尾礦壩潰決泥沙流動(dòng)特性及災(zāi)害防護(hù)研究.pdf

1、我國(guó)是世界上礦產(chǎn)資源需求量和開(kāi)采量最大的國(guó)家之一。目前我國(guó)95％的能源和80％的原材料依賴于礦產(chǎn)資源。在礦業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)中，人們?cè)讷@得有價(jià)值的礦產(chǎn)品的同時(shí)也排棄了大量的尾礦渣，從而導(dǎo)致了大量尾礦庫(kù)的出現(xiàn)。隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)采速度的加大以及選礦工藝的發(fā)展，在排棄的尾礦渣數(shù)量迅猛增長(zhǎng)同時(shí)，尾礦顆粒也越來(lái)越細(xì)，加之所堆砌而成的尾礦庫(kù)在數(shù)量和高度上的增加，尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)也大大提高。近年來(lái)，因各種因素導(dǎo)致的尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害事故逐漸增多,對(duì)下游人民生命、財(cái)產(chǎn)

2、安全以及周邊環(huán)境造成巨大危害，其社會(huì)影響也是越來(lái)越大。本著“以人為本”的發(fā)展模式，我國(guó)尾礦壩潰決災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治工作顯得十分重要。目前針對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥沙流動(dòng)特性方面的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，這對(duì)尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害的防治工作帶來(lái)了很大的困難。因此，開(kāi)展尾礦庫(kù)潰壩泥沙流動(dòng)特性方面的研究，對(duì)充分認(rèn)識(shí)尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害特點(diǎn)和指導(dǎo)庫(kù)區(qū)下游的災(zāi)害防治工作具有重要的意義。本文以云南銅廠銅礦秧田箐尾礦庫(kù)為工程背景，運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合性研究方

3、法，對(duì)尾礦庫(kù)潰決泥沙在庫(kù)區(qū)下游溝谷中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沖擊力特性等問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。本文所完成的主要工作和取得的成果如下：
　　 (1)系統(tǒng)地調(diào)查研究了云南銅廠銅礦秧田箐尾礦庫(kù)的基本概況及庫(kù)區(qū)周邊環(huán)境安全，通過(guò)取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)、室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)等一系列測(cè)試，深入系統(tǒng)地研究了全尾礦沙以及尾礦漿體的物理力學(xué)特性，獲得了尾礦顆粒組成、靜力學(xué)性質(zhì)以及流變特性。并分析了尾礦庫(kù)潰壩的主要力學(xué)機(jī)理，為下一步尾礦庫(kù)潰壩物理模型試驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)。

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　　 (2)以秧田箐尾礦壩潰決泥沙流體為研究對(duì)象，利用自主研制的尾礦庫(kù)潰壩模擬試驗(yàn)裝置，依據(jù)相似理論，采用室內(nèi)相似物理模型試驗(yàn)，首次對(duì)尾礦庫(kù)潰決泥沙流體在下游溝槽中的演進(jìn)規(guī)律、沖擊力變化特性以及彎道超高等問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。在尾礦庫(kù)潰壩試驗(yàn)研究中，分析了壩體高度、泥漿濃度、溝槽坡度、潰決口門(mén)大小以及溝槽底部粗糙條件對(duì)潰決泥沙流動(dòng)特性的影響，得出了相關(guān)規(guī)律；同時(shí)結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)分析潰決泥沙流動(dòng)機(jī)理，并在相似模型試驗(yàn)研究的基

5、礎(chǔ)之上，運(yùn)用量綱理論建立了適合尾礦庫(kù)潰決泥沙流動(dòng)特性的流速和沖擊壓力計(jì)算方法。基于流體力學(xué)分析方法與流體質(zhì)量守恒定律，依據(jù)泥石流垂向流速與表面流速分布理論以及泥沙沉積規(guī)律，對(duì)潰決泥沙流在彎道處的超高計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出了更符合泥石流實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況的彎道超高分析方法。
　　 (3)采用室內(nèi)相似物理模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了在庫(kù)區(qū)下游修筑攔擋壩后對(duì)潰決泥沙流緩沖效應(yīng)等問(wèn)題。在試驗(yàn)研究中，分別從攔擋壩高度、攔擋壩級(jí)數(shù)兩方面對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行

6、了深入探討，并對(duì)攔擋壩工程的防護(hù)機(jī)理進(jìn)行了分析。在結(jié)合前人的理論研究成果和本次模型試驗(yàn)的結(jié)論基礎(chǔ)之上，對(duì)基于攔擋壩工程條件下潰決泥沙流沿程能量耗散特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析，得到了單位質(zhì)量泥沙流體能量隨著流動(dòng)距離的增大呈非線性減小的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)沿程能量耗散率的分析，深入探析了泥沙流沿程能量耗散機(jī)理，即運(yùn)動(dòng)邊界條件的突變是泥沙流發(fā)生能量突變的前提，并提出了泥沙流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中增大能量耗散速率的措施。
　　 (4)基于能量理論的流體力學(xué)分析方法

7、在研究泥沙流運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)方面提供了簡(jiǎn)便可行的理論基礎(chǔ)和框架，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，利用能量理論建立了尾礦壩潰決泥沙流體在遇到與泥沙流運(yùn)動(dòng)方向垂直的攔擋建筑物后的沖高數(shù)學(xué)模型，并對(duì)之進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 (5)基于突變思想，建立了尾礦庫(kù)潰決泥沙起動(dòng)的力學(xué)模型，得出了泥沙起動(dòng)的勢(shì)函數(shù)，并根據(jù)尖點(diǎn)突變理論建立了泥沙流體起動(dòng)的尖點(diǎn)突變模型，從力學(xué)的角度運(yùn)用尖點(diǎn)突變模型對(duì)泥沙流起動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，得到了泥沙流起動(dòng)的充要條件。
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