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。     

精细地形下的尾矿坝稳定性及溃坝模拟分析

目前在尾矿坝稳定性和溃坝模拟分析方面,对溃口位置及水砂的流动状态难以做出准确判断。将尾矿坝稳定性和溃坝模拟有机结合,采用FLAC3D计算正常水位、洪水位、漫顶水位三种工况下尾矿坝稳定性,并利用Rhino与Fluent建立尾矿库及下游精细地形,开展尾矿库溃坝水砂在不同时刻及不同地形下的流动状态研究分析。结果表明:（1）浸润线的埋深随尾矿库水位的升高而变小,由正常水位升高至洪水位时浸润线埋深下降5～8 m,漫顶水位时坝顶浸润线沿坡面向下运移约8 m;（2）库水位对剪切带及尾矿坝稳定性有显著影响,从正常水位到洪水位时,剪切带纵向上不断向坝体内部延伸,横向上不断向坝脚延伸,剪切应变率增大为5.78×10?5,尾矿坝稳定系数由1.80下降至1.32;（3）达到坝顶时剪切带急剧缩短,而剪切应变率进一步增大为3.32×10?4,尾矿坝稳定系数由1.32下降到1.18。溃坝水砂的流动状态受地形影响明显,在山谷中表现为范围减小、流速增大的汇聚流动,在平坦农田处表现为范围增大、流速减小的发散流动特点。     

某尾矿坝扩容抗滑稳定性分析

用瑞典圆弧法对某尾矿坝的抗滑稳定性进行了计算分析,得到了不同坝体高程和不同运行情况下尾矿坝的抗滑稳定性安全系数。结果表明浸润线对坝体稳定性的影响很大,当浸润线位置较高,坝体趋于饱和状态时,坝体稳定性降低很多。同时根据抗滑稳定性的计算分析结果,对尾矿坝的治理提出了一些建议。     

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。     

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。     

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。     

降雨条件下尾砂干式堆存稳定性研究——以陕西凤县三里河尾矿库为例

尾砂干式堆存技术初现于1960年前后,由于技术不成熟等原因发展较为缓慢,直至2000年前后,其经济节能的优点才逐渐被重视,进而被国内外各大企业应用。如今尾砂干式堆存筑坝工艺已逐渐成熟,实践经验日益丰富,因此对干式堆存的尾矿坝在强降雨条件下形成地表径流入渗使坝体稳定性降低的研究具有一定的实际意义。本文以陕西二里河铅锌矿三里河尾矿库为研究对象,采用有限元数值软件Geostudio对该尾矿坝坝坡稳定性进行数值模拟,并对渗流稳定性进行研究,结果表明:降雨作用导致的尾矿含水量、容重的变化会直接引起尾矿砂孔隙水压力、粘聚力之间的变化,进而对尾矿库的稳定性造成影响,少量降雨对尾矿的稳定性起积极作用,降雨量超过一定限度后尾矿坝的安全系数将会迅速降低。对于干式堆存尾矿库,进行稳定性分析时应考虑降雨入渗的影响,防止由于降雨入渗引起坝体浸润线的升高而出现大面积的失稳。     

龙都尾矿库地下渗流场的数值模拟分析

利用2D-FLOW计算软件,对龙都尾矿库在不同条件下的渗流进行了模拟计算。其中,初期坝按透水和堵塞两种情况,干滩面长度分100,200,300 m三种情况考虑;同时,首次考虑了大气降雨对尾矿坝渗流场的影响,分别计算了50,100,200 mm/d三种雨型。通过计算,获得了龙都尾矿库在不同条件下地下渗流的变化规律。从计算结果中发现,如果初期坝被堵塞,则坝体浸润线会抬高,与尾矿堆积坝坝面相交,并从坝面溢出,对坝体的稳定性产生不利影响;干滩面距离的长短对坝体浸润线有影响,但均不会与堆积坝坝面相交,不会从坝面溢出;大气降雨对坝体的渗流影响较大,从模拟计算中可以看出,大气降雨越大,浸润线抬升越高,对坝体的稳定越不利。     

基于MIDAS的尾矿边坡三维流固耦合稳定性分析

针对尾矿坝边坡稳定性问题,使用三维有限元软件计算,对吉林省集安石墨尾矿坝进行渗流-应力-边坡耦合分析。渗流分析基于三维介质达西定律,通过不断改进工况条件来降低浸润线溢出部位,保证坝体不会发生渗透破坏。同时,尽量降低溢出部位的应力坡降,保证坝体不会发生流砂、管涌等形式渗透破坏。在渗流计算的基础上,进行渗流-应力-边坡耦合,不断改进尾矿边坡的坡角和高度等要素,得到强度折减法下的尾矿边坡稳定性系数。通过理论计算和验证,提出了一种便于施工的排渗体布置方式,并验证了排渗体的可靠性,为尾矿坝具体施工提供了技术支持。     

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。     

温庄尾矿库堆坝模型试验及坝体稳定性分析

以温庄尾矿库为工程背景,通过室内堆坝模型试验,获得到了在坝体堆积过程中尾矿颗粒在库内沉积分布特征、浸润线的变化规律等基础资料。在此基础上,以多孔介质有效应力理论为依据,建立了多孔介质流-固耦合数学模型,利用有限元软件ABAQUS对该库尾矿坝的应力场与渗流场进行了分析,获得了坝体内的应力场及孔隙压力的分布规律,研究成果可为尾矿库的设计、施工和安全生产提供技术支撑。     

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     

铁矿尾矿料力学特性及坝体变形稳定性研究

尾矿料矿物成分复杂,物理力学特性区域差异性大。本文以西南地区某铁矿拟建尾矿库为研究对象,对粗、细两种尾矿料进行了系统的物理力学特性试验,获得了粗细尾矿料物理力学指标并应用到尾矿库坝数值分析,分析了该尾矿库坝的应力变形特性,对不同堆积高程、不同工况下尾矿库坝的安全稳定性进行计算分析。此外采用拟静力法对地震荷载作用下尾矿坝的稳定性进行分析。结果表明,粗尾矿料会呈现出剪胀和软化力学特性,而细尾矿料则无明显剪胀;尾矿坝坝体内以压应力为主,坝体表面出现小范围拉应力区;高堆积高程,坝体倾向于发生深层滑动,坝体最小安全稳定性系数较大;干滩长度增大明显提高坝体稳定性;最后对该尾矿库的安全运行提出了一些针对性措施及建议。     

金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析

金堆城尾矿坝为了进行加高设计而对尾矿库区进行了地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果,最佳反演分析了各分区-尾矿砂和初期坝堆石体模型的渗透系数、物理力学指标和加高方案下的浸润面分布。结合加高设计方案,采用基于有效应力法的EFES-3D计算程序对该尾矿坝加高后的应力应变场进行了数值模拟和坝坡稳定性分析,得出应力应变场分布图和边坡安全系数。可以看出,在上游法加高方案下,尾矿坝坝坡有涌起抬高现象,安全系数有所降低,不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施建议。     

尾矿库溃坝运动特征模拟研究

尾矿库是一个具有高势能的人造危险源,一旦溃坝,将严重威胁下游人民生命财产安全和生态环境保护。由于尾矿库溃坝因素和条件的复杂性,以及溃坝体在下游沟道或场地运动及滞留特征的不确定性,导致尾矿库溃坝后的运动特征预测成为一个难点。本文基于连续介质和非连续介质力学理论,考虑当前流固耦合数值模拟能力和特征,运用Massflow和PFC3D软件,结合无人机精细测量、现场调查和验证分析等手段,开展了多手段相结合的尾矿库溃坝运动特征模拟研究。研究发现,基于PFC3D和Massflow两种数值方法模拟溃坝后的尾矿砂运动过程有所不同。Massflow模拟结果显示,大部分尾砂体沿着尾矿库下游的曲折沟道运移,在沟谷与张唐铁路交汇的涵洞处堆积;而PFC3D模拟结果显示,尾矿库溃坝后大部分尾矿砂沿着尾矿库主体朝向溃决漫流,少部分进入其下游曲折沟道。研究认为,考虑地质体和运动过程的不确定性,对于尾矿库溃坝的运动特征模拟宜结合两种不同理论基础的模拟方法,并结合实际尾矿库情况进行综合分析预测。     

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。     

某磷石膏尾矿库堆积坝渗透稳定性分析

随着尾矿库堆积坝高度的增加,库内的地下水渗流场将发生改变,当尾矿堆积坝处的实际水力梯度大于临界水力梯度时,尾矿库堆积坝将产生渗透变形或失稳破坏。为了预测某已建磷石膏尾矿库堆积坝的渗透稳定性,本文运用地下水位计水位恢复试验去确定磷石膏尾矿渗透系数并计算水力梯度,同时采用Geo-studio软件中的SEEP/W模块分析磷石膏堆积坝在不同工况下的渗透稳定性。计算和分析结果表明当堆积坝处于945m堆积高程,在无干滩和100m干滩情况下,实际水力梯度分别为0.784和0.583;当堆积坝处于960m堆积高程,无干滩情况下,实际水力梯度为0.692,在以上两种情况下,堆积坝渗出点高程高于初始坝高程,堆积坝将出现流土变形,坝体处于不稳定状态。当堆积坝处于960m堆积高程100m干滩时,堆积坝上无渗出点,堆积坝处于稳定状态。分析研究结果对该尾矿库的安全运行和维护管理提供技术依据,同时为同类型尾矿库堆积坝渗透稳定性评价提供参考。