某尾矿坝稳定性的颗粒流数值模拟研究

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尾矿坝的安全问题直接关系到人民的生命财产安全、自然环境及矿山企业的利益。为了研究尾矿坝的宏细观破坏机理,本文结合国家重点研发计划项目“大型高尾矿库溃坝灾害防控关键技术研究及应用示范(2017YFC0804601)”,以江西省某尾矿坝工程为项目依托,结合室内试验与数值模拟等方法,从宏细观层面对尾矿坝进行了颗粒流数值模拟研究,该方法弥补了极限平衡法须假定滑移面及无法分析破坏过程的缺点。研究的主要内容和成果如下:(1)通过粒径分析将尾砂层分为尾粉土、尾粉砂、尾粘土及尾矿泥四层,并分别进行直剪试验,获得其抗剪强度、含水率等参数。(2)采用颗粒流软件PFC2D进行了300多组不同参数下的双轴试验,结果表明:对粘聚力敏感性较强的细观参数为:法向刚度与切向刚度之比、法向黏结强度与切向黏结强度之比;可忽略的敏感性较弱的细观参数为摩擦系数。对内摩擦角敏感性较强的细观参数为:法向刚度与切向刚度之比、摩擦系数;可忽略的敏感性较弱的细观参数为:法向黏结强度与切向黏结强度之比、颗粒黏结强度。在此基础上,采用圆盘颗粒(ball)模型分别对尾砂层及基岩试样进行双轴试验;同时采用颗粒簇(clump)模型对初期坝试样进行双轴试验,完成了尾矿坝的细观参数标定。(3)基于强度折减法理论对颗粒切向黏结强度和摩擦系数进行折减,PFC计算得出正常水位及洪水位时的安全系数分别为2.67和1.83。Bishop法、Janbu法、Morgenstern-price法计算得出正常水位时的安全系数分别为2.126、2.079、2.128,洪水位时的安全系数分别为1.624、1.550、1.563。PFC的计算结果偏大是因为宏细观参数之间没有系统的理论进行匹配,颗粒集合体与实际材料的力学性质不尽相同,且颗粒尺度效应会影响坝体的安全系数。(4)初期坝整体比堆积坝破坏程度更为明显。正常水位时,初期坝为局部滑动破坏,表现为坝脚处土体往前滑动,坝中至坝脚处鼓起;堆积坝下部比上部滑动早且更为明显。洪水位时,初期坝为整体滑动破坏,而堆积坝为下部先发生较大滑动,并加剧上部滑动。(5)不同降雨条件下,随着初期坝强度的增大,尾矿坝的安全系数提高,各监测点的位移减小;初期坝强度不变情况下,洪水位时各监测点的位移比正常水位时各监测点的位移大,监测点坝顶、坝中和坝脚位移依次减小。黏性材料(浆砌石坝)组成的初期坝,其强度比无黏性材料(堆石坝)组成的初期坝更高,尾矿坝的安全系数也更高。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第10-17页
    1.1 选题背景与研究意义第10-11页
    1.2 国内外尾矿坝研究现状第11-14页
        1.2.1 极限平衡法第11-12页
        1.2.2 数值分析法第12-14页
    1.3 颗粒离散元法研究现状第14-15页
    1.4 现存的主要问题第15页
    1.5 主要研究内容第15页
    1.6 技术路线第15-17页
第二章 工程地质概况及尾砂力学特性第17-23页
    2.1 引言第17页
    2.2 工程概况第17-19页
    2.3 尾矿坝简介第19-20页
        2.3.1 初期坝第19页
        2.3.2 堆积坝第19页
        2.3.3 排洪系统第19-20页
    2.4 尾砂的沉积规律第20页
    2.5 尾砂的物理力学性质第20-22页
        2.5.1 基本物理性质第20页
        2.5.2 尾砂的渗透性第20页
        2.5.3 尾砂的抗剪强度特性第20-22页
    2.6 本章小结第22-23页
第三章 颗粒流基本理论及方法第23-29页
    3.1 颗粒流基本思想第23-24页
        3.1.1 颗粒流软件简介第23页
        3.1.2 颗粒流模拟分析步骤第23-24页
    3.2 颗粒流计算原理第24-25页
    3.3 颗粒流接触本构模型第25-26页
    3.4 阻尼机制第26-28页
    3.5 本章小结第28-29页
第四章 尾矿坝材料宏细观参数特性研究第29-61页
    4.1 引言第29页
    4.2 模型材料细观参数的标定第29-32页
        4.2.1 数值模型构建和伺服机制第29-31页
        4.2.2 材料宏细观参数间的关系第31-32页
        4.2.3 细观参数标定的一般方法第32页
    4.3 尾矿坝细观变形参数标定第32-37页
        4.3.1 细观变形参数标定方法第33-34页
        4.3.2 细观变形参数相关性分析第34-36页
        4.3.3 细观变形参数综合分析第36-37页
    4.4 尾矿坝细观强度参数标定第37-51页
        4.4.1 细观强度参数标定方法第37-38页
        4.4.2 细观强度参数相关性分析第38-46页
        4.4.3 细观强度参数综合分析第46-51页
    4.5 尾矿坝各层材料细观参数标定第51-60页
    4.6 本章小结第60-61页
第五章 尾矿坝稳定性的颗粒流分析第61-85页
    5.1 引言第61页
    5.2 安全系数计算与岩土体失稳破坏的判据第61-62页
        5.2.1 安全系数计算第61-62页
        5.2.2 岩土体失稳破坏的判据第62页
    5.3 流固耦合理论第62-64页
    5.4 尾矿坝的稳定性分析第64-80页
        5.4.1 尾矿坝PFC2D模型的建立第64-67页
        5.4.2 颗粒流模型稳定性计算与分析第67-78页
        5.4.3 极限平衡法模型计算与分析第78-79页
        5.4.4 两种方法计算结果对比分析第79-80页
    5.5 不同初期坝强度尾矿坝破坏形式分析第80-84页
    5.6 本章小结第84-85页
第六章 结论与展望第85-87页
    6.1 本文结论第85-86页
    6.2 展望第86-87页
参考文献第87-91页
致谢第91-92页
攻读学位期间的研究成果第92-94页
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