高堆尾矿坝地震加速度反应及抗震稳定性研究

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尾矿库是用于贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出的尾矿的场所,是一个具有高势能的人造泥石流危险源。尾矿坝是拦挡尾矿和水的尾矿库的外围构筑物,属于尾矿库的主要构筑物。尾矿坝一旦失事,将会对下游生活生产设施造成严重破坏。尾矿坝事故的统计结果表明,地震是导致尾矿坝失事的第二大自然因素。由于多方面的原因,我国多采用抗震性能较差的上游式堆坝,且堆坝高度越来越高、入库尾矿粒径越来越细,筑坝尾矿所受应力越来越高,已有的低应力条件下有关尾矿力学参数不再适用于高堆尾矿坝的稳定性分析。采用拟静力法进行尾矿坝抗滑稳定性分析时,地震惯性力Qi尤为重要。《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)中规定了尾矿坝地震惯性力Qi的计算方法与动态分布系数,但该动态分布系数是来源于水库土石坝。土石坝与尾矿坝无论在几何形态还是筑坝材质及堆筑工艺方面均存在较大差异。土石坝是选用土石料经碾压、一次堆筑而成,其断面形状一般为梯形,而尾矿坝是采用尾矿经水力排放自然沉积而成,断面形状为三角形。尾矿坝一旦堆筑到了设计高度,则其服务年限就结束了。所以,采用土石坝的动态分布系数用于尾矿坝的动力稳定性分析是否合适?还有待研究。针对上述问题,本文采用理论分析、室内试验和数值模拟的方法,对不同应力条件下尾矿材料的静、动力学特性进行了试验研究。并基于试验结果,对高堆尾矿坝地震响应开展了数值模拟分析,探索了尾矿坝地震惯性力动态分布系数的规律,研究成果为尾矿坝的抗震稳定性所利用。论文的主要工作和研究成果如下:(1)以细粒尾矿(入库全尾矿)为试验材料,开展了高应力条件下尾矿力学性能试验测试,获得了尾矿的静、动力学特性以及不同应力对尾矿力学性质的影响。(2)采用自然沉降法获得了三种筑坝尾矿材料,即尾粉质粘土、尾粉土、尾粉砂,然后,以它们为试验材料,开展了不同物理状态及应力条件下三种尾矿的静、动三轴试验测试,获得了三种尾矿的力学参数,为高堆尾矿坝地震加速度反应及坝体稳定性分析提供基础数据。(3)分析了堆积坝高度、地震峰值加速度、堆积坝坡比、地震波对上游式尾矿坝地震加速度分布与动态分布系数的影响,结果显示,地震作用下尾矿坝的加速度分布和动态分布系数与土石坝存在差异:1)不同条件下,随着堆积坝高度增加,尾矿坝峰值加速度和最大动态分布系数均出现在初期坝坝顶附近,并非出现在堆积坝顶部,与土石坝不同;2)初期坝内的动态分布系数存在明显的“鞭梢”现象,这一点与土石坝一致。堆积坝内的动态分布系数小于初期坝的,其内部的峰值加速度和动态分布系数没有明显的规律性。3)尾矿堆积坝的动力响应与地震设防烈度呈负相关性,与坝坡比呈正相关性,即地震设防烈度较低或坝坡比较大时,堆积坝的动力响应更显著。(4)不同筑坝方式构筑的尾矿坝的动力响应不同。相同条件下,上游式尾矿坝的动态分布系数最大值出现在初期坝坝顶。下游式和中线式尾矿坝动态分布系数最大值出现在堆积坝的顶部,且从总坝高0.9倍的位置至坝顶处呈现明显的局部放大现象,与土石坝一样出现“鞭梢”现象。下游式和中线式尾矿坝的动态分布系数规律与土石坝较为相似。(5)以正在运行的三种矿种(铜矿、磷矿和锰矿)的尾矿库为对象,开展了地震作用下动力响应分析,结果显示,三座尾矿坝最大水平加速度和最大动态分布系数均出现在初期坝坝顶附近,尾矿堆积坝内产生的动态分布系数均较小。
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