攀钢钒西渣场高炉渣力学特性及边坡稳定性研究

发布时间：2020-07-01 05:28

【摘要】：攀枝花-西昌地区储藏着大量钒钛磁铁矿,近三十年来,攀枝花钢铁公司利用高炉冶炼技术将钒钛磁铁矿、助溶剂、脉石等作为原料,通过还原反应,提炼出生铁,高炉渣随之以附属品的形式从高炉中排出。据统计,攀枝花钢铁公司共产生近6000万吨高炉渣,其中约3700万吨高炉渣被排弃在攀钢钒西渣场,从而形成了宽约1600余米,高度达100余米的大型堆积体边坡,该堆积体边坡规模大、表层渣体较松散,紧邻金沙江,一旦发生变形或失稳,将会对金沙江水域和周围人民的生命财产安全造成重大影响。因此,就该场地的高炉渣物理力学特性及边坡稳定性展开研究具有重要的工程意义。本文通过现场地质调查和无人机航拍的手段,对攀钢钒西渣场边坡的工程地质特征进行分析,归纳出了该边坡内高炉渣的结构特征、来源及成因;通过一系列室内试验,总结了高炉渣的矿物成分、微观结构特征、粒度特征、颗粒形状特征、密度含水率、比重特征、击实特性、渗透特性、抗剪强度特征及变化规律;根据所得结论,对该边坡的稳定性进行了工程地质分析、Geostudio软件的数值分析、颗粒流的数值分析,得出以下成果及认识:(1)攀钢钒西渣场边坡主要由松散高炉渣、热熔高炉渣组成,松散高炉渣呈颗粒状,位于边坡前缘,其前部紧邻沿江挡墙,后部紧邻热熔高炉渣;该边坡内的热熔高炉渣有以下四种结构形态:块状胶结形态、钟乳石形态、架空结构形态、流纹状结构形态。(2)X射线衍射、电镜扫描试验分析结果显示,两种高炉渣的主要矿物含量有一定差别,主要矿物成分为透辉石、钙钛矿、钛辉石、尖晶石、巴依石、重钛酸镁;松散高炉渣表面多孔,而热熔高炉渣表面多呈网格状玻璃体嵌晶结构。(3)通过粒度特征及颗粒形状特征试验分析,高炉渣的粗颗粒含量均超过87%,级配较差,且边坡位置越低,松散高炉渣的粗颗粒含量越大;松散高炉渣的轴向系数K_A较小,其块状特征更明显,圆滑程度更高;热熔高炉渣的棱角性系数A~P较大,其颗粒轮廓更不规则,较尖锐,棱角性更强。(4)通过渗透试验和击实试验分析认为,高炉渣的渗透系数较大,在1.01～12.96cm/s范围间,当细颗粒含量小于30%时,渗透系数受影响较明显;保持试样中含水率不变,细颗粒含量为12%时高炉渣的干密度最大,若细颗粒含量超过12%,干密度将不断减小;当试样中细颗粒含量不变时,若含水率增大,干密度是先增加后减小的。(5)松散高炉渣的抗剪强度特性:(a)抗剪强度参数跨度较大,C=2.26～181.08kPa,φ=4.48～56.72°。(b)当细颗粒含量在区间[30,40]变化时,咬合力C骤减,当细颗粒含量超过30%后,咬合力C随着含水率的变化波动较小。(c)当含水率为1.4%时,内摩擦角φ随着细颗粒含量的变化波动较小,当含水率超过6%后,细颗粒含量在区间[30,40]变化,内摩擦角骤减。(6)热熔高炉渣的抗剪强度特性:(a)咬合力C和内摩擦角φ都较大,C=188.3 9～438.44kPa,φ=36.07～43.92°。(b)内摩擦角φ随着胶结料掺量增加变化不大,咬合力C与胶结料掺量呈正相关关系。(c)水的加入会降低咬合力C和内摩擦角φ。(7)边坡稳定性分析和计算结果:(a)通过工程地质分析,热熔高炉渣层整体稳定性良好;松散高炉渣层在自然状态下处于极限平衡状态,在降雨和江水位上升条件下局部欠稳定;挡墙整体稳定性较好,无明显变形迹象。(b)极限平衡分析结果显示,工况条件从低水位变化至洪水位时,边坡稳定性系数在1.054～1.101间变动,处于基本稳定状态。(c)颗粒流分析结果显示,低水位990m工况下,边坡整体稳定性较好,挡墙位移为0.014m;高水位1005m工况下,边坡底部局部稳定性稍差,挡墙位移为0.016m;洪水位1010m工况下,边坡整体稳定性下降,挡墙位移为0.012m。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU43
【图文】：

技术路线图,高炉渣,室内试验,形态规模

图 1-1 技术路线图得主要成果文通过现场地质调查、室内试验、数值模拟分析的方法对攀钢钒西炉渣和松散高炉渣这两种高炉渣展开了研究，对边坡稳定性进行了析，取得如下成果：通过现场调查并查阅相关文献资料，总结出该边坡的形态规模、墙基本特征以及高炉渣的结构特征、来源及成因。通过大量室内试验，得到松散高炉渣和热熔高炉渣的微观特征、粒形状特征、击实特性、渗透特性、抗剪强度特性，总结出两种高征差异、干密度与细颗粒的关系、渗透系数变化规律、抗剪强度变化设计不同的江水位工况，经 Geostudio 软件模拟得到边坡的稳定水位分布特征。再建立颗粒流模型进行流固耦合计算，得到了不同下边坡的位移速度关系、挡墙的速度位移关系、桩基不同深度的土

分布图,金沙江,水文站,分布图

原位于沟口北岸，后经攀钢公司在其上游修建弄弄沟排洪隧洞引水后沟河水改道从其北侧注入金沙江，攀钢钒西渣场反而位于其南侧。金沙江紧邻场地从其南侧流经，金沙江为本区最大河流及地表水体。金沙我国青藏高原、云贵高原、四川盆地西部边缘，干流全长 3496km，总落m，流域面积 47.3 万 km2，流域多年平均径流量 1520 亿 m3，水资源、水十分丰富。金沙江干流以丽江石鼓、攀枝花为界，分为上、中、下三段，-石鼓为金沙江上段，区间流域面积 7.65 万 km2，河段长约 984km；石鼓花为金沙江中段，区间流域面积 4.5 万 km2，河段长约 564km；攀枝花-宜段，区间流域面积 21.4 万 km2，河段长 768km，如图 2-2 所示。据查阅资料知，金沙江段径流量的年际变化不大，上游较中下游变化稍大直门达站最大年径流量 217 亿 m3（1989 年），最小年径流量 66.2 亿 m3（19中段石鼓站最大年径流量 546 亿 m3（1954 年），最小年径流量 294 亿 m94 年）；下段屏山站最大年径流量 2030 亿 m3（1998 年），最小年径流量 10（1994 年）。

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