细砂尾矿坝静力和动力稳定性分析研究

一、绪论

1.1引言
   尾矿是选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石磨细、选取“有用组份”后所排放的废弃物，也就是矿石经选别出精矿后剩余的固体废料。尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石筛选后排 高校毕业论文出的尾矿或其他工业废渣的场所，是矿山设施的重要组成部分。据统计全世界每年开采出金属和非金属矿石、煤、石材、豁土、砂砾约90亿吨，相应排弃废石和尾矿约300亿吨。采用堆坝法是目前处理尾矿的主要方法，由于尾矿量的不断增加和可以利用的土地资源日益减少，使得尾矿坝库容不断增加，库坝不断增高的趋势越来越明显。尾矿库作为特殊的水工构筑物，跨及尾矿库设计、基建和运营、闭库和土地恢复，少则运营数十年多则百年，其安全运营不仅关系到选矿厂的正常生产，还关系到下游地区居民的生命财产安全。
    目前我国形成一定规模的尾矿库有1500座，其中90%以上的尾矿库采用上游法筑坝工艺。和其它筑坝方法相比，上游筑坝是采用 高校毕业论文设计自初期坝顶开始以某种坡比向上游推进筑坝，坡比向上游逐渐推进加高，初期坝相当于堆积坝的排水棱体。这种堆积坝工艺简单，操作方便，基建投资少，经营费低，是我国目前广泛应用的堆积坝类型。但其支承棱体底部由细尾矿堆积而成，力学性能差，对稳定不利，而且这种堆积坝浸润线高。在地震过程中含有饱和细尾砂的坝体由于孔隙水压力的增加、抗剪强度降低引起滑移，其主要滑动形式为流滑。因此，尾矿坝在受到地震作用时，地震波的传播即能量的传播过程中，使得土体各个单元质点能量发生改变，并引起位移或者孔隙水压力的上升。尾矿坝对于地震的响应不仅仅是地震波能量的大小，还包括了介质密度不同，能量传播的过程中所引起振动和破坏也不同。一般产生的危害主要表现为:坝体不均匀沉降引起的裂缝以及产生的永久大变形;对于强震通常会在坝体内部产生较大的应力和应变，从而降低坝体的稳定性;在 高校毕业生就业论文坝体和坝基存在可液化松散一中密砂土和粉土时，在地震荷载作用下其砂土和粉土可能发生液化，将会严重威胁工程安全。
    尾矿坝失稳主要有漫顶、边坡稳定性与渗漏、地震、基础与结构破坏、侵蚀和下沉等，图1-1为我国尾矿坝事故类型汇总。由于我国位于世界两大地震带(环太平洋和喜马拉雅一地中海地震带)，地震分布区域广泛，地震频繁而且强烈，许多地震矿坝是建立在强震区，因此地震灾害对于尾矿坝的安全危害评价显得尤为重要。
    1928年10月1日，智利遭遇8.3级地震，高61m的Barahona铜矿坝体发生液化后形成一个缺口，导致54人丧生。1965年3月28日位于智利的另一座铜尾矿在遭遇了7级地震后发生液化，导致一座临近的老坝发生溃决，200余人丧生1976年唐山地震曾导致大石河尾矿坝沉积滩发生大量的喷水冒砂现象，地震还导致天津碱厂尾矿库发生液化破坏，2008年“512"汉川8.0级强烈地震，在受到地震灾害严重的城市如成都、德阳、绵阳、阿坝、雅安、广元等6个市、州、区内有9座矿山尾矿库，产生不同程度的地震隐患和灾害，如尾矿坝溃坝、地表地缝、渗漏以及大范围的不均匀沉降，这些灾害和隐患会严重影响尾矿库的正常运行，同时会对下游人民群众的生命财产安全构成严重威胁。对于地震灾害不仅仅表现在主震发生期间，更多的破坏是在其余震中。据中国地震台网中心测定，从主地震发生到2010年2月10日，四川省境内共发生4.0级以上余震311次，其中最大余震震级为6.4。当主震发生后，在后继余震作用下所产生的“积累破坏效应”使尾矿库发生地质灾害的程度加深国内尾矿坝事故类型汇总。

1.2尾矿坝稳定性影响因素
    由于尾矿坝技术起步较晚，至今未形成自身的独立分析体系，在工程上将尾矿坝视为边坡，借用边坡理论对其进行研究。尾矿坝的影响因素很多，至今尾矿坝破坏机理特别是在强震下液化特性仍旧处于研究阶段。
  1.尾矿坝筑坝方式的影响
    尾矿坝的筑坝分为上游式尾矿堆坝、下游式尾矿堆坝、中线式尾矿堆坝、水库式尾矿堆坝和干堆式尾矿堆坝。国内大多数采用上游式尾矿堆坝，即堆积坝坝顶的中心线位置不断向初期坝上游方向移动，坝体由流动的尾矿浆在重力的作用下自然沉积而成。采用上游法筑坝往往导致水位线较高，大部分坝体处于饱和状态，对于扰动异常敏感，在地震中容易发生液化和变形破坏S.G.V.K指出“迄今所报道的所有在地震中发生流动破坏的尾矿坝都是用上游法建造的”。
  2.尾矿沉积特性及物理特性
    尾矿的沉积规律十分复杂，随着具体工程、尾水中的尾矿含量、颗粒组成、排放条件、库内水位、库区地形等因素不同而存在差异。现有对于尾矿分布规律的共识是上部粗下部细，同一水平面上是后坡粗前缘细。影响尾矿砂物理特性主要与其粒径级配、相对密度等相关，这些是和尾矿沉积特性紧密相关。
  3.水的作用
    尾矿坝的浸润线被称为尾矿坝的生命线，它直接影响坝体的安全。水对尾矿坝的作用主要在坡面上的静水压力、动水压力以及坡内尾矿砂的软化作用和冲测作用等。处于水位以下的尾矿坝边坡收到水的浮力作用，坡体有效容重减轻，坡脚被水完全浸透后，边坡容易失稳。同时由于尾矿库内水不断向着尾矿初始坝处渗流，在坝体内形成的动水压力甚至造成管涌、流砂等现象对于坝坡下游极为不利。当尾矿坝内浸润线位置较高时，上部尚未沉积密实的尾矿砂在地震作用下很容易发生液化和大变形，导致坝体失稳。
  4.外部荷载的作用
    尾矿坝受到的外部荷载主要有两种，自然地震荷载和爆破地震荷载。这两种荷载通为动荷载。动荷载对尾矿坝的影响不仅仅是内部剪切应力增加，通常还会改变尾矿材料本身的物理特性。通常认为对于堆石料等粒径较大的材料，在受到动荷载时候，其材料物理特性和静力条件下不会发生大的变化。而对于尾矿砂这种相对粒径较小的材料在饱和状态下，由于水不能排出，孔隙水压力上升，有效应力降低，并产生残余应变。孔隙水压力升高导致土骨架刚度下降(软化作用)。对于整个坝体而言则可能造成局部发生大的变形甚至严重破坏。

2 尾矿细砂的物理力......... 23-41
    2.1 引........ 23
    2.2 尾矿细砂物理......... 23-26
        2.2.1 颗分........... 23-24
        2.2.2 比重和相........ 24-25
        2.2.3 渗透........ 25-26
    2.3 尾矿细砂的静力........ 26-30
        2.3.1 静三轴......... 26-29
        2.3.2 压缩........ 29-30
    2.4 尾矿细砂的动........... 30-41
        2.4.1 地震荷载........... 30-32
        2.4.2 尾矿砂动........... 32-35
        2.4.3 试验方法.........35-37
        2.4.4 试验数......... 37-41
3 尾矿库坝静力........... 41-57
    3.1 引言 41
    3.2 基于强度折减法的....... 41-52
        3.2.1 强度折减......... 41-43
        3.2.2 关于........... 43-44
        3.2.3 计算模型........ 44-45
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五、结论与展望

5.1结论

本文研究工作主要针对细砂尾矿坝的稳定性进行分析研究。对于构筑成尾矿次级坝的细砂的物理和静、动力学特性进行了室内试验，对于试验结果进行了分析，同时选择用极限平衡法和基于有限差分的强度折减法对于静力条件下尾矿坝的稳定性进行了评价，并对这两种方法进行了比较，最后在地震荷载作用下，利用拟静力方法和数值的方法对于尾矿坝的稳定性做出评价，对于地震条件砂土液化大变形进行分析，以及尾矿坝在地震条件下稳定性评价进行讨论。主要结论如下:
    1.对于上游式堆积的尾矿坝，其坝身和沉积滩物理力学性质有着明显的差异，虽然两者都是有尾矿砂组成，但是由于尾矿砂整体上是“上粗下细，前缘细后坡粗”的沉积规律，同时尾矿次级坝由于人工利用先期沉积下来的尾矿砂填筑，导致尾矿坝基本上由尾细砂组成，尾矿库内基本上由尾粉砂组成。
    2.通过对尾粉砂和后来尾细砂的静三轴和压缩试验结果分析，相同相对密度下，尾细砂的强度要比尾粉砂的强度要高，同时得到压缩模量强者要比后者要高。对于同一种粒径级配的尾矿砂，影响其力学特性主要因素是相对密度。
    3.对于尾细砂的动三轴的动强度试验，在固结比为1.5的情况下，对比三种不同相对密度的尾矿砂，发现振动周次相同时，不同相对尾矿细砂其动强度参数降低的幅度基本一致，当相对密度为0.47时，其动强度tancp为静强度的0.62。通过试验，我们发现，对于尾矿砂，其动力条件内摩擦角相对于静力下的内摩擦角会降低很多，但是粘聚力基本上下降很少，可以忽略。总体而言，如果选择采用动参数进行稳定性评价，不同土体单元选用不同固结比下的动强度很关键。
    4.对于同一种尾矿砂，相对密度越大，其抗液化性能也就越高，也就是在相同破坏周次下，发生剪切破坏时候所需要的剪应力越大。
    5.通过对于尾矿坝在静力条件下进行稳定性分析，分别采用极限平衡法和基于有限差分的强度折减法，得到两种工况下(干滩长L=70m和L=120m)的安全系数，干滩长和浸润线的位置对于尾矿坝的稳定性影响很大，当干滩长越短或者浸融线位置越靠近坝下游，那么坝体的稳定性就越差。因此合理的控制浸润线的位置，增大千滩长度对于确保尾矿坝的稳定性至关重要。

5.2展望
    长期以来人们对于尾矿坝的研究一直是基于边坡理论来研究，而这些理论的发展主要针对堆石坝、土石坝的研究成果得到的结论。对于尾矿坝这种特殊结构的水工构筑物无论是坝体材料还是尾自身结构相对于一般的水工构筑物有着明显的区别。对于堆石坝或者土石坝，由于其粗粒料堆积构筑而成，在动荷载条件下，水能够及时的排除，因此材料本身的力学特性不会发生太大的变化;而尾矿坝在动力条件下，尾矿料的动强度往往会降低，对于松散的尾矿砂甚至会降低很多;其次是结构由于土石坝相对于尾矿坝其为刚性，在地震荷载下其对于高频的响应
要大于后者，而后者对于低频的响应则要大于强者。本文对于具体的尾矿坝进行了试验研究和稳定性分析研究，指出了这种方法存在的不足以及可以借鉴的意义，但还有一些问题需要探讨。
    1.对于尾矿砂仅仅考虑了频率为1Hz和固结比为1.5的情况动力特性，没有去研究不同频率和不同估计比对于尾矿砂的动力特性的影响。而不同固结比情况下尾矿砂的强度往往差异很大，一般认固结比是转折点，也就是当时，其强度达到最大值，这样对于尾矿砂随着固结比变化很有意义。
    2.在本文基于有限差分的数值计算中，没有考虑水与砂土的祸合作用，对于祸合条件下，尾矿坝体的安全系数会发生什么样的变化，特别是在地震荷载的条件下，对于松散一中密的尾矿砂液化会不会产生影响，目前还没有去研究。