上游式尾矿坝地震液化及抗震加固措施研究

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我国是一个多矿的工业大国,因而尾矿坝分布广泛。由于尾矿坝筑坝工艺及堆存材料的特殊性,产生的安全问题就较多。其中地震作用下尾矿坝液化是造成溃坝的主要原因之一。所谓液化,就是饱和砂土在地震荷载作用下,土体内孔隙水压力上升,导致土体上覆有效应力减小,当孔隙水压力与上覆有效应力相等时,土体抗剪强度消失的现象。尾矿坝一旦发生溃坝事故,势必将造成巨大的社会后果,所以深入研究地震作用下尾矿坝的动力响应、地震液化以及坝体稳定性问题,并提出相应的加固措施是十分必要和迫切的。本论文依托于某上游式尾矿坝开展研究,包括动力响应、地震液化、坝体稳定性以及抗震加固措施等方面的内容,完成了以下几个方面的工作:(1)建立坝高为105m的上游式尾矿坝计算模型,采用非饱土流固耦合理论对尾矿坝进行渗流分析,并利用邓肯-张E-B模型对尾矿坝进行静力计算,得到坝体的应力水平、位移以及浸润线的相对位置分布。结果表明:坝体的应力水平最大值为0.84小于1,表明未出现剪切损伤;顺河向和竖直向最大位移为0.35m、3.15m;坝体最大主应力和最小主应力均为压应力;浸润线的逸出位置在初期坝坝脚,没有从堆积坝的坝坡逸出。表明该尾矿坝在静力作用下未出现破坏。(2)以静力计算结果作为初始条件,采用Fortran语言编写等效线性模型和孔压应力模型。计算得到地震作用下坝体动位移、响应加速度和孔隙水压力增量,再通过有效应力法判别尾矿坝的液化区。结果表明:坝体顺河向和竖直向最大位移为0.47m、0.040m;最大响应加速度依次为5.0m/s~2、2.9m/s~2;液化区主要集中在浸润线以下的沉积滩浅层区域。(3)通过强度折减动力分析法,计算得出坝体的安全系数为1.74。(4)根据以往关于尾矿坝的抗震加固措施,采用排土场与尾矿坝相结合的加固方式,即利用矿山排土对尾矿坝坝体进行压坡处理,该设计方案在加固尾矿坝的同时又能为排土提供存放场所。与传统的加固方案相比,既节省了加固费用又节约了排土场用地。计算结果表明:压坡后坝内浸润线埋深有显著的降低;坝体顺河向最大动位移由0.47m降低至0.375m,坝体竖直向最大动位移由0.040m增加至0.056m,坝体最大动位移从坝顶区域转移到沉积滩区域;相对压坡前坝体顺河向加速度放大倍数从3.38降至2.34,竖直向加速度放大倍数从1.96降至1.79;坝体最小安全系数从1.74增加到1.99;尾矿坝液化区有小范围的减小。通过对比两种工况下的坝体浸润线的位置、动位移、响应加速度、安全系数以及液化区,得出压坡能很大程度的提高尾矿坝的稳定性。
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