渗流场与应力场耦合分析及其在尾矿坝工程中的应用

摘要

渗流场与应力场耦合分析及计算是目前岩土工程界研究的重要内容之一。渗流场与应力场之间是相互联系、相互作用的,二者之间的相互影响体现了两场之间的耦合关系。把渗流场与应力场作为一个系统,研究和探讨二者的耦合问题是十分必要的。尾矿坝是矿山的重要生产设施,坝内存有大量的尾矿砂和水,尾矿坝一旦溃决,将给生产和人民的生命财产安全造成不可估量的损失。在影响尾矿坝安全稳定的各项因素中,渗流破坏是重要因素。所以,尾矿坝工程的渗流场与应力场问题是工程人员关心的重要研究课题。本文首先就广泛的岩土介质分析了渗流场与应力场耦合的作用机理,建立了二者耦合的物理模型;然后以数学和有限元方法为工具,利用Galerkin法推导出渗流场与应力场耦合的有限元计算公式。还就有限元计算时,浸润线位置和初始水头场的确定、收敛的判断标准等问题进行了说明和探讨。本文针对尾矿坝工程特点,研究了其不同的堆坝形式、渗流固结的特点和规律、尾矿坝渗透破坏的不同形式及判别方法。本文利用大型商业软件GEO-SLOPE对金堆城栗西尾矿坝进行了渗流场与应力场相互耦合的数值模拟。模拟计算了只单独考虑渗流场和单独考虑应力场的情况,以及两场耦合情况,并将三种情况进行了对比分析。模拟计算了不同干滩长度、降水、介质各向异性对渗流场浸润线位置的影响,得出了以下结论:(1)在工程实际可能范围内,干滩长度增加100m,尾矿坝的渗流量大致减少14％左右,所以在工程中应尽量增加干滩的长度;(2)在不同的降水条件下,如果不考虑尾矿库内水位的抬高,降水对渗流场影响不大;(3)随着K y K x的增加,尾矿坝的渗流量逐渐增大。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 研究综述

1.3 本文的主要研究内容

1.4 研究的技术路线

2 渗流基本理论

2.1 关于渗流的几个重要概念

2.1.1 多孔介质

2.1.2 多孔介质的基本性质

2.1.3 渗透系数、渗透率和导水系数

2.1.4 贮水率、贮水系数

2.1.5 渗流

2.2 达西定律

2.2.1 饱和渗流达西定律

2.2.2 非饱和流达西定律

2.3 渗流基本微分方程

2.3.1 渗流的连续性方程

2.3.2 渗流基本微分方程

2.3.3 非饱和渗流基本微分方程

3 渗流场与应力场耦合分析模型研究

3.1 渗流场与应力场耦合机理分析

3.1.1 渗流场对应力场的作用机理

3.1.2 应力场对渗流场的作用机理

3.2 渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3.2.1 渗流场与应力场耦合分析模型的数学分析

3.2.2 应力场影响下的稳定渗流场数学模型

3.2.3 渗流场影响下的应力场数学模型

3.2.4 渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3.3 渗流场与应力场耦合分析的有限元方法及步骤

4 渗流场与应力场耦合分析的有限元解法

4.1 概述

4.2 有限单元法的基本思想及实施步骤

4.3 有限元公式的推导

4.4 有限元方程在时间上的差分表示

4.5 有限元计算中有关问题的说明

4.5.1 渗流出逸面的位置

4.5.2 初始压力水头场

4.5.3 收敛判断的标准

4.6 本章小结

5 尾矿坝工程特点研究

5.1 概述

5.2 尾矿堆积坝的形式

5.2.1 上游式堆坝法

5.2.2 下游式堆坝法

5.2.3 中线堆坝法

5.2.4 高浓度尾矿堆积坝

5.2.5 水库式尾矿堆积坝

5.3 尾矿坝的渗流固结特点及规律

5.3.1 堆积尾矿的沉积特点

5.3.2 尾矿坝的固结条件

5.3.3 尾矿坝渗流固结规律

5.3.4 尾矿坝沉积固结中的非饱和带问题

5.3.5 尾矿坝渗流中的化学淤堵问题

5.4 尾矿坝事故及其原因

5.5 尾矿坝渗透破坏的类型及判别

5.5.1 尾矿坝渗透破坏的形式

5.5.2 尾矿坝渗透破坏形式的判别

5.6 本章小结

6 栗西尾矿坝渗流场与应力场耦合的数值计算

6.1 栗西尾矿坝的区域地质概况

6.1.1 地形地貌条件

6.1.2 地质构造条件

6.1.3 地层岩性条件

6.1.4 水文地质概况

6.2 计算模型及参数确定

6.3 不考虑应力场的渗流场与耦合渗流场对比分析

6.3.1 不考虑应力场的渗流场结果及分析

6.3.2 耦合渗流场结果及分析

6.3.3 对比分析

6.4 不考虑渗流场的应力场及耦合应力场对比分析

6.4.1 不考虑渗流场的应力场数值模拟结果及分析

6.4.2 耦合应力场数值模拟结果及分析

6.4.3 对比分析

6.5 浸润线高低的影响因素

6.5.1 干滩长度对浸润线的影响

6.5.2 降水条件对浸润线的影响

6.5.3 渗透系数各向异性对浸润线的影响

6.6 本章小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录