云南会泽驾车磷矿细粒尾矿坝工程地质特性及稳定性研究

发布时间：2017-10-21 06:28

  本文关键词：云南会泽驾车磷矿细粒尾矿坝工程地质特性及稳定性研究

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【摘要】：尾矿库主要用于堆存矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣。如果尾矿坝发生溃坝,将严重危害下游生命和财产的安全,同时带来环境和生态灾难。磷矿细粒尾矿料的成分、颗粒组成结构及孔隙结构等微观特性对尾矿料物理力学性质有着及其重要的影响,因此对其微观特性和力学特征进行研究具有重要的理论价值。地质条件和坝体结构因素是尾矿坝溃坝的主要原因,因此论文依托会泽县驾车油房磷矿尾矿库工程,通过现场勘察、试验研究、理论分析、数值模拟等方法与手段,对磷矿细粒尾矿坝的库区新构造运动特征、磷矿细粒尾矿料的微观特性、初始开裂模型、分层固结特性及其物理力学特性、库体的渗流场、应力场、位移场、地震荷载作用下尾矿库的稳定性和动力学响应等特征参数进行分析。主要研究工作如下：(1)基于钻探和各种地质资料,研究区内环境工程地质条件对库区稳定性的影响,重点研究了新构造运动对库区稳定性的影响。经研究得到,研究区域属于滇东穹窿式上升区,以断块差异升降为主的新构造运动强烈。小江活动断裂带东支是控制库区稳定性的主要构造带,为典型的全新世强烈活动断层。(2)对磷矿尾矿料的微观特性进行研究。利用X射线荧光光谱仪、BET试验、脱附-吸附试验和扫描电镜对磷矿细粒尾矿料与颗粒较粗的砂土和同属细粒土的红粘土进行成分、孔隙结构、颗粒组成结构的对比分析。结果表明,尾矿料成分较单一；相对于红粘土,磷矿细粒尾矿料的孔结构主要为介孔,基质孔绝对含量较低,但相对含量较高,基质孔容控制着非饱和尾矿料的基质吸力的大小,间隙孔容是影响尾矿料的渗透性和压缩性的主要原因；磷矿细粒尾矿料为粉粒,颗粒结构为单粒结构。磷矿尾矿料的颗粒虽然比粘土还细,但不具有粘土的特性。(3)对非饱和尾矿料的力学性质开展研究。基于尾矿料微观特征研究的基础上,建立了适用于尾矿料的理想化球体颗粒模型,得到非饱和尾矿料基质吸力特征；选用滤纸法测定磷矿尾矿料、砂土、一般粉土和红粘土的基质吸力,通过对比分析发现,尾矿料的最大基质吸力很小,这与尾矿料的孔隙结构和颗粒组成结构有关；对不同干密度、不同饱和度的磷矿尾矿料的抗剪强度试验表明,不同干密度、不同饱和度的尾矿料抗剪强度指标有所变化,但差异不大,这与非饱和尾矿料的基质吸力过小有关。(4)采用变湿应力研究尾矿料的应力状态和开裂,建立了满足圣维南原理的基于变湿的尾矿料裂隙开展模型,获得了尾矿料初始裂隙间距和裂隙宽度的定量表达式。(5)对非饱和与饱和尾矿料固结特征进行研究。通过对不同干密度、不同饱和度的非饱和尾矿料试样进行单向压缩固结试验,得到初始固结压力能消除初始干密度对尾矿料压缩特性的影响,尾矿料的压缩特性对应力历史不敏感,非饱和尾矿料压缩过程具有明显的阶段性；在不引入波以耳方程的条件下推导出尾矿料初始变形方程；对饱和尾矿料进行的分层固结模型试验研究表明饱和尾矿料具有和非饱和尾矿料相似的压缩固结特征,在很小的初始固结压力下土样就会趋于稳定,应力历史对尾矿料的影响不大。(6)基于饱和一非饱和理论,建立了磷矿细粒尾矿坝的平面和三维有限元计算模型,并进行了不同工况下的渗流场与应力场的耦合分析和稳定性计算。不同工况下的浸润线最小埋深、抗滑稳定安全系数均满足规范要求。应力近似呈近水平层分布,随深度的增加而增大。位移极值区域近似沿库区纵向对称分布,位移大小自中心向外部呈环状递减的趋势。(7)基于非线性时程分析法,建立了高烈度区磷矿细粒尾矿坝的动力有限元计算模型,并进行了不同工况下的瞬态响应分析、全时程稳定性和液化分析。不同工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。初期坝和堆石子坝附近区域属于较危险区域。
【关键词】：磷矿细粒尾矿坝 工程地质条件 微观特性 流固耦合 稳定性 动力学响应
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD926.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 选题背景及意义15-16
• 1.2 相关领域研究现状16-24
• 1.2.1 新构造运动研究现状16-19
• 1.2.2 渗流场与应力场的耦合分析研究现状19-22
• 1.2.3 动力学响应及稳定性研究现状22-24
• 1.3 研究内容与工作方案24-26
• 1.3.1 主要研究内容24-25
• 1.3.2 技术路线25
• 1.3.3 主要试验工作量25-26
• 1.4 论文创新点26-28
• 第二章 研究区环境工程地质条件28-52
• 2.1 工程概况28-36
• 2.1.1 工程位置28
• 2.1.2 库区自然地理及地形地貌28-32
• 2.1.3 尾矿库工程概况32-36
• 2.2 库区地质特征36-43
• 2.2.1 地层岩性及其工程特性36-40
• 2.2.2 筑坝材料工程特性40
• 2.2.3 区域大地构造位置及主要构造带40-43
• 2.3 库区新构造运动特点43-47
• 2.3.1 区域新构造分区43-44
• 2.3.2 库区新构造运动基本特点44
• 2.3.3 近场区主要断层活动性分析44-47
• 2.4 库区地震活动特征47-50
• 2.4.1 工程场地区域历史地震及其分布47-49
• 2.4.2 工程场区地震烈度49
• 2.4.3 地震活动对尾矿坝稳定性影响49-50
• 2.5 本章小结50-52
• 第三章 尾矿料微观特性及其宏观力学性质研究52-67
• 3.1 微观特性52-59
• 3.1.1 尾矿料成分特点52-53
• 3.1.2 尾矿料孔隙结构特征53-58
• 3.1.3 尾矿料颗粒结构特征58-59
• 3.2 尾矿料的基质吸力59-64
• 3.2.1 基于球体颗粒模型确定基质吸力变化规律59-61
• 3.2.2 非饱和尾矿料的基质吸力测量试验61-64
• 3.3 非饱和尾矿料的力学强度64-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 尾矿料初始开裂模型及分层固结特性67-81
• 4.1 变湿应力和初裂深度68-69
• 4.2 初始裂隙间距和裂隙宽度69-71
• 4.3 固结试验71-76
• 4.3.1 30%饱和度的压缩固结试验72-73
• 4.3.2 40%饱和度的压缩固结试验73-74
• 4.3.3 50%饱和度的压缩固结试验74-76
• 4.4 尾矿料单向固结方程76-78
• 4.4.1 尾矿料的初始变形方程组76-78
• 4.4.2 尾矿料的固结方程78
• 4.5 尾矿料模型试验78-80
• 4.6 本章小结80-81
• 第五章 渗流场与应力场耦合分析研究81-119
• 5.1 饱和—非饱和渗流基本方程81-83
• 5.1.1 饱和渗流运动方程81-82
• 5.1.2 非饱和渗流运动方程82
• 5.1.3 定解条件82-83
• 5.1.4 求解方法83
• 5.2 渗流场与应力场耦合机理分析83-86
• 5.2.1 渗流场影响应力场的机理84-85
• 5.2.2 应力场影响渗流场的机理85-86
• 5.3 渗流场与应力场直接耦合分析86-91
• 5.3.1 数学模型86-88
• 5.3.2 耦合场求解88-91
• 5.4 渗流场和应力场耦合分析91-105
• 5.4.1 计算参数91-92
• 5.4.2 计算模型92-97
• 5.4.3 计算说明97-98
• 5.4.4 尾矿库渗流场特征98-100
• 5.4.5 尾矿库应力场和位移场特征100-105
• 5.5 整体加载时稳定性分析105-110
• 5.5.1 计算工况105
• 5.5.2 洪水最高水位工况105-107
• 5.5.3 正常运行水位工况107-109
• 5.5.4 稳定性特征109-110
• 5.5.5 工程建议110
• 5.6 筑坝过程稳定性分析110-117
• 5.6.1 计算模型111-112
• 5.6.2 筑坝过程稳定性计算112-117
• 5.6.3 工程建议117
• 5.7 本章小结117-119
• 第六章 尾矿坝地震动力特性分析119-144
• 6.1 引言119-121
• 6.1.1 抗震等级119
• 6.1.2 地震荷载119-120
• 6.1.3 阻尼比120
• 6.1.4 安全系数120-121
• 6.2 非线性动力分析方法121-124
• 6.2.1 瞬态响应分析方法121-122
• 6.2.2 稳定性分析方法122-123
• 6.2.3 液化分析方法123-124
• 6.3 尾矿坝动力学响应分析124-133
• 6.3.1 计算模型124-125
• 6.3.2 应力场125-129
• 6.3.3 位移场129-131
• 6.3.4 速度场131-132
• 6.3.5 加速度场132-133
• 6.3.6 工程建议133
• 6.4 尾矿库动力稳定性分析133-141
• 6.4.1 全时程动力稳定性分析134-138
• 6.4.2 最大加速度时刻动力稳定性分析138-141
• 6.4.3 动力稳定性特征141
• 6.4.4 稳定性对比分析141
• 6.5 尾矿坝液化分析141-142
• 6.6 本章小结142-144
• 第七章 结论与展望144-147
• 7.1 结论144-146
• 7.2 展望146-147
• 参考文献147-154
• 致谢154-155
• 附录 攻读博士学位期间发表的学术论文与专利155

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