某尾矿坝稳定性的颗粒流数值模拟研究

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尾矿坝的安全问题直接关系到人民的生命财产安全、自然环境及矿山企业的利益。为了研究尾矿坝的宏细观破坏机理,本文结合国家重点研发计划项目“大型高尾矿库溃坝灾害防控关键技术研究及应用示范(2017YFC0804601)”,以江西省某尾矿坝工程为项目依托,结合室内试验与数值模拟等方法,从宏细观层面对尾矿坝进行了颗粒流数值模拟研究,该方法弥补了极限平衡法须假定滑移面及无法分析破坏过程的缺点。研究的主要内容和成果如下:(1)通过粒径分析将尾砂层分为尾粉土、尾粉砂、尾粘土及尾矿泥四层,并分别进行直剪试验,获得其抗剪强度、含水率等参数。(2)采用颗粒流软件PFC2D进行了300多组不同参数下的双轴试验,结果表明:对粘聚力敏感性较强的细观参数为:法向刚度与切向刚度之比、法向黏结强度与切向黏结强度之比;可忽略的敏感性较弱的细观参数为摩擦系数。对内摩擦角敏感性较强的细观参数为:法向刚度与切向刚度之比、摩擦系数;可忽略的敏感性较弱的细观参数为:法向黏结强度与切向黏结强度之比、颗粒黏结强度。在此基础上,采用圆盘颗粒(ball)模型分别对尾砂层及基岩试样进行双轴试验;同时采用颗粒簇(clump)模型对初期坝试样进行双轴试验,完成了尾矿坝的细观参数标定。(3)基于强度折减法理论对颗粒切向黏结强度和摩擦系数进行折减,PFC计算得出正常水位及洪水位时的安全系数分别为2.67和1.83。Bishop法、Janbu法、Morgenstern-price法计算得出正常水位时的安全系数分别为2.126、2.079、2.128,洪水位时的安全系数分别为1.624、1.550、1.563。PFC的计算结果偏大是因为宏细观参数之间没有系统的理论进行匹配,颗粒集合体与实际材料的力学性质不尽相同,且颗粒尺度效应会影响坝体的安全系数。(4)初期坝整体比堆积坝破坏程度更为明显。正常水位时,初期坝为局部滑动破坏,表现为坝脚处土体往前滑动,坝中至坝脚处鼓起;堆积坝下部比上部滑动早且更为明显。洪水位时,初期坝为整体滑动破坏,而堆积坝为下部先发生较大滑动,并加剧上部滑动。(5)不同降雨条件下,随着初期坝强度的增大,尾矿坝的安全系数提高,各监测点的位移减小;初期坝强度不变情况下,洪水位时各监测点的位移比正常水位时各监测点的位移大,监测点坝顶、坝中和坝脚位移依次减小。黏性材料(浆砌石坝)组成的初期坝,其强度比无黏性材料(堆石坝)组成的初期坝更高,尾矿坝的安全系数也更高。
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