尾矿坝溃坝无源监测机制及系统动态可靠性研究

To study the failure mechanism of tailings dam, monitoring, early warning and dam failure prevention technology, firstly, the causes of the tailings dam failure through the physical, mechanical and acoustic emission tests, the tendency indicator of dam break will be proposed. The index can predict the steady state of the dam, and then by optimizing the dam method support methods and other measures to ensure that tailings dam safety operation. Secondly, the passive location monitoring methods, which can locate the internal micro-failure of tailings dam during the operation of the dam, will be established. And the dam microseismic activity status and activity patterns will be real-time known. Collapse dam safety early-warning criterion will be established based on locating potential dam failure risk areas. Because a scientific fact that the potential micro-wave from tailings dam rupture area is difficult to spread to stations, the initiative sound source will be produced by hammering, the sensors installed on the tailings dam will accept the P wave and S-wave signal. According to P- and S-wave reflection and refraction laws, a complete tailings dam passive positioning technology based on geophysical methods will be established. Thirdly, after the position where may occur dam failure clarified, according to the dam break tendency indicator and elastic wave passive location method recognition results, a real-time dam dynamic reliability analysis method will be proposed based dam parameters complexity, randomness, and numerous experiments, and costly engineering facts.

旨在研究尾矿坝溃坝机理、监测预警和溃坝防治技术。首先，研究尾矿坝溃坝的成因，通过物理力学与声发射试验研究溃坝倾向性指标，该指标可预测坝体的稳定状态，进而通过优化筑坝方法、支护方法等措施保证尾矿坝安全运行。第二，研究无源定位监测方法，对筑坝及尾矿坝运行过程中的坝体内部微破裂进行监测，实时掌握坝体微震活动状态及活动规律，定位潜在溃坝危险性区域，建立溃坝安全预警判据。基于尾矿坝潜在微破裂区域的弹性波很难传到监测站这样一个科学事实，提出主动撞击产生声源，在拟关注的尾矿坝坝体上安装传感器，接收P波、S波信号，研究P、S波的反射与折射规律，根据地球物理学的方法研究一种完善的尾矿坝无源定位技术。第三，在明确了可能发生溃坝的位置之后，基于坝体参数复杂性、随机性、及多次试验成本昂贵的工程事实，根据溃坝倾向性指标及弹性波无源定位方法的识别结果，对整个尾矿坝进行实时可靠性研究，并提出一种坝体动态可靠性分析方法。

针对尾矿坝溃坝机理及监测预警难题，研究尾矿坝溃坝的成因，研究显示尾矿坝浸润线持续高位和突然增高是尾矿溃坝的主要原因。利用先进机器算法，构建了基于灰色理论、SVM方法和随机森林的浸润线综合预测模型。建立了三维声发射、微震震源定位方法，可以对筑坝及尾矿坝运行过程中的坝体内部微破裂进行监测，实时掌握坝体微震活动状态及活动规律，定位潜在溃坝危险性区域。基于尾矿坝潜在微破裂区域的弹性波很难传到监测站这样一个科学事实，提出主动撞击产生声源，在拟关注的尾矿坝坝体上安装声发射传感器和应变片（位移传感器），接收声发射波形和变形信息 ，实时观察监测区域波速的变化情况，当波速急剧减小时，尾矿坝有溃坝风险，试验研究发现，通过主动震源定位方法求解波速及震源，联合应变变化特征，研究发现当坝体有损伤、病害、破坏或者管涌时坝体的波速明显异常，声发射震源的定位可以迅速确定潜在破坏区域位置，应变可以及时表征应变片所在位置坝体变形特征。如果应变和波速同时异常，则坝体肯定出现不同程度破损，为此本研究提出判断坝体溃坝倾向性的联合识别指标，即波速明显降低、应变绝对值明显增大有溃坝倾向。具体为波速平均降低200 m/s，应变平均改变持续超过400 με时，坝体有溃坝风险。以上研究要点明确了尾矿坝溃坝的潜在位置，提出了综合浸润线变化、波速变化及应变变化判断尾矿坝垮坝倾向性的指标体系。在明确了可能发生溃坝的位置之后，基于坝体参数复杂性、随机性、及多次试验成本昂贵的工程事实，对整个尾矿坝进行实时可靠性研究，并提出了一种坝体动态稳定性分析方法，工程应用表明与实际结果相吻合。本项目的研究理论与实际相结合，为尾矿坝设计和运行期间的安全管理提供科学依据。