上游式尾矿坝地震动力反应数值模拟分析

发布时间：2020-04-24 07:12

【摘要】：上游式尾矿坝是我国矿山企业尾矿库工程普遍采用的传统坝型,占我国有色金属矿山的80%左右,地震作用下对其下游群众人身安全和生态环境构成潜在的严重威胁。为进一步探究上游式尾矿坝的动力稳定性问题,本文从上游式尾矿坝的动力响应入手,考虑了坝体构造的几何特征和地震动特性两方面的因素,利用Flac~(3D)有限差分软件模拟计算分析了上游式尾矿坝在不同因素组合下的动力响应特征,最后开展地脉动现场测试,探究了上游式尾矿坝的脉动自振特性。主要成果如下:(1)总结了影响上游式尾矿坝动力稳定性的主要因素,利用正交试验的思想,考虑坝高、坝坡比、浸润线埋深及地震动峰值加速度等4种因素3种影响水平耦合作用下坝体的动力稳定性,得出4种因素影响程度的主次为:坝高→地震峰值加速度→浸润线埋深→坝坡比。即上游式尾矿坝的稳定性受坝高的影响最为敏感,坝体浸润线的位置影响坝体各部分尾矿材料的力学性质,从而影响坝体的宏观稳定性,当坝坡比在合理的设计范围内,静力抗滑稳定性具有一定安全储备时,地震惯性力作用下,坝坡比对坝体整体稳定性的影响较其他因素来说较小。(2)基于有限差分强度折减法,分析了坝高、坝坡比、浸润线埋深对上游式尾矿坝静力安全系数的影响,总结了各因素影响下坝体贯通区(潜在滑移带)的分布及发展规律。坝体中浸润线的埋深主要影响滑移带的位置及范围,浸润线埋深较浅时,塑性贯通带的位置越高,坝体抗滑安全系数越小,坝体越不稳定。坝坡的陡缓程度主要影响圆弧状滑移带的平缓程度,坝坡越陡,潜在滑移带越弯曲,坝体越不稳定。相同坡度、浸润线埋深的不同坝高的坝体,其塑性区滑移带的形状及位置分布相似,坝体越高,滑移带上部上覆尾矿材料重量越大,坝体越趋于不稳定。(3)分别考虑地震动峰值加速度、坝高、坝坡比及浸润线埋深4种因素单一作用下坝体动力响应,总结了地震荷载下上游式尾矿坝响应加速度峰值、响应位移峰值及响应超静孔压比峰值的分布和变化规律。相同峰值的地震惯性力激励下,当坝高一定时,坝坡越缓(坡比越小)、浸润面埋深越小时,上游式尾矿坝对地震动作用的整体放大效应越小;整体上,坝体水平向响应位移大于竖向响应位移,坝体越高、坝坡越陡坝体响应峰值越大,浸润线埋深对坝体响应位移的影响相对较小;地震荷载作用下,上游式尾矿坝坝顶沉积滩表层易发生液化,相同坝高、浸润线埋深条件下,坝坡越陡,输入加速度峰值越大,液化程度越显著。(4)分析了不同地震动参数(峰值、频谱、持时)对上游式尾矿坝动力响应的影响,总结了不同地震动参数下,坝体的位移场、响应加速度、响应位移及超静孔压比的变化规律。上游式尾矿坝坝体竖直方向及坝坡临空面对输入地震波均有放大作用。坝体材料的阻尼特性对输入地震波的高频部分存在滤波作用;对低频部分存在放大作用;坝坡面及坝体整体响应加速度、响应位移均随输入地震波峰值及持时的增加而显著增大,随着地震波频率的增大而减小;坝体超静孔压比对输入地震动峰值以及持时的响应较为显著,随着输入地震动峰值以及持时的增大的显著增大,而对输入地震动频率的影响不敏感。(5)开展国内某典型上游式尾矿坝现场地脉动测试,结合坝体沉积结构资料及实测地脉动数据,得出上游式尾矿坝的脉动频谱特性及其自振特性。数据处理结果显示,该尾矿坝自振卓越频率主频带范围为:1.5Hz~5.1Hz,坝顶脉动卓越频率为3.5Hz。整体的频谱频谱曲线呈多峰型,地脉动卓越频率成分丰富多变,频带较宽,呈现混乱状态。
【图文】：

[1]。图1.1 尾矿（图片来源Yasuda 2018）尾矿，就是选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石磨细、选取“有用组分”后所排放的废弃物，也就是矿石经选别出精矿后剩余的固体废料。一般是由选矿厂排放的尾矿矿浆经自然脱水后所形成的固体矿业废料，是固体工业废料的主要组成部分，其中含有一定数量的有用金属和矿物，，可视为一种“复合”的硅酸盐、碳酸盐等矿物材料，并具有粒度细、数量大、成本低、可利用性大的特点。通常尾矿作为固体废料排入河沟或抛置于矿山附近筑有堤坝的尾矿库中，因此，尾矿是矿业开发、特别是金属矿业开发造成环境污染的重要来源；同时，因受选矿技术水平、生产设备的制约

形成的具有一定容积，用以贮存尾矿和澄清尾矿水的尾矿堆存系统的主要组成构筑物。图1.2 尾矿库（图片来源于网络）拦坝堆筑在不同地形条件下的尾矿库，根据周围地形形态，可分为以下几种[2]：山谷型尾矿库：在山谷谷口处筑坝形成的尾矿库（如图1.3）。傍山型尾矿库：在山坡脚下依傍山坡三面筑坝围成的尾矿库（如图1.4）。河谷型尾矿库：截断河谷在上下游两面筑坝围成的尾矿库（如图1.5）。平地型尾矿库：在平地上四面筑坝围成的尾矿库（如图1.6）。图1.3 山谷型尾矿库 图1.4 傍山型尾矿库
【学位授予单位】：防灾科技学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV312;TV649

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