尾矿坝灾变机理及其稳定性研究结题摘要

在矿业开发活动中，人们在获得有价值的矿产品的同时也排弃了大量的尾矿。大部分尾矿以浆状形式排出，以堆筑尾矿坝的方式储存在尾矿库内。尾矿坝的溃坝及失稳破坏时有发生，造成了大量的人员伤亡和财产损失，其灾变机理及稳定性问题是矿山安全生产中急需解决的重要课题。本项目采用实验研究、理论分析与数值计算相结合的方法，以多个工程实例为依托，对尾矿坝的灾变机理及其稳定性进行了深入系统的研究。完成了计划任务书的研究内容，达到了预期目标。取得的主要成果如下： 　　1.通过土工试验，对尾矿的物理、静力学、动力学和流变特性进行了系统的测试和研究。 　　2.应用自行研制的尾矿与土工材料界面作用特性试验系统，以尾矿作为填料土，采用拉拔试验研究了土工合成材料(筋带和土工格栅)与填料土的界面作用特性。 　　3.通过堆坝模型试验，获得了秧田箐尾矿坝不同堆筑时期的干滩面形状、尾矿颗粒级配分布、坝体分层情况、浸润线位置及其变化特点等，据此分析了上游式尾矿坝结构特征、尾矿沉积规律和坝体渗流特性。 　　4.应用自主研制的尾矿库溃坝模拟试验装置，以秧田箐尾矿坝溃决泥砂流体为研究对象，依据相似理论，采用溃坝模型试验，分析了坝体高度、泥浆浓度、沟槽坡度、溃决口门大小以及沟槽底部粗糙条件对溃决泥砂流动特性的影响。 　　5.在相似模型试验研究的基础之上，运用量纲理论建立了适合尾矿库溃决泥砂流动特性的流速和冲击力计算方法，并对泥石(砂)流在弯道处的超高计算公式进行了修正。 　　6.根据BP算法和混沌优化算法优缺点的互补性特点，将二者结合构建了一种新的砂土液化优化预测模型(COBP)，并将其应用于羊拉铜矿尾矿的液化评价中。 　　7.采用SLIDE、ANSYS、FLAC、FLUENT等多种数值模拟软件，对尾矿坝的渗流场和静、动力条件下的应力、变形特征进行了数值模拟，分析计算了尾矿坝的静、动力稳定性。 　　8.根据尖点突变理论建立了尾矿库溃决泥砂流体起动的尖点突变模型，从力学的角度运用尖点突变模型对泥砂流起动机理进行分析，得到了泥砂流起动的充要条件。 　　9.在综合分析尾矿坝加固处理措施和加固特殊性的基础上，提出了加筋梯田法加固细粒尾矿堆积坝；并在坝体稳定性计算中，提出了将加筋材料的作用抵减部分地震力作用的抵减地震力法。 2100433B

尾矿坝的溃坝及失稳破坏时有发生，并造成了大量的人员伤亡和财产损失，其灾变机理及其稳定性问题是矿山安全生产中急需解决的重要课题。本项目通过室内和现场试验对尾矿的静、动力学性质进行深入系统的研究；采用自行研制的实验装置，对不同密度、含水量及垂直荷载作用下，尾矿与土工合成材料的界面作用特性进行拉拔试验研究，探索尾矿中加筋的作用机理；根据模型试验的原理和方法，建立尾矿坝稳定性分析及溃坝的模型试验系统，并进行深入系统的试验研究；采用理论分析和数值计算相结合的方法，建立尾矿坝溃坝的数学力学模型，对尾矿坝的稳定性和溃坝过程进行分析。在此基础上，提出尾矿坝的灾变机理和提高尾矿坝稳定性的方法。该项目的研究对于防治尾矿坝灾害的发生具有重要的理论和实际意义。

本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，并取得了一系列研究成果。 本项目从汶川地震收集的山岭隧道震害资料出发，统计分析了汶川地震中山岭隧道的震害资料，提出了山岭隧道抗震风险层次分析模型，深入调查了受损隧道的地质构造情况，研究了跨断层隧道的震害特征，并系统描述了跨断层隧道的震害形态。 通过断层活动与地震耦合作用下隧道—断层体系的灾变机理研究，提出了采用损伤指标和能量指标分析隧道—断层体系的非线性反应，建立起基于损伤指标和能量指标的隧道—断层体系的安全性评价体系。并提出了在隧道断层处设置结构构造的措施。 根据穿越活动断层隧道的地震动力响应特性，分析了不同影响因素下隧道纵向抗震设防长度，数值模拟结合振动台试验，提出了分级量化指标。根据震害调查分析及模拟结果，对断层区隧道的抗震设防进行了分段，根据不同位置制定了不同的对策措施，并且通过现场测试验证，修改完善了设防体系，最终提出了跨断层隧道抗震设防应用性设计参数。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，部分研究成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收录）、《Disaster Advances》（SCI收录）、《中南大学学报（自然科学版）》(EI收录)、计算力学学报学报(EI收录)、土木工程学报(EI收录)及《现代隧道技术》(EI收录)等国内外期刊上。另外，发表学术专著一部，并获得大连市人民政府资助出版。 2100433B

从水环境下隧道围岩的稳定性出发，以围岩的变形为核心研究受隧道施工影响的围岩变形机理及其传播规律，建立围岩失稳机理力学模型同时给出破坏判据，同时对围岩的稳定性进行预测与评价；基于隧道围岩的变形及破坏特征，提出3种海底隧道施工下典型的突水模式，建立突水危险性与围岩变形的动态关系，揭示出典型灾害的演化机理，形成3种灾害预测方法；从海底隧道的安全施工出发，提出围岩稳定性的评价指标及相应的控制标准，由此确定隧道围岩加固圈的合理厚度及合理的顶板厚度等施工指标，针对加固体的变形特点及突水机理，建立动态调控和精细化过程控制系统理论；鉴于海底隧道围岩稳定性的特殊要求，基于复合式衬砌的理念，在围岩与初期支护结构耦合作用分析的基础上，建立海底隧道渗流量的预测模型。 2100433B