（岩土工程专业论文）尾矿动力特性及坝体稳定性分析.pdf

摘要 我国尾矿坝的数量及坝体高度将随着国家对矿产资源的巨大需求而快速增 加。而我国大部分尾矿坝采用的是失事率较高的上游法建造的，因此，深入研究 尾矿坝的稳定性就显得尤为重要和迫切。本文以江西铜业股份有限公司的两个尾 矿坝作为示范工程，进行了以下几个方面的研究工作： l 、通过尾矿的基本物理特性试验，研究了尾矿料的颗粒分布及渗透情况， 采用压缩试验、直剪试验和三轴试验，分析了尾矿材料的压缩特性和强度特性。 2 、通过对尾矿坝稳定性分析的可靠度方法进行研究，将可靠度理论与传统 的尾矿坝安全系数分析方法相结合的分析方法引入尾矿坝的稳定性分析。探讨了 材料的抗剪强度指标和密度的变异性对坝体可靠指标的影响规律。研究了材料参 数随机变量的分布类型对坝体稳定性可靠度的影响。 3 、通过尾矿动力特性试验，研究了动三轴试验过程中的孔压随应变的发展 情况，提出了简单实用的动孔压应变模型，研究了动孔压随振次的变化情况，修 正了s e e d 提出的预测公式，使其能更准确的预测尾矿材料的动孔隙水压力的产 生和发展。研究了相对密度对液化特性的影响。 4 、通过尾矿材料的物理力学特性试验得到物理力学参数，对尾矿坝的动力 响应进行分析，研究了坝体变形及坝体内孔压的发展情况，并研究了震级对变形 及孔压发展情况的影响。 5 、研究了围压和细粒含量对动力特性的影响，提出了液化判别的细粒含量 的修正式。在此基础上提出了适用于尾矿坝液化判别方法，编制了与该方法相应 的液化判别程序。 通过以上内容的研究，获得了以下几个方面的创新性的研究成果： 1 、将稳定性的定性分析方法和可靠度分析方法相结合，提出了尾矿坝可靠 度分析方法，该方法在分析尾矿坝的稳定性时可给出最小安全系数及相应的可靠 度指标，使得尾矿坝的稳定性分析更加合理。 2 、提出了简单的孔压应变模型，该模型能很好的反应尾矿料的孔压应变发 展情况。并修正了s e e d 的孔压预测公式，该公式能更加准确的预测尾矿料的孔 压发展。 3 、根据相对密度对液化特性的影响，给出了一个在通过加密尾矿料来提高 尾矿坝的抗震性能时使用的经济性能最优相对密度设计值。 4 、在细粒含量对液化特性影响的试验基础上，结合现场的标准贯入试验成 果，提出了细粒含量对抗液化强度影响的修正式。并提出了可以考虑多种因素影 响的液化判别方法，编制了与提出的液化判别方法相应的液化判别程序，方便于 该方法的应用和推广。 关键词；尾矿尾矿坝压缩特性强度特性 可靠指标随机变量动孔压模型 可靠度稳定性分析变异性 相对密度细粒含量液化特性 d y n a m i cp r o p e r t i e so ft a i l i n g sa n d t h es t a b i l i t ya n a l y s i s o f r a i l i n g sd a m z h a n gc h a o ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gc h u n h e a b s t r a c t ：t h en u m b e r sa n dt h eh e i g h to fr a i l i n g sd a m si n c r e a s eq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e h u g en e e df o rm i n e r a lr e s a u r c i nc h i n a m o s to f t h et a i l i n g sd a m sa t ec o n s t r u c t e db yu p s t r e a m m e t h o d ，w h i c hl e a d st oh i g hf a i l u r ep r o b a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ea n d u r g e n c yt oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a m s t h et w ot a i l i n g sd a m so fj i a n g x ic o p p e r c o m p a n yl i m i t e da r et a k e na se x a m p l e s t h em a i n r e s e a r c hw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w ： 1 t h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n ds e e p a g ec o n d i t i o no f r a i l i n g sm a t e r i a l 盯ei n v e s t i g a t e db yal o t o fp h y s i c a le x p e d m e n t s c o m p r e s sa n ds t r e n g t hp r o p e r t i e sa t es t u d i e db yc o m p r e s st e s t s ，d i r e c t t e s t sa n dt r i a x i a ls h e a re x p e r i m e n t s 2 t h es t a b i l i t yr e l i a b i l i t ym e t h o do fr a i l i n g sd a mi sa n a l y z e db yc o m b i n i n gr e l i a b i l i t yt h e o r y a n dt r a d i t i o n a ls a f e t yf a c t o rm e t h o di ns t a b i l i t ya n a l y s i so fr a i l i n g sd a m an e wr e l i a b i l i t ym e t h o d i sp r o p o s e dt os t u d yt h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a m t h ee f f e c to ft h es h e a r i n gs t r e n g t hi n d e x e s v a r i a t i o na n dt h ed e n s i t yv a r i a t i o no f t a i l i n g so nr e l i a b i l i t yi n d e xi sa n a l y z e d t h ee f f e c to f r a n d o m v a r i a b l e sd i s t r i b u t i o nt y p o so ns t a b i l i t yo f t a i l i n g sd a mi sa l s od i s c u s s e d 3 t h ed e v e l o p m e n to fp o r e - p r e s s u r eo ft a i l i n g sw i t ht h ea x i a ls t r a i ni ss t u d i e db yt h e d y n a m i ce x p e r i m e n t so f t a l l i n g s b a s e do nt h es t u d yr e s u l t s ，ap r a c t i c a ls t r a i np o r e - w a t e rp r e s s u r e m o d e li sg i v e n t h ed e v e l o p m e n to f p o r a - p r e s s u r ew i t ht h el i b r a t i o nt i m e si sa n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，s e e d sf o r m u l ai sm o d i f i e ds ot h a tt h en e wf o r m u l ac a r tf o r e c a s tt h e d y r m m i cp o r a - w a t e sp r e s s u r eo fs a t u r a t e dr a i l i n g sm a t e r i a lm o r ep r e c i s e l y t h er e l a t i v ed e n s i t yo n l i q u e f a c t i o np r o p e r t i e so f r a i l i n g si si n v e s t i g a t e d a no p t i m a lr e l a t i v ed e n s i t yi sg i v e nt oe n h a n c e t h ea n t i - s e i s m i ca b i l i t yo f t a i l i n g sd a ma s ad e s i g nr e l a t i v ed e n s i t y 4 t h ed y n a m i cr e s p o n d i n ga n a l y s i so fr a i l i n g sd a mi sc a r r i e do u tu s i n gt h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c sp a r a m e t e r so f t h ed y n a m i ce x p e r i m e n t so f t a i l i n g s t h ee f f e c to f e a t t h q u a k em a g n i t u d e o nt h ed e f o r m a t i o no f d a ma n dt h ed e v e l o p m e n to f p o r e - p r e s s u r ei sa n a l y z e d 5 am o d i f i c a t i o nf o r m u l ai sg i v e nb a s e do nt h ee f f e c to f c o n f i n i n gp r e s s u r ea n df i n e sc o n t e n t o nd y n a m i cp r o p e r t i e so ft a i l i n g sm a t e r i a l am e t h o ds u i t a b l ef o rt a i l i n g sd a mt od e t e r m i n et h e l i q u e f a c t i o np r o b a b i l i t y i s p u t f o r w a r du s i n gt h em o d i f i c a t i o nf o r m u l ap r o p o s e db yt h i s d i s s e r t a t i o n ar e l e v a n tp r o g r a mi si m p l e m e n t e dw i t hv i s u a lf o r t r a n t h ef o l l o w i n gi n n o v a t i v ea c c o m p l i s h m e n t sc a nb eo b t a i n e df r o mt h ea b o v er e s e a r c h ： i c o m b i n i n gr e l i a b i l i t yt h e o r yw i t ht r a d i t i o n a ls a f e t yf a c t o rm e t h o d ，t h er e l i a b i l i t ym e t h o di s p r o p o s e d t oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a m t h em i n i m u ms a f e t yf a c t o ra n dt h e c o r r e s p o n d i n gr e l i a b i l i t yi n d e xc a nb eg a i n e dt o g e t h e rw h i l et h ep r o p o s e dm e t h o di su s e dt o a n a l y z et h es t a b i l i t yo f t a i l i n g sd a m 2 a c c o r d i n gt ot h ee f f e c to ff i n e sc o n t e n to nl i q u e f a c t i o np r o p e r t i e s ，a no p t i m a lr e l a t i v e d e n s i t yi ss u g g e s t e dt oe n h a n c et h ea n t i - s e i s m i ca b i l i t yo f 协i l i n g sd a ma sad e s i g n e dr e l a t i v e d e n s i t y 3 as i m p l es t r a i np o r e - w a t e rp r e s s u r em o d e li sg i v e n t h em o d e lc f i tt h ed e v e l o p m e n to f r a i l i n g sv e r yw e l ld u r i n gt h ed y n a m i ce x p e r i m e n t so fr a i l i n g s s e e d sp o r e - p r e s s u r ef o r e c a s t f o r m u l ai sm o d i f i e d t h em o d i f i e df o r m u l ac a nf o r e c a s tt h ed y n a m i cp o r e w a t e rp r e s s u r eo f s a t u r a t e dt a i l i n g sm a t e r i a lm o r ep r e c i s e l y 4 c o m b i n i n gt h es t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t si n - s i m , af o r m u l ai sg i v e nt om o d i f yt h ee f f e c t o ff i n e sc o n t e n to nl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eb a s e do nt h ee f f e c to ff i n e sc o n t e n to nl i q u e f a c t i o n p r o p e r t i e s - al i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nm e t h o dt h a tt a k e sm a n yf a c t o r si n t oa c c o u n ti sp r o p o s e d t h e m e t h o de a r lr e f l e c tt h e l i q u e f a c t i o np r o p e r t i e sm o r eo b j e c t i v e l y ar e l e v a n tp r o g r a mi s i m p l e m e n t e di no r d e rt om a k et h em e t h o db ea p p l i e da n ds p r e a dm o r ee a s i l y k e y w o r d s ：m f l i n g s ，t a i l i n g sd a m ，p r e s sp r o p e r t i e s , s t r e n g t hp r o p e r t i e s ，r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n a l y s i s ， v a r i a t i o n ，r e l i a b i l i t yi n d e x , r a n d o mv a r i a b l e s ，d y n a m i cp o r e - w a t e rp r e s s u r em o d e l ，r e l a t i v ed e n s i t y , f i n e sc o n t e n t , l i q u e f a c t i o np r o p e r t i e s 独创性声明 本入声明，所呈交的论文是本人在譬薅指等下进行的磷究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院武汉岩力学研究所或其它教育 援i 构熬学位或涯书丽傻震过麓材料。与我同工作的麓恚辩本磅 究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：字长超 日期：加蛑6 月，。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文 的规定，即该所有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影 或其他复制手段保存论文。 作者签名：铱翘 日期：御r 年g 月，d 日 导师签名：龙妁黼 日期：c l 。吟年6 月r p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着经济社会的快速发展，各项经济建设与地质工作的关系越来越密切，地 质工作的基础性作用日益凸显。党的十六大提出，国内生产总值至* j 2 0 2 0 年力争翻 两番，基本实现工业化。经济的快速增长，将对矿产资源提出巨大需求。随着矿 业生产的快速增长，尾矿坝作为选矿厂生产设施的重要组成部分，其数量或是尾 矿坝的高度也必然会随着矿业需求的增长而增长。但是过去二十多年里尾矿坝的 失事情况不容乐观，这些情况和资料已被用于推迟和阻止新上采矿项目，欧洲尤 其如此。这些情况反应出了全球采矿业的恶劣状况，表明这一时期在设计和施工 技术上几乎没有什么改进。尽管政治上强调矿物要再循环利用，但采掘业在世界 经济上仍占着重要的地位，因此，评估尾矿坝性能是很重要的【i j 。 中国是一个矿业大国，每年选矿产生的尾矿约3 亿吨，除- - , b 部分作为矿山 充填或综合利用外，绝大部分要堆存于尾矿库，据统计中国目前已形成一定规模 的尾矿库约有1 5 0 0 余座，国外高度在1 0 0m 以上的尾矿坝有1 7 座，最高的已达 2 7 0m i 2 1 1 3 4 。而我国冶金矿山现有尾矿坝近4 0 0 座，这些尾矿坝绝大多数采用上 游法构筑，国外尾矿坝一般不采用上游筑坝工艺。为了针对我i 蛩的现状，本文研 究的尾矿坝主要以上游法尾矿坝为主，取样均来源于上游法尾矿坝的坝体和干 滩。而本文有关尾矿的力学特性研究成果和液化分析方面的研究成果也可以用于 其它类型的尾矿坝。 选矿厂选别矿石后产生大量的尾矿，通常是以矿浆状态排出的，这样大量的 尾矿如不妥善处理，就会大面积地覆没农田和污染水系，对环境造成严重的危害。 同时，尾矿中往往还含有目前尚不能回收的贵重、稀有金属，也不允许随意丢弃。 尾矿库就是为了解决尾矿的堆放问题而建造的。尾矿库工程的目的就是要保障矿 山生产的顺利进行和生命财产的安全，经济上少受损失，保护生态环境【2 l 【1 6 l 。尾 矿坝是尾矿库的重要组成部分，由初期坝和堆积坝组成。初期坝有堆石透水坝和 粘土坝等，堆积坝是由尾矿堆积而成，尾矿是尾矿坝的主要筑坝材料。尾矿坝作 为一种特殊的水工建筑物和一般挡水土坝不尽相同，主要区别在于其运营期坝体 尾矿动力特性及坝体稳定性分析 断面一直在变化，坝的体积比同样坝高下的土坝火得多。根据筑蚬工艺的不同， 嚣矿凌圭癸分为上游法燕矿袈、下游法趸矿襄鞫牵线法嚣矿凌a 炎。 根据荚国大型坝体学会( u s c o l d ) 在1 9 8 9 年进行的一次尾矿坝事故调查和 荑胬环境计翔署娃黼e p ) 籍来事 充的一部分调查1 s 6 1 1 7 1 1 8 1 ，圈1 - l 绘出了调查范围 内2 0 世纪尾矿坝的历史攀放情况，图1 - 2 给出了备类尾矿坝的事故情况。 5 0 0 囫u s c o l d g ( 据 函眦p 数据 髟膝 一，阴， 孔肜萎 7 耄雾薹塾霞 1 9 2 51 9 5 01 9 7 5 年份 图1 - 1 尾矿坝历史事故总结 从图1 1 可知，美国的尾矿坝事故发生在1 9 6 5 年到1 9 9 5 年之间的比例较大， 虽然我国目前还没有类似的统计，但是可以参考u s c o l d 的调查结果，结合我 过矿业起步晚于美国的情况可以预测我国可能也将同样会产生这样一个事故高 发时间段，所以尾矿坝的安全问题应该十分的重视。从图l - 2 中可以看出上游法 尾矿坝的事故发生明显最多。f i n n ，w d l 【9 】【1 0 】认为，用上游法建造尾矿坝具有潜 在的危险性，而我国的尾矿坝又大多是上游法筑坝。 m a r t i na n dd a v i e si 1 1 估计尾矿库的年重大决堤事故的发生概率约为千分之 一，而小的决堤事故的概率约为百分之一。相比之下常规土筑蓄水坝发生大灾难 的可能性只有万分之一。虽然这些事故发生频率的估计值并不高，但就尾矿坝决 堤事故对人类环境的负面效应而言，仍然是无法接受的。正如v i c k 1 2 】所述那样， 这类事故已经对矿业产生了直接或间接的冲击。 2 嘲籁福怖 第一章绪避 圈1 2 尾矿坝类型事故总结 1 2 地震概况及尾矿坝的震害 我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之间，是一个地震活动 频度高、强度大、震源浅、分布广的国家，据史料记载，级以上的强震达1 9 次之多，给人类造成巨大的损失和灾难。4 0 多年来地球上发生的几次大地震， 例如：1 9 6 0 年智利地震、1 9 5 9 年墨西哥地震、特别是1 9 6 4 年的日本新泻地震、 1 9 9 5 年日本坂神地震，1 9 7 1 年美国s a nf e n a d o 地震，以及我国1 9 6 6 年的邢台 地震、1 9 7 6 年的唐山地震，所引起不同程度的喷砂冒水、地面下沉和大规模滑 坡，使得对土的液化和边坡稳定性的深入研究更加必要和迫切i ”】。进入2 1 世纪， 世界各地的地震依然异常活跃，2 0 0 4 年l o 月2 3 日，日本新泻中越地区发生里 氏6 8 级地震，死亡4 0 人左右，发生在新泻中越地区的大地震造成了约3 万亿 日元( 1 美元约合1 0 5 日元) 的经济损失。印度尼西亚苏门答腊岛附近海域当地 趸矿魂力特性及壤律稳定性势耩 黪瓣2 0 0 4 攀1 2 兵2 6 曩上譬发生瘩受遗酝4 0 年寒最强烈娩震，震缓为里茨8 9 级，并引发海啸，东南亚和南亚数个受波及国家死亡人数融超过了2 2 万6 千 入。2 0 0 5 筚3 蔗2 0 习上午1 0 薅5 3 努左表，强本撩凋县秘佐贺葵逡速发象鎏荧 7 级强地簏，震源柱福网县西部海域约9 公里处。造成1 人死亡，7 0 0 多人受伤， 当缝经济邋受了产燕损失。2 0 0 5 年3 胃2 8 日，窜陵尼西豫发生里菠8 7 缀遗震， 估计死亡人数在1 0 0 0 - - 2 0 0 0 入之阐。神秘迹象表嘎当今墩界的地震活动是非常 频繁的，所以要对地震引越的灾害有充分的认识。 我国有2 0 0 0 多座尾矿坝，其中许多尾矿坝建设在地震区甚至强震区，国外 一些尾矿坝遭遇地震时所产生的震害是令人震惊的。国内一些遭遇地震的尾矿 坝，虽然大多没有形成溃坝的恶果，但也发生了明显的震害。据文献记载【2 】，早 在1 9 2 8 年1 0 月1 日经历一次大地震之后，几分钟内，b a r a h o n o 尾矿坝就破坏 了。该坝高6 3 m ，坝的内坡为4 0 0 4 5 0 。这次破坏主要从坝内液化开始，随后造 成坝内侧滑动，4 0 0 万吨尾矿泻入山谷，死亡4 5 人。1 9 6 5 年3 月2 8 日，智利中 部发生了具有破坏力的地震。震级为7 至7 2 5 级，在距离震中l o o k m 范围内的 埃尔科布雷新旧两座尾矿坝、耶罗别霍、洛斯马基斯、拉巴塔瓜、拉迈纳、塞 罗内格罗、埃尔塞拉多、贝拉维斯塔、埃尔维塞和塞罗布兰科等许多矿山尾矿 坝均遭受破坏。其中埃尔科布雷新旧两座尾矿坝距震中4 0 k m ，该处地震烈度为 8 9 度，尾矿坝几乎全部被毁，见图1 - 3 所示。2 0 0 万吨尾矿泻入山谷。几分钟 之内泻出1 2 k m ，死亡达2 0 0 多人。 0l o o m c = = = = = = = = = = = j 图1 3 埃尔科布雷旧尾矿坝破坏前后的剖面 1 9 7 6 年7 月2 8 日，我国唐山发生大地震，在这次地震中，天津碱厂的尾矿 库由地震引起液化破坏。该尾矿坝高1 8 5 m ，地震使尾矿坝发生液化流滑，波及 范围0 4 k m ，淹没库区南边利民化工厂，包括厂房、设备、锅炉房、汽车队，运 第一章绪论 输队和临时工房以及2 0 0 户职工家属住宅。在此次地震中，首钢的大石河尾矿坝、 首钢水厂铁矿新水村尾矿坝和唐钢张庄尾矿坝均发生局部液化和喷砂冒水现象， 产生了明显的震害。国内外的震害经验表明，地震时尾矿坝容易产生液化，使尾 矿坝丧失稳定性，所以尾矿坝的抗震稳定性是需要十分重视的问题。 v i c k ，s g 指出【1 4 】：“迄今所报道的所有在地震中发生流动破坏的尾矿坝都是 用上游法建造的。”这些尾矿坝以及尾矿库中的尾矿材料，通常处于饱和的疏松 状态，颗粒较细，比重较大，由于颗粒组成、矿物成分等因素的影响，它们看似 稳定，实际上对扰动非常敏感，在地震中很容易发生液化和破坏性变形”o l 。国外 对在强震区修筑上游法尾矿坝表示怀疑，从稳定性考虑，大型尾矿坝最好不要采 用上游法1 4 】。 国外经验表明，上游法尾矿坝在地震作用下极易发生破坏。对于尾矿坝而言， 液化是坝体发生破坏的主要诱因之一。尾矿坝的破坏，不仅导致矿山生产中断， 而且会使下游居民的生命、财产以及工厂和交通干线等遭受重大的损失，因而国 内外对上游法尾矿坝在地震条件下的安全的评价方法至为关注。 文献1 5 1 6 7 1 1 s q h 给出了尾矿坝事故原因总结，如图1 4 所示。从图1 - 4 中我 们可以知道边坡稳定性和地震引起的尾矿坝事故是各类原因之前两位，所以分析 研究尾矿坝的稳定性，及地震情况下的液化及动力稳定性的意义就不言而喻。 0 臣习u s c o l d 数据 区圈u n e p 数据 黍黍翼戮，縻 漫 顶 边地基 渗结侵矿 坡震础漏 构蚀 山 稳下 定沉 性 圈l - 4 尾矿坝事故原因总结 不 明 ” 嘲籁衽佛 尾矿躜鸯特性爱袋体豫定性势辑 l 。3 瓣内势豹辑究瑷状 液化对地面构筑物的破坏是严重的。造成的损失是巨大的。在我国。1 9 6 6 年的邢台地震引起的砂土喷水冒砂，造成建筑物严重破坏；1 9 7 5 年辽宁海城地 震，震区西部大面积砂基液化，给公路、桥梁、水利设施、地下管道等造成了严 重的损害；1 9 7 6 年唐山地震时，使唐山地区发生了大面积的地基液化，造成了 密云水库等多处堤坝表面保护层的流滑现象；在国外，除了早期的日本新泻地震 和美国的阿拉斯加地震外，又有多次地震也都引起了大规模的土体液化，造成了 巨大的经济损失【1 7 j 。 饱和无粘性土与少粘性土体的振动液化势预测，一直是土动力学与土工抗震 研究中的一个重要课题，在国内外都得到了广泛的的重视和研究。这些研究主要 集中在振动液化产生机理和条件，影响因素，抗液化强度的确定以及液化产生可 能性的评价方面【1 8 之5 m 0 】【4 1 】1 3 们。而尾矿坝的筑坝材料就是一种典型的无粘性、 少粘性土，是一种很容易产生液化的材料。 1 9 6 4 年，美国阿拉斯加州瓦尔迪兹和日本新泻遭受地震。由于土的液化引起 大量的破坏发生【1 8 1 。此后，大量的研究计划突然的进行来研究和解释控制液化的 条件。但是这些研究大多数的研究对象是标准砂，而对尾矿材料的动力特性研究 相对较少，且起步较晚，基本上是近年来才开始进行，国内的研究基本上始于上 世纪八十年代。 对于尾矿砂的静力特性已有许多学者进行了较深入的研究3 1 】【3 2 】【3 7 】1 7 6 1 ，了解 了尾矿材料的基本力学特性，并为进一步进行动力特性研究提供了很好的基础和 参考资料。而对尾矿材料的动力特性研究近年来才开始进行，阎金安、王武林和 杨春和等人对银山铅锌矿的尾矿砂的静力和动本构模型以及动强度等进行过 些探讨【1 5 1 1 3 1 】1 3 2 】：较早在国内对尾矿坝进行研究，但是研究的内容还主要着重于 尾矿材料的静动力特性的试验分析，且还进行了现场的些跨孔波速试验，但在 液化判别和动力分析方面的工作深入不多。辛鸿博、王余庆、高艳平、李万升、 高建生、王治平等人对首钢大石河尾矿坝的尾矿砂进行过较为系统的研究【7 1 - q 8 3 】， 这些研究主要集中在尾矿坝的输入地震动的确定，用标贯试验评价尾矿坝的沉积 特征，尾矿坝的原位密度测试方法，尾矿砂的力学特性、动力变形特性和强度特 征等方面，应该来说到目前为止，这些学者在尾矿坝的动力特性和分析方面的研 6 第章绪论 究工作柱国内可以算是最为全面的。这然学者通过些测试手段结合试验数据对 大石河尾矿璎遴符了一维和二维地震反瘦分析，这些工捧都是紧紧围绕酋钢大磊 河尾矿坝进行的，且其寰内动力特性研究的试验数量较少，不便子掌握尾矿材料 盼动力特性靛变纯，霜予稽对密度和缎敉含量对遐矿榜糕翡动力符性静影响方雨 也没有进行研究。高艳乎等提出了尾矿坝的地震液化的简化判别方法【蚪】，该方法 在其它学者酶辇础上考虑了城体的刚魔和距离折减因素，将尾矿坝的液化分析向 前推进了一大步，但该方法在尾矿材料的抗液化强度的评价方面基本上是沿用了 判定标准砂的一些公式，对于尾矿材料的粘粒修正也没有进行过试验，而是借用 前人对于其它材料的研究成果。阮元成，郭新也对铁矿的尾矿材料进行了一些研 究，指出了传统上认为是粘性土的尾矿泥的低粘性及其易液化性，初步分析了固 结比对尾矿材料的动力特性的影响，并研究了尾矿砂和尾矿泥的动力残余变形等 特性 2 9 1 。这些学者的研究为我们了解尾矿材料的特性提供了很好的参考，也开 创了尾矿坝的研究工作，但作者本次对尾矿材料的侧重点在于相对密度及尾矿材 料的颗粒组成即细粒含量( 和平均粒径) 对尾矿材料的动力特性的影响，过去的试 验一般都是考虑尾矿材料实际的密度的试验，没有考虑尾矿材料的密度变化对其 动力特性的影响。而且不同种类矿山的尾矿材料在矿物成分和生产工艺上以及颗 粒分布上还是有很大差别。迄今为止，我国对于尾矿料动力特性的研究虽然已经 开展了一些工作，并取得了一些成果，但是，和天然土料的研究成果相比，还远 远不够，可参考的尾矿料动力特性的资料还比较少，特别是矿石的种类繁多，矿 物的化学成分复杂，迸一步增加了对尾矿料研究的难度。 本论文的试验土样取自某铜矿尾矿库，而国内外对铜矿尾矿材料的研究则相 对较少。本文研究了尾矿材料在循环加荷条件下的动力特性，为铜矿尾矿坝的建 造、闭库设计和废弃尾矿库的开发利用以及尾矿坝的抗震加固设计提供科学依 据，并可为其它类型矿山的尾矿坝建造及治理提供参考。 1 4 1 研究的必要性 l 4 研究目的和意义 尾矿坝作为一种特殊的水工建筑物和一般挡水土坝不尽相同，主要区别在于 7 尾矿动力特性及堋体稳定性分析 其运营期坝体断面一直在变化，坝的体积比同样坝高下的土坝大樽多，自震周期 鞠当长，一般在2 s 潋上；堆积坝髂较松数，呈欠强绩状态，埂髂巾魄和帮分大。 国内的尾矿坝大多是采用上游法修筑的，从蓄水区的水边线到尾矿坝项的距离叫 潦长。国步 邃矿袋一般不袋蔫主游筑嫒王慧，滩彀较短，遴常3 乱0 0 | 珏l 我蓬豹 较长，可达1 0 0 - - - 2 0 0m ，甚至更长。我国大多采用上游法筑坝工艺，其中5 0 年 代建设起采的尾矿琰大多跫达到绒按近最裙设诗舞度，由于种种舔因，不褥不缝 续加高，识是继续加高以艏其稳寇性及渗漏问题将越来越突出，如果失稳造成的 灾害将是陵大的。 不仅是设计和建造工艺使得当前我国已建的尾矿坝有不少具有潜在的危险， 而且，为了节省占地费和居民的动迁费，减少环境污染，有的矿山工业还在废弃 的尾矿库上建起了高达百米左右的排土场，排土场的地基大部分是位于水下的尾 矿料，这些饱和的尾矿料在地震情况下的动强度、动变形、液化特性以及稳定性， 都是需要进行试验研究的问题。此外还存在着人为的社会因素。由于对于尾矿料 的研究和尾矿坝的建造，需要投入大量的经费，这种投资要加到矿业的成本上， 从某些方面看又无法收回，这就使得不少的矿业部门对于这方面的研究主动性不 够。根据图1 3 尾矿坝的溃坝原因分析可知，由于地震引起的流滑在各类事故原 因中是最严重之一的，其中尤以上游法尾矿坝的震害较多。进入二十世纪7 0 年 代以后，世界范围内地震活动异常，我国、日本及美国等地区相继发生了强烈地 震，灾害损失严重。尾矿坝的安全问题已经是我国矿业安全方面面临的一个比较 严峻的和必须重视的问题。鉴于以上因素，研究尾矿材料的液化特性和尾矿坝的 抗震稳定性就显得尤为紧迫和必要。 1 4 2 研究意义 尾矿坝( 库) 是选矿厂生产设施的重要组成部分，尾矿坝能否安全稳定的运 行，对选厂生产起着至关重要的作用，同时它又是一个重大的危险源。一个用尾 矿筑成的坝，其内堆存着大量的尾矿和水，形成一个人工“尾矿湖”，它时刻都处 于一定的危险状态中，此湖的容量随着尾矿坝体不断的增高而逐渐增大，坝体一 旦溃决，库内的尾矿砂、泥浆和水就会以泥石流的形式涌出，对下游居民的生命 财产造成严重威胁，也将给企业带来不可估量的损失。图1 5 是东乡铜矿尾矿库 第一章绪论 的回水区域即“熙矿湖”的具体情况，其它上游法尾矿坝的回水区域情况一般也和 该尾矿坝类似。 因此，按照“安全第一，预防为主”的方针，做好尾矿坝豹安全管理工作，提 黼坝体稳定性，确保尾矿坝安全万无一必，对企业本身、社会、国家都有非常重 舞豹意义。对予爆矿埂豹霹究王佟塞誉多，特嬲是慰予蓬矿孝葶凝豹动力特性_ 秘 尾矿坝的液化研究方面可以参考的资料较少，本文深入系统地研究了尾矿坝静力 鹚力特靛，荛姆英蔫予液纯炎裂帮羲力分椽，掌纛耪了解7 蓬矿誊| 辩帮溅矿襄熬 很多特性，这些成果和纳论可以作为以聪研究的参考，对于尾矿坝的建设和管理 都是一个很好辩指导。慝矿坝能褥安全运行对予众韭的安全生产帮入民的生命帮 图i - 5 东乡铜矿尾矿库“尾矿湖” 财产安全以及社会的环境保护都有着积极而深远的影响。因此加强对尾矿料动力 特性和尾矿坝的液化及稳定性分析研究，开展对尾矿坝和废弃尾矿库的利用工 作，对于节省投资、减少环境污染，保障工程的安全，具有重要的社会意义和现 实意义。 1 5 1 研究思路 1 5 研究思路和内容 尾矿坝是水力冲填坝，尾矿浆的排放方式和尾矿坝的特征决定了尾矿的沉积 9 尾矿动力特性及坝体稳定性分析 规律，即尾矿颗粒越粗沉积就越快，因此从总体上来看，颗粒直径越大，其沉积 距离就越近。故尾矿坝具有从上到下，从坝区到库内有由粗变细的趋势，典型的 尾矿坝体的剖面图如图1 - 6 所示。 图1 - 6 是矿埂典型剖面掰( 单位：m ) 砌尾矿材料的分焱又主簧是依据颗粒分析结果，不同的尾矿定名的本质就是 粳缨颡粒款圪铡琴霹，器么逶避簿分众蓬矿幸亏辩秀重毅进行鬈毖褥裂零嚣耀被食 量的熙矿材料，然后就这些制备的尾矿材料进行动力特性试验，研究细粒含量对 动力褥往豹影l i 鼋，其意义是十分臻虽酌，嚣静楚隽了模援沉狡分选嚣瓣鬏粒缎戒 的变化，从而分析细颗粒含量对尾矿材料的动力特性的影响，从而可以间接地了 解尾犷凌璇体材辩静液纯祷性和地震稳定桎。 1 5 2 研究内容 1 、邃簿了大爨豹露矿毒考辩戆麓本耱毽力学特褴室蠹帮现绣试验，遂撩试验数据 将作为后续分析的基本数掇，因此基本物理力学特性试验是全文分析计算的 基础； 2 、按照论文的思路制各不同密度不同粗细颗粒比例的尾矿材料试样，在相成的 圈压和动威力幅值条件下进行动三轴和共振柱试骏，动力试验是了解尾矿材 搴摹躲动力特牲浆手段。 3 、整埋试验数据，分析尾矿材料的燮形和强廒特性，分析尾矿材料的动孔隙水 丞力摸登，并提篷修芷黎瀵会予怒矿李| 辩瓣魏藩零篷力搂整。 4 、根据不同密度的尾矿材料的动力特性试验，分析了相对密度对尾矿材料液化 符往鹃影哟，在试验分析缩果静基础上携蹋了通激密实尾矿材料艴嗣提高尾 矿坝抗震性能时的最优尾犷相对密度。 第一章绪论 5 、分析了尾矿材料中细颗粒( 颗粒直径 o 0 7 5 m m ) 含量的对尾矿材料的液化特 性的影响。 6 、利用共振柱试验研究了尾矿材料的动力变形特性，试验成果给出了尾矿材料 的最大动剪模量与平均有效主应力的关系；动剪模量、阻尼比与动剪应变幅 的关系。这些关系反映了在动荷载作用下土的应力应变关系的非线性和粘滞 特征。 7 、结合细粒含量对尾矿材料液化特性的影响，将部分学者在液化判别方面的研 究成果有机结合，提出适用于尾矿材料液化判别的简化方法，并编制了相应 的计算程序，该方法和程序也适用类似材料的液化判别，也可以为其它砂土 材料的液化判别提供参考。 8 、提出了尾矿坝可靠度分析方法，该方法是以定性分析为基础，既可以克服传 统定性分析方法的缺陷，又使得尾矿坝的静力稳定性计算分析更加合理，其 结果作为安全系数定值法的修正和补充，从而更加科学和准确的分析尾矿坝 的稳定性。 9 、在试验的基础上得到计算时使用的物理力学参数，用有限差分程序f l a c 3 d 对尾矿坝的动力响应进行了计算分析，在尾矿坝的三维地震动力响应分析方 面，以有限差分法作了一个有益的尝试。 尾矿动力特性及坝体稳定性分析 第二章尾矿材料基本特性 2 1 引言 尾矿材料的静力特性是尾矿材料的基本特性，而且是尾矿坝静力和动力稳 定性分析的基础。本文研究对象为取自江西铜业公司两个铜矿尾矿坝的尾矿材 料，其中主要尾矿为料来自东乡铜矿尾矿库的尾矿材料，东乡铜矿尾矿库是江西 南昌有色金属设计研究院1 9 6 5 年按照选厂日处理2 0 0 0 吨矿石，日排出尾矿1 1 5 8 吨进行设计的。初期坝为均质土坝，粘土心墙防渗，坝顶标高8 4 4 3 m ，坝底标 高6 9 m ，最大坝高1 5 4 3 米：坝前、后坡坡比均为l ：2 5 ，坝顶宽3 m ，坝轴线长 9 4 m ；坝后坡标高7 1 5 m 处。设有堆石排水棱体，最大高度3 m ，顶宽i m 。设计 用尾砂堆筑子坝，堆积予坝坡比为1 ：5 ，最终堆积标高为1 2 0 m ，有效库容3 2 0 万m 3 ，库区汇水面积为o 2 9 平方公里。该尾矿库目前坝顶高程为1 1 8 m ，坝高 4 9 m ，其库容约为3 0 0 万m 3 ，为级库。该尾矿库坝体部分平面图如图2 - l 所 示。 图2 - 1 尾矿坝平面图 图2 - 2 至图2 4 分别为该坝的全景图、初期坝和沉积滩实景图。 第二章尾矿材料基本特性 图2 - 2 尾矿坝全景图 图2 - 3 初期坝实景图 垂2 - 4 沉积潍实景豳 本文除了利用取自东多铜矿尾矿坝的尾矿原状样进行了大量的物理力学性 震浚验鑫辩，还将惩矿殄毒季糕过氛径为o 0 7 4 m m 熬薅，将豺辩分为餐粒蒋缀， 目的是为了达到研究沉积分选对材料的特性的影响。文中将筛上和筛下的材料分 燕矿蘑力将经覆裴蒋赣定蠖矜掰 鬟称之巍耀粒逗矿糖积鲴被邈矿摹粤。淀积分选鹁过稷瞧就怒遥矿毒辛糕按颗粒骢粒 径大小而产生沉积距离的远近，从而使得距坝顶不同处的尾矿材料的粗细尾矿颗 粒怼镤不一样，嚣露分霉熏薪配范耱蓬程麟楚模掇遽一过程。基零憨锈理力学试 验提供了材料的物性指标，为尾矿材料的液化判别釉尾矿坝静力动力稳定性分析 撵供了秘擎依据。 2 2 1 基本物性指标 2 2 尾矿材料的物理特性 对两种尾矿材料进行烘干，进行比重试验和相对密度试验，得出的基本物性 指标见表2 1 。从表2 1 可以看出，细颗粒尾矿材料的比重略大于粗颗粒的比重， 文献p 7 】指出尾矿砂的比重较一般砂土( 石英砂) 要高，粒度越细比重越大，这与 本文的试验结果也是相符合的，笔者认为其原因是无论粗颗粒尾矿材料还是细颗 粒尾矿材料均来源于相同的矿石，在选矿后磨碎程度的不同就得到颗粒粗细细不 同的尾矿材料，尾矿材料颗粒越细，则矿石的内孔隙释放越多，故比重越大。而 细颗粒尾矿材料的最大最小干容重均小于粗颗粒材料的干容重，这些指标为进一 步制备不同密度的试样提供数据基础。 表2 - 1 尾矿材料的物理力学性质指标 2 2 2 颗粒组成分析 尾矿是经磨碎的选矿弃物，成粉细砂土状，是尾矿坝坝体的构筑材料，其颗 粒组成决定坝体的渗透性能、压缩和剪切强度性能