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孔隙水对尾矿宏细观力学行为的影响及堆坝稳定性分析

作　者: 耿伟乐
导　师: 尹光志
学　校: 重庆大学
专　业: 采矿工程
关键词: 尾矿坝数值模拟降雨入渗渗流稳定性分析
分类号: TV649
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

现代工业技术的飞速发展，不仅满足了人们日益增长的日常生活需求，也加速了矿产资源的开发利用。在给人们生活带来便利的同时，也产生了更多废弃不用的矿渣，即尾矿。尾矿通常以矿浆的形式排出，堆存在尾矿库内，尾矿库这种特殊的土水共存的构筑物，作为矿山三大控制性工程之一，其稳定性的好坏不仅决定了矿山企业的经济效益，同时还影响着下游居民的生命财产安全。近年来尾矿库事故屡见不鲜，每一次事故的发生，或自然或人为的原因，都给社会造成了巨大的影响。因此，尾矿库稳定性的研究愈发重要，现代科学技术的发展及计算机的应用，使得人们对尾矿坝稳定性的预测与研究已颇有成效，且已取得了相应的成果，然而尾矿库宏观的失稳破坏都是细观颗粒累积变形发展的结果，本文基于这一理论机制，通过室内土工试验、堆坝模型试验及计算机数值模拟研究了不同含水率下尾矿的强度特性、降雨对尾矿坝渗流场的影响及不同工况下尾矿库应力场与堆坝稳定性分析。主要研究成果如下：①对于云南大红山铜矿的尾矿研究表明，含水量为12%~18%时，在各向围压下，试件的剪切峰值随含水量的增加略微增大，而超过液限20.5%之后在各向围压下，试件的剪切峰值较18%时低。内聚力先是随含水量增加而增加，当含水量达到18%之后，则随着含水量的增加而减小，通过试验得出，该尾矿的最优含水量为17%~18%，且含水量的变化对内摩擦角的影响不大。②通过连续荷载条件下不同含水率尾矿材料的沉降位移曲线特征及细观变形演变机制试验可知，随着沉降位移的增加，荷载的增长大致分为线性增长，急剧突变，稳定及显著增长阶段；在线性增长阶段之后，尾矿颗粒经历约1.4mm的沉降位移，小颗粒的尾矿将融入大颗粒及块体结构间的孔隙中，使得颗粒间接触紧密，更有利于结构的稳定。③应用GEO软件研究了同等降雨量不同降雨类型下尾矿库的渗流及不同降雨类型下尾矿坝抗滑稳定系数随时间变化的关系。在降雨过程中，坝体中负的孔隙水压范围逐渐减小，且浸润线有所抬升；降雨类型的不同对尾矿坝抗滑稳定系数的影响也不同，在降雨强度逐渐增大的a类降雨作用下，尾矿坝体的抗滑稳定系数基本保持不变，而在降雨强度较大的b类和降雨强度递减的c类降雨作用下，尾矿坝的抗滑稳定系数随降雨时间的变化各有不同，表现为降雨强度越大，尾矿坝抗滑稳定系数降的越快。④通过GEO-STUDIO对洪水和正常两种工况下坝体的应力场及稳定性分析得出，两种工况下，坝体的垂直位移近似相等，为1.8m左右，最大沉降位移出现在坝肩处，洪水工况下的水平位移略大于正常工况下的值，洪水工况下坝体稳定性系数为2.059，明显小于正常工况下2.435，由于水头高程的不同，使得洪水工况下条块间的作用力远大于正常工况下的条块间的作用力，特殊工况下，采用Bishop算法得出的抗滑稳定系数1.126大于规范的1.15，但富裕程度不大，应加强排水设施的建设，尽量降低浸润线的高度。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 引言  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 尾矿材料力学性质研究现状  11-12
    1.2.2 荷载作用下不同含水率尾矿细观变形特性研究现状  12-13
    1.2.3 水对尾矿坝稳定性影响的研究现状  13-15
    1.2.4 数值分析在尾矿坝稳定性研究方面的研究现状  15
  1.3 本文的主要研究内容  15-17
2 不同含水率下尾矿结构强度特性及细观变形试验研究  17-33
  2.1 概述  17
  2.2 不同含水率下尾矿强度特性试验研究  17-22
    2.2.1 试验方法与设备  17-19
    2.2.2 试验结果与分析  19-22
  2.3 不同含水率下尾矿细观结构变形特性试验研究  22-30
    2.3.1 试验准备  22-25
    2.3.2 试验结果与分析  25-30
  2.4 本章小结  30-33
3 降雨对尾矿坝的影响  33-51
  3.1 概述  33
  3.2 降雨对尾矿坝渗流影响的研究分析  33-46
    3.2.1 非饱和尾矿中水的流动  33-34
    3.2.2 非饱和尾矿的 Darcy 定律  34
    3.2.3 尾矿中水的渗透性  34-36
    3.2.4 饱和-非饱和渗流的基本微分方程  36-38
    3.2.5 降雨条件下的尾矿坝的渗流及稳定性分析  38-46
  3.3 地下水对尾矿库的影响  46-48
    3.3.1 地下水对尾矿坝体的物理作用  46
    3.3.2 地下水对尾矿坝体的化学作用  46-47
    3.3.3 地下水对尾矿坝体的力学特性  47-48
  3.4 本章小结  48-51
4 尾矿坝体的应力场数值计算及稳定性分析  51-67
  4.1 概述  51
  4.2 有限元法基本原理  51-53
  4.3 流固耦合理论简介  53-56
  4.4 尾矿库的应力场数值模拟计算  56-60
    4.4.1 软件介绍  56
    4.4.2 尾矿坝计算模型  56
    4.4.3 材料的本构模型与参数  56-59
    4.4.4 数值计算的边界条件  59-60
  4.5 数值模拟计算与结果分析  60-66
  4.6 本章小结  66-67
5 结论及展望  67-69
  5.1 结论  67-68
  5.2 展望  68-69
致谢  69-71
参考文献  71-77
附录  77
  A.作者在攻读学位期间发表的论文目录  77
  B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目  77
  C 作者在攻读硕士期间获得的奖励  77

孔隙水对尾矿宏细观力学行为的影响及堆坝稳定性分析

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