中线法高堆尾矿坝优化理论及其关键力学问题研究

论文摘要

目前,国内在中线法堆坝理论与工艺方面的研究很少,而且工程实践经验亦很缺乏,但许多矿山又急需采用中线法进行高堆坝,以解决尾矿堆存问题。为此,本文以云南省羊拉铜矿拟建的尾矿库为工程背景(该尾矿库处于7度地震区,采用中线法堆坝工艺,尾矿坝总高近180m),本着“为企业解决问题,对技术进行探索与创新”的原则,对强地震区采用中线法进行高堆坝的理论和工艺进行研究。先以GIS为平台,对尾矿库库址、初期坝坝址和坝体结构等进行优化分析,之后对尾矿的静力和动力学特性进行试验测试,在此基础上,对强地震区中线法堆坝极限高度进行了研究,对中线法高堆坝的地震反应进行了分析,并基于混沌优化BP神经网络理论建立了尾矿砂土液化评价模型。本文的主要研究成果如下:1.对中线法堆坝中涉及的三种粒径不同的尾矿土样进行了室内土工试验。大量试验结果表明,尾矿颗粒越粗孔隙比越大,渗透系数和内摩擦角φ也越大。因此,对尾矿进行分选后用于堆坝,可以增大坝体的渗透性,有利于尾矿坝的稳定。同时,试验获得的尾矿土样的物理力学参数也可为尾矿坝的稳定性计算等提供基础数据。2.利用动三轴试验,研究了三种尾矿砂的动力特性,以及粗粒含量对尾矿动力特性和液化特性的影响规律。试验结果表明:粗粒含量对动应变和动孔压的影响十分显著,粗粒含量与动强度呈正相关性;随动应力的增加,相同振次下的动应变加大,动应力对尾砂的动强度影响较大;动强度随着固结压力的增加而增大,二者呈正相关性;固结比K c对动强度的影响不是单一的增大和减小。如果采用振动加密法来提高尾矿堆坝的稳定性,前期加密效果较为明显,而后期加密效果十分有限,推荐最优振动时间取2～5振动周次为宜。3.由于不同尾矿的动孔隙压力变化特征差异显著,本文采用幂函数进行优化拟合,对Seed的孔压预测公式进行了修正,通过试验结果检验显示该公式能更精确地表示本次尾矿试样的动孔压变化特征,其误差明显小于Seed孔压预测模型;另外,为克服常规建模中主观经验判断模型结构带来的弊端,引入了神经网络智能建模理论,达到了较好的预测效果。4.将GIS技术与模糊优选方法相结合,将其应用于尾矿库和初期坝的规划选址工作中,提出了基于GIS和模糊数学的尾矿坝模糊综合可视化空间选址模型。该模型一方面充分利用了GIS强大的空间分析和可视化功能,可有效提高尾矿坝选址设计的科学性和自动化程度,使设计的效率和有效性大大提高;另一方面通过引入模糊综合优选模型,可有效解决模糊信息的量化处理需求,有效克服了对随机性模糊性信息处理时主观经验判断的“印象”决策问题,使得尾矿库和初期坝的选址工作更加科学合理。5.建立了基于混沌优化(CO)的最危险滑面搜索算法,并将其用于该尾矿库中线法极限堆坝高度的计算。结果表明混沌优化(CO)最危险滑面搜索算法相对于传统算法在速度和精度上都有较大的提高,用于最危险滑面搜索是可行有效的。6.尾矿坝稳定性计算结果表明,尾矿的抗剪强度对尾矿坝的稳定性影响十分显著。因此,通过旋流分级等措施将粗粒尾矿用于堆坝,以增加高堆坝坝体稳定性效果是显著的。坝体浸润线埋深变化对坝体稳定性的影响亦十分显著,以该尾矿库为例,浸润线每下降0.1m,尾矿坝的稳定性系数将增加0.06。7.利用数值模拟方法对坝体动力反应特征进行了分析。结果表明:中线法极限堆高时,在洪水和地震作用下,坝体的最大位移中心主要位于坝坡的中下部;另外,在干滩面的洪水淹没区有一局部位移极值中心;而坝顶外坡的位移则在整个震动过程中始终保持为较小值,此点与上游法坝顶外坡部位通常有大的位移出现的现象区别较大。8.针对砂土液化影响因素的复杂性,本文根据BP算法和混沌优化算法优缺点的互补性特点,将二者结合构建了一种新的砂土液化优化预测模型(COBP)。经检验结果表明,利用COBP模型对尾矿地震液化预测分析是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 尾矿库主要堆坝方式优缺点分析
• 1.2.2 我国尾矿库运行现状及病害事故分析
• 1.2.3 国外尾矿库事故分析
• 1.2.4 地理信息系统（GIS）技术及数字尾矿库研究进展
• 1.3 本文的研究方法和主要研究内容
• 2 基于GIS 技术和模糊理论的尾矿库（坝）选址优化模型
• 2.1 尾矿库（坝）的空间选址模型
• 2.1.1 模型、空间模型及空间选址模型
• 2.1.2 基于GIS 和模糊数学的尾矿库（坝）空间优化选址模型
• 2.2 GIS 技术及尾矿库（坝）选址空间数据管理
• 2.2.1 GIS 技术分析
• 2.2.2 尾矿库（坝）工程的基本数据
• 2.2.3 基于GIS 技术的数据管理
• 2.3 矿区地形数字高程模型（DEM）的建立
• 2.3.1 DEM 的数学表达
• 2.3.2 GIS 中DEM 的表示方法和结构模型
• 2.3.3 矿区DEM 模型建立的案例
• 2.4 基于GIS 的尾矿库（坝）可行方案集构造空间模型
• 2.4.1 基于DEM 的沟谷线提取
• 2.4.2 基于DEM 的矿区地形坡度分析
• 2.4.3 基于DEM 的典型剖面分析
• 2.4.4 基于DEM 的缓冲区分析
• 2.4.5 基于DEM 的叠置分析
• 2.4.6 基于DEM 的地形可视化分析
• 2.5 基于模糊优选理论的尾矿库（坝）选址方案优选模型
• 2.5.1 模糊性、隶属度（函数）和优劣评价的中介过渡性
• 2.5.2 空间模糊优选模型的构造
• 2.6 基于GIS 的模糊综合选址模型在尾矿库（坝）选址中的应用
• 2.6.1 选址方案影响因素的确定
• 2.6.2 基础数据准备和方案集的构造
• 2.6.3 影响因素指标特征值和隶属度函数矩阵的确定
• 2.6.4 权重向量的确定
• 2.6.5 各方案相对优属度判断
• 2.7 小结
• 3 基于GIS 技术的中线法高堆坝坝体结构优化模型
• 3.1 基于GIS 的尾矿坝优化模型的建立
• 3.1.1 优化目标函数和约束条件
• 3.1.2 基于GIS 的尾矿库优化模型的主体环节和总体流程
• 3.1.3 基于DEM 的尾矿库库容特征快速分析方法研究
• 3.1.4 基于 DEM 的坝体体积-高度曲线计算方法研究
• 3.2 优化设计模型应用
• 3.2.1 优化设计模型的求解
• 3.2.2 优化设计模型的应用
• 3.3 小结
• 4 中线法高堆坝尾矿物理力学与动力学特性实验研究
• 4.1 尾矿的物理特性测试
• 4.1.1 全尾矿颗粒组成
• 4.1.2 不同颗粒组成的尾矿材料的物理性质
• 4.2 尾矿的工程力学特性研究
• 4.2.1 尾矿的压缩性测试与分析
• 4.2.2 尾矿的渗透性测试与分析
• 4.2.3 尾矿的抗剪强度特性测试与分析
• 4.2.4 尾矿的非线性力学模型及指标分析
• 4.3 中线法堆坝尾矿动力特性研究
• 4.3.1 试验仪器及方法
• 4.3.2 动强度试验及结果分析
• 4.3.3 动弹模和阻尼比试验
• 4.4 小结
• 5 基于混沌优化算法的尾矿坝极限高度分析
• 5.1 中线法堆坝极限高度分析
• 5.1.1 尾矿坝坝体稳定性计算方法简介
• 5.1.2 坝体极限高度的计算模型与流程
• 5.2 基于混沌优化搜索坝体极限高度模型的应用
• 5.2.1 荷载工况和稳定系数规范要求值
• 5.2.2 计算剖面与材料分区
• 5.2.3 尾矿物理力学参数和浸润线的确定
• 5.2.4 模型计算过程与结果
• 5.3 小结
• 6 中线法高堆坝坝体地震反应分析
• 6.1 地震反应分析原理和方法
• 6.1.1 尾矿坝地震反应分析方法
• 6.1.2 FLAC 及地震反应计算原理简介
• 6.2 坝体地震反应分析模型的建立
• 6.2.1 模型尺寸及边界条件的选取
• 6.2.2 本构模型和材料力学参数的选取
• 6.2.3 动荷载、阻尼比和动孔压模型的确定
• 6.3 中线法堆积尾矿坝动力响应分析
• 6.3.1 坝体加速度动力反应特征分析
• 6.3.2 坝体位移反应特征分析
• 6.3.3 孔隙水压力反应特征分析
• 6.4 小结
• 7 基于混沌优化BP 神经网络的尾矿液化评价模型
• 7.1 BP 神经网络
• 7.1.1 BP 神经网络简介
• 7.1.2 BP 神经网络学习算法
• 7.1.3 BP 算法的不足和改进
• 7.2 混沌优化算法（CO）
• 7.2.1 混沌优化的基本原理--混沌运动的遍历性
• 7.2.2 混沌优化算法流程及特点分析
• 7.3 混沌优化-BP 组合优化算法模型的构建（COBP）
• 7.3.1 COBP 优化模型的基本思想
• 7.3.2 网络结构设计
• 7.3.3 BP 算法的改进
• 7.3.4 混沌优化算法改造
• 7.3.5 COBP 模型的计算步骤
• 7.4 基于COBP 算法的砂土液化预测模型及应用
• 7.4.1 COBP 网络优化模型结构
• 7.4.2 COBP 模型仿真及精度评价
• 7.4.3 COBP 模型在尾矿砂地震液化预测中的应用
• 7.5 小结
• 8 结论和展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A:作者在攻读博士学位期间的科研情况
• B:攻读博士学位期间发表论文情况