洪水工况下尾矿坝大型溃坝试验研究

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尾矿坝的安全运行一直是矿山及政府部门的关注重点,这种特殊的水工构筑物一旦发生溃坝事故,将会造成大量的人员伤亡、财产损失和环境污染,甚至对当地的经济发展与社会稳定带来长期的不利影响。据统计,由渗透破坏和洪水漫顶导致的溃坝占尾矿坝溃坝事故总比例的80%,而这两种破坏形式多发生于汛期,因此,探究洪水工况下尾矿坝的溃坝形式及机理、掌握其溃坝的发展过程,对科学管理尾矿坝、预防事故的发生有重大的工程意义。本文以江西省赣州市某钨矿尾矿坝为工程背景,开展了1:100的大比尺的物理模型试验,探究特定洪水工况下的尾矿坝溃坝形式及其破坏发展过程。同时,利用有限元分析软件MIDAS GTS/NX对该尾矿坝进行二维的渗流-应力耦合分析,并采用强度折减法(SRM)计算坝体的稳定性。根据两种方法的结果,结合相关理论知识分析了溃坝的机理。最后,利用FLOW-3D软件模拟溃坝泄流过程,得出溃坝泥石流对下游的影响范围。具体的结论如下:(1)在自行设计、搭建的尾矿坝溃坝试验模型上完成了试验,得出特定洪水工况下的尾矿坝溃坝形式为渗透破坏,其破坏表现形式为流土。整个溃坝试验历时448min,经历了渗流稳定阶段和流土破坏阶段,两个阶段各占总时长的二分之一。(2)在尾矿坝模型的四级子坝中均埋设了渗压计,采集了试验过程中的孔隙水压。结果显示孔隙水压呈分阶段的增长,子坝中位点二、三、四的孔隙水压在每个阶段都经历了“线性增长—增长速率骤降—平缓/降低”,子坝中位点一仅在第二阶段出现明显的线性增长,而后增幅较小,基本保持平稳。坝体浸润线高度的上升速率前期较快,后期较慢。(3)考虑了渗流-应力耦合作用,数值模拟计算获得了坝体内部渗流场、应力场在时间和空间上的分布规律,且与模型试验的结果吻合较好;并得到不同库水位条件下尾矿坝的安全系数。利用失稳判断准则对强度折减法(SRM)的计算结果进行分析,得知库水位接近坝顶时尾矿坝仍未发生失稳滑坡,结构上是稳定的。结合模型试验,坝体的确未发生边坡失稳,但最终将因流土发展至坝顶的决口而引发溃坝。溃坝致因为渐进式的渗透破坏。采用模型试验与数值模拟相结合的尾矿坝安全评估法可填补单种研究方法的局限性,更具客观性、可取性。(4)由FLOW-3D分析了溃坝流体在泄洪过程中的过流面积、流速发展以及淹没深度,以此为依据指出了人员的紧急逃生路线,并提出不可将流速的降低视为整个溃坝泄洪的结束。综合以上研究结论,从技术和管理两个方面对尾矿坝提出了有针对性的防范、整治措施。
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