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摘要 固结作用下的渗流理论研究及其在尾矿坝工程中的应用 学科名称：岩土工程 作者姓名：梅海峰 导师姓名：党发宁 导师职称：教授 摘要 我国是矿业大国，冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山都有尾矿 设施。尾矿坝的安全问题直接关系到环境和人类的安全。更精确的计算尾矿坝的渗流场可 以更好的评价尾矿坝的安全性。 尾矿坝中的渗流问题是复杂的流固耦合问题。文章对尾矿库的渗流场各要素和稳定性 进行研究，分析了他们之间的关系。本文从渗流基本理论出发，结合实际工程，主要研究 了尾矿坝的渗流特征及影响因素，详细分析了浸润线随尾矿坝在不同干滩长度、不同上游 坡比、不同下游坡比、不同尾矿砂渗透系数比、渗流出口处不同渗透系数等情况下的变化。 本文在结合了前人已经研究的渗流和固结的理论基础上，解决了固结效应下的渗透系 数的变化问题，建立了考虑固结作用的渗透系数计算公式，并在m a t l a b 软件平台上建立 了公式的求解程序。文章还利用此成果在理论模型上进行了计算分析。 栗西尾矿坝是一个典型的上游式堆筑坝，本文收集整理了粟西尾矿坝的地形资料，各 堆积层的渗透系数、容重、粘聚力、摩擦角、孔隙比等尾矿的物理力学参数，利用自编程 序进行了渗透系数的计算，并运用g e o s t u d i o 大型岩土工程有限元商业软件进行了渗流 场计算。 本文在改进和完善计算渗流场各要素的方法方面进行了有益的尝试，可为尾矿坝的渗 流场计算提供依据，对尾矿坝设计和灾害治理提供了参考，具有一定的理论意义和实用价 值。 关键词；尾矿坝，渗流场，固结效应 本文的研究得到国家自然科学基金面上项目( 编号：1 0 3 7 2 0 7 8 ) 的资助 本文的研究得到国家自然科学基金面上项目( 编号：5 0 6 7 9 0 7 3 ) 的资助 本文的研究得到国家自然科学基金重点项目( 编号：9 0 5 1 0 0 1 7 ) 的资助 参牛手 趣苏 名名问签签时者师辩作导答 西安理工大学硕士学拉论文 t h es t u d yo fs e e p a g et h e o r ya n di t sa p p l i c a t l o ni n t a i l l n g sd a me n g l n e e r i n gu n d e rc o n s o l i d a t i o n s u b j e c t ：g e o t e c h n i c a ie n g i n e e r i n g a u t h o r ：m e ih a i f e n g a d v i s o r ：d a n gf a n i n g ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： o u rc o u n t r yi st h a tg r e a tp o w e ro fm i n i n gi n d u s t r y ，t h ei n d u s t r ym i n es u c ha st h e m e t a l l u r g yi n d u s t r y , n o n f e r r o u sm e t a l si n d u s t r y , c h e m i c a li n d u s t r y ，n u k ei n d u s t r y ，b u i l d i n g m a t e r i a la n dl i g h ti n d u s t r ya l lh a st a i l sf a c i l i t i e s t h es a f eo fr a i l i n g sd a m si sr e l a t e dt ot h e e n v i r o n m e n ta n dh u m a nb e i n g ss a f e t yd i r e c t l y t h em o r ep r e c i s ec o m p u t a t i o n d e b r i sf o rt a i l i n g s d a m s s e e p a g ef i e l dt ob ea l l o w e dd e b r i sd a m s s e c u r i t y t h ea n a l y s i so ft h es e e p a g ei nt a i l i n g sd a m si sac o m p l i c a t e dq u e s t i o nf o rc o u p l i n g s e e p a g e - c o u s o l i d a t i o n t h i sa r t i c l es t u d y st h eb a s i c so ft h es e e p a g ef i e l da n ds t a b i l i t ya n a l y s i s i nar a i l i n g sd a m t h i sa r t i c l es t a r to f ft h eb a s i ct h e o r ya b o u ts e e p a g e ，b et i e di nw e d l o c ka c t u a l p r o j e c t , m a i ns t i l d yt r a n s f u s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n di n f l u e n c i n gf a c t o ri nt a i l i n g s sd a m ，d e t a i l e d a n a l y t i c a ls a t u r a t i o nl i n ew i t ht a i l i n g sd a mi nd i f f e r e n tb e a c hl e n g t h ，s l o p er a t i oo fu p p e r r e a c h e s ，s l o p er a t i oo fl o w e rr e a c h e s ，t h ec o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t yi ne v e r yt i e rt a i lo r es a n d a n dt h ec o e f c i e n to f p e r m e a b i l i t yi ns e e p a g ee x i t t h i sa r t i c l es t u d y sc o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t y a n db u i l d st h ee x p r e s s i o n su n d e rt h ee f c i e o c yo fc o n s o l i d a t i o ni nt h eb a s i co ft h et h et h c o r y s w h i c hh a v es t u d i e d ，b u i l d st h ep r 0 掣锄m n 船w i t ht h ee x p r e s s i o n so nm a t l a bs o r w a r e p l a t f o r m t h i sa r t i c l ea l s oa n a n l y s e sar e p r e s e n t a t i v em o d e l w i t ht h i st h e o r ya n de x p r e s s i o n sa n d t h ep r o g r a m m e s l i x it a i l i n g sd a mi sar e p r e s e n t a t i v ed a mw h i c hb u i l d sb yu p r i v e rm e t h o d i nt h i sa r t i c l e ， c o l l e c t st h ed a t ao ft e r r a i na n dc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y , d e n s i t y ，a n g l eo ff r i c t i o na n dp o r e r a t i oa n ds oo n m a k e saa n a l y s eu e st h ep r o g r a m m e s ，a n dm a k e sa n a l y s ea b o u ts e e p a g ew i t h g e o s t a d i ow h i c hi sag c of e mp r o g r a m m e s a na t t e m p to nt h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to f c a l c u l a t i o ns e e p a g ef i l e di sp r c s e n t e d a l lt h e s eh a v et h et h e o r e t i c a lm e a n i n ga n da p p l i c a b l ev a l u e ，a n da l s op r e s e n tu s e f u lr e f e r e n c et o t h es l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sd e s i g nf o rt h er a i l i n g sd a m sa n ds l o pc o n t r o le r e k e yw o r d s ：r a i l i n g sd a m ss e e p a g ef i e l d t h ee f f i c i e n c yo fc o n e e e t i o n 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：硷蜒狮 学位论文使用授权声明 亨月西日 本人趟埠在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文怍为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者躲趣峭导臌罅节弓月山日 第一章绪论 第1 章绪论 我国是矿业大国，经过5 0 多年的发展，现已成为体系完整、矿种齐全、储备和产量 均居世界前列的矿业大国，其中冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山 都有尾矿设施。尾矿是采矿企业在一定技术经济条件下排出的“废弃物”，但同时又是潜在 的二次资源，当技术、经济条件允许时，可再次进行有效开发。据统计，2 0 0 0 年以前， 我国矿山产出的尾矿总量为5 0 2 6 亿吨，其中，铁矿尾矿量为2 6 1 4 亿吨，主要有色金属 的尾矿量为2 1 0 9 亿吨，黄金尾矿量为2 7 2 亿吨，其他o 3 l 亿吨。开发利用好长期累积 的大量尾矿，既可“变废为宝”，又可有效缓解资源和环境压力。据初步统计，我国形成一 定规模的尾矿设施约有1 5 0 0 座左右【l i 。其中主要是冶金和有色行业的尾矿设施占绝大多 数，其他行业约占2 0 。每年产生出的尾矿约3 亿吨。我国库容超过l 亿一的尾矿库约 有1 0 座，最大的达8 亿m 3 ，坝高超过l o o m 的约有1 2 座，最高达2 6 0 m 。从数量上，小 型尾矿( 坝高小于3 0 m ) 占8 0 以上，但从储存上看，大中型尾矿储存了8 0 以上的尾矿量。 在我国。尾矿库的重大事故时有发生 2 j 。如云锡公司火谷都尾矿库1 9 6 2 年9 月2 6 日 发生溃坝，造成1 7 1 入死亡，受伤9 2 人，受灾入口1 3 9 7 0 入。湖南柿竹园尾矿库1 9 8 5 年8 月2 5 日发生溃坝，造成4 9 人死亡。安徽黄梅山铁矿尾矿库1 9 8 6 年4 月3 0 日发生溃 坝，造成1 9 人死亡，受伤1 0 0 人。河南滦川县赤土店乡钥矿1 9 9 2 年5 月2 4 日抢修尾矿 库排洪洞时发生大规模坍塌，造成1 2 人死亡。福建省播洛铁矿1 9 9 3 年库区内发生山体大 规模滑坡，造成1 4 人死亡，4 人重伤。湖北省大冶有色金属公司龙角山铜矿1 9 9 4 年7 月 1 6 日由于暴雨冲击，尾矿库溃坝，死亡2 8 人，失踪3 人。2 0 0 0 年l o 月1 8 日，广西南丹 县大厂镇酸水海的林润选矿厂尾矿库突然塌坝，造成2 8 人死亡，上百座房屋被毁。每次 尾矿库事故不但造成人员伤亡，而且在经济上也造成巨大的损失，在社会上造成严重影响。 美国克拉克大学公害评定小组的研究表明，尾矿库事故的危害在世界9 3 种事故、公 害的隐患中，名列第1 8 位，它仅次于核爆炸、神经毒气、核辐射等危害。尾矿库是一个 具有高势能的人造泥石流重大危险源，在长达十多年甚至数十年时间里，各种自然和人为 不利因素均威胁它的安全。事实一再表明，尾矿库一旦失事，给当地的工农业生产及尾矿 库下游的人民生命财产造成的灾害和损失是巨大的。我国现有各类大小尾矿库几千座，其 中8 0 集中在有色和冶金矿业。因此加强尾矿库安全管理，提高其规范化、标准化水平， 确保尾矿库安全运行是十分迫切和重要的。 1 1 研究的目的和意义 为了确保尾矿库安全运行就需要对尾矿坝的渗流场、安全稳定性能进行研究。尾矿坝 中的渗流场问题是一个复杂的流固耦合问题，并且其中涉及的流体是含有尾矿砂的浑水， 涉及的固结问题是大变形固结问题，这都对研究尾矿坝问题带来了难度。为了能准确的计 西安理工大学硕士学位论文 算出尾矿坝的渗流场、安全稳定系数等评价尾矿坝的要素，这就需要在已有理论的基础上， 考虑尾矿坝中尾矿砂这一个特殊材料，进一步深入的研究渗流理论。 传统的渗流计算都已经有成熟的渗流理论，包括稳定渗流和非稳定渗流理论嘲，这些 理论全部为清水渗流理论。清水渗流理论对水体中的悬浮质、泥砂等进行了忽略。虽然这 样的简化给渗流理论的发展、完善带来了方便，也使得工程应用比较简单，然而在很多实 际问题中清水渗流理论存在相当大的误差，甚至导致得出错误的结果。文“1 研究了悬浮质 的淤塞作用对渗流的影响，文。”研究了泥浆在地层中的渗流规律，截止目前除上述等文 中关于浑水渗流的研究报告外还很少发现考虑水中悬浮物对渗流过程的影响即所谓 浑水渗流的研究报告党发宁、王晓章等旷”1 探索了浑水理论，在工程中进行了应用，取 得了很有意义的成果。浑水入渗的特点是随着时间的增长，渗流水中的悬浮物不断沉积或 者不断运移，地层的渗透路径和整体渗透系数都在不断变化，是一个非稳定渗流过程。 岩土工程中的浑水入渗问题一般包括水库淤积、农田水利灌溉、粉煤灰水力冲填坝、 尾矿坝的渗流、废水回灌回采再利用等等这些问题或多或少的涉及到工程的使用寿命、 安全、生产效益等，解决好浑水在工程中的应用问题有很大意义o ”。 水库淤积一直是水库设计和管理中的一个难题“”。在河道上兴建水库会改变河流的水 流条件和泥沙运动状态，使泥沙在水库库区内淤积，从而降低水库的使用效益，甚至导致 水库失效报废。因此，人类在修建水库时不能不认真考虑泥沙淤积和水库寿命问题。水库 淤积与许多因素有关，其中最主要的原因是，水库蓄水后，库区和回水段的水深及过水断 面积都增大了，水面坡度减小，导致库水的流速减缓，输沙能力降低，其挟带的泥砂就部 份或全部地在水库库底沉积下来。所以，一般而言。水库淤积会造成如下后果“”：缩短水 库寿命、破坏航运条件、降低水电站的发电能力、提高地下水位和加剧土地盐碱化、促进 水库富营养化过程、减小旅游效益等。显然更加准确的研究浑水在水库前的淤积问题有很 大意义。 尾矿坝中存在的渗流问题也是一种典型的浑水入渗问题，是复杂的流固耦合问题”。 尾矿经水力充填沉积、逐年加高形成；同时由于尾矿放水的影响，坝体内各填筑材料的沉 积时间相差较大，各部位的密实度、固结度、应力场变化较大，因而尾矿坝各部位的渗透 系数随坝体应力、固结的变化较大。所以，考虑固结作用下的浑水入渗进行尾矿坝的非稳 定渗流分析是尾矿坝工程中需要的，具有重要的意义 像农田水利灌溉、粉煤灰水力冲填坝等其他工程中也存在许多浑水问题需要解决，传 统的方法是运用已有的成熟清水渗流理论近似的解决，在解决过程中进行了许多与工程实 2 第一章绪论 际相差较大的假设，计算的结果必然存在一定的误差。运用浑水渗流理论解决非清水问题 意义重大。 渗流问题导致的渗透破坏在工程中也很常见，现有的清水渗流理论因为没有考虑水中 泥砂因素而出现的计算误差在一定程度上也影响着渗透破坏理论的研究。 在我国水利事业蓬勃发展的今天，众多举世瞩目的水利工程不仅大大解决了蓄能、发 电、防洪及灌溉的重要实际问题，也在很大程度上推动了我国经济的快速发展。在各项水 利工程中，均涉及到岩体和土体的渗透稳定性问题。一般来说渗透水对水利工程的破坏作 用可分为地表水和地下水两种，地表水的冲刷破坏常会引人注意，也比较容易发现和挽救； 而地下水的渗流冲蚀耳不能见，常被忽视，有时问题一经发现，会立即导致工程的破坏， 很难补救。因此一般水利工程受到地下水渗流冲蚀破坏者常比地表水冲刷破坏者为多，特 别是在土石坝和水利堤防中，由于多填筑在透水的土基上及坝体本身的特殊性，渗流破坏 问题就更为严重【m 2 0 1 。 传统的渗流理论在一些实际工程中比如废水回灌回采、农田水利灌溉、粉煤灰水力冲 填坝、尾矿坝的渗流分析中已经不能准确地对其渗流场进行分析，其结果自然有所失真。 所以本文针对尾矿坝的固结和浑水入渗问题综合考虑对其渗流场进行研究分析，以期在此 类工程研究中有所成果。 1 2 尾矿库的工程特点及研究意义 尾矿库又名尾矿池、尾矿场，它是筑坝拦截谷口或围地构成的用以储存尾矿的场所。 根据地形条件的不同，尾矿库可以分为3 种类型【2 l j ：山谷型、山坡型、平地型。尾矿库 工程具有以下几个特点1 2 2 l ： ( 1 ) 尾矿库工程是一个大系统，它含纳了选厂内尾矿处理、尾矿浆浓密和输送、尾 矿坝构筑、尾矿排放、防渗与排渗、防洪与排洪、水循环、废水处理与污染控制，库区土 地恢复与植被、尾矿库监测与管理等子系统。这些子系统相互关联、相互制约。选矿破碎 粒度级配关系到尾矿沉积层的渗透性和排水效果，排水效果决定固结程度，固结程度又决 定稳定性：尾矿排放浓度和方法决定尾矿粒级的离析、沉积层结构和渗漏水量；选矿工艺 中硫铁矿分选与否影响未来酸性水的生成和处理措施；尾矿坝设计制约闭库后土地恢复工 程实施，等等。 ( 2 ) 尾矿库工程是复杂反应的综合体，它容集了尾矿库系统内部( 尾矿与尾矿废水) 、 尾矿库系统与环境之间( 渗漏水基础上墙地下水或地表水体，尾矿库稳定天然条件) 复杂的 物理化学、生物地球化学反应，最终反映出岩土工程问题与环境工程问题的相互交织、渗 透、一体化的工程特点。如果我们把溶质迁移过程当作一个黑箱处理，难以正确地预测迁 西安理工大学硕士学位论文 移结果，也难以从机理上控制污染。例如，在一定条件下，某些组份形成化合物，沉淀并 堵塞孔隙，降低渗透性；而在另一些条件下，沉淀物可能再溶解，甚至造成某些矿物的化 学侵蚀，增大渗透性。无论哪种情况都影响迁移率和强度特性。而孤立地解决坝体结构和 安全问题，或者孤立地评价尾矿库区生态环境破坏问题，都不可能从总体上认识尾矿库工 程的内在关联和实现尾矿库工程的最优化 ( 3 ) 尾矿库工程跨及尾矿库设计、基建和运营、闭库和土地恢复，后期污染治理、植 被和顶极生物演替、生态环境平衡的全过程，少则数十年，多则数百年。因为停止尾矿排 放和闭库以后，尾矿的风化作用、溶滤作用和生物地球化学反应仍在继续进行，特别是放 射性核素衰变和重金属离子释放更是因环境条件和时间而变化。从这个意义上讲，必须在 尾矿库选址、设计、建设和使用过程中为闭库后的土地恢复和生态环境恢复创造条件。 ( 4 ) 尾矿库工程具有很强的社会公益性质，就尾矿库而言，完成安全贮积尾矿是它的 基本功能，虽然尾矿可能进行再开发、再利用，但总体上讲，尾矿库本身并不创造价值， 它截然不同于市场经济活动中对于交换式的回报工程，例如房地产开发、公路建设等，而 人类对尾矿库工程的要求更多地是不遗害于或造福于子孙后代的社会公益性工程，因此， 必须有行政立法的支持。如果没有立法约束，没有政府资助，没有现代科技的投入，不可 能达到尾矿库工程的最终目标。 我国现有上一定规模的尾矿库约1 5 0 0 余座，每年排弃尾矿约3 亿t ，需耗水约3 5 亿t ，由于尾矿坝稳固、废水处理、污染控制、土地恢复技术发展还不能适应矿物工业的 发展，业己显露出现时的或预示出潜在的工程灾害和环境污染问题。就世界范围而言，尾 矿库危害已经名列重大灾害的1 8 位，严重阻碍可持续发展战略的实施，因此，尾矿库工 程己成为各国政府、矿山企业和学术界所关注的重大课题。尾矿库工程问题主要来自以下 三个方面 2 3 1 ； ( 1 ) 尾矿坝破坏或溃坝致使尾矿浆悬泻，固体物迁移，造成下游区的严重灾害。1 9 6 2 年火谷都尾矿坝被冲塌，将近2 0 0 人死于此次事故，将近半个县的农田被破坏；1 9 8 5 年 野鸡尾尾矿坝在洪水中溃决，造成数十人伤亡；1 9 8 6 年黄梅山铁矿尾矿坝溃坝，覆盖良 田1 4 k m 2 ，造成死亡1 9 人，受伤9 7 人；1 9 9 6 年陕西某金矿尾矿坝、1 9 9 7 年湖南某铅锌 矿尾矿坝相继破坝，造成惊人的人员伤亡和财产损失溃坝破坏多起因于坝内地下水位控 制不当，或排洪设施不利，或浸蚀和管涌，或地震液化作用，基本上都与静、动水压力和 孔隙水压力有关，这是典型的岩土工程结构问题。 ( 2 ) 尾矿库渗漏对地下水( 地表水体) 污染。含有毒物质、重金属和有机物的尾矿废水， 在尾矿沉积过程中继续与尾矿发生物理化学作用，尾矿可能进一步风化，再渗入基础土层， 再生复杂的生物地球化学作用，生成新的产物并在地下水运动下迁移，可能流向水源地或 天然排泄区，造成环境污染，甚至危及附近地区的生态平衡 2 4 】。包钢尾矿库严重污染下 游地表水和地下水，渗出水氟含量高达1 0 6m g l , ，附近地下水的矿化度达2 6 9 8m g l 据我国9 个重选厂调查资料，尾矿库附近1 4 条河流受到污染，造成绝产田2 3 5k m 2 , 减产 4 第一章绪论 田2 6 9 k r n 2 ，从某种意义上讲，水质污染给人类造成的危害要远比溃坝的危害严重得多，隐 蔽得深，时间持续长，甚至在闭库之后数十年、数百年这种危害还在延续。这是生物地球 化学和溶质迁移问题。 ( 3 ) 细粒尾矿飞扬造成大气污染，在干燥和风蚀条件下极易发生。我国西北某尾矿库 飞扬尘粒可达8 0t d ，污染大片农田和周围村庄。 综上所述，随着人类对安全和健康要求的不断提高，随着现代科学技术的不断进步， 必然会深刻地影响尾矿库工程的发展。系统论的引入形成尾矿库系统总体优化的思维方 式；岩土程学与环境工程学的定义建立了尾矿库工程学的基木构架和基础研究方法：生物 地球化学、非饱和土壤学、生态学的渗透进一步揭示了尾矿废水及地下水作用机理，现代 计算机与计算技术的支持，为精确计算和仿真模拟、方案评价和现代化管理提供了有力手 段：新型土工材料、地质聚合物的发展改进了尾矿库设施的结构性质，如此等等。作为一 个岩土工程学科的工作者，从岩土工程的角度深入的研究尾矿库的运行机理是我们这一代 人服务社会、追求科学的一个体现，本文将从尾矿库的渗流场切入分析，对尾矿库的渗流 场各要素，稳定性进行研究，探索各要素之间相互制约影响的关系，为此类工程的研究做 一点贡献。 1 3 本文研究的内容和方法 本论文将针对尾矿坝的堆筑特点进行稳定性评价。对影响尾矿坝稳定性的各要素进 行分析，总结其相互关系。特别对影响尾矿坝渗流场的各要素进行了分析。在已有渗流理 论和固结理论的基础上，针对尾矿砂这一特殊材料提出了考虑尾矿砂固结效应的渗流理 论，并在理论模型中进行验证。此外本文还结合金堆城栗西尾矿坝工程开展流固问题的研 究工作。综合考虑尾矿水中的固体颗粒淤积及固结作用，总结渗透系数、渗透坡降、渗透 流量、渗透路径随时间的变化规律，提出适用于此类工程的理论，开发相应的计算程序， 并对工程实际进行数值模拟。 本论文将从以下几点开展研究： 1 3 1 收集并整理金堆城栗西尾矿坝资料 金堆城栗西尾矿坝采用湿法堆积而成，其中的尾矿是一种矿渣，它以浆状形式排出， 储存在尾矿库内。浆状的尾矿其实就是一种典型的浑水，即工业用水中含有大量的尾矿颗 粒。为能够研究浑水入渗问题，本文将以此工程为例进行理论和数值研究。研究需要收集 尾矿坝的地形资料，各堆积层的渗透系数、容重、粘聚力、摩擦角、孔隙比、含水量、不 均匀系数等尾矿的物理力学参数，注水量、尾矿量，排水情况等等资料和参数。由于尾矿 坝面积大，沉积不均匀，注入尾矿和排水较分散，收集整理资料工作较为繁重，需要耐心 仔细的开展工作，为下一步研究工作做好准备。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 2 分析尾矿坝渗流参数的变化规律 栗西尾矿坝是一个典型的浑水入渗工程实例，随着时间的推移，尾矿不断注入库区， 原有沉积尾矿在自重压力作用下连续发生固结沉降，尾矿颗粒间的距离不断减小，颗粒间 的空气和水不断排出，沉积尾矿逐渐被压密，土体结构发生了变化，力学性质得以改善， 渗透系数逐渐变化，随着坝体的增高，渗透路径也在变化。所以栗西尾矿坝工程是一个变 渗透系数和变渗透路径的浑水入渗问题。 尾矿坝在水力充填的过程中粗颗粒首先沉积，细颗粒在水力作用下继续向前运动，在 水平方向上粗细颗粒呈现粗颗粒靠近堆石坝，细颗粒远离堆石坝的规律；垂直方向上，底 部经过自然固结的时间长、固结度高、密实度大，上部充填时间短，固结度低，渗透系数 呈现上大下小的规律；由于尾矿坝是经多次充填，逐年加高而成，所以以上分布规律在坝 体中交错呈现，这些规律不同程度的影响尾矿坝的渗流场。本文将通过收集整理栗西尾矿 坝的资料，运用推导的浑水入渗理论进行分析，研究渗透系数、渗透坡降、渗透流量、渗 透路径随时间的变化规律，做出各点、线、剖面的曲线关系图，进而推广到类似工程，为 工程应用提供参考。 1 3 3 理论的建立 现有的浑水渗流理论是考虑泥砂的入渗引起的表面淤积从而导致渗透系数的变化和 渗透路径的延长，从而改变了渗透场的各个要素。事实上像新近沉积的超软土、尾矿坝、 人工吹填土等，在自身重力及堆载作用下将产生很大的固结沉降，稳定沉降量甚至占到初 始土层厚度的一半以上，而且其固结系数也随时间而变，这类土体有大变形非线性的固结 特性。 我们知道，考虑土体的变形是孔隙流体的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、粒间 距离缩短、骨架体发生错动的结果。传统方法中，考虑土体的固结时认为土体的总颗粒数 不变即土相不发生改变1 2 5 1 。在尾矿坝充填过程中，一方面原有土体发生固结，另一方面 随着尾矿不断充填，坝体不断增高，土体颗粒不断增加，新的土层形成荷载施加在原有土 体上，这两中过程循环发生。尾矿坝的这种特性给渗流和稳定性分析增加了难度。所以， 如果单纯的采用浑水渗流理论或者固结理论分析问题都是不合适的，本文将结合浑水渗流 理论和固结理论进行研究，用浑水渗流理论解决颗粒淤积引起的渗流问题，用固结理论解 决尾矿不断沉积固结变形的问题，并希望在理论上对以上两种理论进行科学整合，从而应 用于尾矿坝工程实际中。 1 3 4 开发应用程序，并利用商业软件进行数值模拟 根据以上研究成果，本文将进行程序的开发。综合考虑浑水渗流理论和固结理论以及 渗流理论，给出数值求解方法，用于解决坝体不断沉积变形和淤积增高过程中的渗流问题， 6 第一章绪论 把这种分析方法写入程序，为此类问题的数值研究提供计算条件。运用自行开发的程序进 行金堆城栗西尾矿坝的数值模拟，将计算结果与工程实际参数进行对比研究。 自行开发的程序在前后处理上均有一定的缺陷，本文还将利用大型商业有限元仿真软 件( g e o s t u d i o ) 建立计算模型，根据实测的渗透坡降、渗透流量、渗透系数等参数，进 一步验证和完善浑水入渗理论，使之为工程建设服务。 g e o - s t u d i o 是一套功能强大、适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件【2 6 1 。 使用g e o - s t u d i o 的交互式建模方法，用户可以迅速建立几何分析模型，定义模型的材料特 性和边界条件，然后进行求解，最后可以在后处理中查看所需要的结果。g e o s t u d i o 包括 了边坡稳定性分析软件、地下水渗流分析软件、岩土应力变形分析软件、综合渗流蒸发区 和土壤表层分析软件在内的七个模块，其中s e e p w ( 地下水渗流分析软件) 模块是一款 用于分析多孔渗水材料如土体和岩石中的地下水渗流和超孔隙水压力消散问题的有限元 软件。s i g m a w 软件( 岩土应力变形分析软件) 是一款用于对岩土结构中的应力和变形 进行有限元分析的专业软件。s i g a w 软件可以对线弹性变形问题、高度复杂的非线性弹 塑性有效应力问题进行分析。此外，与s e e p w 软件相结合，s i g m a w 软件可以对受外载 荷作用的岩土结构中孔隙水压力的产生和消散进行建模分析，并进行土体固结分析。 s l o p e w ( 边坡稳定性分析软件) 软件使用极限平衡理论对不同土体类型、复杂地层和滑 移面形状的边坡中的孔隙水压力分布状况进行建模分析。 本文将利用软件的强大功能结合物理模型试验结果，在二维条件下模拟分析考虑固结 作用下的金堆城栗西尾矿坝的渗流场情况。 研究金堆城栗西尾矿坝的渗流场情况，最终还需要关心金堆城栗西尾矿坝的稳定情 况，本文将利用有限元软件对考虑浑水中固体颗粒淤积及固结作用的金堆城栗西尾矿坝的 稳定性进行分析。 1 3 5 分析数值计算结果，验证、完善并发展浑水渗流理论 尾矿坝的渗流由坝体尾矿的渗透参数控制，而坝体内的应力场、矿渣固结程度、孔隙 率、矿渣分布状况等的变化对尾矿的渗流参数影响较大，考虑固结作用和浑水渗流理论下 的尾矿坝非稳定渗流分析能更好的反映实际工况，计算结果也更可靠。 传统计算是进行渗流场和应力场的耦合，渗流场对应力的影响是通过渗流场中介质施 加力的作用来体现的，包括渗透静水压力和动水压力1 2 ”；应力场对渗流的影响是通过应 力作用使土体介质的孔隙率发生变化从而引起渗流场的变化。而实际工程中，除存在渗流 场和应力场外，尾矿充填、自然固结、细砂入渗引起的渗透系数变化、坝体不断堆积引起 的渗透路径变化都是影响要素，引入固结理论和浑水渗流理论能更好的解决尾矿坝水力充 填，逐年加高，坝体内渗透系数差异大这种非稳定渗流分析1 2 。 本文将分析自编程序和商业有限元软件计算的数值结果，结合实际勘察资料对坝体浸 润线、应力分布、渗流总量、水力坡降等要素进行对比，研究引起结果差异的原因，对比 西安理工大学硕士学住论文 自编程序和商业有限元软件的优缺点。进而改进数值计算方法，完善计算程序，发展浑水 渗流理论，为实际工程设计提出参考。 3 第二章尾矿坝渗流稳定特征及其影响因素 第2 章尾矿坝渗流稳定性特征及其影响因素 2 1 渗流理论在尾矿坝中的应用及研究现状 岩土工程界对浑水问题从上世纪九十年代已经开始了不同程度的研究，西安理工大 学的李占斌、王全九、王文焰、费良军等在农田水利中的浑水入渗方面做了大量的理论和 试验研究，得出了许多成果 2 9 - 3 2 ；党发宁、韩文涛等 8 - 1 2 l 在浑水理论上进行了系统的研究， 锝到了很多有意义的成果：柳厚祥等根据尾矿坝形成的特点进行了应力场与渗流场耦合的 非稳定渗流分析田】；朱维耀在发展石油开采技术中对低渗透裂缝性砂岩油藏多孔介质渗 吸机理进行过广泛的研究【3 4 l ；毛昶熙等通过对长江大堤渗透破坏的模拟研究分析了管涌 的破坏形式1 3 5 - - 3 7 1 ；李守德等对土坝管涌发展过程中的渗流场空间性状进行了研究。雏】，以 上研究都不同程度的考虑了浑水在渗流场中的特性，是对传统的渗透理论的一种修正。浑 水的流固耦合问题还有许多值得研究的地方，还需要在岩土领域进一步的形成理论化和系 统化。 尾矿坝的安全稳定不仅关系到矿山的正常生产。还直接影响到下游人民生命财产的 安全。前入迸行的大量理论研究及工程实例统计资料表明，在影响尾矿坝安全稳定的诸多 因素中，坝体渗流浸润面位置是极为重要的因素之一l 捌。 2 2 尾矿坝的尾矿砂土粒度成分及矿物成分分析 尾矿粒度是项重要的指标，它能综合反映尾矿的特性。现代土力学、水利工程学、 选矿学等研究结果都表明，粒径和土的性质有着密切的关系。同时，土的性质取决于各种 不同粒组的相对含量【加1 。粒度级配曲线是尾矿物理特性的另一种表达方式，所以，在研 究尾矿物理力学特性前，应先分析其颗粒组成。 颗粒组成的分析涉及以下几个方面： ( 1 ) 粒径 颗粒大小的度量称为粒径，它是用颗粒的几何尺寸来表示，一般用毫米( m m ) 、微米 ( 历) 等单位表示。 ( 2 ) 粒组 粒组是指相邻两分界粒径之间性质相近的土粒集合体。现实中很难对土粒逐个测量其 粒径，通常把土在性质上表现出明显差异的分界粒径作为划分粒组的依据。 ( 3 ) 土粒级配 土中各种粒组的相对含量，用土粒总重的百分数来表示，称为土粒级配。为了更直观 地表示土粒级配，常常采用对数坐标的形式来表示粒径与含量的关系。如图2 - l ，纵坐标 为小于某粒径的累计含量，横坐标则用对数尺度表示土的粒径。 西安理工大学硕士学位论文 i f 镜 9 0 8 0 7 0 蠢 i 塞鞠 讲 磊4 0 爨 * 督 2 0 埔 o l 粒径，m ，2 i 2 11 0 2 510 2 5 0 0 50 0 5 0 0 0 5 o 0 0 5 l 粒级组台量， 4 2 l 1 0 3 i 3 8 ，5 l 1 5 8 2 0 1 1 1 8 i 曩积含量， 1 0 0i 9 5 4 l 8 4 6 i 2 6 0猢l i 7 图2 - 1 土粒组含量与粒径分布曲线 f i g 2 is o i lf i a c t i o r lv ss o i ld i a m e t e r ( 4 ) 不均匀系数和曲率系数 不均匀系数q 和曲率系数e 是分别用来描述粒径分布曲线坡度和形状的两个指标， 也是判断土粒级配是否良好的标准。它们的计算式为； q = 鲁 眩1 ) c ：盟 ( 2 2 ) 嘎o o 式中，碣o 、d 。，如分别表示粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量1 0 、3 0 、6 0 时 所对应的粒径，其中，九称为有效粒径，如称为控制粒径 ( 5 ) 粘粒 指粒径小于o 0 0 5 m m 的土颗粒，它是砂土的一个重要分界粒径，也是影响砂士物理 力学性质的重要颗粒。砂土中粘粒含量多，则其粘结力就大，内摩擦系数就小，同时，渗 透系数就会减小。 2 3 尾矿坝稳定性评价 2 3 1 尾矿坝失稳的一般形式 尾矿坝坝坡抗滑稳定性达不到要求时，坝坡就会发生滑动破坏，有时还会带动坝基土 体一起滑动，如图2 - 2 所示【4 “。 1 0 第二章尾矿坝渗流稳定特征及其影响因素 图2 2 坝坡滑动破坏 f i g 2 2t h es l o po f d a ms i l pd e s t r o y 根据对坝的大量破坏实例所进行的分析研究发现1 4 2 l ，坝坡滑动面的形状对于均质土坝 多呈圆弧形；对于非粘性砂石料坝多呈折线形；当坝内含有大面积的厚层细泥夹层，或滑 弧通过坚硬岩层时，滑动面的形状就比较复杂，为圆弧和折线的组合面。 对于既为砂性又含有多层细泥夹层的尾矿坝来说，滑动面多可用圆弧面近似代替。 2 3 2 尾矿坝坝体稳定性评价方法 由于尾矿性质极为复杂，分析条件很少常规，同时，尾矿坝技术起步较晚，尾矿坝安全 稳定性分析至今未形成自身的独立分析体系，均是沿用土力学得到的传统分析方法。目前， 尾矿坝的稳定性分析方法主要有三种1 4 3 q 5 】：极限平衡法，如瑞典法、毕肖普法、余推 力法、s a r m a 法等；数值分析法，也叫应力一应变法，如有限元法、拉格朗日元法( f l a c 法) 、边界元法等；概率分析法，如蒙特卡洛法、统计矩阵等。 极限平衡法原理简单、实用性强、能够直接提供坝体稳定性的定量结果，所以应用较 广；数值分析法是通过建立数学模型，选择材料的本构模型，来模拟求解坝体的应力应变 值，然后再按照一定的准则，判断并给出坝体的稳定性区域等指标；概率分析法则是在上 述计算方法的基础上，进一步给出坝体的稳定性的概率或坝体失稳破坏的概率。 一般而言，对尾矿坝工程的稳定性分析，先是确定计算剖面，然后进行极限平衡的分 析与计算，之后再作数值分析，以检验极限平衡法的结果，最后采用概率分析法，以确定 坝体工程破坏风险程度。 目前，尾矿坝的稳定性分析方法主要是极限平衡法【4 6 】，根据选矿厂尾矿设施设计规 范( z a j1 2 9 0 ) 第3 1 4 11 条规定：尾矿初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性应根据坝体材 料及坝基土的物理力学性质，考虑各种荷载组合，经计算确定：计算方法宜采用瑞典圆弧 法。当坝基或坝体内存在软弱土层时，可采用改良圆弧法；考虑地震荷载时，应按水工 建筑物抗震设计规范的有关规定进行计算。 极限平衡法是假定分析的滑体为刚体，划分的条块之间不会变形，通过条块的受力平 衡方程来求解计算坝体或边坡的稳定系数。目前，常采用的极限平衡法是瑞典圆弧法和毕 肖普法，由于前者的计算结果比后者小，其值更保守些，故本论文只采用瑞典圆弧法。 西安理工大学硕士学位论文 2 3 3 坝体稳定性系数 尾矿坝坝坡稳定的安全系数是滑动土体总抗滑力与总滑动力的比值k k o = 总抗滑力总滑动力 一般来说当比值为1 时，坝体是处于l 临界稳定状态，但其安全性并不合乎要求，如受到振 动或遇到小地震等，坝坡就会破坏1 4 7 1 。故设计规范规定尾矿坝的安全系数要大于l ，且对 于不同级别的尾矿坝要求不同，如表2 1 所示。 表2 - 1 尾矿坝坝坡抗滑稳定性最小安全系数 坝的级别备注 运行情况 1234 、5 正常运行指尾矿库水位处于正常水位时的 正常运行 1 3 01 2 51 2 01 1 5 工况；洪水运行指尾矿库最高洪水位时的工 洪水运行1 2 0 1 1 5 1 1 0 1 0 5 况；特殊运行指尾矿库内水位处于最高洪水 特殊运行 1 1 01 0 51 0 51 o o位，同时又遇到设计烈度地震时的工况。 2 4 影响尾矿坝渗流场的因素分析 前人进行的大量理论研究及工程实例统计资料表明4 蚋，在影响尾矿坝安全稳定的诸 因素中，坝体渗流浸润面位置是极为重要的因素之一。 前人曾对大量尾矿坝的基本结构、几何尺寸等参数作了系统分析h 9 】，并将尾矿坝断 面形式概化成类似图2 - 3 所示基本剖面： 图2 - 3 尾矿坝计算基本剖面图 f i g 2 3t h es e c t i o no f t a i l i n g sd a m s 结合工程实际，拟定出反映尾矿坝重要特征的6 种参数：尾矿堆坝坝高；尾矿坝初 期坝坝高；尾矿堆坝下游坡度；尾矿堆坝上游坡度；尾矿堆坝干滩长度；尾矿坝体内各层 渗透系数之比。建立理想的概化剖面，划分单元，如图2 - 4 所示： 1 2 ：g - - 章尾旷坝渗流稳定特征及其影响因素 图2 4 概化剖面网格划分图 f i g 2 , 4t h ep l o to f 鲥df o rt h es e c t i o n 2 4 。1 尾矿堆坝干滩长度对坝体浸润线的影响 大量理论分析和工程实例证明1 4 9 l ，当干滩长度较长时( 入渗点远) 所形成的自由水面 线长而平坦，且远离坝的下游坡面，水力坡降小，对坝体稳定有利，干滩的长度影响等势 线分布的疏密和自由水面线的高低，在特定条件下，干滩长度对浸润线的影响往往举足轻 重。 计算结果表明，干滩的长度越长，对上游浸润线降低效果越明显，但对下游降低效果 不明显；不同的是，在下游出口处两种情况下浸润线随上游水位变化的幅度不同，通过对 坝体下游出口处某一固定点随上游水位变化时浸润线水头值的变化曲线可以得到，当分层 线位置k 不变，仅变干滩长度l i 时，在下游附近，浸润线变化幅度不大，但当干滩长度 l l 随分层线位置b 变化而变化时，实际进入第一层的入渗流量变化明显，从而引起下游 浸润线变化幅度较第二种情况明显。所以分层线位置对下游出口处浸润线变化幅度也有一 定的影响。 因此，对于一个放矿工艺基本定型的尾矿库来说，运行期中干滩长度的控制可以有效 的限制坝体内浸润线的高低，从而保证坝体的安全强叭。 2 4 2 坝内各层不同的渗透系数之比对坝体浸润线的影响 为掌握尾矿堆坝坝高确定之后，坝内不同的各层渗透系数之比对坝体浸润线的影响，