论文部分内容阅读
尾矿库是通过堆筑尾矿坝拦截尾矿和尾水而形成,不仅占用大量土地,而且是一个具有高势能的人造泥石流物源区。尾矿坝一旦溃决,不仅会淹没和冲击下游生活生产设施,还可能造成严重的环境污染。对尾矿坝事故的统计资料表明,地震是导致尾矿坝失事的第二大自然因素。我国是一个矿业大国,也是一个地震多发的国家,且有不少矿产资源蕴藏于地震带分布地区。尾矿库是金属非金属矿产资源开采必需的生产设施,且要求在这些矿产资源开采的同时必须修建尾矿库。由于多方面原因,我国尾矿库多采用抗震性能相对较差的上游式堆坝法,堆坝高度越来越高、入库尾矿粒径也越来越细,使位于地震区的尾矿库的安全生产形势日趋严峻。尾矿堆积坝的结构具有明显的各向异性、非均质性和时空变异性,地震具有随机性、突发性和强破坏性,使得尾矿库的抗震问题十分复杂。本文以凉山矿业公司正在运行的小打鹅尾矿库与云南黄金集团新建核桃箐尾矿库为工程背景,采用理论分析、室内试验、数值模拟与工程实例相结合的综合性研究方法,对尾矿的动力特性、尾矿坝动力稳定性的分析方法、高堆尾矿坝地震反应特征、尾矿坝抗震措施与效果等方面进行了深入系统的研究,进一步探求尾矿坝地震反应特征与破坏机理,研究成果不仅可为实际工程的设计和施工提供指导,也可为改善位于地震区的尾矿库的安全形势提供技术支撑。论文主要研究成果如下:(1)以尾矿库中最常见的且受地震作用影响较大的堆坝材料——尾粉砂和尾粉土为研究对象,采用动三轴试验对它们在两种不同密度条件下的动力特性进行了测试和对比分析,获得了尾粉砂和尾粉土的动力特性及密度对它们的影响。(2)利用GDS动三轴试验系统,研究了尾粉砂和尾粉土在二次液化中的动力特性以及第一次液化后孔压消散对它们的动力特性的影响,获得了二次液化中尾粉砂和尾粉土的动孔压、动变形和动强度的变化规律以及孔压消散对这些规律的影响,为进一步认识地震多发地区以及大地震后余震对尾矿坝稳定性的影响提供理论基础。(3)考虑到尾矿坝在地震中的破坏分为液化流动破坏和非液化变形破坏两个方面,提出了综合考虑液化范围、安全系数时程变化和永久变形3项判断指标的尾矿坝动力稳定性分析方法。对不同抗震设防烈度对应的地震震级、地震波的时长、等效循环数和剪应力比的校正系数等参数的取值进行了归纳和梳理。构建了一套较完整的、实用的尾矿坝动力稳定性计算方法。(4)对上游式高堆尾矿坝地震反应特征和稳定性进行了系统的研究,结果显示,尾矿坝在加速度反应和永久变形等方面的地震反应特征与一般土石坝的存在差异:1)初期坝(土石坝)内峰值加速度随坝高的增大而增大,尾矿堆积坝内峰值加速度与坝体高度的关系不太显著;2)尾矿堆积坝内水平方向的永久变形大于竖直方向的,且永久变形与坝高亦未呈单调递增关系。通过分析干滩面长度、尾矿堆积坝高度、地震波加速度和竖向地震作用等因素对尾矿坝的安全系数和永久变形的影响,发现尾矿坝在地震中的最小安全系数与各影响因素大体呈线性关系,而地震导致坝顶处的震陷与各影响因素之间呈非线性关系。(5)对地震作用下尾矿坝安全系数时程变化规律进行了分析,发现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,完善了定量表征地震作用下尾矿坝安全储备的最小平均安全系数和平均小安全系数的计算方法,能有效的提高地震作用下尾矿坝风险评估的可靠性。(6)以震前安全裕度相同为标准,构建了的上游式、下游式和中线式三种高堆尾矿坝的计算模型,分析了地震作用对三种高堆尾矿坝动力稳定性的影响,定量地论证了上游式高堆尾矿坝动力稳定性较差这一观点。对可用于上游式尾矿坝的多种抗震措施(放缓坡比、提升初期坝高度、增大干滩面长度和增设水平排渗)的效果进行了对比分析,为尾矿坝抗震设计选择更佳的抗震措施提供了依据。(7)以新建的核桃箐尾矿库为工程案例,对高烈度地震区上游式高堆尾矿坝的静、动力稳定性进行了系统分析与研判,并提出了改善其稳定性的工程措施,为位于地震区的尾矿库的建设提供了参考。