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。     

向山硫铁矿尾矿库联合排渗施工技术

通过水平排渗钻孔、碎石桩及盲沟等联合排渗工艺在向山硫铁矿某尾矿库再利用工程中应用的成功经验,介绍水平排渗孔等工艺在尾矿库再利用工程中的施工过程以及该工艺在尾矿坝中应用的前景。     

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。     

辐射井排渗在栗西尾矿坝的应用

辐射井排渗技术在降低尾矿坝浸润线，避免坝体内水溢出坝面，增强尾矿固结，提高坝体稳定性和渡汛能力的应用中，具有适应地层广，出水量大以及单井控制范围广等优点。不仅排渗效果好，还具有施工对坝体无破坏性的特点。结合我公司所完工的“陕西金堆城钼矿栗西尾矿坝辐射井排渗工程”实例，就辐射井排渗技术在尾矿坝排渗工程的工程设计、工程施工的方法和技术等问题作一探讨。     

米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析

米箭沟尾矿坝为了进行加高设计而进行了尾矿库区的地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果的最佳反演分析各分区-尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参数和加高设计方案,采用三维有限元数值计算方法,应用自主开发的3D-Seepage-Stress程序进行了该尾矿坝加高后渗流场数值分析,得出渗流场各要素分布图。可以看出,在此加高方案下,尾矿坝库区浸润线和溢出点都很高,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设计的初步方案与建议。     

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。     

大型高尾矿坝灾变机制与防控方法

大型高尾矿库隐患治理是"十三五"期间遏制重特大事故的重要任务和重点工程之一。高应力下尾矿材料的细观结构和宏观力学特性演化、大型尾矿坝沉积规律及复杂条件下高尾矿坝的劣化理论是其中的关键问题。为揭示尾矿细观结构特性,对尾矿材料进行了光学显微镜观察、电镜扫描和CT扫描处理,建立了尾矿材料的三维重构模型;为揭示高压下尾矿材料的力学特性,对尾矿进行了高应力三轴试验、高应力渗透固结联合试验,研究了高应力下尾矿材料的强度、渗透和固结特性;为揭示尾矿的沉积特性,进行了尾矿材料的大型模型试验,得到了矿浆流动、淤积形态、尾矿料物理力学性质的空间分布以及夹层结构在空间内的分布规律;为揭示高尾矿坝的失稳机制,通过理论分析与数值模拟,对高压下尾矿的强度准则进行了讨论,高尾矿坝的稳定性分析建议使用强度折减法;为揭示尾矿的排渗设施淤堵机制与服役性能,进行了尾矿-土工布渗透试验以及微观观测,发现细粒尾矿更容易产生物理淤堵,且化学淤堵程度与溶液中离子的种类和浓度有关;为了推进尾矿坝风险管控技术,搭建了尾矿库重大风险评估监测系统平台,以便实现尾矿库基础数据的提取、实时风险预警等智能化功能。通过以上坝体劣化理论研究、溃坝灾害评估与预警,提升了我国大型高尾矿库筑坝与灾害防控水平。     

垂直—水平联合排渗系统对某尾矿坝排渗效果的影响研究

对于尾矿坝因排渗不及时引起坝体中水量聚集、有效应力减小、抗剪强度降低、固结排水困难等问题,利用SEEP-3D软件建立三维有限元模型,模拟尾矿坝中设置垂直—水平联合排渗系统后其排渗效果。结果表明:不同布置形式下的垂直—水平联合排渗系统都能有效降低尾矿坝浸润面埋深,其中水平排渗管间距20 m、管长50 m,垂直排渗井管长3 m的排渗方案效果最为明显;当坝体不同部位存在夹泥层时垂直—水平联合排渗系统能有效降低坝体浸润面,起到良好的排渗效果。     

上向弯曲双向槽孔排渗管技术在新厂沟尾矿库的应用

为了满足矿山生产需要,凉山矿业公司经过综合比较后,对即将达到原设计坝高的新厂沟尾矿库进行加高扩容改造,以延长尾矿库的服务年限。由于该尾矿库在使用过程中,坝体浸润线一直偏高,在堆积坝坡面上经常有水渗出,坝坡面出现沼泽化、局部坍塌等。现场勘察揭示坝体浸润线埋深较浅。因此,在实施加高扩容前,需要对坝体过高的浸润线进行治理。综合考量后,决定采用上向弯曲双向槽孔排渗管技术,分别在初期坝坝顶、第5级和第8级子坝处施工三排上向弯曲钻孔,孔内安置双向槽孔排渗管,实施坝体排渗加固。2009年底排渗工程竣工后,经过两年多时间的检验,经现场踏勘和坝体浸润线观测,结果表明,该项排渗工程效果显著,使该尾矿库能够满足加高扩容的要求。     

自流式水平排渗施工技术

自流式水平排渗是矿山尾矿坝排渗新方法之一.文中概述了这项施工技术的全套工艺流程,包括尾矿坝及尾矿粉特征、水平顶进技术、找管技术、成井技术、平竖相交技术等.     

新型悬挑式泥石流网格格栅坝及其应用

悬挑式网格格栅坝是从工程实践中在传统网格格栅坝的基础上演变而来的一种新型的格栅坝体类型,该种坝型继承了网格格栅坝的各种优点,并且通过悬挑格栅的独特设计,更具突出在非排导泥石流时对河流沟谷地的常态水流进行非拦截性排流,使河流沟谷内常态水流更为通畅,不会干扰河流沟谷的正常流通,是传统网格格栅坝的优化坝型,均适用刚性和柔性网格材料筑坝。目前国内还没有该种坝型的研究成果和相关技术资料,文章通过阐述其在以水流为主的稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水的泥石流治理工程中的应用研究,得出该坝型的优缺点和相关技术成果,作为进一步工程实践和研究提供基础技术依据,从而进行悬挑式网格格栅坝在泥石流防治工作中的应用和推广。     

基于增量加载法的泥石流拦挡坝抗冲击力数值模拟

为提高泥石流重力式拦挡坝的设计安全和避免资金投入过大而造成浪费,选择合理的泥石流冲击力作为设计依据尤为重要。文章结合舟曲县三眼峪沟灾后重建防治工程相关数据,利用有限元软件ABAQUS进行计算分析,采用增量加载的数值计算方法,分别求得2种工况下重力式拦挡坝的抗冲击力。根据三眼峪沟治理工程运行至今的反馈情况,证明在泥石流治理工程设计中,冲击力选择工况1和2的平均值较合理,同时说明该方法与经验公式结合使用,其结果更加精确可靠,在泥石流工程设计和研究中具有良好的应用前景。     

缝隙坝对携带漂木的泥石流减灾效果实验研究

山洪泥石流灾害中携带漂木的情形时有发生,漂木产生的灾害效应也越来越受到关注,但现有泥石流防治工程多未考虑漂木的影响。因此,有必要对漂木存在条件下拦砂坝的调控效果进行研究。以缝隙坝为例展开模拟实验,结果表明泥石流中携带漂木时,漂木多运动在流体表面,且先于泥沙到达坝前,是否在缝隙坝开口处形成漂木堵塞体对缝隙坝前泥沙堆积体形态、泥沙流出率、漂木拦截率均有重要影响。若未形成漂木堵塞体,坝前泥沙堆积体有明显侵蚀槽,泥沙流出率较无漂木时略低;一旦形成漂木堵塞体,坝前泥沙堆积体无明显侵蚀现象,泥沙流出率显著减小,漂木总拦截率显著增大。缝隙坝对不同漂木组分的拦截效果不同,漂木长度L与缝隙开口宽度b的比值L/b越大,越容易被拦截。漂木中L/b>1的组分含量越大,漂木总拦截率越大,且L/b>1的漂木存在是形成堵塞体的关键条件。     

西藏聂拉木县嘉龙湖冰湖溃决型泥石流危险性评价

冰湖溃决型泥石流是高原山区特殊的地质灾害,以西藏聂拉木县嘉龙湖为例,建立了一套冰湖溃决型泥石流危险性评价方法.以喜马拉雅山区1970—2015年气温波动频次和聂拉木冰湖溃决历史事件预测了未来10年嘉龙湖溃决的时间概率.利用遥感影像识别嘉龙湖上方不稳定冰体的范围和规模,采用美国土木工程师协会推荐公式和修正的三峡库区涌浪计算方法分析了冰川滑坡产生的涌浪规模,从涌浪波压力和越顶水流推力两方面预测了冰碛坝发生失稳的可能性.采用FLO-2D模拟冰湖溃决泥石流的运动过程,以最大流速和泥深表达了嘉龙湖溃决泥石流的危险程度.评价结果表明:2002年嘉龙湖溃决事件与当年气温偏高有关,未来嘉龙湖发生溃决概率高;冰川滑坡激起涌浪能够翻越坝顶,并引起坝体快速侵蚀而溃决;冰湖溃决泥石流对聂拉木县城河道两侧54栋建筑造成威胁.评价方法实现了冰湖溃决型泥石流危险性的定量分析,评价结果对聂拉木县城泥石流防灾具有现实意义.      

泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究

Dam foundation is subjected to a larger impact force when debris flow runs up, causing stress concentration and local impact failure. To address this problem, in this study the vertical structures are optimized into arc-shaped dams. Based on the principle of momentum and energy conservation, the theoretical calculations of the impact process of debris flow and arc-shaped dam are carried out, and the formulas of impact force and maximum run-up height of debris flow are deduced. The theoretical formulas are verified through a series of physical model tests of debris flow impact arc-shaped dam. The results show that the results of the physical model are highly consistent with those of the theoretical calculations, indicating that the proposed theoretical formulas are applicable in the calculation of the impact of debris flow on arc-shaped dam. The debris velocity, impact force and the maximum run-up height are proportional to the flume slope of debris flow. The impact force and the maximum run-up height are mainly controlled by Froude number(Fr), flume slope(?), and arc-shaped radius(R). Both the impact force and the maximum run-up height have quadratic relationships with the Froude number, and are inversely proportional to the cosine of the flume slope. Compared with the rigid vertical structures, the arc-shaped dams have no signicicant influence on the maximum run-up height, but it can reduce the normal impact force on the dam considerably, and the structure strength can also be enhanced by the strengthening of local structure. This study provides a theoretical and technical support for the dam structure design.     

泥石流流速横向分布特征与防治工程结构优化

以往研究表明,泥石流流速在沟道横断面上分布不均,但目前尚无理论依据,国内现行相关规范暂时建议在泥石流拦挡坝、排导槽等防治工程设计时,流速、荷载按均布考虑,这与实际的受荷情况有所差别,从而导致防治工程局部稳定性偏小,极易发生工程失效。为此,基于冲淤平衡原理、流体均质假设及沟道横断面形状的合理简化,结合雨洪修正法与形态断面法相关原理,演绎了沟道横断面任意位置流速计算公式的推导过程,并获取了泥石流流速的横向分布的非线性特征。通过四川省地震灾区理县甲司口沟泥石流防治工程的实例分析,发现横向上泥石流的中泓线流速与两侧流速相差达到300%。据此对拦砂坝进行了结构优化设计,在确保功能的前提下,提高了坝体稳定性系数约20%,节约了工程造价约5%。     

泥石流巨石冲击下的钢构格栅坝动力响应分析

泥石流中的巨石冲击是造成拦挡结构破坏的最直接因素,因此设置钢构格栅坝拦截大石块,对减小泥石流冲击破坏有十分重要的作用。本文就钢构格栅坝结构模型,利用国际通用计算动力荷载的非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟。用钢球模拟巨石,分别在格栅坝中间榀顶层梁柱节点和中间榀顶层柱中部施加冲击荷载,分析在冲击荷载作用下结构的动力响应。结果表明：作用在结构上的冲击力大小与被冲击构件刚度大小密切相关,被冲击构件刚度越大,结构受到的冲击力越大,反之,冲击力越小;钢构格栅坝在冲击作用下,冲击作用部位、结构支座部位及梁柱节点部位响应较大,设计时应予以加强;且钢构格栅坝不同位置遭受冲击作用时结构响应完全不同,与冲击力作用在梁柱节点时相比较,冲击力作用在构件中部时结构整体响应明显较小。该结果为泥石流拦挡工程中钢构格栅坝的设计提供了参考。     

Formation conditions of outburst debris flow triggered by overtopped natural dam failure

Natural dams formed by landslides may produce disastrous debris flows after dam outburst. However, studies on the critical conditions required for the formation of outburst debris flow resulting from natural dam failure are still at an early stage. In this paper, we present the results of a series of laboratory tests that assessed three different materials, five different flume bed slope angles (2°, 7°, 9°, 10°, and 13°), two in-flow rates, and four types of dam geometric shapes. The results showed that the unit weight of downstream fluid increased with increasing bed channel slope. Additionally, a critical flume bed angle was found for debris flow formation. Furthermore, the combination of lake volume and flume bed angle was found to influence the formation of debris flow. A nonlinear trend was observed between the unit weights of debris flow and the uniformity coefficients of solid material. Based on the theory of stream power, a critical condition for debris flow formation from natural dam failure was established. Based on two case studies, the results indicate that the condition that was established for debris flow formation following natural dam failure agrees well with reality.     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

基于灰色关联度法的可拓理论在霍尔古吐水电站坝址区泥石流危险性评价中的应用

泥石流危险性评价是灾情预测、防灾救灾决策中的重要内容,是国内外灾害科学研究的热点之一。本文以新疆开都河霍尔古吐水电站坝址区群沟泥石流为研究对象,在对泥石流区域地质环境研究的基础上,选取泥石流规模、爆发频率等8个因素作为评价因子,采用灰色关联度确定评价因子权重,运用可拓理论,通过定性和类比的方法对群发泥石流区域进行危险性评价。将评价结果与刘希林提出的单沟泥石流评价结果比较,清水沟与雪莲沟的可拓法评价危险度等级要高于单沟泥石流评价结果,这一结果和现场调查情况相吻合。因此,基于灰色关联度法的可拓理论对霍尔古吐水电站坝址区群发泥石流危险度评价结果合理可靠,进而为坝区泥石流危险性评估、规划防治提供合理的科学依据。