基于宏细观耦合的尾矿坝稳定性分析方法及失稳机理研究

针对尾矿坝稳定性安全系数计算方法及失稳破坏力学机理这一科学问题，存在极限平衡方法假设过多、连续介质方法不能客观反映尾矿坝介质的离散性本质等诸多不足，项目拟建立连续-非连续介质耦合分析方法，基于室内力学实验结果建立宏细观参数间的量化特征关系，研发宏观连续模型与离散颗粒模型界面的数据传输方法，实现宏观网格模型和细观颗粒模型间的数据实时、准确传输与交换，解决大尺度球体离散元模型计算效率低下甚至无法实现这一技术瓶颈，从而完成尾矿坝宏细观耦合计算模型的构建。结合室内物理模型实验，建立并验证基于连续-非连续介质的尾矿坝安全系数计算方法，从宏观、细观不同角度研究尾矿坝的整体稳定性、散体介质运移规律、裂缝起裂时间、裂纹发展模式及坝体破坏溃决演化机制，并将研究成果应用于工程尺度尾矿坝的静态及动态稳定性分析，可为矿山企业安全生产和防灾减灾工作提供有效技术支撑。

针对尾矿坝稳定性安全系数计算方法及其失稳破坏力学机理这一科学问题，提出了采用连续-离散耦合的数值分析方法研究尾矿坝边坡稳定性及其失稳机制，结合强度折减方法和有效应力原理，建立了宏细观协同分析含水尾矿坝体的数值分析方法，研究了散体材料坝体在富水状态下的变形规律，结果表明连续-离散耦合条件下可采用强度折减法计算尾矿坝安全系数；进行了快速冲填尾矿库实例的静力液化分析，完成了尾矿坝大型室内物理模型试验，并与连续-离散耦合数值模型进行了相互验证，最后结合大型尾矿坝失稳事故进行了模拟分析与应用研究。项目主要研究成果及其科学意义包括：.(1) 提出了边坡连续-离散耦合数值模型构建方法、关键步骤及其优化方法，以及相关程序命令流的二次开发。研究了连续-离散耦合的宏细观参数匹配方法，建立了耦合区域确定方法和依据，并定义了耦合边界数据传输方法，为耦合区域的有效选取及边坡连续-离散耦合宏细观协同分析方法应用奠定基础。.(2) 结合强度折减理论，建立边坡开挖的连续-离散耦合数值分析模型，采用连续-离散耦合数值分析方法，分析坡体的变形规律和受力特征。从连续-离散模型的数据一致性、剪应变增量形成发展与局部位移的关系、连续-离散介质受力与位移过程、离散体细观破裂与坡体塑性变形等方面，对边坡稳定性连续-离散耦合分析方法进行研究，从宏观和细观角度对边坡失稳机制、连续-离散耦合条件下的边坡安全系数计算方法进行了初步探索。.(3) 通过尾矿库静力液化实例的数值模拟分析，表明在快速堆载条件下，尾矿库会随孔隙水压力的升高产生静力液化，甚至发生流滑破坏。完成了堆载加压的大型尾矿坝室内模型试验，结合试验结果，建立了富水条件下散体材料的连续-离散耦合模型，将浮重度及有效应力参数引入连续-离散耦合模型，分析坝体在静水作用下的失稳破坏特征，实现了含水饱和状态下尾矿坝稳定性及其失稳机理研究。