Numerical Study of the Effects of Drainage Systems on Saturated/Unsaturated Seepage and Stability of Tailings Dams

The stability of tailings dams is affected by seepage characteristics such as the location of the phreatic surface inside the dam, the effects of the capillary fringe, and the unsaturated zone above the zero pore pressure level. In this study, the performance of drainage systems in tailings dams was investigated by analyzing saturated and unsaturated seepage in the dam, considering the effects of the construction method, tailings properties, and the type of drainage systems. First, general seepage characteristics in tailings dams were studied and the effects of non-homogeneity were investigated. Our results show that in a silty tailings dam with a height of 15 m, unsaturated plus capillary seepage flux can reach 13% of the total seepage. The total head vs. discharge volume curves under various conditions were compared and their practical implications are presented. Then, stability analyses were carried out using the results of seepage analyses for different construction methods, material properties, and drainage systems. Finally, a number of practical conclusions are drawn regarding dam stability and the efficiency of toe, blanket, and chimney drains in different construction methods. Using a blanket and/or a chimney drain can increase the stability safety factor by up to two times, depending on the type of material.     

基于强度折减法的尾矿库渗流稳定性分析

尾矿库在渗流条件下的稳定性是影响整个矿山安全的重要因素。本文以国内某上游法堆筑尾矿库为研究对象,采用强度折减法对尾矿库在渗流条件下的稳定性进行了系统的分析,对比了不同失稳判别准则在尾矿库稳定性分析中的适用性和局限性,提出了以初期坝附近尾砂出现指向坝外、向上的变形矢量为标志的"变形矢量图准则"。研究结果表明,基于强度折减法进行尾矿库稳定性分析时,采用"变形矢量图准则"可以更准确高效地获得尾矿库的稳定安全系数。     

某高尾矿坝考虑渗流作用下的抗震性能分析

渗流作用和地震作用是影响尾矿坝稳定的主要因素。以云南省某尾矿坝为研究背景,基于Geo-studio软件考虑初始渗流场的影响,研究尾矿坝渗流作用下的稳定性,以及地震作用下的动位移与加速度、液化区域与震时的关系、坝坡抗震稳定性、震后永久位移及地震作用下浸润线的变化。计算结果表明：尾矿坝在渗流-应力分析中处于稳定状态。在地震作用下,尾矿坝的水平位移沿着坝高向上不断增大,最大水平位移分布在堆积坝顶部。初期坝顶和堆积坝顶加速度放大倍数分别为1.67和1.87倍。液化区域主要分布于堆积坝浅层区域。尾矿坝震后永久变形量较小,不会发生整体滑塌,但震后浸润线位置较震前显著提高,考虑增设排渗措施防止发生渗流破坏。     

尾矿坝渗流计算及排渗设计

渗流稳定是影响尾矿坝安全稳定的重要因素,浸润线位置的高低直接关系到尾矿坝安全稳定。以具体尾矿坝为例,根据现场钻孔实测资料,选取合适的计算参数和边界条件,建立合理的计算模型,对排渗设施正常运营和发生破坏两种情况下的尾矿坝渗流情况进行计算分析,得出初期坝的透水性与尾矿坝渗流稳定关系密切,一旦初期坝的防渗层淤堵,出口处的渗透性降低,坝体的整体浸润线升高,甚至有可能在坝坡处出渗。采用局部水平孔排渗的方案,可以有效地起到排渗的作用,降低坝体的浸润线,保证坝体的安全。     

某尾矿库渗流计算数值模拟

根据尾矿库的具体工程地质条件,采用渗流分析软件对尾矿库进行渗流数值模拟计算.考虑尾矿库渗透水在尾矿堆积体内流动时做低雷诺数的层流运动,以线性达西定律为基础,模拟不同坝高在正常运行工况和洪水运行工况下的渗流数值计算.结果表明:在冲沟的位置有较大的速度矢量,对流沙的裹挟会使局部危害加剧;库内水位向下游尾矿堆积坝体的渗透过程中,总水头最大,浸润线在坝顶部逸出可能性最大,最容易发生渗流破坏.     

尾砂分级综合利用对尾矿库安全稳定的影响

开展尾砂分级综合利用是当下矿山资源综合利用的趋势。研究尾矿分级粒径的选取对尾矿库安全稳定的影响问题,并阐明获得科学合理的尾矿分级粒径取值的技术路径。结果表明：尾矿分级取走一定数量的粗粒尾矿对尾矿堆积筑坝及尾矿库排洪的安全稳定性产生一定的影响,如果尾砂分级粒径选取不合理,取走的粗粒尾矿数量超过安全范围,造成细粒(包括黏性)尾砂占比增加,可能导致尾矿堆积坝出现渗透变形破坏,严重时甚至会造成尾矿坝坍滑失稳;同时可能导致尾矿沉积滩面坡度变缓,减少尾矿库的调洪库容,降低尾矿库的排洪安全性。研究获得安全合理的尾矿分级粒径取值对于尾矿库的安全稳定性至关重要。为了实现这一目标,必须以尾矿库的安全(包括尾矿坝的稳定安全和尾矿库的排洪安全)为中心展开一系列的研究论证工作,才能确保尾砂分级粒径取值的科学、合理。主要研究内容包括：研究分级后的尾矿物理力学特性变化情况、尾矿沉积滩平均坡度变化情况,以及尾砂粒径改变之后,对尾矿坝沉积分布规律产生的影响;基于多种工况条件,重新进行尾矿坝渗流分析计算、尾矿库调洪演算和尾矿坝稳定分析计算,必要时还需要进行尾矿库溃坝试验研究。研究成果可指导国内外尾矿分级综合利用工程技术实...     

红河某尾矿库坝体渗流稳定性分析

我国以往尾矿库技术不足,许多尾矿库存在设计不当的问题,潜在危险高.对此以云南红河某尾矿库为研究对象,通过现场勘查并结合室内土工试验与力学试验得到尾矿体渗透系数及力学参数,基于Geo-studio软件,构建尾矿库数值分析模型,研究尾矿库的渗流规律并对尾矿库坝体稳定性进行计算分析.对结果分析得出:尾矿库坝体在正常运行、洪水...     

降雨持续时间对某加高扩容尾矿坝渗流稳定性影响分析

持续降雨对尾矿坝渗流稳定性存在一定影响.以某加高扩容尾矿坝为研究对象,考虑降雨总量或降雨强度一定的情况,基于饱和-非饱和渗流理论对尾矿坝开展随降雨历时变化的渗流分析,得到了坝坡表层和坝体纵深的孔隙水压力变化规律,在渗流分析基础之上采用极限平衡法对尾矿坝开展坝坡稳定性分析.计算结果表明,随着降雨时间的推移,坝坡表层孔隙水...     

废石中线法在强震区高尾矿坝建设中的应用

针对强震区高堆尾矿坝建设的特点,在总结分析国内尾矿坝抗震经验的基础上,提出了一套以废石中线法为主、多种加固措施为辅的筑坝思路。从渗流、稳定等方面,对拟建于云南某沟谷内的高堆尾矿坝的抗震能力进行了研究和分析。研究结果表明,废石中线法具有浸润线低、稳定性好、不易液化等特点,9级地震设防条件下坝体最小安全系数为1.096,能够满足相关规范要求。该成果对于今后地震区特别是强震区高尾矿坝的设计、建造以及抗震加固等具有指导意义。     

排渗盲沟布置型式对某尾矿坝渗流稳定性影响的模拟分析

为探索不同排渗盲沟布置型式对尾矿坝渗流稳定性的影响,以某尾矿库为例,通过开展无盲沟、尾粉砂中布置水平向盲沟、尾粉砂中布置垂直向+水平向排渗盲沟、尾粉土中布置水平向盲沟、尾粉土中布置垂直向+水平向排渗盲沟5种布置型式下坝体渗流场、孔隙水压力及稳定性的模拟分析。研究结果表明：尾粉土中布置垂直向+水平向排渗盲沟对坝体浸润线埋深及安全系数影响最大,并给出了不同布置型式对尾矿坝渗流及稳定性影响的大小比较,为尾矿坝排渗设计提供参考依据。     

连续降雨下尾矿库失稳溃坝数学模型研究与应用

针对连续降雨导致的尾矿库失稳溃决,基于饱和-非饱和渗流理论和水砂混合物非平衡连续方程和动量方程,建立了一个尾矿库边坡失稳溃坝数学模型。该模型可考虑连续降雨条件下尾矿库的渗流场和应力场变化、溃口和底床变化对溃坝下泄物流量过程影响。应用该模型对某尾矿库进行了连续降雨条件下失稳溃坝过程的模拟分析,计算结果表明：连续降雨入渗使尾矿库浸润线不断抬升,进而导致尾矿库边坡发生失稳,失稳后坝体受力条件急剧恶化,在上游荷载作用下发生剪切破坏导致漫顶溃决。     

阿朵卡尾矿库稳定性分析及安全监测

尾矿库存在着溃坝、滑坡、崩塌、泥石流等危险隐患。主要对板田钒钛磁铁矿采选项目配套阿朵卡尾矿库工程安全稳定性进行分析与评价,对尾矿库设置安全在线监测系统,为阿朵卡尾矿库的安全与生产提供必要的理论依据。结果得出,尾矿库局部水力坡降(入渗点)超过允许坡降,但位于封闭环境中,加上初期坝及堆积坝的排渗措施,可有效降低浸润线;出渗点位于初期坝底部堆石体中,不会产生管涌等现象;通过使用简化毕肖普法等三种方法算出阿朵卡尾矿库的安全稳定系数处于安全的状态,其稳定性可较好满足安全生产的条件;在稳定状态良好的情况下对阿朵卡尾矿库进行安全监测。     

矿山排土场和尾矿库联合共建技术及其工程应用

尾矿库和排土场是矿山生产过程中的重大危险源,其安全性、经济性关系到矿山工程的成败,非常重要。在总结分析国内几种废石和尾矿联合处置经验的基础上,提出了一种排土场和尾矿库联合共建堆存的方法。为了解该方法的有效性及合理性,采用有限单元法和极限平衡法对该尾矿坝的应力变形和稳定性进行了分析。研究结果表明,排土场和尾矿库联合共建具有坝体稳定性好、安全性能高、经济效益好等优点,极端工况下坝体安全系数为1.21。研究成果对今后排土场和尾矿库共建相关的研究、设计和施工具有指导意义。     

尾矿库坝体及排渗体三维渗流分析

尾矿库区渗流场具有明显的三维特征,基于有限元方法对尾矿库的三维渗流及尾矿坝排渗体的渗流进行研究分析,模拟了尾矿库三维渗流和尾矿库增加了排渗盲管后的渗流。计算结果较好地反映了实际渗流情况,对指导尾矿库的设计和施工都有重要的意义。     

尾矿坝抗滑稳定性及影响因素敏感度分析研究

根据尾矿坝抗滑稳定性与坝体材料特性之间的变化关系,采用瑞典圆弧法对某尾矿坝进行抗滑稳定性计算,并对影响坝体稳定性的材料特性进行了敏感度分析。分析结果表明,坝体抗滑稳定性对坝体材料的摩擦角、内聚力和库内浸润线最为敏感,且敏感程度大小不一,为尾矿坝体设计提供了依据。     

基于非稳定渗流分析的尾矿库坝体稳定性研究

在汛期,尾矿库水位经常发生骤升骤降,坝体浸润线也随之发生急剧变化,坝体处于非稳定渗流状态,对坝体抗滑稳定产生不利影响。根据尾矿库调洪演算确定汛期尾矿库水位变化情况,建立尾矿库渗流稳定分析模型,以调洪演算确定的库水位作为非稳定渗流分析参数,进行坝体非稳定渗流分析,结果表明:在库水位骤升过程中,坝体内浸润线前部随着库水位不断上升而上抬,形成反坡S形;在库水位骤降过程中,坝体内浸润线前部随着库水位不断下降而下降,形成弧线形,但由于库水位变化速度较快,加上坝体渗透性的影响,浸润线后部变化很缓慢,在坝体内无法形成稳定的浸润线。基于此,本文分析了坝体抗滑稳定性,结果表明:在库水位骤升过程中,坝体抗滑稳安全系数仅从1.474下降至1.465,对坝体抗滑稳定性影响不大,但是一旦在最高洪水位形成稳定浸润线,坝体抗滑稳定安全系数明显降低至1.357;在库水位骤降过程中,坝体抗滑稳定安全系数仅从1.357上升至1.367,对坝体抗滑稳定性影响不大,但是一旦在正常运行水位形成稳定浸润线,坝体抗滑稳定安全系数明显提升至1.474。     

上游式尾矿库颗粒沉积规律及坝体渗流场分析

以尹庄尾矿库为工程背景,通过现场沉积滩面及钻孔取样进行室内筛分试验、渗透试验,获得了上游式尾矿颗粒在库内沉积规律,建立了尾矿库概化地质模型,并通过三轴试验得到了概化模型中不同地层尾矿的应力应变关系;以测定的饱和含水量、残余含水量及饱和渗透系数及各尾矿颗粒级配曲线为基础,利用Fredlund-Xing模型获得了土-水特征曲线及渗流模型;以有效应力理论为依据,建立上游式尾矿库流-固耦合数学模型,对该库的应力场与渗流场进行分析,获得了坝体的应力场及孔隙压力的分布规律。研究成果可为尾矿库的设计、施工和安全生产提供技术支撑。     

某尾矿库三维渗流分析

针对某尾矿库具体条件,采用三维有限元模拟和渗流场分布计算,判明在概化模型理想条件下尾矿坝三维渗流浸润线埋深的特点;通过对各排渗结构参数的敏感性进行分析,确定影响坝体浸润线埋深主要因素。模拟结果表明：在各排渗结构功能正常的工况下,尾矿库浸润线在尾砂子坝段的埋深均在15 m以下,大于规范要求值。     

榆木沟尾矿库自流式辐射井排渗系统施工关键技术

浸润线过高导致的渗流状况不良已经成为许多尾矿库的主要安全隐患,是引起尾矿库溃坝事故的最直接原因之一。自流式辐射井排渗系统具有自流排水安全可靠、辐射式集渗管水平伸入坝体范围广、排水量大、水位下降快、成本低、使用寿命周期长、后期管理运行方便等优势。在榆木沟尾矿库2号大口辐射井工程中应用了自流式辐射井排渗系统,取得了良好的技术和经济效果。结合该工程实践,对自流式辐射井排渗系统在尾矿库排渗工程中的施工关键技术问题进行了研究和探讨,为今后类似工程提供了有益的经验。     

强降雨条件下某铅锌矿尾矿堆积坝安全稳定性分析

强降雨是影响尾矿坝安全的重要因素之一,同时尾矿堆积坝在建造的过程中随着选矿工艺的改变堆坝尾砂的粒径分布也随之变化。为了研究不同组构尾矿堆积坝在强降雨条件下的稳定性,以湖南某铅锌矿尾矿堆积坝为研究对象,在分析该尾砂坝各级堆积子坝的尾矿砂物理力学性质的基础上,采用数值模拟方法研究了该尾矿坝在强降雨作用下不同时期堆积子坝的稳定性。研究表明:1)不同高度堆积子坝的尾砂组构不同,其不均匀系数、曲率系数以及黏聚力不同,尾矿堆积坝的安全系数与尾砂黏聚力呈正相关关系,与尾砂的不均匀系数呈正比,与曲率系数呈反比;2)相同降雨强度,降雨时长的增加对尾矿堆积坝整体稳定性影响小,但对坝坡表面及一定深度的尾砂有影响,其负孔隙水压力减小,坝体松散,影响坝坡稳定;3)尾矿堆积坝各部位能承受的最大剪应变与尾砂的黏聚力呈正相关关系,且黏聚力大的坝体的最大剪应变在各个区域都较黏聚力小的坝体有较大剪应变。实际堆积坝施工过程中可通过尾砂组构来分析坝体在强降雨作用下的稳定性。