考虑空间变异特性的大型尾矿坝稳定可靠度分析与失稳机制研究

The failures of tailings dam caused by dam slope instability have great influence on the security of our peoples, therefore it is of great importance to perform the design and research on the online monitoring system for tailings dam. The main dificulty is how to evaluate the reliability of dam slope in accurate and quick fashion. This project aims to study the spatial variability of strength parameters of dam materials and to analyze the random property of permeability coefficient and phreatic surface on the basis of tailings dam model tests. The local average subdivision method is incorporated to obtain the available function for limit equilibrium method calulation and the importance sampling method is adopted to study the different failure modes of dam slopes. The fast Monte Carlo Simulation Method is presented to get the reliability index or the failure probability of the dam slope system. In view of the characteristics of multi stages and multi layters for tailings dam, the local failure and global failure of dam slopes are considered in the context of limit equilibrium method in order to propose a fast method for dam slopes reliability analysis. The implement of this project will do good to the design of current onlime monitoring system and will also add to the geotechnical slope analyis methods.

尾矿坝坝坡失稳导致的尾款库溃决事故对人民的生命财产安全有重大影响，因此我国正在积极开展尾矿库在线安全监测系统的设计与研究，目前最大的困难在于如何正确、快速地评价尾矿坝的可靠度稳定性程度并进行预警，本项目拟在尾矿坝模型试验测试的基础上，研究尾矿坝筑坝材料的强度参数在空间中的变异特性、分析尾矿坝筑坝材料的渗透系数与浸润线的随机变异特性，借鉴随机场理论中的局部平均分割方法归纳出可用于极限平衡方法计算的函数曲线；利用基于和声策略的粒子群算法对尾矿坝坝坡不同的失稳模式进行研究，在极限平衡方法的理论框架之内，针对尾矿坝多级多层的特征，基于重要性抽样法提出能考虑局部破坏与整体破坏的尾矿坝坝坡系统可靠度快速分析方法，该项目的顺利实施对尾矿坝坝坡的安全评价以及在线监测系统的正确预警具有非常重要的价值，同时也可以丰富岩土工程边坡可靠度分析的研究方法。

本项目在以下五个方面取得了重要进展：.(1)危险滑动面甄选策略. 尾矿坝坡具有多级多层的几何和物理特征，坝坡有可能沿着很多不同的滑动面失稳，因此如何快速高效地甄选危险滑动面(代表性滑动面)是本项目开展的坚实基础。在极限平衡方法框架之内，首先确定常规的临界滑动面，然后随机产生大量的潜在可行滑动面，分别计算潜在滑动面与临界滑动面的相关系数，根据相关系数划分成几个区间，在每个区间中选取可靠度指标最小的滑动面作为代表性滑动面；.(2)尾矿坝坡系统失效概率快速确定. 随机生成足够多潜在滑动面，选择可靠度指标最小的作为第一个危险滑动面，首先计算第一个危险滑动面的失效样本数目，然后剔除掉与第一个危险滑动面相关系数较高的潜在可行滑动面和失效样本，并从剩余的可行滑动面中选择可靠度指标最小的作为第二个危险滑动面，计算其失效样本数目，如此重复，直至所有的可行滑动面均被遍历，最后累加所有危险滑动面的失效样本数目，即可快速得到系统失效概率；.(3)基于多重响应面法的坝坡系统失效概率计算. 在甄选的危险滑动面基础上，针对每一个滑动面构建一个二次多项式函数响应面，将构建的多个响应面用于尾矿坝破系统失效概率的快速计算，在保证计算精度的基础之上，该多重响应面法大大提高了计算效率，针对常规尾矿坝坡系统失效概率计算问题，能够在1~2分钟之内给出结果；.(4)尾矿坝坡风险量化. 进行了基于关键失稳模式的坝坡失稳概率与滑坡风险的对比分析，研究发现：对具有多级特征的坝坡失稳而言，从失稳概率控制的角度和从滑坡失稳风险控制角度进行边坡加固与治理时，关键的失稳模式有很大差别，需要引起岩土工程技术人员的重视;.(5)尾矿坝坡失稳模式比较分析. 考虑坝体材料参数空间变异特性之后，判断边坡发生浅层与深层失稳模式的标准趋于复杂化，不能仅仅通过坡角来判断；极限平衡方法中的简化Bishop法所得安全系数与强度折减法结果具有高度的相关性，线性拟合回归的相关系数接近1.0；除边坡发生复合失稳模式以外，简化Bishop法所得失稳模式与强度折减法相吻合。