地震荷载作用下上游式尾矿库动力特性研究

摘要

尾矿库是金属非金属矿山的重大危险源。在我国诸多尾矿库中，正常运行的比例偏低，病害不断，时有重大事故发生，引发直接灾害与次生灾害，既威胁人民的生命财产安全，又对生态环境造成极大的影响。地震是导致尾矿砂液化，诱发尾矿库失稳的重要因素之一，因此，建立地震荷载作用下尾矿库动力模型，分析尾矿库动力特性，揭示地震荷载作用下尾矿库失稳机理，为深入研究尾矿库稳定、变形及抗震措施奠定理论基础，具有重要的研究意义和实用价值。本文采用理论分析、材料试验、模型试验和数值计算相结合的方法，以尾矿砂试验为基础，振动台模型试验为依据，理论分析和数值计算为主导，对地震荷载作用下尾矿库动力特性进行研究。
　　首先，采用振动台试验系统，开展了不同密度的尾矿砂在不同施荷频率和不同振幅条件下的孔压增长规律试验研究，揭示了动载条件下孔隙水压力与上覆尾矿砂的重度、输入动力荷载的频率和振幅以及尾矿砂的密度之间有密切的关系，得出动载条件下尾矿砂孔隙水压力与振动时间的关系曲线;采用电-气式动三轴测试系统，开展了尾矿砂孔压增长模型测试试验，应用阻尼最小二乘法、通过Fortran语言和VC++技术自行开发尾矿砂孔压增长模型参数反演软件，对尾矿砂孔压增长应变模型进行参数计算，为进一步研究尾矿库动力特性提供基础资料。
　　其次，采用与孔压增长规律试验相同的尾矿砂，开展不同坝坡比的尾矿库动力特性振动台模型试验及尾矿库溃坝模型试验研究，分析不同输入峰值加速度条件下尾矿库模型的加速度、孔隙水压力、土压力及位移等随振动时间、尾矿库高程以及坝坡比大小的变化规律，揭示了地震荷载作用下尾矿库失稳机理，再现了尾矿库在地震荷载作用下的孔压升高、强度降低、局部液化破坏失稳，最终发生溃坝的全过程，以及溃坝过程中沿程泥浆深度演化规律和溃坝后的堆积模式。
　　第三，结合尾矿砂动三轴试验和尾矿库振动台模型试验的结果，从Biot动力固结方程出发，考虑尾矿砂孔压增长规律和液化后的变形规律，建立尾矿库流固耦合动力模型，采用该模型对不同坝坡比、不同浸润线高度和不同输入峰值加速度条件下尾矿库的动力特性计算，得出坝坡比越大、浸润线越高、输入峰值加速度越大，尾矿库稳定性越差，将此计算方法应用到现场工程中，对现状尾矿库的动力稳定进行验算，并通过对该尾矿库不同加高扩容方案的动力计算，选出最稳定的扩容方案指导现场工程实际。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 尾矿砂动力特性研究现状

1．2．2 尾矿库动力特性研究现状

1．2．3 尾矿坝溃坝研究现状

1．3 论文的主要内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究方案

第2章 尾矿砂孔压增长规律分析

2．1 尾矿砂的分类

2．1．1 按选矿工艺分类

2．1．2 按尾矿砂的岩石化学类型分类

2．1．3 按粒径大小分类

2．2 尾矿砂工程性质实验分析

2．2．1 尾矿砂粒度组成和物理特性分析

2．2．2 尾矿砂抗剪强度指标分析

2．2．3 尾矿砂现场原位测试成果分析

2．3 尾矿砂孔压增长规律分析

2．3．1 尾矿砂孔压增长规律试验设计

2．3．2 尾矿砂孔压增长规律试验结果分析

2．3．3 尾矿砂孔隙水压力增长规律数据拟合

2．4 尾矿砂孔压增长模型参数实验

2．4．1 尾矿砂孔压增长应变模型

2．4．2 尾矿砂孔压增长模型测试实验

2．4．3 尾矿砂孔压增长模型参数反演

2．5 本章小结

第3章 尾矿库动力特性试验分析

3．1 尾矿库动力特性模型试验

3．1．1 尾矿库动力特性模型试验设计

3．1．2 尾矿库动力特性分析

3．1．3 地震荷载作用下尾矿库失稳机理分析

3．2 尾矿库溃坝模型试验

3．2．1 尾矿库溃坝试验设计

3．2．2 尾矿库溃坝分析

3．2．3 尾矿库动力监测点的设置

3．3 本章小结

第4章 基于流固耦合作用的尾矿库动力模型

4．1 基本假设及问题简化

4．2 基于流固耦合作用的尾矿库动力方程

4．2．1 尾矿库动力模型基本方程

4．2．2 尾矿库动力模型的定解条件

4．2．3 耦合关系建立

4．3 基于流固耦合作用的尾矿库动力模型的数值实现

4．3．1 液化变形本构模型

4．3．2 动力模型的求解

4．3．3 模型的软件实现

4．4 模型验证

4．4．1 尾矿库液化变形规律验证

4．4．2 尾矿砂孔隙水压力增长规律验证

4．5 本章小结

第5章 尾矿库动力特性数值计算

5．1 尾矿库动力分析模型建立

5．1．1 计算方案设计

5．1．2 计算模型建立

5．1．3 模型参数选取

5．2 不同坝坡比尾矿库动力特性分析

5．2．1 不同坝坡比尾矿库加速度分析

5．2．2 不同坝坡比尾矿库位移分析

5．3 不同高度浸润线尾矿库动力特性分析

5．3．1 不同浸润线高度尾矿库有效应力分析

5．3．1 不同浸润线高度尾矿库液化分析

5．4 不同输入峰值加速度尾矿库动力特性分析

5．4．1 不同输入峰值加速度尾矿库位移分析

5．4．2 不同输入峰值加速度尾矿库液化分析

5．5 本章小结

第6章 地震荷载作用下尾矿库扩容方案优化分析

6．1 尾矿库工程概况简介

6．1．1 尾矿库地层概况

6．1．2 尾矿库地质构造概况

6．1．3 尾矿库勘察结果

6．2 尾矿库三维地质模型建立

6．2．1 尾矿库几何模型的确定

6．2．2 模型边界条件确定及计算参数选取

6．2．3 地震波选取

6．3 现状尾矿库地震反应分析

6．3．1 现状尾矿库加速度分析

6．3．2 现状尾矿库变形分析

6．3．3 现状尾矿库液化分析

6．4 尾矿库扩容方案动力分析

6．4．1 扩容后尾矿库动力分析

6．4．2 扩容优化方案设计

6．4．3 扩容方案对比分析

6．5 尾矿库扩容方案溃坝范围预测

6．5．1 溃坝模型建立

6．5．2 溃坝计算结果分析

6．5．3 溃坝范围对比分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论著及参与的科研活动

作者从事科学研究和学习经历的简历