浑水渗流作用下尾矿坝淤堵机理及其稳定性研究

In connection with the safety problems of tailings which seriously endanger people's lives and property safety, and around the the mechanism of deformation of tailings dam under the Soil-water interaction, this paper is based on comprehensive consideration of seepage field and stress field coupling, together with the means of indoor sand column experiments, similar simulation experiment and numerical simulation, and so on, according to many interdisciplinary research methods including Fluid Mechanics, Mineral Processing Engineering, Soil Mechanics and Coupling theory, etc. Simultaneously, by carrying out research on the small particles staying rules in the process of muddy water seepage, it reveals the evolution law correlated parameters such as permeability coefficient and pore characteristics, and establishes mathematical models for muddy water infiltration and soil-water interaction, and searches for spatial and temporal characteristics of tailings remaining as well as the sludge plugging mechanism of a tailings dam under the effect of muddy water. Considering the running state of tailings dam under various conditions, this paper also reveals the internal mechanism of reduction of tailings dam's stability coefficient due to the increasing infiltration surface caused by siltation of the tailings dam, and establishes the coupling mathematical model of seepage and stress field under the effect of seepage of muddy water, furthermore, it raises orresponding numerical method and compare the numerical results with the experimental results. The achievements can not only perfect the theory of muddy water seepage, but also provide a theoretical basis and technical support for the safety of the tailings dam.

针对严重危害人民生命和财产安全的尾矿库安全问题，围绕土水共同作用下尾矿坝体的变形机理，综合考虑渗流场和应力场的耦合作用，通过室内砂柱实验、相似模拟实验和数值模拟等手段，采用渗流力学、选矿工程学、土力学和耦合理论等多学科交叉研究方法，开展浑水渗流过程中细小颗粒滞留规律实验研究，揭示渗透系数、孔隙特征等相关参数的演变规律，建立浑水渗流数学模型和土水交互作用数学模型，探求浑水渗流作用下尾矿砂滞留时空特征及尾矿坝的淤堵机理；考虑各种工况下尾矿坝的运行状态，通过相似模拟实验，揭示由于尾矿坝淤堵导致浸润面升高，进而降低尾矿坝稳定系数这一过程的内在机制，建立浑水渗流作用下尾矿坝渗流场和应力场耦合数学模型，提出相应的数值解法，并将数值模拟结果和实验结果相验证。研究成果不仅可进一步完善浑水渗流理论，而且为确保尾矿坝的安全提供理论依据和技术支持。

尾矿坝事故既危害人民的生命财产安全，又对生态环境造成极大影响，严重阻碍了可持续发展战略的实施。渗流作用下尾矿坝稳定性研究一直是研究的热点和焦点，但这些研究中涉及的渗流场大都为净水渗流，而尾矿库由于矿渣内含有大量的微小颗粒使得其渗流场与一般岩土工程显著不同，属于浑水渗流问题。浑水渗流渗流过程中细粒组分滞留，使得渗流的路径特征发生改变，进而引起尾矿坝淤堵，使得坝体浸润面的位置升高，最终导致坝体失稳。本研究通过开展浑水渗流砂柱试验，得出渗透系数与砂柱孔隙率等物性参数的变化规律，揭示了尾矿坝淤堵的内在机制和淤堵演化的时空分布特征。尾矿坝复杂的渗流过程伴随孔隙的堵塞、坝体与固体颗粒的沉降固结等众多影响因素，研究基于达西定律、质量守恒定律、建立变渗透系数与变孔隙率的浑水淤堵数学表达式，给出符合尾矿坝实际的边界条件，建立了合理有效的计算模型，并给出了相关的数值求解方法。以材料渗透系数为初始参数并考虑室内试验所得的浑水淤堵渗透系数的变化规律，采用有限元方法对尾矿坝进行渗流分析；通过分析了尾矿坝不同工况下的坝体位移、渗流场、流速、渗流量、渗流比降孔隙水压力等参数的变化规律，得到浑水淤堵作用对尾矿坝稳定性的影响规律，为坝体的安全稳定性评价提供理论依据。同时借鉴边坡稳定性评价中精细化评价理论，结合尾矿坝体、基底及其筑坝特点，建立了尾矿坝精细化评价方法，并依据有关法规、技术标准及规定，对白枣峪尾矿坝现状以及加高增容后坝坡稳定性进行了可行性和可靠性评价。研究揭示了细粒尾矿的沉积规律，从固结特性、强度特性、渗透性等几个方面阐述细粒尾矿的工程特性，并提出细粒尾矿坝主要存在的问题。同时针对饱和、非饱和渗流基本理论的特点，将非饱和土体中水分运动和饱和区的地下水运行联系起来，建立了饱和-非饱和渗流的控制方程及定解条件。应用SEEP/W软件对尾矿坝进行渗流场计算分析，揭示了不同标高坝体在不同工况下的浸润线分布规律，并将渗流研究结果代入坝体稳定性分析模块中评价渗流作用下坝体的稳定状态，得到耦合作用下最危险滑移面，然后与临界滑移场技术得到的最危险滑面进行对比，结果基本一致。采用MIDAS数值软件建立三维分析模型，模拟计算细粒尾矿堆积坝现状标高和最终设计标高两种情况下坝体的稳定性，得到细粒尾矿坝应力、应变和坝体位移变形等分布规律。针对后期筑坝工程可能出现的问题，提出相关建议措施，以确保尾矿坝整体安全。