尾矿坝渗流场分析及其水土交互作用机理研究

论文摘要

我国是矿业大国,冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山都有尾矿设施。尾矿坝是其中最主要的组成部分,尾矿坝的安全问题直接关系到环境和人类的安全。渗流是影响尾矿坝安全性的重要因素,因此,更精确的尾矿坝渗流场模拟,更准确的致灾机理模型,具有重要的理论和实践意义。尾矿坝中的渗流问题是复杂的饱和—非饱和非稳定流固耦合渗流问题,文中推导了尾矿坝中饱和—非饱和渗流微分方程、控制方程及定解条件,阐述了边界条件类型与选择,并探讨了模型计算中有关参数的获取方法。尾矿是由固、液(水)、气三相组成的复杂多孔介质,各相的状态及其相互作用对尾矿的物化性质及土体强度都有重要影响,其中最主要的作用发生在水—土之间。水土交互作用与尾矿坝渗流场密不可分,本文基于尾矿的多孔介质特性,主要研究了尾矿坝渗流场内的水土交互作用,将水土作用理论应用于尾矿坝的渗流场分析,并概括为水土化学作用、水土物理作用、渗流作用及化学、物理—渗流耦合作用四方面,综合归纳分析了各自的作用类型、特点及主控因素。在尾矿坝稳定性分析方面,首次尝试从微观机理分析入手,并考虑了化学场的影响,根据化学动力学及相关试验,提出了化学作用对尾矿坝工程有重要影响。和尚峪尾矿坝是一个典型的上游式堆筑坝,本文收集整理了和尚峪尾矿坝的地形、地质及水文资料,各堆积层的渗透系数、容重、粘聚力、摩擦角、孔隙比等基本物理力学参数,提出了水土交互作用下的尾矿土吸力(包括基质吸力和渗透吸力)的变化问题,在此基础上,利用传统的土—水特征曲线,结合工程实际资料,建立了考虑水土交互作用影响的渗透系数函数模型,并利用此模型运用Phase岩土工程有限元软件进行了尾矿坝渗流场模拟。本文在渗流场中水土的交互作用机理方面进行了有益的尝试,为渗流场中尾矿颗粒的微观作用机理提供了参考,为尾矿坝的致灾机理研究提供了新的思路。尾矿坝渗流场内水土交互作用机理,对完善尾矿坝工程的结构安全性与环境稳定性耦合分析具有重要的参考价值,对改进尾矿坝设计和灾害治理也具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 尾矿库系统安全与环境问题研究
• 1.3 饱和—非饱和渗流研究
• 1.4 水土交互作用研究现状
• 1.5 主要研究内容及研究方法
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第二章 多孔介质及尾矿坝渗流基本理论
• 2.1 多孔介质
• 2.1.1 多孔介质的涵义
• 2.1.2 多孔介质的基本物理性质
• 2.1.3 多孔介质中的应力
• 2.2 渗流基本理论
• 2.2.1 渗流基本模型以及表征单元体
• 2.2.2 渗流分析中有关参数及其获取方法
• 2.3 饱和—非饱和渗流基本理论和微分方程
• 2.3.1 饱和—非饱和渗流的运动方程—达西定律
• 2.3.2 饱和—非饱和基本微分方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 渗流条件下水土交互作用机理
• 3.1 概述
• 3.2 土体结构及土中水分运动基本理论
• 3.2.1 土体结构类型划分
• 3.2.2 土中水的形态及土壤水势
• 3.3 水土化学作用
• 3.3.1 水土化学作用机理
• 3.3.2 水土化学作用主控因素
• 3.3.3 尾矿坝水土化学作用的实例
• 3.4 水土物理作用
• 3.4.1 水土物理作用机理
• 3.4.2 含水量（饱和度）与土体物理力学性质的关系
• 3.4.3 物理场变异对尾矿结构的影响
• 3.5 渗流力学作用
• 3.5.1 入渗动静水压力作用
• 3.5.2 不同渗流条件下土体抗剪强度变化分析
• 3.5.3 坡内渗透作用形式与破坏条件分析
• 3.5.4 坡面渗透破坏作用条件分析
• 3.6 水土物理、化学—渗流耦合作用
• 3.7 本章小结
• 第四章 尾矿坝工程特点及其渗流模拟
• 4.1 尾矿坝工程特点
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 尾矿坝的堆积特点
• 4.1.3 尾矿坝的事故类型
• 4.1.4 尾矿坝的渗流固结中的有关问题
• 4.1.5 影响尾矿坝渗流水头的因素
• 4.2 首云铁矿和尚峪尾矿工程概况
• 4.2.1 尾矿库概述
• 4.2.2 沉积尾矿特性分析
• 4.2.3 尾矿的变形特性
• 4.3 渗流计算参数确定及模型计算
• 4.4 和尚峪尾矿库东坝渗流场模拟结果
• 4.4.1 利用计算模型的渗流场模拟结果
• 4.4.2 F-X模型与本文模型结果对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢