地下水对栾川炉场沟尾矿坝稳定性影响分析

据计算结果,栾川炉场沟尾矿坝在正常运行情况下是稳定的,地下水位(浸润线水位)是实测水位;在洪水运行情况下和特殊运行情况下是不稳定的,洪水运行情况下,预测地下水位(浸润线水位)距离坝顶 1 m,地下水位(浸润线水位)埋深较浅时尾矿坝不稳定,提出了相应的预防措施.     

尾矿库筑坝期三维渗流分析

尾矿库坝体的稳定性分析需充分考虑地形的复杂程度与边界的不规则程度,从而建立尾矿库的真实三维渗流场。利用SVOffice软件在不概化地形及边界的条件下构建尾矿库的真实渗流域,模拟了最后一期填筑在正常高水位（427.77 m）及汛期最高洪水位（434.50 m）两种工况下的三维瞬态渗流场。结果显示：两种工况下,尾矿最大日排水量均为6 100 m³,此时,堆积坝两侧浸润面均有溢出,远离排水井一侧的溢出范围更大,这主要是受渗流域的影响;库内初始水位对筑坝期渗流场的分布存在较大的影响,汛期洪水位筑坝初期浸润面位置最高。由模拟结果设计了5条排渗盲沟,保证了浸润面在堆积坝任何部位均未溢出。     

初期坝渗透性对尾矿库浸润线位置影响的定量分析

基于对云南某拟建尾矿库渗流场的数值模拟,统计分析了初期坝与堆积坝不同渗透系数之比下浸润线位置,发现初期坝渗透性与尾矿库浸润线的埋深并不是简单的线性增长关系,而是当初期坝渗透系数高出堆积坝三个数量级以上时,浸润线埋深趋于稳定,并由此建立了二者的关系函数。经过正、反验证计算,证明该关系函数是正确的,为尾矿坝的设计施工提供了依据。     

基于流固耦合理论某尾矿坝失稳特性及稳定性分析

选用典型的尾矿库工程实例,采用流固耦合和强度折减法相结合对其尾矿坝进行稳定性分析,确定尾矿库渗流场分布及浸润线的位置,该浸润线位置与实测浸润线位置吻合较好。建议强度折减过程中尾矿坝的失稳准则,计算安全系数,确定潜在滑裂面的位置,并与极限平衡法计算出的安全系数及临界滑裂面位置进行比较,表明强度折减法得出的结果与Bishop法结果接近,流固耦合-强度折减法在尾矿库稳定性分析的可行性。在该基础上研究尾矿坝潜在的失稳模式,将尾矿坝潜在的失稳模式分为局部失稳和整体性失稳两种,局部失稳为尾矿坝的部分坝面发生滑移,整体失稳为整个尾矿坝坝体发生失稳,并分析导致该尾矿坝两种失稳模式的主要因素,认为浸润线埋深过浅是导致局部失稳的主要原因。     

基于流固耦合作用的某尾矿坝渗流稳定性分析

尾矿坝是矿山重要设施之一,其内部含有大量的水和尾矿,一旦失稳造成的损失不可估量。尾矿坝失稳有众多因素影响,但是坝内浸润线是最活跃的影响因素。本文基于流固耦合理论,建立某尾矿坝有限元计算模型,考虑坝内排水井的存在。模拟坝内不同工况下浸润线分布,对其静力稳定性及流固耦合作用下尾矿坝应力应变场进行分析,并将浸润线模拟位置与实际监测结果进行对比。揭示库内不同工况下浸润线变化规律以及与坝体稳定性之间的关系,并分析评价不同工况下尾矿坝的稳定性。最后,将渗流场与应力场进行流固耦合,模拟出365 d坝内应力位移分布,为尾矿坝施工及安全运行提供可靠的依据及技术支持。     

基于浸润线矩阵的尾矿坝稳定性分析

由于尾矿坝的渗流边界条件极为复杂,采用的二维简化理论分析法的计算结果有可能与实测浸润线的结果相差较大,急需一种能较为准确预测尾矿坝浸润线位置的简易算法。在深入剖析尾矿坝浸润线影响因素的基础上,建立了浸润线叠加影响函数,归纳出与尾矿坝坝体特征相关的阶段影响因子,提出反映阶段影响因子的浸润线矩阵。运用多项式回归分析浸润线观测数据,拟合得出浸润线观测孔水位与库水位的函数曲线,求得尾矿坝浸润线矩阵。     

滑坡堰塞坝越顶溢流破坏的物理模型实验

滑坡堰塞坝作为结构松散的堆积物,随着上游水位的不断上涨,其稳定性不断降低,并存在突然溃坝的风险。以唐家山滑坡堰塞坝为研究对象,基于相似原理,开展符合坝体颗粒级配的室内水槽物理模型实验,模拟了不同坝后蓄水量、不同水位和不同颗粒物质组成条件下坝体渗流、漫顶破坏的整个过程。监测结果显示：堰塞坝漫顶溃坝主要分为渗流、漫顶、冲刷和溃决4个过程;坝体堆积颗粒级配越差,坝体允许渗流坡降越小;相同材料配比的坝体,上游水位相同时,坝体底部水平位移最大,且漫顶溃坝时溃口尺寸与蓄水量正相关。该研究结果揭示了堰塞坝漫顶破坏规律,可为堰塞坝溃坝防治提供理论参考。     

有限元分析在尾矿库渗流及抗滑稳定工程实践中的应用

某新建尾矿库初步设计拟采用一次性筑坝,坝型为碾压式土石坝,为评价设计方案的合理性以及尾矿库的安全性,采用有限元方法对尾矿库渗流稳定性和抗滑稳定性分析计算,结果表明,尾矿坝采用的渗控体系能够满足大坝的防渗要求,坝体上游侧的HDPE土工膜起到了较好的截渗效果,库内浸润线分布规律合理,下游设计排渗系统起到了较好的排渗效果;在正常蓄水位、最高洪水位和地震等3种工况下,尾矿坝下游边坡的抗滑稳定性均满足规范要求,设计方案合理可行。     

尾矿坝垮塌机制与溃决模式试验研究

基于云南拉拉铜矿小打鹅尾矿库工程设计资料,采用现场排放尾矿砂为试验材料,进行了尾矿堆积坝在洪水情况下发生垮塌破坏的模型试验。通过水流控制系统模拟尾矿坝遭遇洪水情况,采用侧面示踪点、水位测压管、应力传感器以及数码摄像机等设备获得了尾矿坝溃决过程中坝坡的位移矢量演化、浸润线与应力的变化特性以及坝体破坏发展过程,揭示了洪水作用下尾矿坝的垮塌机制和溃决模式。试验结果发现：尾矿堆积坝的浸润线变化存在滞后性;在洪水入库致库区最高设计洪水水位过程中,靠近坝坡中部处水平方向的总应力增量较垂向总应力增量大,增大的水平应力是坝体产生破坏的重要因素之一;洪水导致坝坡尾矿砂所受的渗透力、上浮力、重力以及孔隙水压力增大,削弱了坝体材料的黏聚力,并加大了自身荷载,降低了坝体的稳定性;尾矿坝溃决模式一般为逆流渐进型,破坏先是从坡脚处发生,继而向上游发展,呈现牵引式发展,破坏的滑动面由多个弧形滑移面构成。研究成果加深了对尾矿堆积坝垮塌机制和溃决模式的认识,并在洪水灾害的预防和控制方面作了一些新的探索     

高浓缩分级尾矿上游法堆坝及模型试验研究

针对传统上游法尾矿库堆坝方法的缺陷与不足,提出了改进的上游法堆坝方法,即高浓缩分级尾矿上游法堆坝方法。基于尾矿库堆坝模型试验,以高浓缩尾矿堆存技术为指导,分别进行传统上游法和改进上游法的高浓缩尾矿堆坝模型试验,演绎尾矿库堆坝过程,测试并得出了堆坝过程中滩面尾矿沉积情况、尾矿颗粒分布规律及浸润线变化规律,并采用极限平衡法计算不同堆坝方式下坝体的最小安全系数。结果显示：高浓缩尾矿堆坝使沉积滩颗粒分布均匀,颗粒分级不明显,减少了互层和细泥夹层的出现,改善了坝体内部结构;改进上游法堆坝可以形成有利于排渗防洪的良好沉积滩滩型;稳定性分析结果表明,改进上游法堆坝方法可以使尾矿坝的稳定性提高19%～33%,研究成果可为新建尾矿库工程提供试验技术支撑。     

某尾矿坝毛细水带内的坝体材料物理力学特性研究

毛细水的存在将使尾矿坝坝体材料的物理力学特性发生较大变化,这种变化对尾矿坝的安全稳定势必产生影响,而国内外在此方面的研究工作却鲜有报道。为此,开展了某尾矿坝坝体材料现场取样、室内土工试验工作,并采用自制的毛细水带分层取样试验装置开展了长达6个月的毛细水上升测试工作,通过分层取样及土工试验,得到了毛细水带内尾矿砂的物理力学特性,进而系统地研究了毛细水带尾矿砂的含水率、重度、黏聚力、内摩擦角等物理力学指标随毛细水高度的变化特征。研究发现,毛细水带内尾矿砂的含水率和重度均随毛细高度而减小;黏聚力和内摩擦角的变化均随毛细高度和含水率呈先增大后减小的变化规律,其中内摩擦角的变化规律与以往相关研究所得结论并不完全相符,分析指出,这是由于毛细水和尾矿砂颗粒的表面特性所导致的;简要分析了抗剪强度随毛细高度的变化规律,发现其受毛细作用影响较大,呈先增大后减小的变化趋势。研究结果为坝体、边坡等工程的稳定性研究工作提供了一种新思路,为今后建立考虑毛细水作用下尾矿坝稳定性分析方法和理论奠定了基础。     

Experimental investigation into rockfill dam failure initiation by overtopping

Rockfill is the most abundant building material. It is often used for water retention under different contexts, such as dams, embankments or drainage systems. Climate change may cause water levels to rise in reservoirs. As rockfill structures are not able to resist strong overtopping flow, rising water levels will constitute a danger for rockfill dam stability as well as for people living nearby. This work is aimed at the development of an empirical formula that enables calculation of the critical water level of overflow at the crest from the geometrical and physical parameters of a dam. To achieve these objectives, several experimental tests on a rockfill dam model with two different impervious cores, moraine with a sand filter and an empty wooden formwork, were conducted in a hydraulic channel at the hydro-environmental laboratory at École Polytechnique de Montréal. The purpose of these tests was to study the initiation of a riprap failure under the influence of different variables, such as rock size, riprap bank, downstream side slope and bed slope. Results showed linear trends between the critical water level and both the downstream side slope and bed slope. Also, a power trend was observed between the critical level and riprap grain size. A formula that gives the critical overtopping water level was developed from these results.     

某电厂贮灰坝失稳过程及破坏机制研究

运用非饱和土土力学理论分析了某电厂贮灰坝失稳过程,揭示了该贮灰坝的失稳和破坏机制。分析表明,随着子坝挡水历时的增加,积水不断下渗,浸润线逐渐抬高,非饱和区域相应减少,坝体中受此影响的部位的孔隙水压力也随之不断增高,抗剪强度不断降低。此过程发展到一定程度,则导致贮灰坝产生破坏和滑动。上述分析清楚地诠释了干滩长期消失会使贮灰坝的稳定性遭受巨大威胁的原因。其研究结果可为贮灰坝、尾矿坝在类似工况下的稳定性评价和预测预报提供借鉴。     

Breaking mode of cohesive homogeneous earth-rock-fill dam by overtopping flow

Breaking tests on homogeneous earth-rock-fill dams destroyed by overtopping flow are presented. Two types of shear erosion are found: wetting shear erosion and quick shear erosion; the water level-discharge process is divided into “sharp rise and drop of flow” and “slow change of flow” types. Furthermore, overtopping break modes are divided into head-cut erosion and scour breaching mode (Mode 1), shear erosion and collapse breaching mode (Mode 2), and wetting shear erosion mode (Mode 3) based on the main failure types and their coupled mode during dam break. In Mode 1, the downstream slope encounters head-cut erosion at the onset of the breach and expands and undercuts gradually at the development stage; in Mode 2, the dam slope encounters rapid shear erosion and the downstream edge of the crest erodes quickly towards the upstream face at the onset of breach: the breach expands suddenly due to instability and collapse at both sides of the breach in its development stage; in Mode 3, the strength of the dam’s materials continuously decreases by wetting and erosion happens is localised at positions where wetting caused the most strength loss, no obvious breach was developed. Dam breaking time, dam-break flow process, and the maximum discharge flow varied for each breaking mode. Overtopping flow size, materials, height, and initial breach size of dam are important factors influencing breaking mode, by virtue of their changing the relative strength of the relationship between the critical shear stress of dam materials at the edge of the dam crest and the lower parts of its slope, and the given flow’s destruction capacity. Overtopping will cause different manifestations of damage to be exhibited, so modal classification is favourable for safety assessment and preparation of relevant protective measures for protection of earth-rock-fill dam against overtopping.     

地震作用下高堆尾矿坝永久变形与稳定性分析

综合采用时程分析法、整体变形分析法（等效节点力法和软化模量法）、极限平衡法等方法,以小打鹅尾矿库为例,分析了该高堆尾矿坝的永久变形和动力稳定性。分析了干滩面长度、尾矿堆积坝高度、设计地震加速度等影响因素对尾矿坝的安全系数和永久变形的影响,以及地震作用下尾矿坝安全系数的时程变化规律。结果表明：尾矿坝的地震永久变形与一般土石坝的存在差异,其水平方向的永久变形大于竖直方向的永久变形,且永久变形与坝高不一定呈单调递增关系;地震中尾矿坝的最小安全系数与各影响因素大体呈线性关系,而坝顶处的震陷与各影响因素之间呈非线性关系;地震过程中尾矿坝瞬时安全系数具有波动降低的特点,为此,完善了地震作用下尾矿坝最小平均安全系数的计算方法。该研究表明小打鹅尾矿库坝体的抗震性能能够满足相应抗震设防要求。     

Quantitative dam break analysis on a reservoir earth dam

Mathematical simulations on dam break or failure using BOSS DAMBRK hydrodynamic flood routing dam break model were carried out to determine the extent of flooding downstream, flood travel times, flood water velocities and impacts on downstream affected residences, properties and environmental sensitive areas due to floodwaters released by failure of the dam structure. Computer simulations for one of the worse case scenarios on dam failure using BOSS DAMBRK software accounted for dam failure, storage effects, floodplains, over bank flow and flood wave attenuation. The simulated results reviewed a maximum flow velocity of 2.40 m/s with a discharge of approximately 242 mз /s occurred at 1.00 km downstream. The maximum discharge increased from 244 m³/s (flow velocity = 1.74 m/s occurred at 8^th. km) to 263 m³/s (flow velocity = 1.37 m/s occurred at 12^th. km); about a 39% drop in flow velocity over a distance of 4.00 km downstream. If the entire dam gives way instantly, some spots stretching from 0.00 km (at dam site) to approximately 3.40 km downstream of the dam may be categorized as “danger zone”, while downstream hazard and economic loss beyond 3.40 km downstream can be classified as “low” or “minimal” zones.     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

铜尾砂和钨尾砂的抗剪强度及宏细观分析

铜矿和钨矿在经过开采和选矿过程后产生大量的尾砂,尾砂的抗剪强度直接影响到尾砂筑坝的稳定安全性和材料的创新利用。尾矿库现场取回尾砂的级配曲线不同于选矿产生的全尾砂,选用合适的尾砂抗剪强度参数以及对不同尾砂抗剪强度的比较和分析有助于评估尾矿库的溃坝安全性。为了深入研究铜、钨两种尾砂的抗剪强度及异同点,针对不同粒径范围的铜、钨尾砂进行了直剪试验、X射线衍射分析和扫描电镜分析。直剪试验结果表明,干燥尾砂表现出无黏性土的强度性质,相同粒组尺寸的铜尾砂抗剪强度要高于钨尾砂的抗剪强度;铜尾砂和钨尾砂在含水率为15%情况下的抗剪强度表现出一定的黏聚力,使其抗剪强度相对于干燥状态下提高了16.7%~83.8%;随着含水率从10%增加到20%,细粒钨尾砂的内摩擦角变化不大,含水量的增加使得钨尾砂的黏聚力较明显地减小并使得抗剪强度降低。X射线衍射分析结果显示铜尾砂和钨尾砂都以石英为主晶相,其余矿物成分大都是以硅酸盐为主的次生矿物;5000倍扫描电镜照片显示细粒尾砂颗粒的表面附着一定量的黏土矿物,黏土矿物的存在导致了尾砂抗剪强度随含水率增加而发生变化。