基于流固耦合作用的饱和与非饱和下尾矿坝稳定性的数值分析

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流场与应力场之间相互联系,相互影响,工程中应将流场与应力场看作为一个整体系统来研究。流场与应力场耦合分析及计算是岩土工程中重要的研究内容。同时,饱和-非饱和现象普遍存在于土体,饱和区与非饱和区的交接面即为浸润面,上述两个区域的水体是相互联系的,若只对饱和区作为研究对象是不全面的。因此,开展基于流固耦合作用的饱和与非饱和岩土问题进行研究,具有较好的理论意义和应用价值。  尾矿坝(库)是选矿厂生产设施的重要组成部分,同时它又是一个重大的危险源。尾矿坝能否安全稳定的运行,对选厂生产起着至关重要的作用。由于现代采矿选矿技术的革新,尾矿越来越细,而矿山占地面积有限,尾矿堆坝只能越堆越高,又因尾矿库内尾矿的含水量比较大,从而导致尾矿坝稳定性较差。如何提高尾矿坝的安全性,对矿山安全起到莫大的帮助。基于此,本文开展了如下研究工作:  (1)针对尾矿坝的工程特点,探讨了不同的堆坝形式、渗流固结的特点和规律、尾矿坝事故及其原因和尾矿坝渗透破坏的不同形式及判别方法。  (2)从渗流基本理论出发,归纳引用了多孔介质三维饱和-非饱和渗流问题的微分方程以及方程的有限元格式。考虑渗流场和应力场的相互作用,引用了岩土介质渗流场和应力场耦合的数学模型,以及考虑两场耦合作用的有限元计算格式。  (3)利用大型商业软MIDAS-GTS对我国的洛阳泸场沟尾矿坝进行了数值模拟计算。对比了流固耦合与实际情况、流固耦合与仅考虑应力场情况,通过计算涨水过程来分析饱和-非饱和对尾矿坝浸润线和稳定性的影响,以及模拟了土体各向异性对浸润线的影响。  通过研究得出了以下结论:本文就数值模拟得到的与实测的浸润线位置进行了对比,结果表明两者有一定的偏差,但两者趋势相同;流固耦合情况下坝体的变形值和应力值都要略大于仅考虑应力场情况下的值,且模拟得到的要小于仅考虑应力场情况下的稳定系数;通过模拟15天涨水过程来进行非饱和特性分析,可见设有非饱和函数的坝体浸润线相对库内水位上升有明显的滞后现象,而在未设有非饱和函数的情况下,坝体浸润线相对库内水位上升没有明显的滞后现象;通过计算设有非饱和函数与未设有非饱和函数坝体的稳定系数,得到设有非饱和函数的稳定系数要大于未设有非饱和函数坝体的稳定系数;随着水平渗透系数Kx的取值提高,坝体水平方向的渗透能力增强,导致初期坝附近出现浸润线溢出现象,易产生渗透破坏。  
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