（安全技术及工程专业论文）尾矿坝非线性系统混沌与安全研究.pdf

1 4 尾矿坝渗流进行了预测；结果表明，该模型预测精度较高。文中还 进行了灰色理论与混沌的耦合分析。 防洪渡汛是尾矿坝安全管理的重点。本文根据安全工程学原理， 建立了汛期尾矿库渍坝事故树，并进行了最d , 害- t l 集、最小径集及结构 重要度分析。结果表明，科学地决策汛前的排洪措施，是尾矿库防洪 渡汛的重点。文中创造性地将事故树中的逻辑关系模糊化，提出了一 种新的适用于尾矿库系统分析的模糊逻辑关系事故树。论文最后提出 了一种模糊灰色综合评价方法，对尾矿库安全进行评价。 关键词：尾矿坝，混沌，安全，系统，浸润线 i i 中南大学博士学位论文 r e s e a r c ho nc h a o sa n d s a f e t y o fn o n l i n e a r s y s t e m f o r t a i l i n g sd a m a b s t r a c t t h es a f e t yo ft a i l i n g sd a mi sa ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h e f i e l do fm i n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es a f e t yo ft a i l i n g sd a m i sr e s e a r c h e d d e e p l y a n dt h o r o u g h l yf o rt h ef i r s tt i m ei n n o n l i n e a rd y n a m i c sa n ds y s t e ms c i e n c eb a s e do nt h er e v i e wo f r e s e a r c h i n go nt a i 1i n g sd a ma th o m ea n da b r o a d t h ep u r p o s eo f t h i sw o r ki st or e v e a ls a f e t ym e c h a n i s ma n db r i n gf o r w a r ds a f e t y m e t h o df o rt a i1i n g sd a m t h ee v o l u t i o no ft h es a t u r a t i o n1 i n ei san e wr e s e a r c h p r o b l e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t s a n dt h ec o r r e l a t i o nd i m e n s i o na r e a p p l i e d t oa n a l y z et h e m o n i t o r i n g d a t ao ft h es a t u r a t i o nl i n eo ft a i l i n g sd a mi n y i n s h a nl e a d z i n cm i n ea n dn o 2t a i l i n g sd a mi nd e x i n gc o p p e r m i n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee v o l u t i o no ft h es a t u r a t i o n1 i n e i sac h a o ss y s t e m ，a n dt h es t a t eo ft h es a t u r a t i o n1 i n ec a nb e e v a l u a t e db yt h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t s n o to n l yd o e st h e w o r kr e v e a le v o l u t i o ne s s e n t i a lo ft h es a t u r a t i o n1 i n eb u ta l s o p o i n t o u tan e w w a y t oa n a l y z et h em o n i t o r i n gd a t a t h e e v o l u t i o no ft h es a t u r a t i o n1 i n ec a nd i s p l a yi nt h ed i m e n s i o n o fb o t ht i m ea n ds p a c e c o n s i d e r i n gt h es l o p ea n g l eo ft a i l i n g s d a m ，ac o u p l e dm a pl a t t i c e sm o d e l i sp r o p o s e dc r e a t i v e l yt o d e s c r i b et h es p a t i o t e m p o r a le v o l u t i o no ft h es a t u r a t i o n1 i n e o nt h eb a s i so fo n e - w a yc o u p l e dm a pl a t t i c e s u n d e rt h eg i v e n i n i t i a l c o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o no ft h es a t u r a t i o n 1 i n e ，t h en o n l i n e a rd y n a m i co ft h en e wm o d e li sa n a l y z e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o m p l e xs p a t i o t e m p o r a l b e h a v i o r e x i s t si nt h ee v o l u t i o no ft h es a t u r a t i o n1 i n ew h i c hc a nb e i n f l u e n c e dr e m a r k a b l yb ys l o p ea n g l e 。 a c c o r d i n gt ot h e f a c tt h a t t h es a t u r a t i o n1 i n ee v o l u t i o n n i a b s t r a c t e x i s t sc h a o ss t a t ew h i c hg i v e sa f f e c t i o nt ot a i l i n g sd a m s a f e t y i nt u r n ，am e t h o do fc o n t r o l l i n gc h a o si sp u tf o r w a r db a s e do n 0 g ym e t h o d ( w e a kp e r t u r b a t i o n ) t h ee s s e n c eo ft h i sm e t h o di s t o a n a l y z e t h e l a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t s a n du s et o d i s c r i m i n a t et h ec h a n g eo fc h a o t i cc h a r a c t e ri nt i m es e r i e s b e f o r ea n da f t e rs u p e r p o s i n gap e r i o d i cv i b r a t i o n ，a n df u r t h e r r e a li z ec h a o sc o n t r 0 1 w i t ht h i sm e t h o d ，t h em o n i t o r i n gd a t a o ft h es a t u r a t i o n1 i n eo ft a i l i n g sd a mi ny i n s h a nl e a d z i n cm i n e a r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a o sc a nb er e s t r a i n e d b ys u p e r p o s i n gap e r i o d i cv i b r a t i o n t h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n g c h a o si nt a i l i n g sd a ms y s t e mc a nb er e a l i z e db yt h ee n g i n e e r i n g m e a s u r eo fp e r i o d i cc o n t r 0 1 t h et a i l i n g sl e n t i c l ew h i c hi sak e yf a c t o rr e f l e c t i n gt h e s e d i m e n t a t i o ns t a t eo ft a i l i n g sd a m ，h a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h e s t a t eo fs a t u r a t i o n1 i n e i no r d e rt od i s c l o s e t h e r e g u l a r i t i e s o fd i s t r i b u t i o no ft a i l i n g sl e n t i c l e s ，t w e l v e g e o l o g i c a le x p l o r a t i v e c r o s s s e c t i o n sw h i c hb e l o n gt os e v e n t a i l i n g sd a m sa r ea n a l y z e dw i t h b o xd i m e n s i o n t h er e s u l t sm a k e c l e a rt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft a i l i n g sl e n t i c l e sh a sf r a c t a l c h a r a c t e r ，a n dt h ev a l u e so fl e n t i c l e sb o xd i m e n s i o nr e f l e c t t h es e d i m e n t a t i o ns t a t eo ft a i l i n g sd a m t h es a t u r a t i o nl i n em o n i t o r i n g ，w h i c hi s d o n e b y m a n u a l u s u a l l yw i t hp i e z o m e t r i ct u b e ，i st h em a i ni n v e s t i g a t i o ni t e m i nt a i l i n g sd a m i no r d e rt om o n i t o rt h es a t u r a t i o n1 i n e ，a n a u t o m a t i cm o n i t o r i n gt e c h n i q u ea n d as h a l l o wr e f r a c t i v e s e i s m i cm e t h o da r es t u d i e d b o t ho ft h e mh a v eb e t t e re f f e c to n m o n i t o r i n g t os o l v et h ep r e d i c t i o np r o b l e mo fu n e q u a li n t e r v a ls e q u e n c e w h i c ha p p e a r su s u a l l yi nm o n i t o r i n gd a t ao ft a i l i n g sd a m ，t h e t i m ea n dd a t as e p a r a t i o na p p r o a c hi sp u tf o r w a r dc r e a t i v e l yi n s u c haw a yt h a tl e t st h et i m eb es e p a r a t e df r o mt h ed a t at og a i n t h et i m es e q u e n c ea n dd a t as e q u e n c e ，a n dt h e nc o m b i n e sb o t ht i m e s e q u e n c e a n dd a t a s e q u e n c er e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n t e r v a l s e q u e n c e f o rc o n s t i t u t i n gt i m ea n dd a t am o d e l ，a n df i n a l l y i v 中南大学博士学位论文 s y n c h r o n o u s l y m a k e s p r e d i c t i o n a c c o r d i n g t ot h e m e t h o d ， g m ( 1 ，1 ) a n de r r o rm o d e lo ft i m ea n dd a t aa r ea n a l y z e d f o r e x a m p l e ，t h et r e n do ft h es e e p a g ef l o w is a n a l y z e d i nn o 1 t a il i n g s d a mo fd e x i n gc o p p e rm i n e ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h em o d e lc a np r e d i c te f f e c t i v e l y t h eg r e yt h e o r yi sa l s o u s e di nc h a o sa n a l y s i si nt h i sd i s s e r t a t i o n f l o o dp r e v e n t i o ni se m p h a s i z e di nt h es a f e t ym a n a g e m e n to f t a i l i n g sd a m a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fs a f e t ye n g i n e e r i n g ， af a u l tt r e eo ft a i l i n g sd a mf a i l u r ed u r i n gf l o o ds e a s o ni s e s t a b l i s h e da n da n a l y z e db ym i n i m u mc u ts e t s ，m i n i m u mp a t hs e t s a n ds t r u c t u r ei m p o r t a n c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee m p h a s i s o ff l o o d p r e v e n ti o n o ft a i1i n g sr e s e r v o i ri st ot a k et h e m e a s u r e m e n to fs c i e n t i f i ef l o o dd i s c h a r g i n g i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，an e wf a u l tt r e ew i t hf u z z yl o g i cr e l a t i o n i s p r o p o s e db y w h i c ht h e l o g i c r e l a t i o ni sd e a l tw i t hf u z z y m a t h e m a t i c sc r e a t i v e l y f i n a l l y ，as y n t h e t i c a l e v a l u a t i o n m e t h o do fg r e y f u z z yi sp u tf o r w a r dt oe v a l u a t et h es a f e t yo f t a i l i n g sr e s e r v o i r k e yw o r d s ：t a i l i n g sd a m ：c h a o s ：s a f e t y ：s y s t e m ：s a t u r a t i o n j n e v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：年月 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名：日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 尾矿坝研究现状及述评 1 1 1 尾矿坝研究现状 1 1 1 1 尾矿坝及其研究方法 尾矿设施是矿山生产设施的重要组成部分，其投资较大，一般约占矿山建设 总投资的5 1 0 。尾矿库是尾矿设施的主要部分，包括尾矿坝和库区等。尾矿 坝由初期坝( 也叫基础坝，下文均称为初期坝) 和后期堆积坝( 下文均称为堆积坝) 组成，它的安全直接关系到下游人民生命财产和库区周边地区的生态环境。历史 上，尾矿坝发生的事故曾造成巨大的灾难“。2 3 。如1 9 9 6 年9 月2 8 日，我国云南 锡业公司火谷都尾矿库发生溃坝事故，死亡1 7 1 人，赢接经济损失达2 0 0 0 多万 元”1 。据统计，世界上发生的各种重大灾害中，尾矿坝灾害居地震、霍乱、洪水 和氢弹爆炸等灾害之后第1 8 位，比航空失事、火灾等事故都要严重。3 。目前， 世界上正在使用的尾矿库和工业废料库约有2 0 万个。1 ，尾矿坝数量则远远超过 这个数字。随着工业发展，尾矿坝数量越来越多，坝体堆积越来越高，因此，尾 矿坝的安全问题极为重要。早在十九世纪，人们就开始对尾矿坝安全进行研究， 太沙基创立土力学后，出现了极限平衡、有限元等研究方法“，但这些方法都没 有从系统的角度出发。尾矿坝是一个复杂的非线性系统，许多内在的因素及其作 用机理，人们至今尚无法认识清楚。同时，尾矿坝研究牵涉到许多方面的因素， 采用单一的方法无法根本解决问题。因此，有必要采用系统科学的方法从多个角 度研究尾矿坝，至今这项工作进展有限“1 ，且研究深度也远为不够。 1 1 1 2 尾矿坝堆筑 尾矿坝的堆筑方法分为上游法、中线法及下游法三种。上游法尾矿坝由于浸 润线较高，容易发生震害，如1 9 6 5 年智利l a l i g u a 地震和1 9 7 8 年日本i z u o s h i m a 地震，造成了周围矿山上游法尾矿库溃坝。，因此国外近年来较少采用上游法 筑坝。我国由于历史原因以及上游法具有的堆筑工艺简单、管理方便及成本较低 的优点，广泛采用这种方法，目前具有相当规模的1 5 0 0 余座尾矿坝中，绝大部 分采用了上游法堆筑” 。 从降低浸润线的要求看，上游法尾矿坝初期坝高一些为好；从减少工程投资 的要求看，则初期坝越低越好。速宝玉等“1 通过分析，认为初期坝高取总坝高的 1 3 1 6 为宜。上游法尾矿坝应选用透水初期坝，特别是对采用细粒尾矿堆积 的尾矿坝”1 。太钢峨口铁矿采用定向抛掷爆破施工滤水堆石初期坝，不仅节约基 中南大学博士学位论文 建投资5 0 ，并且加快了施工进度。经过2 0 年的运行，坝体状态正常。1 。 堆积坝一般采用池填法和坝前分散管排放，人工配合推土机堆筑。太钢峨口 铁矿采用水力旋流器分级沉砂移动筑坝，筑坝高度l o o m ，在坝外坡面形成了一 层粗粒级尾砂。1 。文献 1 0 介绍了武钢大冶铁矿白雉山尾矿坝及河北西石门铁矿 后井尾矿坝，它们采用了旋流器与分散管交替排放联合堆筑子坝新工艺，也在坝 外坡面形成了一层粗粒级尾砂。采用水力旋流器分级沉砂构筑的尾矿坝工程实践 表明，这层粗粒级尾砂起到了防止坝体振动液化、减少坝坡渗流破坏的作用。 细粒尾矿堆坝一直是上游法尾矿坝工程的重要研究课题。陈守义。1 分析了细 粒尾矿堆坝的不利因素，认为细粒尾矿堆成的坝体，静、动力稳定性都较差。陈 守义“还对细粒泥层内超静孔隙水压力的积累和消散过程进行了分析，在一维固 结、小应变及土性参数不随有效应力水平变化等前提下，得到了坝坡段、干滩段 和人工湖段的超静孔隙水压力的计算公式。 1 1 1 3 尾矿坝渗流及排渗 渗流是尾矿坝稳定性的最主要影响因素。获取渗流场的方法一般有现场测量 法、数值模拟法、物理模型试验法。速宝玉等“”将正置模型用于尾矿坝渗流场的 电模拟研究试验。尚全夫等“”研究了尾矿坝渗流的计算，提出了以盲沟抽水代替 排井抽水的浸润线计算公式： f 厂i 一 y ：j 、瑶+ 嚣( 卜厶) 垃工。 ( 1 1 ) 。l 墒i 石 z 兰厶 式中，y 、x 为坐标，为排水沟水深，g 为沟上游段渗流量，足为渗透系数， 三。为排水沟距初期坝位置，6 0 为初期坝坝脚处的浸润线高度。 潘惠芬等“通过分析得出：( 1 ) 尾矿排放水对浸润线有重要影响，分散尾矿 排放比均匀尾矿排放的浸润线低；( 2 ) 分散尾矿排放时尾矿排放水对浸润线影响 的修正系数为0 5 o 8h ，h 为考虑尾矿排放水影响与不考虑尾矿排放水影响 时的浸润线之差。速宝玉等”1 通过有限元计算分析，得出以下几种因素对尾矿坝 渗流场影响程度大小的次序：堆积坝高 坝内各层渗透系数之比 堆积坝下游坡 t k 堆积坝干滩长度 初期坝高 堆积坝上游坡比；当坝高一定时，以渗透系数 的影响最大，干滩长度对浸润线的影响在坝体分层确定之后，显得特别重要，在 洪水期应严加控制，以免发生因干滩长度过短而造成浸润线上升的现象。这些结 论对指导尾矿库设计与管理具有重要意义。 降低尾矿坝浸润线的方法，有水平排渗、轻型井点排渗、辐射井式排渗等。 各种方法的优劣不尽相同，具体选用时要结合尾矿坝的渗流状况、所处地理位置 等条件。本钢歪头山铁矿小西沟尾矿坝采用了水平孔一竖直袋状砂井联合自流排 2 第章绪论 渗技术“，安徽钟山铁矿尾矿坝采用水平排渗技术“，均取得了很好的效果。 土工织物广泛用于尾矿坝排渗设施，但是经常会遇到淤堵问题。孔丽丽等“” 通过对江西武山铜矿尾矿坝排渗系统的实验研究，得出氢氧化铁凝胶在织物纤维 上的附着是化学淤堵的主要机理，尾矿中含有大量的细粒黄铁矿且滤层处于非饱 和渗流带或饱和一非饱和交替变化渗流带，是土工织物发生严重化学淤堵的必要 条件。王勇升“”通过研究得出土工织物渗透性准则： ( 1 ) 当被保护土( 渗透系数足。) 为尾砂或粉煤灰时，无压条件下测定的土工 织物渗透系数足。应满足 k g 1 0 0 k ， ( 卜2 ) ( 2 ) 当被保护土为粘土时，足。应满足 t ( 卜3 ) 对于尾矿回水系统，王世夏“”根据大量的试验研究，给出了高尾矿坝具有圆 形框架式进水塔的竖井排洪道，以环形堰流、孔流、孔堰多层流及有压管流等各 种流态运行时的泄流能力计算公式，如孔堰多层流的流量q 计算公式为 q = m 。工2 9 日， + z 。，l e ，2 9 日。， ( 1 4 ) 式中m 。为环形堰综合流量系数，为净溢流长度，g 为重力加速度， 日。为 库水位与堰顶之间的水头，风。为第f 层孔流流量系数，e ，为第f 层孔口垂直净高， h 。，为第i 层孔口中心水头。 1 1 1 4 尾矿坝地震反应研究 我国东北、华北地区的十几座大型尾矿坝经受住了1 9 7 5 年海城大地震和 1 9 7 6 年唐山大地震的强烈袭击1 ，这种现象引起了很多学者的关注。以冶金部 建筑研究总院和加拿大阿伯塔大学、不列颠哥伦比亚大学为主组成的中加合作研 究组，历时5 年，在深入研究唐山地震特征、坝体震害表现的基础上，选择有代 表性的大石河尾矿坝，进行了全面系统的勘察、试验和计算分析，取得了对尾矿 坝地震反应研究有普遍指导意义的研究成果： ( 1 ) 阐明了研究人工输入地震动的必要性锄1 ，并且提出了三种基岩输入地震 动时程曲线。“； ( 2 ) 进行了包括静三轴试验、动三轴试验、动单剪试验及共振柱试验的室内 试验，得出了许多有价值的结论”“。通过对尾矿粘性土的动力变形和强度特征分 析。，得出：( a ) 尾矿粘性土动剪切模量的衰减速率，随着粘粒含量的增加和塑 性指数的增大而减小，粘滞阻尼比受塑性指数的影响不明显；( b ) 尾矿粘性土的 动强度随着土样塑性指数的增大而增大，强度衰减速率随着塑性指数的增加而逐 渐变缓。 3 中南大学博士学位论文 ( 3 ) 提出了一种适用于尾矿坝沉积滩液化分析的方法。“，即平均动剪应力 f 。，为 编 f 删= o 6 5 口一。b 。k ( 卜5 ) g 式中 ，为容重， 为深度，g 为重力加速度，口一为地面最大加速度，0 为深 度折减系数，。为距离折减系数，k 为加速度放大系数。 ( 4 ) 提出了用稳态理论分析尾矿坝地震液化与稳定的方法。 ( 5 ) 文献 2 6 根据二维非线性有效应力动力反应分析，得出( a ) 尾矿坝在沉 积滩、水池较大范围内会发生液化，液化最大深度为浸润线下1 4 m ；( b ) 在坝顶 区振动产生的最大超孔压为其上覆有效应力的4 0 ；( c ) 在下游坡和沉积滩上， 会出现水平拉应力，进而导致地震裂缝的产生。 另外，一些学者对其它尾矿坝的动力特性也进行了研究。阎金安。7 1 通过对银 山铅锌矿尾矿坝尾砂的动力特性研究，认为中值粒径d ，。和不均匀系数较小的尾 砂相对更容易液化。 1 1 1 5 尾矿库溃坝 尾矿坝的建造有较长历史，如b r e n t 尾矿坝于1 8 3 0 年中期已经建成”。尾 矿坝的各类灾害时有发生，这些灾害中，溃坝带来的人员伤亡、环境污染及经济 损失最为严重。西班牙a z n a l c o l l a r 尾矿坝1 9 9 8 年溃坝，下游4 6 0 0 万m 2 区域受 到污染“”1 。意大利s t a v e 尾矿坝1 9 8 5 年的溃坝导致了近3 0 0 人死亡和巨大的 财产损失。1 。1 9 9 4 年南非m e r r i e s p r u i t 尾矿库溃坝，导致1 7 人死亡。1 9 9 5 年圭亚那( g u y a n a ) o m a i 金矿尾矿坝破坏后，9 0 0 名圭亚那人因饮用氰化物污染水 死亡。1 9 9 4 年c a l i f o r n i a 地震引起的t a p oc a n y o n 尾矿库溃坝，带来了巨大 的经济损失和环境污染。“。1 9 5 0 年s o d ab u t t e 河一座尾矿库溃坝使该区域受到 严重污染o “。地震液化是导致尾矿库溃坝的一个主要方式，虽然这种方式在我国 尚未发现，但在国外例子不少“”1 ，在美国和加拿大有数千座尾矿坝，都面临 地震的威胁o “。静态液化也可以导致尾矿库溃坝，如1 9 9 4 年南非m e r r i e s p r u i t 尾矿库溃坝，就是因为尾矿坝处于临界失稳状态，产生了静态液化。，最终导致 溃坝。 对于尾矿库溃坝，一些学者进行了深入研究。b l i g h tge 3 ”研究了南非五 座环形尾矿坝的溃坝情况，得出尾砂流的运移距离和地表的干湿状态有关，尾砂 流在湿的地表比在干的地表上运移的距离要长。陈青山等1 提出了一种数学模型 来预测尾矿库溃坝后砂流对坝体下游的影响。m o x o ns 。”研究了西班牙南部l o s f r a i l e s 矿尾矿坝发生的事故，认为以下几点对预防溃坝至关重要：( 1 ) 改善尾 矿坝设计及施工技术；( 2 ) 不断修正尾矿库的尾砂量和库水位；( 3 ) 评价下游的灾 4 第一章绪论 害及环境风险：( 4 ) 调控坝体的安全。s h a k e s b yra 等“”研究了赞比亚a r c t u r u s 金矿尾矿库溃坝，认为坝基排渗条件差、坝外坡太陡、坝体尾砂处于饱和状态是 溃坝的原因。 尾矿库溃坝是由多因素导致的，s t r a c h a nc 4l 通过调查美国所发生的尾矿库 溃坝，得出导致溃坝的原因有洪水漫顶( o v e r t o p p i n g ) 、静力或地震的不稳定性 ( s t a t i ca n ds e i s m i ci n s t a b i l i t y ) 、渗流和内部腐蚀( s e e p a g ea n di n t e r n a l e r o s i o n ) 以及基础条件差( p o o rf o u n d a t i o nc o n d i t i o n s ) 。 1 1 1 6 尾矿库( 坝) 管理 实例表明，尾矿坝发生溃坝事故的一个重要原因是管理不规范。根据美国 i n s t i t u t eo fm i n i n ga n dm e t a l l u r g y 对溃坝事故的分析，由于尾矿坝管理水 平的提高，近十年来溃坝事故的发生率较以往大大减少“1 。祝玉学“”提出在执行 尾矿库管理规范的同时，应不断引进当代先进的技术，不断吸纳尾矿库工程研究 的最新成果；并认为尾矿库管理不应是矿山行为，而应是社会行为，只有这样， 才能保证尾矿库从设计、建设到闭库过程中的安全，以及与环境的协调。尾矿库 管理的一个重要内容是对尾矿坝进行监测，常见的监测项目有水平位移、沉降位 移、孔隙水压力、浸润线等。由于浸润线状况对尾矿坝安全极为重要，因此一般 矿山均对浸润线进行监测。1 。目前，国内矿山主要通过测压管监测浸润线。 h a r p e rtg 。7 1 给出了一种评价尾矿坝地震稳定性的系统方法，以决定是否 继续加高尾矿坝。h u g h e she “”在尾矿坝下游设计了一个温泉池( w a r ms p r i n g s p o n d s ) ，该池在溢洪道出现突发情况时有一定作用。s c o t tmd 等“”概述了 h i g h l a n dv a l l e yc o p p e r 尾矿坝成功的管理要点，主要是尾矿坝安全、环境保 护、闭库后的复垦、较高的抗震设计标准、较高的防洪设计标准及最优化筑坝方 法。 1 1 1 7 尾矿库环境污染 尾矿库对环境产生的影响主要表现为库水有害物质对环境造成危害，尤其当 尾矿坝设计或管理不当造成溃坝时，给环境带来的危害更加严重o ”1 。因此，对 尾矿坝来说，环境与安全是一个有机统一的整体。李社红等1 在某金矿溃坝3 年 后，对溃坝污染区域的环境进行研究后发现，被污染土壤中氰化物的自然降解速 度非常缓慢，被污染土壤成为环境中的二次污染源，对地表环境、地面水及地下 水具有长期潜在危害。文献 4 6 分析了西班牙a z n a l c 6 1 1 a r 尾矿库溃坝后带来的 地下水污染情况，溃坝前，该处地下水中的矿物以钙一碳酸盐和钙一硫酸盐的形式 存在，溃坝后，水中的金属离予浓度大大提高。玻利维亚p o r t o 矿尾矿库1 9 9 6 年释放了大约2 3 5 0 0 0 m a 库水流入r i op i l a y a 流域，造成了该河流a s 、s b 、c d 等重金属含量提高，甚至在远离矿区2 0 0 k m 处还有影响“”。d igf 等“”研究了 中南大学博上学位论文 意大利s a r d i n i a 现用的m a s u a 铅锌矿尾矿库和废弃的m o n t e v e c c h i o 铅锌矿尾矿 库渗流水对流经区域的土壤和水的污染情况，发现它们受到了p b ，z n ，c d ，c u 等重 金属的严重污染。当尾矿被直接排放到水系时，其危害更大。如美国c a r s o n 河 由于被倒入含有h g 的尾矿近7 1 0 0 t ，严重污染了下游的l a h o n t a n 水库和 s t i l l w a t e r 野生生物管理区。 对于尾矿库污染，一些学者进行了监测研究。s o r r e l1s “”认为在坝体设计 时就要将监测考虑进去。b u s e l l ig 等4 “在澳大利亚北部r a n g e r 矿区，成功应 用电法和电磁法来探测尾矿坝渗流。b 1 i g h tge 1 5 2 1 运用表面能量平衡法( s u r f a c e e n e r g yb a l a n c e ) 评价尾砂表面的蒸发量和蒸发率。 ) m a n 矿业公司，在尾矿坝下 游1 4 k m 范围内，布设了监测井网，获得了1 9 8 2 年至1 9 9 3 年地下水的污染数据”。 g h o m s h e imm 等。”在加拿大n i c k e lp l a t e 矿，采用综合水化学和同位素的方法 来测试尾矿库的渗漏，进而评价库水对地下水的污染。k e m p e rt 等。”采用反射 光谱法( r e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ) 测试被尾矿水污染土壤中的重金属。 m a r t i np 等5 ”在r a n g e r 铀矿尾矿坝附近设置监测井对水质进行监测，发现硫酸 盐的浓度提高了1 0 0 0 倍且观察到了“r a ；同时，还采用镭的同位素对钻孔水进 行监测。f e r n a n d e shm 等3 通过重金属和放射性元素的监测数据，评价巴西 p o c o sd ec a l d a s 尾矿库对地表和地下水的污染，并对未来闭库后潜在的环境影 响作了预测。 为了减少尾矿水对环境的污染，一些学者进行了污水治理方法的研究。 g r o u d e vsn 等。7 1 认为含重金属、放射性元素、砷以及硫酸盐的尾矿库污水，可 以有效地被由厌氧菌( a n a e r o b i cc e l l ) 和潮湿土壤组成的系统治理，厌氧菌包含 在一个由家禽肥料、麦杆及锯屑等组成的混合体中。w i l s o nhr 。”介绍了一种防 止尾矿坝渗漏的方法，即采用粉砂堆筑坝体时，在迎水面使用聚氯乙烯( p v c ) 材 料进行不透水人工衬砌。李社红等1 提出了在产生尾矿浆的同时进行氰化物处理 的建议。林奕宗等“”研究了尾矿库废水净化课题，提出了一种经济有效的方法： 通过在坝的迎水面内侧敷设过滤和净化材料，废水通过坝体时，其悬浮物、重金 属离子和其他有机物与过滤材料进行物理化学作用，从而达到净化废水的目的。 对于尾矿库污染，一些学者进行了理论研究。p a u i s e n 等”1 在美国i d a h o 的 m o o nc r e e k 流域，研究了尾矿库下游金属离子的转移规律。l a n g e d a lm b t 3 对比 分析了尾矿库及其流域中c u 、m o 化学存在形式及含量变化。p e t e r sgp 等”对 于尾矿坝这样一类的多孔介质，模拟其溶解物流动；由块体平衡理论得出变形多 孔介质流动和传输方程，认为多孔介质大变形时溶解物通过时间较短，其次是小 变形，最后是刚性；同时，还认为在大变形分析中，考虑时空特征是非常重要的。 生态复垦是尾矿库区的一个重要研究课题，特别是在尾矿库闭库后，生态复 6 第一章绪论 垦有利于保护环境。r y k a a r tm 等“”认为尾矿库复垦面临两方面的问题，即坝体 稳定和渗流。b r a v or 等m 1 强调了复垦计划的重要性。y a n gzy 等“”研究了在 p b z n 尾砂上种植田菁属( s e s b a n i a ) 植物，结果表明，大约9 0 的种子在高含量 的p b ，z n ，c u 和c d 的尾砂中能发芽，并可以在尾矿坝上完成四个月的生长期；用 无机肥料改良过的尾砂对田菁属植物的生长没有明显的作用，而用河泥或家肥改 良过的尾砂有利于植物的生长。 1 1 1 8 边坡非线性系统研究 尾矿坝和其它各类坝体一样，都属于边坡工程，尾矿坝的稳定性分析方法和 其它边坡工程相同。3 。近年来；非线性系统研究已成为边坡的主要热点之一。黄 志全。“”、d a r v ef ”1 、c h a ukt ”、刘军”“从分岔角度研究了边坡；孙树林等1 、 秦四清”2 “从突变角度研究了边坡。许强”运用混沌动力学理论对边坡岩体平面 摩擦滑动和粘弹性动力学模型进行了分析；李静辉。”发现岩板顺层斜坡和直坡在 演化过程中有随机共振和混沌现象；曾开华。6 1 采用k o l m o g o r o v 熵分析了边坡变 形破坏；许强”运用重正化群理论和元胞自动机模拟，对斜坡演化的自组织特征 进行了研究。l o m b a r d ig ”7 1 认为对大坝的分析，应采用混沌理论：k r i n i t z s k ye l 1 7 8 1 应用混沌理论分析了坝体的地震响应；吴中如”采用关联维数d ，分析了甘肃 碧口水电站库区滑坡的位移监测资料。李亮等”1 对边坡节理裂隙特征进行了分形 研究：p e l l e t i e rjd 。“采用分形方法研究了边坡的稳定。s e i d e ljp 4 认为可 以采用分形几何描述大坝基础；x i a oyx 阻3 1 采用分形几何方法研究了坝址材料的 颗粒大小分布。d a r v ef 等通过l y a p u n o v 指数分析，发现了边坡失稳的应力 应变状态：吴中如等“4 1 提出将最大l y a p u n o v 指数作为岩土边坡稳定的判据；陈 益峰等。”在边坡位移预测中，给出了一种最大l y a p u n o v 指数的改进算法。刘小 丽”1 认为现有的边坡稳定性评价方法存在许多不足，应采用系统科学方法；李建 林等时1 应用系统科学方法分析了三峡工程永久船闸陡高边坡；陈有亮0 9 1 将灰色和 协同综合运用于岩体高边坡的稳定性分析中；e r c a n o g l um 等”1 运用模糊集评价 了滑坡。l i uxl 通过对2 7 9 个滑坡的调查，认为岩石类型是导致滑坡的主要 因素，因此采用灰色理论评价了岩石类型；黄铭等o “采用g m o ，1 ) 模型分析三峡 工程永久船闸北坡线法变形资料，取得了较好的效果。世界上约三分之一的大坝 失事，是由于洪水漫坝造成的，姜树海。”。”分别采用模糊和事故树两种方法评 价了洪水漫坝风险；c h e n gst 嘲1 运用事故树方法，分析了坝体溢水( d a m o v e r t o p p i n g ) 现象；z h a n gq e 9 5 采用了事故树分析了溃坝问题。h a s e b em 等1 研 究了将模糊系统及神经网络系统分别作为坝体运作决策系统的情况。 中南大学博士学位论文 1 1 2 尾矿坝研究述评 以上综述表明，尾矿坝研究主要集中于安全与环境两个方面。矿山工作者在 尾矿库的安全管理、污染监测、污染治理以及生态复垦等技术上，进行了大量的 研究。从文献资料可以看出，这些研究基本上都是围绕渗流以及由渗流引发出的 坝体设计、排渗、地震液化、汛期管理、环境污染等展开的，由此可见，渗流是 影响尾矿坝安全与库区环境的最主要因素。浸润线反映了渗流状况，需加强监测 技术研究，包括安全自动监测技术及地球物理探测技术，并且进行等时监测。通 过等时监测获得的浸润线时间序列，适合进行深入的理论分析。 对于获得的浸润线监测数据，有时可以直观判断浸润线状态，但大多数情况 下，很难揭示问题的实质，应对其进行非线性分析。同时，应将非线性分析结果 与工程治理相结合，进行科学的尾矿坝管理。 近些年来，考虑到尾矿库的潜在危害，一些学者提出了用其它技术替代尾矿 库功能的建议，如采用尾矿膏浆技术。”，将尾砂用于采空区充填”1 等，从而取消 建造尾矿坝。这些技术虽然克服了尾矿库的固有缺点，但同时也失去了尾矿库潜 在的价值一座未来可被二次利用的“资源库”，同时，其它技术也不同程度 地存在安全与环境的问题。从这个意义上说，我们真正需要考虑的问题，不是尾 矿库的有无，而是如何确保尾矿库安全并使其与环境协调、统一。 1 2 论文的目的、意义与研究内容 尾矿坝是对人类生命财产、生存环境有巨大影响的构筑物。本文考虑尾矿坝 真实特性，首次将其作为一个非线性动力系统，进行混沌与安全研究，这项工作 具有重大的社会、经济意义和学术价值。论文的目的是揭示尾矿坝安全的内在机 理，提出尾矿坝安全监测、预测及评价的方法。论文的意义可以概括如下： ( 1 ) 通过非线性动力学研究，可以认识到尾矿坝浸润线演化存在的混沌