高地震烈度区考虑山谷地形影响的尾矿坝地震稳定性研究

Yunnan province is located in the high earthquake-intensity area, and the number of tailings dam is large and mainly of them are valley-type. The valley-type tailings dam has "valley terrain effect" under the effect of seismic load and is liquefied easily or lose stability to be broken. At present, the study of this important problem requires thorough researches. This project is aimed at the key scientific problems in the tailings dam disaster prevention and control in China, which is study on seismic stability of tailings dam considering valley terrain effect in the high earthquake-intensity area. It is carried out by indoor experiment, model test, theoretical analysis and numerical simulation to study it deeply and systematically. The characteristic of seismic wave propagation in the valley overlay and valley terrain are revealed to obtain the ground motion which takes into account the influence of the valley terrain. The dynamic triaxial test of the tailings and the resonant column test are carried out to establish the liquefaction basis of the tailings dam and the decay equation of tailings strength. On this basis, the model test and the finite difference method are used to study the seismic stability of the tailings dam slope, and the influence of the valley terrain on the seismic stability of the tailings dam is revealed. Finally, combined with the experimental results of the model test and the finite difference method, the reinforcement control measures of the seismic stability of the tailings dam slope are put forward according to the failure mechanism of the tailings dam earthquake stability. The research of this project will provide the basis for the seismic stability and reinforcement design of the tailings dam, which has high theoretical value and good application prospect.

云南地处高地震烈度区，尾矿坝数量多且主要为山谷型尾矿坝，山谷型尾矿坝在地震荷载作用下具有“山谷地形效应”而易于液化或丧失稳定而溃坝，目前研究者对这一重要问题的研究欠深入。本项目针对我国尾矿坝灾害防治中的关键科学问题——高地震烈度区考虑山谷地形影响的尾矿坝地震稳定性研究，采用室内试验、模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的方法进行系统深入地研究。揭示山谷地形对地震波传播特性影响，获得考虑山谷地形影响的地震动输入。进行尾矿的动三轴试验以及共振柱试验，建立尾矿坝的液化判别依据以及尾矿强度衰减方程。在此基础上，采用模型试验和有限差分法研究尾矿坝边坡地震稳定性，揭示山谷地形对尾矿坝地震稳定性的影响。最后，结合模型试验和有限差分法的试验结果，依据尾矿坝地震稳定性的破坏机理，提出尾矿坝边坡地震稳定性的加固控制措施。本项目的研究将为尾矿坝的地震稳定性及加固设计提供依据，具有较高的理论价值及良好的应用前景。

云南省矿产资源丰富且处于高地震烈度区，尾矿坝一般依地形而建，多数为山谷型尾矿坝，山谷型尾矿坝由于地震波的散射作用而具有场地效应，尾矿材料在地震作用下更易发生液化。针对西部高原高地震烈度区灾害防治中的关键科学问题，采用室内试验、模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的方法进行了系统深入地研究。在概化的V形和U型山谷模型的基础上，得到子区域的Helmholtz方程，采用区域匹配方法构造满足应力自由边界条件的波场，基于Graf加法公式与Sommerfeld辐射条件，利用连续性条件，基于Matlab软件求解稳态位移。在此基础上，研究了V形、U形以及部分填充半圆形沉积谷的地形效应和介质效应，研究表明地形效应和介质对SH散射有重要影响，大型高尾矿坝稳定性宜采用地震波多点输入进行坝体稳定性分析。在尾矿材料的动力三轴试验的基础上，引入动力损伤变量建立了动孔隙水压力模型，该模型具有较好的预测效果。通过尾矿材料的共振柱试验，研究表明最大动剪切模量与最大阻尼比随固结压力和干密度的变化规律。建立了大型尾矿库物理模型，依托大型振动台进行了尾矿库地震动力响应模型试验研究，研究表明动力响应存在介质刚度效应和介质突变效应，并将模型试验结果与数值模拟试验结果进行对比，有较好的一致性。通过尾矿-橡胶混合物的动力三轴试验，分析了橡胶颗粒粒径和颗粒含量对尾矿-橡胶混合体动力特性的影响，揭示橡胶对尾矿-橡胶混合物的力学机理，研究表明，橡胶颗粒的颗粒团效应以及成团效应改良了尾矿-橡胶混合物的动力特性。开展了不同养护时间和固化剂掺入比条件下的固化剂改良尾矿砂的强度和微观试验，研究表明无机复合固化剂中矿渣和水泥对尾粉砂强度特性的影响较为显著，并利用扫描电子显微镜与能谱分析探究其加固机制。研究成果对于地震波在山谷地形下的散射特性提供了参考，对尾矿库抗震设计和抗震措施研究具有重要意义，揭示尾矿坝的地震动力响应规律提供了借鉴。