渾水滲流作用下尾礦壩淤堵機理及其穩定性研究

《渾水滲流作用下尾礦壩淤堵機理及其穩定性研究》是依託北方工業大學，由宋志飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：渾水滲流作用下尾礦壩淤堵機理及其穩定性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋志飛
• 依託單位：北方工業大學

項目摘要

針對嚴重危害人民生命和財產安全的尾礦庫安全問題，圍繞土水共同作用下尾礦壩體的變形機理，綜合考慮滲流場和應力場的耦合作用，通過室內砂柱實驗、相似模擬實驗和數值模擬等手段，採用滲流力學、選礦工程學、土力學和耦合理論等多學科交叉研究方法，開展渾水滲流過程中細小顆粒滯留規律實驗研究，揭示滲透係數、孔隙特徵等相關參數的演變規律，建立渾水滲流數學模型和土水互動作用數學模型，探求渾水滲流作用下尾礦砂滯留時空特徵及尾礦壩的淤堵機理；考慮各種工況下尾礦壩的運行狀態，通過相似模擬實驗，揭示由於尾礦壩淤堵導致浸潤面升高，進而降低尾礦壩穩定係數這一過程的內在機制，建立渾水滲流作用下尾礦壩滲流場和應力場耦合數學模型，提出相應的數值解法，並將數值模擬結果和實驗結果相驗證。研究成果不僅可進一步完善渾水滲流理論，而且為確保尾礦壩的安全提供理論依據和技術支持。

結題摘要

尾礦壩事故既危害人民的生命財產安全，又對生態環境造成極大影響，嚴重阻礙了可持續發展戰略的實施。滲流作用下尾礦壩穩定性研究一直是研究的熱點和焦點，但這些研究中涉及的滲流場大都為淨水滲流，而尾礦庫由於礦渣內含有大量的微小顆粒使得其滲流場與一般岩土工程顯著不同，屬於渾水滲流問題。渾水滲流滲流過程中細粒組分滯留，使得滲流的路徑特徵發生改變，進而引起尾礦壩淤堵，使得壩體浸潤面的位置升高，最終導致壩體失穩。本研究通過開展渾水滲流砂柱試驗，得出滲透係數與砂柱孔隙率等物性參數的變化規律，揭示了尾礦壩淤堵的內在機制和淤堵演化的時空分布特徵。尾礦壩複雜的滲流過程伴隨孔隙的堵塞、壩體與固體顆粒的沉降固結等眾多影響因素，研究基於達西定律、質量守恆定律、建立變滲透係數與變孔隙率的渾水淤堵數學表達式，給出符合尾礦壩實際的邊界條件，建立了合理有效的計算模型，並給出了相關的數值求解方法。以材料滲透係數為初始參數並考慮室內試驗所得的渾水淤堵滲透係數的變化規律，採用有限元方法對尾礦壩進行滲流分析；通過分析了尾礦壩不同工況下的壩體位移、滲流場、流速、滲流量、滲流比降孔隙水壓力等參數的變化規律，得到渾水淤堵作用對尾礦壩穩定性的影響規律，為壩體的安全穩定性評價提供理論依據。同時借鑑邊坡穩定性評價中精細化評價理論，結合尾礦壩體、基底及其築壩特點，建立了尾礦壩精細化評價方法，並依據有關法規、技術標準及規定，對白棗峪尾礦壩現狀以及加高增容後壩坡穩定性進行了可行性和可靠性評價。研究揭示了細粒尾礦的沉積規律，從固結特性、強度特性、滲透性等幾個方面闡述細粒尾礦的工程特性，並提出細粒尾礦壩主要存在的問題。同時針對飽和、非飽和滲流基本理論的特點，將非飽和土體中水分運動和飽和區的地下水運行聯繫起來，建立了飽和-非飽和滲流的控制方程及定解條件。套用SEEP/W軟體對尾礦壩進行滲流場計算分析，揭示了不同標高壩體在不同工況下的浸潤線分布規律，並將滲流研究結果代入壩體穩定性分析模組中評價滲流作用下壩體的穩定狀態，得到耦合作用下最危險滑移面，然後與臨界滑移場技術得到的最危險滑面進行對比，結果基本一致。採用MIDAS數值軟體建立三維分析模型，模擬計算細粒尾礦堆積壩現狀標高和最終設計標高兩種情況下壩體的穩定性，得到細粒尾礦壩應力、應變和壩體位移變形等分布規律。針對後期築壩工程可能出現的問題，提出相關建議措施，以確保尾礦壩整體安全。