尾矿坝漫顶溃坝砂流演进数值模拟与风险评价

摘要

尾矿设施是矿山生产要素的重要组成部分，同时也是潜在的危险源。伴随矿业工程的不断发展，尾矿坝事故屡有发生。尾矿坝溃坝事故不仅使尾矿流失，破坏下游地区的生态环境，而且造成巨大的人员伤亡和财产损失。影响坝体安全性的因素很多，有设计方面的、管理方面的、筑坝材料及筑坝方式等，总的来说引起溃坝的因素主要有洪水漫坝、坝体地震液化、边坡失稳、渗流破坏等。国内外尾矿库重大恶性事故大多由洪水漫顶引起，因此，开展尾矿坝漫顶溃坝研究，对提高尾矿库的本质安全性和安全管理水平，减少和控制尾矿库运行中的危险、有害因素，降低尾矿库生产安全风险和预防事故发生，指导尾矿坝的防洪渡汛等方面都具有重要意义。
　　论文从水力学、土力学、水文学、泥沙动力学和尾矿工程等学科出发，深入系统地研究了尾矿坝漫顶溃坝机理和过程，构建了溃坝砂流在下游演进的控制方程，最后对尾矿坝漫顶溃坝事故进行了风险评价。本文主要进行了以下几方面的研究工作:
　　(1)研究了与漫顶相关的尾矿库洪水计算和调洪演算方法。洪水计算部分研究了洪水的洪峰流量和洪水总量计算方法以及洪水过程线绘制。调洪演算的目的是根据既定的排水系统确定所需要的调洪库容及泄洪流量，本文以某Ⅳ级铜矿尾矿库为例，分别按频率P=1％和P=1‰进行调洪演算，对排洪系统进行校核。
　　(2)探讨了两个基本理论:剪切应力（或牵引应力）和“陡坎”冲刷模型;研究了漫顶以后坝面侵蚀和漫顶溃坝机理;在研究和分析土石坝漫顶溃坝破坏过程的基础上，结合尾矿坝自身特点以及相关理论，提出了尾矿坝漫顶溃坝破坏过程。
　　(3)研究了溃口下泄尾矿砂流流量过程线的计算方法。一方面，尾矿坝属于散粒体坝，尾矿坝的溃决一般情况下属于逐渐溃坝，首先以DAMBRK模型为基础，结合水量平衡方程，求出溃坝水流过程线，同时考虑下泄尾砂量并改变时变过程，提出了基于逐渐溃的尾矿坝溃坝砂流流量过程线。另一方面，由于尾矿坝溃决时往往伴随着暴雨，库区尾矿砂呈饱和状态，为安全起见，往往考虑最不利的情况，即发生瞬时溃坝，采用4次抛物线来概化尾矿坝溃坝下泄砂流流量过程线。
　　(4)尾矿库溃坝后尾矿砂下泄引起的砂流本质上属于滑坡或泥石流，其运动类似于流体流动，在考虑砂流运动受其重力、动水压力和底床剪切阻力影响情况下，根据质量守恒原理和动量守恒原理推导建立了尾矿砂流连续方程和运动方程，二者构成的方程组即为描述尾矿砂流演进过程的控制方程。运用算子分裂法和特征线法，求解了尾矿砂流演进控制方程，构建了控制方程的离散格式。应用该控制方程对某失事尾矿坝溃坝砂流进行计算的结果表明，理论值与实际砂流的覆盖范围与厚度较为吻合，证明控制方程是合理、正确的。
　　(5)以首云铁矿和尚峪尾矿库为例，应用所构建的尾矿砂流演进控制方程模拟了尾矿坝溃坝以后溃坝砂流在下游演进运动。
　　(6)提出了基于贝叶斯网络的尾矿坝漫顶溃坝定量风险评价方法。在尾矿坝漫顶溃坝故障树的基础上，利用GeNIe软件进行建模分析，计算出漫顶溃坝事故概率，基本事件的后验概率和各种重要度，并得到重要度的平均排列顺序。用风险评估指数法，结合尾矿坝漫顶溃坝可能性和溃坝后果严重度的分析结果，提出了尾矿坝漫顶溃坝风险分级评价模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 尾矿工程概述

1．2．1 尾矿设施及尾矿库

1．2．2 尾矿堆积形式及分类

1．2．3 尾矿库库容以及等级

1．2．4 尾矿库(坝)基本状况

1．3 国内外研究现状

1．3．1 漫顶溃坝理论研究现状

1．3．2 溃坝模型研究

1．3．3 尾矿库溃坝砂流流动模拟研究现状

1．3．4 风险评价研究现状

1．4 尾矿坝溃坝致因分析

1．5 本文研究的主要内容

第2章 尾矿库的洪水计算和调洪演算

2．1 引言

2．2 洪水计算

2．2．1 洪峰流量

2．2．2 洪水总量

2．2．3 洪水过程线

2．2．4 应用实例

2．3 调洪演算

2．3．1 数解法

2．3．2 应用实例

2．4 本章小结

第3章 尾矿坝漫顶溃坝理论及溃坝砂流流量过程线研究

3．1 引言

3．2 漫顶溃坝理论

3．2．1 基本理论

3．2．2 漫顶溃坝侵蚀机理

3．2．3 漫顶溃坝过程

3．3 溃坝计算模型

3．4 基于逐渐溃的溃坝砂流流量过程线

3．4．1 DAMBRK模型

3．4．2 溃坝水流流量过程线

3．4．3 溃坝下泄砂流流量过程线

3．5 基于瞬间溃的溃坝砂流流量过程线

3．5．1 溃口宽度

3．5．2 最大下泄砂流流量

3．5．3 下泄砂流流量过程线

3．5．4 应用实例

3．6 本章小结

第4章 尾矿坝溃坝砂流演进控制方程的建立及求解

4．1 引言

4．2 尾矿砂流演进控制方程的建立

4．2．1 尾矿砂流连续方程

4．2．2 尾矿砂流动量守恒方程

4．2．3 二维尾矿砒流演讲的控制方程

4．3 尾矿砂流演进控制方程的数值求解

4．3．1 常用数值解法

4．3．2 算子分裂法

4．3．3 特征线法

4．3．4 方程离散格式的建立

4．4 计算条件的控制

4．4．1 初始条件

4．4．2 边界条件

4．4．3 动边界条件

4．4．4 计算参数选取

4．5 模型验证

4．6 本章小结

第5章 工程实例应用与分析

5．1 工程概况

5．2 计算参数和条件

5．3 溃坝砂流演进过程模拟

5．4 结果分析与讨论

5．4．1 平面堆积范围

5．4．2 堆积纵坡面

5．4．3 堆积横坡面

5．5 本章小结

第6章 基于贝叶斯网络的尾矿坝漫顶溃坝风险评价

6．1 引言

6．2 贝叶斯网络的构建

6．2．1 故障树逻辑关系向贝叶斯网络的转化

6．2．2 故障树向贝叶斯网络的转化算法

6．2．3 贝叶斯网络的整合及修正

6．3 基于贝叶斯网络的定量风险评价

6．3．1 事故概率

6．3．2 重要度

6．3．3 最小路集(最小割集)

6．3．4 后验概率

6．4 基于贝叶斯网络的尾矿坝漫顶溃坝定量风险评价

6．4．1 尾矿坝漫顶溃坝故障树

6．4．2 尾矿坝漫顶溃坝事故的贝叶斯网络的构建

6．4．3 尾矿坝漫顶溃坝各基本事件失效概率

6．4．4 尾矿坝漫顶溃坝事故概率

6．4．5 尾矿坝漫顶溃坝基本事件各种重要度

6．5 尾矿坝漫顶溃坝风险分级评价模型的建立

6．5．1 尾矿坝漫顶溃坝后果严重度

6．5．2 尾矿坝漫顶溃坝风险分级

6．6 应用实例

6．7 本章小结

第7章 结论

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文、科研情况及获奖情况

作者简介