尾矿库工程灾害诊断及控制技术Word格式文档下载.docx

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而在另一些条件下，沉淀物可能再溶解，甚至造成某些矿物的化学侵蚀，增大渗透性。

无论哪种情况都影响迁移率和强度特性。

而孤立地解决坝体结构和安全问题，或者孤立地评价尾矿库区生态环境破坏问题，都不可能从总体上认识尾矿库工程的内在关联和实现尾矿库工程的最优化。

（3）尾矿库工程跨及尾矿库设计、基建和运营、闭库和土地恢复、后期污染治理、植被和顶极生物演替、生态环境平衡的全过程，少则数十年，多则数百年。

因为停止尾矿排放和闭库以后，尾矿的风化作用、溶滤作用和生物地球化学反应仍在继续进行，特别是放射性核素衰变和重金属离子释放更是因反应环境条件和时间而变化。

从这个意义上讲，必须在尾矿库选址、设计、建设和使用过程中为闭库后的土地恢复和生态环境恢复创造条件。

二、尾矿库的工程系统

（1）尾矿放矿系统。

尾矿放矿系统主要指选厂尾矿经管（槽）压力、自流或压力自流联合输送至尾矿库坝面放矿的坝面管道系统。

坝面放矿一般采用联接在放矿主管道上的放矿支管来实现坝面分撒放矿。

（2）尾矿堆存系统。

尾矿堆存系统主要包括初期坝和后期坝。

初期坝的坝型可分为不透水和透水两大类。

后期坝的筑坝方式有上游式、下游式和中线式三种。

（3）尾矿库排洪系统。

确保尾矿库的排洪能力和排水通畅是尾矿库安全运行的最主要条件之一。

为排除暴雨洪水及尾矿水尾矿库必须设有排洪系统，排洪系统的型式一般有井（斜槽）-管式、井（斜槽）-洞式和溢洪道等。

排洪构筑物主要有：

排洪井或排洪斜槽、排洪管、排洪隧洞、溢洪道和截洪沟。

（4）尾矿库回水系统。

尾矿库除具备堆存尾矿功能外，还具有为选矿厂提供生产用水的功能，是选矿厂生产用水的重要水源。

（5）尾矿水处理系统。

尾矿库在使用过程中，尾矿坝会渗出一定数量的水，这些水中会含有一定数量的有害物质。

应建立尾矿水处理系统，使之达到排放标准后排放。

（6）尾矿库的坝体观测系统。

尾矿库投入运行后，将受到自然因素和人为因素的影响，为更合理地使用管理好尾矿坝，使隐患得到及时治理，防止发生事故，必须建立尾矿坝的观测系统。

三、尾矿库工程问题

归纳起来，尾矿库工程问题主要来自以下三个方面：

（1）尾矿坝破坏或溃坝致使尾矿浆悬泻，固体物迁移，造成下游区的严重灾害。

溃坝破坏多起因于坝内地下水位控制不当，或排洪设施不利，或浸蚀和管涌，或地震液化作用，基本上都与静、动水压力和孔隙水压力有关，这是典型的岩土工程结构问题。

（2）尾矿库渗漏对地下水（地表水体）污染。

含有毒物质、重金属和有机物的尾矿废水，在尾矿沉积过程中继续与尾矿发生物理化学作用，尾矿可能进一步风化，再渗入基础土层，再生复杂的生物地球化学作用，生成新的产物并在地下水运动下迁移，可能流向水源地或天然排泄区，造成环境污染，甚至危及附近地区的生态平衡。

从某种意义上讲，水质污染给人类造成的危害要远比溃坝的危害严重得多，隐蔽得深，时间持续长，甚至在闭库之后数十年、数百年这种危害还在延续。

这是生物地球化学和溶质迁移问题。

（3）细粒尾矿飞扬造成大气污染，在干燥和风蚀条件下极易发生。

由于尾砂颗粒之间缺乏粘性，经长期的风吹日晒,每逢干燥刮风季节，粉尘漫天飞扬，严重污染了周边大气环境。

如有色金属矿山尾矿库，尾砂中含有毒有害物质，其污染将更为严重。

第二节尾矿库工程性态监测、模拟和安全分析系统

一、尾矿库洪水模拟系统研究

该系统是通过先进的计算机网络通信技术，对尾矿库洪水灾害进行事前和事后监控管理，通过已建立的尾矿库地质地形数据库，加上动态监测到的现状数据，运用计算机管理软件对尾矿库的洪水灾害进行全过程动态分析计算，对洪水灾害提出预警预报，达到动态管理的目的。

其特点：

（1）尾矿库洪水灾害模拟系统的作用是通过洪水的再现和预测，对尾矿库的安全运行进行动态管理诊断，并就工程控制技术提出合理化建议；

（2）尾矿库洪水灾害模拟系统采用先进的计算机技术与通信技术，通过软件和洪水数值模型对尾矿库洪水灾害进行模拟，全面、快速、及时、准确地反映尾矿库的洪水状况；

（3）尾矿库洪水灾害模拟系统的软件开发，采用集成化软件，开放式设计，程序结构化，真正的面向对象设计，扩展性强，便于再开发。

（4）采用国内较为成熟的洪水计算方法，建立了尾矿库的库容数值模型，水量平衡数值模型，调洪演算数值模型，泄流数值模型；

使尾矿库洪水灾害诊断较为符合工程实际，应用性强，便于推广；

（5）应用水位计、雨量计、流量计的仪器对尾矿库洪水进行自动检测，系统支持检测数据的通讯和处理功能。

（一）尾矿库洪水灾害数学模型

（1）库容模型。

尾矿库作为特殊的水工构筑物，其库容和调洪库容和库区面积和水面面积的大小均与尾矿坝的堆积高度的高低有密切关系。

坝高愈高，库容愈大，而调洪库容和库区面积随尾矿坝的筑坝方式不同而变化。

从坝高和蓄砂量的关系曲线（即库容曲线）与坝高和库区面积的关系曲线（即面积曲线）上，可以查得相应坝高的库容和库区面积；

库容曲线也就是库容模型。

同样调洪库容曲线即为洪水灾害模拟中的库容模型。

库容模型的建立可采用水平断面法和经验公式法，本次洪水灾害模拟研究采用水平断面法。

水平断面法就是将尾矿库调洪区容积分成很多水平层，每一层的高度根据需要的精度而定，一般可取2～5m。

每一坝高下调洪库容的计算，是先由下而上算出每个水平层的容积，然后累加起来。

同时，在计算中还可以求得各种坝高时的水面面积。

（2）泄流模型。

尾矿库泄洪形式大多采用斜槽加平硐和溢洪井加平硐的方式，其泄洪能力主要受进水段（斜槽和溢洪井）的控制，其水流流态对一次洪峰来讲为无压－有压－无压的混合过程。

其泄洪模型：

8-1

式中:

ω为过水断面；

H为计算水头；

g为重力加速度；

μ为流量系数。

（3）洪水计算模型。

在尾矿库汇水面积内，由于降雨或暴雨所产生的汇流对尾矿库的影响，一般由洪峰流量来控制，洪峰流量的计算方法有用频率计算法、地区经验公式法和推理公式法等，而大多数用暴雨资料推求洪峰流量的推理公式法。

推理公式法在国外称作“合理化”法，其特点是给出最大流量值。

本研究采用推理公式法建立洪峰流量模型。

（4）水量平衡模型。

尾矿库水量平衡计算方程：

（Wj+Ww）-（Wz+Ws+Wk）-Wx=±

ΔW8-2

式中：

Wj为尾矿库降雨迳流量；

Ww为尾矿浆带来水量；

Wz为尾矿库水面蒸发水量；

Ws为尾矿库库区漏水；

Wk为尾矿库沉积尾矿空隙中的截留水量；

Wx为回水量；

ΔW为尾矿库调节库容

尾矿库的来水量主要是迳流量。

排入尾矿库的尾矿浆带来水量扣除沉积尾矿空隙中的截留水量及尾矿库库区漏水，按设计等于回水量。

所以，尾矿库水量平衡计算方程式简化如下：

Wj+Ww-Wz=±

ΔW8-3

（5）调洪演算模型。

调洪演算目的是根据既定的排水系统确定所需的调洪库容及泄洪流量。

对一定的来水过程线，排水构筑物愈小，所需调洪库容就愈大。

设计中应通过几种不同尺寸的排水系统的调洪演算结果，合理地确定排水构筑物的尺寸。

根据泄洪流量、库容模型，计算洪水位，如果洪水位高于尾矿库设计标准，则应加大排洪构筑物，增加泄洪流量，降低计算洪水位，反之依然。

（6）主要功能模块。

①洪水模拟模块：

包括洪水预报、洪水监测（人工输入）；

洪水报表生成、预览及打印等子模块。

②资料查询模块：

包括洪水资料数据库查询；

库容曲线、泄流量、历年平均日降雨量查询；

24小时内预计洪水、实际洪水、计算洪水查询；

调洪演算结果查询等子模块。

③文件管理模块：

包括打开与关闭图形、图象、动画文件；

报表及窗口内容打印等子模块。

④地形图处理模块：

包括查看与生成库区2D、3D平面图；

查看与生成库区3D动画图象；

编辑尾矿库地形图；

连接AutoCAD等子模块。

⑤系统维护模块：

包括操作人员管理、坝体参数设置、检测设置、音乐等子模块。

⑥窗口管理模块。

包括层叠、横向平铺、纵向平铺、排列图标、显示背景、隐藏窗口等子模块。

⑦帮助模块:

包括内容、搜索等子模块。

二、尾矿库渗流数值分析

在尾矿库设计和运行管理中，渗流计算常占有重要的位置。

据不完全统计，导致尾矿库溃坝事故的直接原因中，洪水约占50%，渗流破坏约占20%左右，坝体稳定性约占不足20%，其它约占10%。

在设计尾矿库初期坝时，需要通过渗流计算来确定渗漏损失和合理的防渗排渗措施，而初期坝坝型和坝的断面尺寸也经常需要借助渗流计算来比较选定。

在尾矿坝运行管理中，由于尾矿堆积物料的特殊性，以及其它一些因素都会促使运行中的尾矿坝渗流条件不断改变，因此也经常需要通过渗流计算来分析尾矿坝坝体的稳定性，以及拟定必要的加固措施方案。

尾矿坝渗流计算的主要任务是确定坝体浸润线的位置，坝体和坝基的渗流量以及坝体逸出段的水力坡降，作为坝体稳定计算和排渗设施设计的依据。

从理论上来说，尾矿坝渗流计算是在已知定解条件（初始条件，边界条件）下解渗流基本方程，以求出尾矿坝渗流场的水头分布，进而计算渗流量和渗流水力坡降等。

近代计算技术的发展和计算机的广泛应用为尾矿坝渗流计算开辟了新的途径。

各种复杂情况下的坝体渗流，都可以在高速数字计算机上模拟出来。

数值计算越来越显示出它的优越性。

根据一定的数学模型，在计算机上用数值法模拟尾矿坝渗流状态的过程称之为渗流数值模拟。

大量工程实践证明，利用计算机依靠数值法求解均质或非均质、各向同性或各向异性以及复杂边界条件的尾矿坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，但对于具体的工程是满意的解答。

对于尾矿坝渗流问题，已基本取代模拟试验。

数值模拟在尾矿坝渗流计算中愈来愈占有重要的位置，也愈来愈得到人们的重视。

1.渗流数学模型的基本要点

数学模型具有再现实际水流运动状态的能力。

为此，要保证所建立的数学模型能很好地反映实际的水文地质条件，首先必须概化渗流区的水文地质条件，即忽略渗流区内一些与研究问题无关或关系不大的因素，使研究的问题简化。

这种对地质、水文地质条件加以概化后所得到的简化物理实体，称为水文地质概化模型。

而数学模型就是将其用简洁的数学关系式来刻画它在空间的存在形式及其量化关系。

所以建立渗流区数学模型之前，首先要建立渗流区的水文地质概化模型。

建立渗流区概化模型时应考虑如下几点：

（1）确定研究区的范围和渗流区的边界。

在查清研究区水文地质条件基础上，根据渗流区的内部结构、分布、天然边界情况以及计算要求等确定渗流区的范围和边界形状。

（2）确定渗流区的水力特征。

在大多数情况下，地下水流特征为三维非稳定流。

但实际中由于三维流的动态资料难于获得，所以多数情况下是将简化为二维流，这样做所带来的误差不是很大的，完全可满足要求。

（3）确定渗流区的边界条件。

当渗流区的范围确定后，就要对其边界性质进行详细的确定。

一般情况下，只要渗流区边界与常年有水的湖泊、河流、水库等地表水系有直接水力联系时，则可做为第一类边界条件处理。

当渗流区与隔水岩体、阻水断层接触或是分水岭时，则可做为第二类边界条件处理，即可当做隔水边界，但分水岭做边界时，该边界具有可移动性。

（4）确定渗流区的源汇项。

在详细分析渗流区的水文地质条件的基础上，确定此渗流区内的源汇项，一般将进入渗流区内的量归入源项，加到微分方程的左边，而排出渗流区的量做为汇项，则从微分方程的左边减去。

（5）确定渗流区的微分方程。

（6）确定渗流区的初始条件。

2.框图

尾矿坝二维渗流有限元计算程序的编制思路如图8-1所示。

图8-1稳定渗流计算程序框图

三、尾矿库水工结构物可靠性分析

尾矿库排洪系统，如排水管、斜槽等，在尾矿库运行过程中，承受外部荷载的作用。

尾矿库水工结构物的安全运行对整个尾矿库安全性至关重要。

结构的可靠度指的是结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下具备预定功能的概率。

可靠度设计的基础是基于可靠度目标的设计准则而不是确定性设计准则。

结构体系的可靠度可以通过其可能的失效模式（延性材料结构中的结构）得到。

1.可靠度理论方法

基本的可靠度分析步骤可被概括为结构分析方法所必需的所有输入变量的统计定义，与所预测的失效模式相关的应力与强度的统计定义，以及计算结构失效的概率。

可靠度分析一般步骤。

①确定结构可能的失效模式；

②定义可接受的失效概率；

③建立应力和强度的计算模型；

④确定设计变量的统计特征；

⑤确定系统失效概率；

⑥结构体系可靠度的蒙特卡罗计算方法。

2.结构可靠度计算创新算法的研究与应用

（1）基于随机结构优化的可靠度计算的一种新方法。

该方法构造了一个多项式函数（响应函数）以用来代替实际功能函数，然后在优化过程中通过应用基于该响应函数的蒙特卡洛模拟进行可靠度计算。

（2）基于遗传算法的可靠度计算的一种新方法。

人工智能科学的飞速发展为可靠指标的优化求解提供了一个强有力的工具。

遗传算法（GeneticAlgorithm）是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰的遗传机制）演化而来的随机优化搜索方法。

它采用简单的编码技术来表示各种复杂的参数，并通过对一组编码进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择来指导搜索方向。

基于可靠指标的几何涵义，把遗传算法用于结构体系可靠指标的优化求解，以克服传统计算方法的局限性。

并通过实际算例证明了该方法的准确性和可行性。

（3）基于GA和PNET法的一种体系可靠度计算的新方法。

①PNET法即“概率网络估算技术”法。

PNET法的基本原理是认为所有主要的机构可以用其中的m个所谓代表机构来代替。

这些代表机构是由所有主要机构通过下述原则选择出来的，即把主要机构分为几个组，在同一组中各机构与一代表机构高级相关，这个代表机构就是该组所有机构中失效概率最高的机构。

从相关条件知，它可以代表该组所有机构的失效概率。

②GA-PNET法：

GA－PNET法由于考虑了各机构间的相关性，因而具有一定的适应性。

由于各机构间荷载效应一般是高级相关的，加上材料性能所决定的抗力也有较高地相关性，因此，各机构间的相关系数通常较高，故代表机构一般较少，这可使计算工作量大大地减少。

由于上述优点，GA－PNET法可作为延性结构体系可靠度分析的较为可行的方法。

四、尾矿库震动液化工程

灾害诊断技术

1.传统的地层液化评判技术

（1）地层地震反应与室内试验结合的简化分析计算法。

地震液化的外因，主要是竖向传播到地面的剪切波，基于这样的认识和假设，在判定砂层液化时，第一，需根据试验，确定相应条件下引起饱和砂土液化所需要剪应力的大小；

第二，需要通过分析，求出地震时剪切波所引起的剪应力沿地层的分布，然后将两者进行比较，以判别是否可能产生液化。

（2）标准贯入试验击数的经验判别法。

鉴于标准贯入击数可大致综合地反映砂层相对密度、原始结构及应力状态等与砂层液化有关重要因素，在发展起来的经验法判别砂层液化技术中，标贯击数判别法简单实用，应用范围较广。

（3）相对密度Dr初步判别砂层液化方法。

计算表明，液化临界标准贯入击数N与相对密度Dr之间关系比较复杂，因此，只能作近似换算，当饱和砂土相对密度Dr值小于5～4中的数值时，地震时就有发生液化的可能。

（4）饱和含水量wmax与液限wL的关系。

当判别饱和少粘性土液化的可能性时，据有关试验，当少粘性土的含水量w接近或超过液限wc时，地震就会发生液化，对于塑性指数Ip≥3的饱和少粘性土，当其饱和含水量wmax≥（0.9～1.0）wc时，或液性指数Il≥0.75～1.0时，地震时可能发生液化。

2.尾矿库砂层液化分析、诊断技术

（1）基于非线性突变论对尾矿库地震液化灾害的诊断分析技术。

突变理论就是研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发生不连续变化的数学理论。

它是法国数学家Thom于20世纪70年代初提出的。

突变理论是用拓朴学的方法对分支理论的发展，它提供了一种研究所有跃迁、不连续性和突然质变的更普遍的数学方法，突变论的重要贡献是对突变的类型作了分类。

控制参数一个微小的变化都可能引起系统行为质的跃变，这就是突变论的基础原理。

在尾矿库地震液化灾害力学体系中，一个模型往往要包含若干参数，有的参数起关键性作用，而关键作用的参数在其临界值附近的一个微小变化都会使系统的演化行为发生质的改变，这样就引出了结构稳定性的分析研究。

基于尖点突变理论，工程地质问题分析一般可采用如下步骤。

①通过野外地质原型调查，建立地质模型。

②根据地质模型，建立相应的力学模型。

③求出系统的总势能，建立势函数的表达式，再利用泰勒展开、变量替换等手段将势函数化为尖点突变的标准形式。

④求解系统发生突变的必要条件。

⑤求解突变的充分条件。

⑥根据工程需要，可对系统的演化途径作定量或定性分析。

把突变论应用于尾矿库地震液化判别技术，尚处于发展完善阶段，不过这并不影响该项实践活动，在实践中发展起来的突变论诊断尾矿库地震液化的技术将更具有推广和实用价值

（2）基于可靠性理论的尾矿库液化势分析技术。

利用可靠性分析方法评价地震砂土液化势，就是在承认计算所用数据的正确性、破坏机理的合理性、以及分析方法本身的适用性都具有一定程度不确定性的前提下，建立可靠性评价的随机模型，把输入参数，诸如地震震级、地面最大水平加速度、SPT值土层覆盖总应力、有效应力、土层液化应力比、土层粘粒含量等视为随机变量，并以一定的分布函数描述它们，由此，表明砂土层状态的状态函数及状态的评价指标亦为随机变量，并通过历史地震液化破坏实例的概率论和数理统计方法，求得砂土液化评价可靠度β，即所评价砂土层在使用期内，在指定的工作条件下，肯定地不发生液化的概率。

（3）基于数值分析计算手段对尾矿库孔隙水压力比计算的砂层液化判别技术。

尾矿库的孔隙水压力比是砂层液化的关键性参数，本研究以Biot波动方程为基础，考虑水土动力耦合作用和土体的非线性性质，用三维等参有限元法和波前法求解变形和残余孔隙水压力。

（4）基于能量法的尾矿库砂层液化诊断技术。

地震时砂层的振动是地震能量激起的，因而尾矿砂的振动液化取决于传至土体内振动能量的大小和土体的动力性能，当振动孔隙水压力达到初始有效围压时产生初始液化。

第三节尾矿库安全稳定性研究

1.尾矿坝稳定性计算的主要内容

（1）尾矿坝坝坡破坏的一般形态。

坝坡滑动面的形状对于均质粘性土坝多呈圆弧形；

对于非粘性砂石料坝多呈折线形；

当坝内含有大量面积的厚层细泥夹层，或滑弧通过坚硬岩层时，滑动面的形状就比较复杂，为圆弧和折线的组合面。

（2）尾矿坝坝坡稳定的安全系数。

（3）尾矿坝的危险滑动面。

由于地基、初期坝、尾矿性质和其它外力条件不同，滑弧的位置可能有几种情况：

①地基条件较好，一般容易在坡脚处发生滑动；

②地基较软弱时，可能连同一部分地基一起滑动；

③若初期坝强度较高，也可能在初期坝顶以上发生滑动；

④在特殊情况下，最不利滑弧位置也可能发生在尾矿未达到最终标高以前的某个断面上。

2.影响尾矿坝稳定的因素

（1）坝体物料及坝基土的物理力学性质。

合理的物理力学参数的选取是进行稳定性分析的前提，极大地影响着稳定性分析结果的可信度。

（2）渗流对坝坡的作用。

渗流对坝体稳定性起着重要作用。

大部分滑坡都是在暴雨或浸润线过高后发生的，水的作用往往成为滑坡的直接原因。

（3）天然地震效应。

3.尾矿坝稳定分析计算的荷载组合

尾矿坝所承受的荷载主要来自以下五类：

①正常高水位的渗透压力；

②坝体自重；

③坝体及坝基中的孔隙压力；

④最高洪水位有可能形成的稳定渗透压力；

⑤地震荷城。

4.尾矿坝稳定性分析方法

极限平衡法。

常用于尾矿坝坝坡稳定性计算的瑞典圆弧法及Bishop方法进行阐述。

5.稳定计算公式的选用

（1）对于重要的尾矿坝，可以采用几种坝坡稳定的计算方法进行分析比较，来确定其安全性。

如南芬小庙儿沟尾矿库曾采用折线法和圆弧法计算，马家田尾矿库采用圆弧法、图解法和坡面滑动法计算。

（2）对不重要的Ⅴ级尾矿坝，亦可不经计算，简单计算或根据经验确定。

（3）对于砂性尾砂（粉、细砂和砂壤土等），一般可用折线法及坡面滑动法等。

对砂性尾矿的小型工程可采用较简单的图解法和局部稳定法。

（4）圆弧滑动法应用较广，对各种土类均有较多使用经验。

对粘性尾矿（粘壤土、粘土等）可采用有效应力法及稳定系数表计算。

（5）地基有软弱夹层时，采用改良圆弧法。

6.南芬铁矿庙儿沟尾矿坝稳定性计算实例

本钢南芬铁矿庙儿沟尾矿库采用上游法筑坝型式，该库初期坝最大标高22.5m，为透水混合式坝。

尾矿坝堆积高度为120m，最终堆积标高+320m，总库容1.05亿m3。

坝坡稳定验算采用瑞典条分法。

（1）荷载组合。

南芬地区地震烈度为6度，但考虑尾矿库的重要性，参照历次设计文件，地震荷载按7度考虑，采用拟静力法，水平地震系数Kc=0.025。

浸润线主坝采用1997年8月实测浸润线。

荷载组合：

①基本荷载组合（正常运行）：

坝体自重+正常生产水位；

②特殊荷载组合（洪水运行）：

坝体自重+最高洪水位；

③特殊荷载组合特殊运行）：

坝体自重+最高洪水位+地震荷载

（2）物理力学指标的选取。

主坝坝坡稳定验算物理力学指标全部采用1977年沈阳勘察研究院提供的《勘察报告》库中堆积坝的稳定验算参考1998年鞍山冶金设计研究院岩土工程技术开发公司提供的《南芬选矿厂庙儿沟尾矿库增容岩土工程勘察报告》，并结合库中放矿时间短，尾矿固结强度低的具体情况，适当调整物理力学指标，尽可能地符合实际。

采用的物理力学指标见表8-1。

（3）坝体稳定验算结果。

①主