算方法

6.3.2有限滑移量计算

6.4计算模型与分析条件

6.5结果分析

6.6本章小结

7总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢