尾矿库溃坝演进SPH模拟与灾害防控研究

发布时间：2020-08-05 12:50

【摘要】：尾矿库溃坝灾害应急响应时间短、潜在威胁巨大,往往造成惨重人员伤亡与巨额财产损失。尽管我国大力推进尾矿回收利用,2016年统计数据显示尾矿库总数仍高达8869座,其中1425座被列为高危险性“头顶库”(系指下游一公里内有居民区、工业厂房或其他重要设施的尾矿库)。本文以溃坝泥浆演进模拟研究这一议题为主线贯穿全文,主要利用了光滑无网格粒子法(SPH)、无人机摄影测量、全生命周期分析(LCA)等学科交叉新方法,研究溃坝泥浆在下游真实地形上演进的模拟预测方法,消除传统溃坝模拟中因忽略地形、相似比、大变形网格畸变而带来的误差,并列举出溃坝灾害防控改进措施,利用LCA计算揭示出尾矿湿排与干排工艺全生命周期环境影响差异,指明工艺改进主攻方向。研究结论总结如下:(1)通过实验室缩尺物理模拟与溃坝事故案例验证,表明SPH方法能够胜任此类问题计算。修改开源SPH求解代码,结合卫星遥感数字表面模型(DSM)数据在高性能计算集簇上实现了尾矿库溃坝泥浆向下游演进的大规模模拟计算与验证。(2)DSM结合SPH的尾矿库溃坝演进模拟方法的提出与应用。超前预测“头顶库”设计库容下溃坝泥浆在下游真实地形上的演进过程,并揭示了坝高、溃口宽度、泥浆黏度影响因素对于溃坝演进后果的影响规律,分析了不同布置类型拦挡坝防护效果。(3)尾矿库无人机摄影测量及其与SPH模拟融合的实现。利用无人机摄影测量重建得到高精度正射影像与DSM模型,实现库区及周边区域的全方位监测巡查,精度最高达到2.63cm/pixel,并结合SPH算法实现了更高分辨率的溃坝演进预测。(4)提出溃坝灾害防控改进措施,揭示不同排放工艺实施过程的环境负担。以华北某铁矿为工程背景,利用LCA计算工艺流程全生命周期环境指标差异,并据此分别指出工艺改进的重点方向。SPH数值计算是一种强大且先进的方法,适合尾矿库溃坝泥浆演进的模拟研究,建议推广于国内外尾矿库溃坝灾害防控与应急管理中。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD926.4
【图文】：

逑优化、尾矿库规划及建设运营提供依据。逡逑本论文研究的技术路线如图１－１所示。逡逑资料收集、现场调研逡逑文献综述、总体规划逡逑１邋期－准兔阶！—＿上二二逦逡逑＂￥］逦ｒ＾ｉ逦ｒｗ逡逑究逦尾顶逦丨｜逦坝邋急逡逑背逦矿库逦遴逦捭管逡逑Ｌ＾放全逦ｆ逦规机逡逑量形逦Ｊ逦g邋￥｝逡逑巨势逦ｔ逦不欠逡逑大严逦§逦明完逡逑峻逦ｗ逦确善逡逑逦逦逡逑Ｉ逦｜邋口网逡逑方逦现场逦５普逦仿真逦理论逡逑法逦调查逦＾逦物理逦分析逡逑＾邋模拟逡逑逦逦逡逑￣ｆ＼逦｜溃坝１１卫星遥｜溃坝１１ｇ石广｜逦ｉ逡逑Ｓ逦＿逦ＬＪｇｇ＾ＬＪ逦真实逦５１逦堆存逡逑＿邋．模拟逦〉演进逦ｉｆ逦ＬＣＡ逡逑实现ＳＰＨ逦＾逦分析逡逑￣￣￣￣￣￣￣邋￣逦￣邋￣邋邋逦逦逦邋－邋邋逦逦逦邋？逡逑研苎１１丰富尾矿库邋｜尾矿库溃坝泥｜邋｜安全堆存工艺逡逑ｇ：标Ｉ逦监测手段逦浆演进规律逦不足与改进逡逑７－－－－－，逦逦逦逦逡逑研宄逡逑意义邋完善应急管理机制逦提高安全保障能力逡逑——；——邋逦邋Ｉ逦逡逑图１－１论文研究技术路线图逡逑采取的主要研宄方法包括：现场调查与测试、实验室试验、数值仿真及逡逑物理模拟、理论分析。逡逑１）现场调查与测试逡逑现场开展调查取样、测试等工作，为后续工作开展提供基础。主要内容逡逑包括：尾矿排放工艺流程调查；尾矿库监测系统运行现状调查与监测数据收逡逑集；国内外典型事故案例样本收集；

排洪设施有效维护、操作技术规范掌握，以及管理责任明确落实。逡逑Ｒｏｃｈｅ，邋Ｔｈｙｇｅｓｅｎ邋ａｎｄ邋Ｂａｋｅｒ邋［９４］统计了邋１９１５年至２０１６年发生的尾矿库溃逡逑现事故原因，结果如图２－２所示，显示除５２起事故因时间久远缺乏有效记录逡逑原因未知以外，有４４起事故因强降雨引发洪水漫顶溢流侵蚀尾砂堆筑成的坝逡逑体；３０起事故是因静态恒定载荷引起坝体边坡过度位移而产生失稳，此类事逡逑故常因浸润线过高诱发；２７起事故因所在地区发生超过设计承受能力的大型逡逑地震剧烈晃动而导致尾砂液化引发溃坝；１７起事故原因归纳为内部液体渗流逡逑导致坝体内部侵蚀，浸润线过高，原本应保持干燥的区域被液体淹没；１６起逡逑事故起因归结为设计缺陷或设计结构应有功能失效，例如排洪系统破坏、隧逡逑洞堵塞等；１５起事故因坝体基底失效或基质岩层调查不足引起，脆弱的基底逡逑无法为坝体自重提供足够的支撑，例如２０１４年加拿大卑诗省的Ｍｏｕｎｔ邋Ｐｏｌｌｅｙ逡逑溃坝事故，经调查即为设计时未考虑下赋冰层而引起［１５］；此外还有７起事故逡逑因降雨、地表径流等外部侵蚀破坏坝体引起

求解计算方法为避免上述问题采用二进制文件格式存储数据，这些文件包含逡逑粒子属性重要信息，以二进制格式ＢＩＮＸ４邋（．ｂｉ４）存储。逡逑具体的技术路线如图３－１所示。逡逑＂＃１邋．ｖｔｋ／．ｓｔｌ／．ｐｌｙ逦光滑长度、密逡逑数逦几何模型逦度、时间等逡逑输逦逦逦逦逡逑ＸＪ逦．ｘｍｌ定义文件逡逑—邋…：逡逑ＧＥＮＣＡＳＥ邋程序逡逑■ｆｔ：逦．ｂｉ４二进制逦流体及边界粒子逡逑＊逦＿输入文件逦ｖｔｋ模型文件逡逑ｔ逡逑ＤｕａｌＳＰＨｙｓｉｃｓ逡逑程序 逡逑计逡逑算逦逦逦邋逦逦逡逑求逦．ｂｉ４二进制逦．ｂｉ４二进制逦．逡逑解逦输出文件逦输出文件逡逑＇＇ｖ逦逦逦＾逡逑Ｈ邋逦；邋｜邋」逦邋？逡逑处逦ＰａｒｔＶＴＫ逦Ｍｅａｓｕｒｅｔｏｏｌ逡逑ａ逦转换程序逦测量程序逡逑，Ｉ邋，逡逑结果分析及逡逑可视化逡逑图３－１邋ＤｕａｌＳＰＨｙｓｉｃｓ数值计算基本工作流逡逑本文在ＤｕａｌＳＰＨｙｓｉｃｓ求解器的基础上，根据尾矿库溃坝泥浆的特性，修逡逑改代码改变模型参数

【参考文献】

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本文编号：2781578