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世界上的各种重大灾害中,尾矿库灾害仅次于发生地震、霍乱、洪水等灾害而居世界第18位。尾矿坝溃坝灾害不但会造成尾矿大量泄漏,影响矿山正常运行,而且溃坝砂流会淹没农田,危害下游居民的生命、财产安全,污染下游的生态环境。因此对尾矿坝溃坝过程进行研究并建立溃坝灾害风险评估体系是保证尾矿库安全运行和减小灾害危害的必要手段。
本文在收集国内外尾矿坝溃坝资料研究的基础上,通过借鉴边坡、泥石流、水坝溃决等方面研究资料,对导致溃坝的因素进行了分析,建立能够较准确地反映出尾矿坝溃坝砂流流量过程及演进的数学模型,并基于该模型,对尾矿坝溃坝灾害的风险性进行了研究。
论文首先回顾了尾矿坝稳定性、溃坝砂流及溃坝灾害风险研究的国内外现状,分析导致溃坝发生的主要因素(抗滑失稳、洪水漫顶、结构破坏、渗流破坏),并对溃坝因素中的抗滑失稳因素进行了重点研究,介绍了尾矿坝稳定性分析的常用方法(极限平衡法、数值分析法、概率分析法)。在上述工作的基础上,借鉴水坝溃坝的研究资料,基于二维浅水波方程组建立了尾矿坝溃坝数学模型,提出了溃坝灾害风险评估体系,并对溃坝灾害风险性进行了半定量分析。
论文研究内容和成果如下:
1)根据国内外典型的尾矿坝溃坝灾害事故资料统计、分析,总结出尾矿坝溃坝灾害发生的主要因素:抗滑失稳、渗流破坏、洪水漫顶和结构破坏,并详细分析了上述四个因素的形成原因、表现形式及对尾矿坝的危害程度。
2)对尾矿坝溃坝因素中比重最大的稳定破坏因素(抗滑失稳、渗流破坏)进行了重点分析。总结了尾矿坝稳定性分析(抗滑稳定性分析和渗透稳定性分析)方面的理论。抗滑稳定性分析的主要方法有极限平衡法、数值分析法及概率分析法,并对这三种方法的优缺点进行了对比。渗透稳定性分析的重点在于确定浸润线的逸出位置,总结了浸润线和渗透稳定性的计算公式。
3)基于二维浅水波方程,借鉴水坝溃决方面的研究成果,建立了尾矿坝溃坝数学模型,并对该模型的求解进行了详细阐述。该数学模型的基本假定有:尾矿砂是各向同性的连续介质体;计算中不考虑体积变形只考虑偏应力张量引起的变形;尾矿砂流动采用宾汉流体模型。该模型可以较准确的模拟尾矿坝溃坝砂流演进,从而得到尾矿坝溃坝砂流在坝址下游的速度场和深度场。
4)建立尾矿坝溃坝灾害风险评估体系。该体系主要由溃坝灾害的危险性、溃坝灾害的易损性及溃坝灾害的风险处理等内容组成。其中,溃坝灾害的危险性根据尾矿坝稳定性分析得出的尾矿坝失稳概率定量表示,溃坝灾害的易损性根据建立的尾矿坝溃坝数学模型得出的溃坝砂流影响范围确定。
5)选取江西德兴大茅山尾矿库为工程实例,采用极限平衡法对该尾矿库的东、西两个尾矿坝在饱和运行状态下的抗滑稳定性和200年一遇降雨条件下的渗透稳定性进行了分析。结果表明:西尾矿坝抗滑稳定性良好,渗透稳定性较差,需增设排渗设施;东尾矿坝处于抗滑欠稳定状态,渗透稳定性较好,溃坝可能性较大。将溃坝数学模型应用于东尾矿坝,对其溃坝过程进行分析,得到溃口砂流流量过程、溃坝砂流影响范围、溃坝砂流到达时间和溃坝砂流最终覆盖厚度,并计算出了该尾矿库溃坝灾害风险性。根据上述计算结果,制定了坝址下游的居民撤离范围。
本文建立的尾矿坝溃坝数学模型和溃坝灾害风险评估体系,有助于了解尾矿坝的溃坝过程,预测溃坝灾害造成的危害。同时也存在需进一步深入研究和解决的问题:建立的二维数学模型计算精度不够高,对溃坝灾害可能造成的次生灾害及溃坝灾害防治方案的风险评价等问题未进行具体的研究和分析,未对溃坝灾害造成的环境污染进行定量的分析。