尾矿坝渗流特点及静动力反应稳定性分析研究

S2******* 土木与环境工程学院 杨慧芬 邱并生 生物化工 2003年9月北 京 科 技 大 学硕士学位研究生文献总结及选题报告论文题目：尾矿坝渗流特点及静动力反应稳定性分析研究指导教师： 单 位： 学 号： 作 者： 专业名称： 入学时间：2012年8月28日xxx 土木与环境工程学院 S2******* xxx 土木工程 2011年9月目录1 绪论 (1)1.1 课题来源 (1)1.2 选题意义与目的 (2)2 文献综述 (2)2.1 我国尾矿库的基本概况 (3)2.1.1我国尾矿库的分类及分级 (3)2.1.2我国尾矿库现状及特点 (6)2.1.3我国尾矿库存在的安全问题 (8)2.1.4我国尾矿库安全问题产生的原因 (9)2.2国内外尾矿库稳定性分析现状 (10)2.3尾矿坝坝体稳定性分析方法 (11)3 主要研究内容 (12)3.1尾矿坝坝体渗流分析 (13)3.1.1 渗流理论基础 (13)3.1.2渗流计算原理 (14)3.1.3渗流计算方法 (15)3.1.4渗流稳定性分析 (15)3.2尾矿坝静动力反应分析 (17)3.2.1静力非线性分析方法 (17)3.2.2动力非线性分析方法 (19)3.3有限元强度折减法 (20)3.3.1强度折减法基本原理 (20)3.3.2强度折减法失稳判据 (21)3.3.3基于场变量的有限元强度折减法 (22)3.4 ABAQUS软件的应用 (23)3.5 Geo—Slope软件的应用 (24)3.6 AutoBank软件的应用 (26)4 论文研究技术路线 (28)5 进度安排 (22)参考文献 (23)1 绪论1.1 课题来源本课题来源于山东黄金集团的玲珑金矿，其矿区位于招远市和龙口市交界处，行政区划大部分属于招远市。

该矿区北起龙口市大园村，南至招远市台上村，西至欧家夼村，东到九曲村，地理坐标为东经120°27′08″～120°33′55″，北纬37°26′07″～37°29′21″。

该矿区距招远市城区15公里，北距龙口市黄城30公里。

215省级公路自矿区通过，交通十分便利。

玲珑金矿现有尾矿库两座，分别为玲珑尾矿库和灵山尾矿库，本次研究对象为玲珑尾矿库。

玲珑尾矿库位于玲珑金矿玲珑矿部南东约3km（直线距离约1.2km）的蒋家杨地段的S型山谷中，三面环山，地形起伏大，坡度陡。

地貌类型属于构造剥蚀低山丘陵地貌。

尾矿库库区周围标高+300.0m～+360.0m，远离居民区、工业设施，工程地质、水文地质条件均较好，便于管理，且汇水面积较小，+340.0m以下尚有加高扩容的潜力。

尾矿库分两期工程实施，其中一期工程位于运行尾矿库上游（即老尾矿库），一期工程于1967年建成，1969年投入使用，1989年闭库，最终堆坝坝顶标高为+320m。

二期工程（玲珑尾矿库）位于一期工程下游600m处，1989年建成投入使用。

设计总库容量为290×104m3，坝体总高度为H1=76m （自坝基沟底标高+206.5m～+282.5m标高）。

二期工程设计初期坝坝型为透水堆石坝结构，坝高H初=28.5m，采用上游法尾矿堆积筑坝方式，通过几次设计，尾矿终堆积标高+310m，堆积总外坡比为1:4。

在尾矿库建设有副坝，副坝最大坝高3.5m。

尾矿库设计总库容达到600×104m3。

为解决后期尾矿堆存问题，2007年10月对玲珑尾矿库进行了加固扩容设计，设计最终堆积坝顶标高为+340.0m，即坝体继续加高30m（+310m～+340m），加高加固后坝体最大坝高H终=133.5m（+206.5m～+340m），相应尾矿库设计总库容达到V总=981×104m3。

按选厂年排尾矿量60×104t，合35.7×104m3/a。

根据国家地震局编制的中国地震烈度区划图，招远市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期为0.30s，设计地震分组为第二组。

建筑场地类别为I类，地基土为不液化土。

场地属可进行建设的一般地段，场地稳定。

1.2 选题意义与目的尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。

其自身安全运行是矿山工作的重中之重，在世界上的各种重大灾害中,尾矿库灾害仅次于发生地震、霍乱、洪水和氢弹爆炸等灾害位居第18 位。

尾矿灾害事故的发生,从短期看来不但会造成矿山停产等直接经济利益的损失,而且还会导致附近居民大量的财产损失和人身伤亡；从长期看来就是涉及子孙后代的土地污染，饮水污染等环境污染的问题,其所造成的长远影响和社会危害性极大。

目前我国尾矿坝的安全生产管理及事故的预防，多数还停留在凭借经验的初级阶段阶段，最主要的是在事前预测分析上做的不够，在运行中缺乏行之有效的管理和科学决策的依据，在突发事件上应急安全措施更是做的不够到位，这样不利于尾矿库的安全运行。

本文针对目前我国尾矿库所普遍存在的安全问题，以山东黄金集团玲珑金矿的玲珑尾矿库为背景，进行尾矿库的渗流特点及稳定性（静动力反应）研究分析。

通过现场检测数据的整理分析以及数值模拟计算的研究分析，对其堆积坝体的稳定性作出安全性评价，并且利用有限元强度折减法计算出可能存在的破坏模式。

对坝体的整体稳定性做出安全评价，找出问题并提出整改意见。

为山东黄金集团玲珑金矿的玲珑尾矿库的安全管理提供理论方面的依据。

进而将此理论应用领域进行拓展，争取为我国本行业尾矿库的安全管理以及灾害事故的预防提供理论支持。

使尾矿工程的安全生产得到充分的认识和重视，并从技术方面提供切实可行的方案，使我国尾矿库管理技术水平落后的局面得到整体改善。

2 文献综述2.1 我国尾矿库的基本概况2.1.1我国尾矿库的分类及分级金属或非金属矿山开采出的矿石，经选矿厂选出有价值的精矿产生砂一样的―废渣‖，称作尾矿。

将选矿厂排出的尾矿送往指定地点堆存或利用的技术叫做尾矿处理。

为尾矿处理所建造的设施系统称作尾矿设施。

而尾矿库就是筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。

根据地形条件的不同，尾矿库可以分为以下四种类型[1]。

(1)山谷型尾矿库：如图2.1，在山区和丘陵地区利用三面环山的自然山谷，在下游谷口地段一面筑坝，进行拦截形成尾矿库。

其特点是初期坝相对较短，坝体工程量较小；后期尾矿堆坝较容易管理和维护，当堆积坝较高时，可获得较大的库容；库区纵深较长，澄清距离及干滩长度易于满足设计要求；但汇水面积较大，排水设施工程量大。

我国大中型尾矿库大多属于这种类型的尾矿库，如郑州铝厂赤泥堆场、山东铝业公司第二赤泥堆场均为山谷型尾矿库。

(2)傍山型尾矿库：如图2.2，在丘陵和湖湾地区，利用山坡洼地，三面或两面筑坝，进行围截形成尾矿坝。

其特点是初期坝相对较长，初期坝和后期尾矿堆坝工程量较大；由于库区纵深较短，澄清距离及干滩长度受到限制，后期堆坝高度一般不太高，故库容较小。

汇水面积虽小，但调洪能力较小，排洪设施的进水构筑物较大。

由于尾矿水的澄清条件和防洪控制条件较差，管理、维护相对比较复杂，国内低山丘陵地区的尾矿库大多属于这种类型，如山西铝厂一期赤泥堆场为傍山型尾矿库。

(3)平地型尾矿库：如图2.3，在平原和沙漠地区的平地或凹坑处，人工修筑围堤，形成尾矿库。

其特点是初期坝和后期尾矿堆坝工程量最大，维护管理比较麻烦；由于周边堆坝，库区面积越来越小，尾矿沉积滩坡度越来越缓，因而澄清距离、干滩长度以及调洪能力都随之减少，堆坝高度受到限制，一般不高。

但汇水面积小，排水构筑物相对较小。

国内平原或沙漠地区多采用这类尾矿库。

例如金川、包钢和山东省一些金矿的尾矿库，山东铝业公司第一赤泥堆场，山西铝厂二期赤泥堆场均为平地型尾矿库[2,3,4]。

(4)截河型尾矿库：如图2.4，此类尾矿库就是截取一段河床，在其上、下游两端分别筑坝形成尾矿库。

有的在宽浅式河床上留出一定的流水宽度，三面筑坝围成尾矿库。

其特点是不占农田，库区汇水面积不太大，但库外上游的汇水面积通常很大，库内和库上游都要设置排水系统，配置较复杂，规模庞大。

此类尾矿库维护管理比较复杂。

目前国内采用的不是很多。

图2.1 山谷型尾矿库图2.2 傍山型尾矿库图2.3 平地型尾矿库图2.4 截河型尾矿库尾矿库的等级决定防洪标准及库内构筑物的级别，而构筑物的级别决定结构安全度[5,6]。

根据尾矿库的库容和尾矿坝的高度及其重要性等因素确定了尾矿库及构筑物等级，如表2.1 和表2.2。

尾矿库的等别从高到低分为五等。

规程对等别不同的尾矿库采用的防洪标准和坝体安全系数也是不同的。

一等最高，五等最低。

尾矿库各使用期的设计等别应根据该期的全库容和坝高确定。

当两者的等差为一等时，以高者为准；当等差大于一等时，按高者降低一等。

尾矿库失事将使下游重要城镇、工矿企业或铁路干线遭受严重灾害者，其设计等别可提高一等。

表2.1 尾矿库的等别注1：坝高指尾矿最终堆积标高与初期坝坝轴线处坝底标高的高差；注2：当有下列情形之一时，应将表列等级提高一级：①尾矿库失事将施下 游城镇、工矿企业、铁路干线与大面积农田遭受严重灾害，或有其它特殊要求经过充分论证时；②工程地质条件及水文地质特殊复杂时；注3：初期坝的等级和中间阶段尾矿堆积坝的等级应根据相应的库容或坝高参照本表分别确定。

表2.2 尾矿库的构筑物级别注：主要构筑物指尾矿坝、库内排水构筑物等失事后难以修复的构筑物；次要构筑物指失事后不致造成下游灾害或对尾矿库安全影响不大并易于修复的构筑物；临时构筑物指尾矿库施工期临时使用的构筑物。

临时构筑物指施工导流设施；次要构筑物指隧洞的支线、中间排水井的井筒等。

等别全库容（万.m 3） 坝高H （m ） 一二等库具备提高等别条件者 二V ≥10000 H ≥100 三1000≤V ＜10000 60≤H ＜100 四100≤V ＜1000 30≤H ＜60 五 V ＜100 H ＜30 尾矿库等别构筑物级别 主要构筑物 次要构筑物 临时构筑物 一1 3 4 二2 3 4 三3 5 5 四4 5 5 五 5 5 52.1.2我国尾矿库现状及特点尾矿库是矿山日常运行过程的一项重要生产设施，它运行状态的好与坏，直接关系到矿山的生产的经济效益和附近人民群众的生命财产的安全。

建国以来，我国的尾矿库建设经历了发展的不同时期。

特别是改革开放以后，国家政府高度重视，从这个方面逐渐开始完善矿业生产的规范，因此尾矿库的建设蓬勃发展。

为适应我国矿山的发展，在尾矿技术方面取得了很大的进展，同时在尾矿设施的建设及管理上取得了很大的成就。

所有这些成就，都为促进尾矿库的安全运行和生产发展、环境治理、资源再利用创造了良好的条件。