基于流固耦合—强度折减法三元洞尾矿坝稳定性分析

发布时间：2017-11-17 04:21

  本文关键词：基于流固耦合—强度折减法三元洞尾矿坝稳定性分析

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【摘要】：随着现代工业的飞速发展,对矿产资源的需求量与日剧增,同时矿山开采出来的矿石经过选矿厂精选之后排放出来的固体废弃物也急剧增加,促使暴露在自然界的尾矿库占了相当大的土地面积,尾矿坝的高度也相应升高。由于尾矿坝在自然环境中将会长期存在,而尾矿坝的滑坡、溃坝将会对周围的环境和下游的居民生产生活、矿山生产设施产生很大的威胁,同时也会给国家的经济造成巨大的损失。尾矿坝的稳定性受到地下水的影响,大量的尾矿坝失稳溃坝事故的产生都是由于地下水的作用引起的。事实上,只要在某一个系统内有水的存在,应力场和渗流场就会相互影响、相互作用,处于一种复杂的动态变化过程中,构成流固耦合关系。研究地下水渗流对尾矿坝稳定性的影响具有较大的现实意义。本文是以三元洞尾矿坝为研究对象,基于流固耦合理论并结合有限元强度折减法,采用大型有限元软件ABAQUS对三元洞尾矿坝进行二维的数值模拟稳定性分析。本文主要的研究内容和成果如下:(1)介绍了分析尾矿坝或其他自然边坡稳定性的几种重要而常用的方法,且详细阐述了有限元强度折减法的基本原理和在分析尾矿坝安全坡稳定性方面的优点及通过某一铀尾矿坝具体算例对其失稳判据的分析与研究。(2)根据达西定律等相关的渗流计算的理论,并由流体的连续性方程推导出了稳定渗流与非稳定渗流的基本微分方程,阐述了渗流场与应力场的相互作用以及渗流/应力互相作用机理,得出渗流场与应力相互影响的数学模型。通过将两场的数学模型组合起来,形成了分析尾矿坝在流固耦合工况下的数学模型,也论述了如何在abaqus程序的流固耦合分析模块中采用强度折减法对尾矿坝进行稳定性分析。(3)基于有限元强度折减法,分别计算尾矿坝在不同参数组合下的安全系数,分析材料的参数变化对尾矿坝稳定性的影响,其材料参数主要包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比,同时还包括岩土材料的重度和剪胀角等。计算结果表明,粘聚力、内摩擦角对尾矿坝安全系数的影响较大,安全系数随粘聚力、内摩擦角几乎成线性关系,而弹性模量和泊松比对安全系数的大小没有影响,得出了重度对影响尾矿坝的稳定具有不确定性及忽略剪胀角将会使计算结果一般都偏于保守。(4)以三元洞尾矿坝工程实例为研究对象,建立二维模型,采用有限元强度折减法计算分析坝坡在无水干燥、渗流应力不耦合与渗流应力耦合三种工况下的稳定性情况,在三种不同工况下坝坡的安全系数分别为1.6、1.42和1.23,从计算结果也可以说明地下水渗流和坝坡应力耦合作用对尾矿坝稳定性影响比较明显。因此,在分析讨论地下水渗流对尾矿坝稳定性问题上时,考虑流固耦合是十分必要的,也为类似的工程分析提供借鉴。(5)在工况1(无水)和工况2(渗流应力不耦合)的条件下,采用有限元强度折减法计算出的安全系数与采用极限平衡法中的瑞典圆弧法计算的安全系数的误差分别为4.37%和4.9%,说明采用坝坡面各特征点的位移突变与塑性区贯通准则相结合确定尾矿坝的安全稳定性系数是可行的。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD926.4

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本文编号：1194797