山区矸石山降雨入渗特性及其稳定性研究

论文摘要

煤矸石是煤炭工业在采煤和洗选加工过程中产生的废弃物,目前一部分矸石被用于井下充填,而大部分矸石则被弃置于山沟、平川一带,形成矸石山。矸石山大都长期堆放,利用率极低,大量的煤矸石堆积除占据了大量的耕地外,如果矸石山堆积过高、坡度过大或受到人为开挖影响和暴雨侵蚀时,还容易形成坍塌、滑坡、泥石流等地质灾害。本文针对山区矸石山,结合踏勘和现场试验,从分析矸石散体的力学特性以及渗流理论出发,研究了矸石山降雨入渗的分析理论与方法,在此基础上提出了矸石山体降雨作用下的稳定性评价方法,最后进行了降雨作用下典型矸石山滑坡工程实例研究,取得了以下研究成果:①对重庆山区中梁山、万盛、荣昌、天府、綦江等矿区代表性的矸石山进行详细踏勘,对矸石山的堆放形态及其区域的工程水文地质情况进行调查;针对重庆山区矸石山,测试矸石散体的颗粒级配、含水量、天然密度、干密度等参数、并在此基础上,通过现场剪切、压缩、渗透试验等研究矸石散体的力学特征。②从分析矸石散体的强度特性和变形特性入手分析了水对其强度、变形特性的影响以及水与矸石的物理化学作用;详细阐述了矸石散体的渗透特性以及矸石散体的粒径、孔隙特征和排矸年限对其渗透性的影响;基于多孔介质渗流理论和非饱和渗流基本理论推导了矸石散体的渗流微分方程。③分析了矸石山降雨入渗的基本理论,详细介绍了降雨入渗的过程,以及矸石山降雨入渗过程的影响因素。以散体渗流理论和Navier-Stocks方程为基础,编制了二维平面内矸石山降雨入渗的数值模拟程序,计算降雨入渗过程中水分在矸石山散体中的运移规律,并由此计算散体中的孔隙水压力或基质吸力变化。针对目前对于边坡非饱和渗流一般采用不考虑气相流动以及渗流与应力耦合的简化计算方法,介绍了FLAC2D中水气两相流（Two-phase flow）的基本控制方程和数值计算公式,以及与应力耦合的计算公式。该软件不仅可以考虑气相流动,计算获得瞬态渗流场,同时由于采用显式方程,可以方便的实现与应力的耦合计算。④对降雨入渗影响矸石山稳定性的机理进行分析,接着探讨了降雨作用下矸石山稳定性的评价方法,针对选取的典型的矸石山进行了稳定性安全储备分析（采用三维极限分析理论）和变形稳定计算（采用拉格朗日分析法）,研究了安全系数和降雨持时以及降雨强度的关系;从确定有效降雨量出发,将降雨的随机性纳入矸石山边坡的可靠度计算之中,充分考虑降雨和矸石散体本身的随机性,对不同重现期的降雨影响进行了量化计算和定性分析。⑤对降雨作用下山区典型矸石山滑坡工程实例进行研究,离散元模拟出的位移变形和剪应变集中带与实际滑坡的滑动面比较吻合。最后提出了山区矸石山灾害的整治和预防措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多孔介质中降雨入渗理论研究现状
• 1.2.2 降雨作用下边坡稳定分析研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文的主要研究内容
• 1.3.2 本文研究的技术路线
• 2 山区矸石山工程地质特征及其散体物理力学参数测定
• 2.1 引言
• 2.2 重庆山区矸石山工程水文地质情况及其堆积特点调查
• 2.2.1 重庆山区矸石山工程水文地质情况调查
• 2.2.2 重庆山区矸石山堆积特点
• 2.3 矸石散体物理力学参数的现场测试分析
• 2.3.1 矸石散体级配特征及粒度分析
• 2.3.2 矸石散体容重、含水量的测试
• 2.3.3 矸石散体原位剪切试验
• 2.3.4 矸石散体现场压缩试验
• 2.3.5 矸石散体渗透特性的试验研究
• 2.4 本章小结
• 3 矸石散体的物理力学特性及其渗流理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 矸石散体的矿物与化学组分
• 3.2.1 矸石散体的矿物组分
• 3.2.2 矸石散体的化学组分
• 3.3 矸石散体的强度特性以及水对其强度特性的影响
• 3.3.1 矸石散体的抗剪强度特性
• 3.3.2 水对矸石散体强度特性的影响
• 3.4 矸石散体的变形特性以及水对其变形特性的影响
• 3.4.1 矸石散体的变形特性
• 3.4.2 水对矸石散体变形特性的影响
• 3.5 水对矸石散体的化学、物理作用
• 3.5.1 水对矸石散体的化学作用
• 3.5.2 水对矸石散体的物理作用
• 3.6 矸石散体的渗透特性
• 3.6.1 矸石散体的粒径及孔隙特征及其对渗透性的影响
• 3.6.2 排矸年限对渗透性的影响
• 3.7 矸石散体的多孔介质渗流理论
• 3.7.1 多孔介质的连续介质方法
• 3.7.2 矸石散体的多孔介质渗透规律
• 3.8 矸石山非饱和渗流基本理论
• 3.8.1 矸石山内的土水势理论
• 3.8.2 矸石山饱和－非饱和渗流基本微分方程
• 3.9 本章小结
• 4 矸石山降雨入渗过程分析及其数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 矸石山降雨入渗过程及其影响因素
• 4.2.1 矸石山降雨入渗过程
• 4.2.2 矸石山边坡降雨入渗过程的影响因素
• 4.3 矸石山降雨入渗过程的计算
• 4.3.1 Green-Ampt 入渗模型
• 4.3.2 坡面产流和积水问题
• 4.3.3 降雨入渗的计算模式
• 4.4 矸石山降雨入渗数值模拟
• 4.4.1 二维数值模拟程序的编制
• 4.4.2 典型矸石山渗流模拟结果
• 2D 数值模拟'>4.5 矸石山降雨入渗的FLAC^2D数值模拟
• 4.5.1 拉格郎日法渗流计算原理
• 4.5.2 拉格郎日分析结果
• 4.6 本章小结
• 5 降雨入渗影响下矸石山稳定性评价
• 5.1 引言
• 5.2 降雨入渗影响矸石山稳定的机理分析
• 5.2.1 散体特性及其稳定性分析
• 5.2.2 降雨影响矸石山稳定性的机理
• 5.3 降雨入渗影响下矸石山稳定性分析
• 5.3.1 降雨作用下的矸石山稳定性评价方法
• 5.3.2 基于三维极限分析理论的矸石山稳定性分析
• 2D 模拟降雨引起的矸石山应力—应变状态的变化'>5.3.3 FLAC^2D模拟降雨引起的矸石山应力—应变状态的变化
• 2D 计算的安全系数与降雨的关系'>5.3.4 FLAC^2D计算的安全系数与降雨的关系
• 5.4 降雨入渗影响下矸石山稳定性可靠度分析
• 5.4.1 简化毕肖普模式中极限方程的建立
• 5.4.2 矸石山稳定性可靠度计算方法
• 5.4.3 有效降雨量及矸石散体饱和度和强度参数的确定
• 5.4.4 降雨入渗作用下典型矸石山边坡稳定性可靠度分析
• 5.5 本章小结
• 6 降雨下典型矸石山稳定性分析及矸石山灾害整治和预防
• 6.1 引言
• 6.2 东林煤矿矸石山滑坡灾害情况及其发育背景
• 6.2.1 滑坡灾害情况介绍
• 6.2.2 东林煤矿矸石山区域地质概况
• 6.3 降雨入渗影响下东林煤矿矸石山稳定性评价
• 6.3.1 未受降雨影响前的矸石山稳定性分析
• 6.3.2 降雨影响下的矸石山稳定性分析
• 6.3.3 计算结果分析
• 6.4 东林煤矿矸石山滑坡灾害综合评价
• 6.5 矸石山灾害的整治措施
• 6.6 矸石山灾害的预防措施
• 6.7 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 存在的问题和建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：作者在攻读博士学位期间发表论文目录
• B：作者在攻读博士学位期间参与科研