基于PFC的地震作用下湖南某尾矿坝稳定性数值模拟分析

发布时间：2020-04-02 11:35

【摘要】：由于我国地震活动频繁,尾矿库分布区域广泛,使得尾矿坝地震作用下的安全稳定性成为尾矿坝研究的重点。在地震作用下尾矿坝的相关力学参数发生变化,不仅关系到整个尾矿坝的安全运行,而且关系到生态环境,更关系到数以万计的人民生命财产安全。因此,本文以湖南省某尾矿坝为研究对象,根据颗粒流软件的功能特点,利用PFC2D软件的动态模拟和时步显示计算算法,有效模拟地震波对尾矿坝稳定性方面的影响,对地震作用下尾矿坝坝体产生破坏的位置以及发展趋势进行分析。本文的主要研究工作及成果如下:(1)本文根据一个具体的尾矿坝实例,采用PFC2D模拟了地震作用下影响渗流系数的相关参数以及不同位置测量圆的位移变化情况。模拟结果表明随着地震的加载,地震作用过程中尾矿坝逐渐发生滑动,测量圆相比较得出X方向最大滑动位置出现在测量圆8处,即基岩上部靠近粗粒砂的部分,最大值为1.8872 m;Y位移最大滑动位置出现在测量圆1处,即基岩下部靠近初期坝的部分,最大值为0.9346 m,基岩相对于尾矿坝整体易发生较大滑动位移。(2)地震作用下尾矿坝中颗粒应力、应变曲线分析是整个尾矿坝安全稳定性分析中的重要组成部分。模拟结果表明:地震作用下尾矿坝的整体滑移部分多为下部首先产生较大位移之后上部开始滑动,从而由局部滑移造成坝体整体滑移;初期坝和细粒砂相对于基岩更易产生滑移,且滑移位移明显,细粒砂相对于粗粒砂较易产生位移。(3)本文以数值模型为基础研究了尾矿坝地震荷载作用发生滑移以后的位移最大变化处和尾矿坝发生失稳破坏的判断依据,同时探究了该尾矿坝地震作用下的破坏趋势。模拟结果表明:尾矿坝的位移变化随着地震荷载的变化而变化且最大变化处位于坡脚处,位移云图出现分层破坏面表明该尾矿坝已经处于破坏状态。通过分析尾矿坝数值模型,从而对地震作用下的尾矿坝安全性能做出判断,给类似工程提供借鉴实例。(4)本文通过该尾矿坝数值模拟结果表明初期坝坡脚处最易发生明显的滑移,采用加重压坡的方法,增大坝体厚度和抗滑强度,同时通过排渗加固的方法来增加尾矿坝稳定性,设置辐射井在浸润线的水平位置为50m、150m、250m、350m、450m,不同程度的降低浸润线的高度。
【图文】：

该模型总共生成球体数量为 26399 个(含边界)。图 3.2 尾矿坝整体结构图3.2.4 漂浮颗粒消除通过将初始应力均匀分布以后在模型中仍然存在接触小于 3 个的漂浮接触，该部分接触如果不做处理将会对后续模型运行中的不平衡力、速度监测、位移监测造成影响，一般来说是将局部颗粒进行放大或者缩小来达到每个球的接触不少于 3 个为止。对该尾矿坝模型消除漂浮颗粒的方法是悬浮颗粒衰减法。在 PFC2D5.00 版本中消除颗粒悬浮的功能已经得到增强，在模型中不是对颗粒属性进行修改，而是将控制器上的属性进行修改。修改的属性包括固定属性、速度属性、摩擦系数和颗粒半径。该方法执行一个外部循环和一个内部循环。外部循环的标志物为漂浮、不漂浮；内部循环将颗粒重新排列展现，同时内部循环的平均力只采用接触器相邻接触，即不使用真正的接触。计算所得的浮点的数量小于允许的浮点数量，执行取消接接触限制和取消对小球的固定以及对小球的速度和角速度的固定，从而浮点颗粒数将增加。3.2.5 模型赋值及建模完成根据 3.2.1 节材料参数的标定对模型中的各个土层进行赋值，然后使模型运行到平衡状态。本模型运行步数为 300000 步。然后将作为固定模型形状的墙体进行删除，留下作为边界条件的墙体，，同时设置重力加速的值为 9.8m/s2，使整个模型首先在重力加速度的作用下达到第一次初始应力平衡状态，然后采用软件内置函数对模型中球体的速度和位移设置为零，为下面的地震作用下的稳定性计算做出准备。至此，当再次建立了稳定的尾矿坝模型时则表明该尾矿库坝体的 PFC2D模型完成。

圆 4 和测量圆 6 的 Y 方向位移整体趋势是向正向运动，而测量圆 8 的整体趋势是向负向运动。从整体来说地震作用下尾矿坝正向位移增加说明该部分坝体属于有整体滑移趋势的部分，其中坝体的滑移多为下部首先产生较大位移然后上部开始滑动，从而由局部滑移引起坝体整体滑移，同时初期坝和尾砂都发生明显位移，基岩相对并不稳定，初期坝和尾砂的表层颗粒发生的相对位移比较明显，同时借助尾矿坝数值模拟理论，可得出地震作用下破坏的本质应为各个颗粒层中各颗粒受力引起位移变化从而造成破坏。4.4.2 模型应力云图和位移云图及结果分析模型应力云图和位移云图能准确反映各个颗粒所受应力和位移情况，可以得到地震作用下尾矿坝应力分布情况和尾矿坝破坏情况。图 4.17 为 X、Y 方向上的应力云图，图 4.18 为 X、Y 方向上的位移云图。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV649

【参考文献】

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本文编号：2611898