尾礦壩潰決泥沙流動特性及災害防護研究.pdf

1、我國是世界上礦產(chǎn)資源需求量和開采量最大的國家之一。目前我國95％的能源和80％的原材料依賴于礦產(chǎn)資源。在礦業(yè)開發(fā)活動中，人們在獲得有價值的礦產(chǎn)品的同時也排棄了大量的尾礦渣，從而導致了大量尾礦庫的出現(xiàn)。隨著礦產(chǎn)資源開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)量迅猛增長同時，尾礦顆粒也越來越細，加之所堆砌而成的尾礦庫在數(shù)量和高度上的增加，尾礦庫潰壩風險也大大提高。近年來，因各種因素導致的尾礦庫潰壩災害事故逐漸增多,對下游人民生命、財產(chǎn)

2、安全以及周邊環(huán)境造成巨大危害，其社會影響也是越來越大。本著“以人為本”的發(fā)展模式，我國尾礦壩潰決災害的預測和防治工作顯得十分重要。目前針對尾礦庫潰壩泥沙流動特性方面的相關(guān)研究鮮有報道，這對尾礦庫潰壩災害的防治工作帶來了很大的困難。因此，開展尾礦庫潰壩泥沙流動特性方面的研究，對充分認識尾礦庫潰壩災害特點和指導庫區(qū)下游的災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為工程背景，運用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合性研究方

3、法，對尾礦庫潰決泥沙在庫區(qū)下游溝谷中的運動規(guī)律、沖擊力特性等問題進行了深入系統(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的基本概況及庫區(qū)周邊環(huán)境安全，通過取樣、室內(nèi)土工試驗、室內(nèi)流變試驗等一系列測試，深入系統(tǒng)地研究了全尾礦沙以及尾礦漿體的物理力學特性，獲得了尾礦顆粒組成、靜力學性質(zhì)以及流變特性。并分析了尾礦庫潰壩的主要力學機理，為下一步尾礦庫潰壩物理模型試驗研究提供基礎(chǔ)。

4、
　　 (2)以秧田箐尾礦壩潰決泥沙流體為研究對象，利用自主研制的尾礦庫潰壩模擬試驗裝置，依據(jù)相似理論，采用室內(nèi)相似物理模型試驗，首次對尾礦庫潰決泥沙流體在下游溝槽中的演進規(guī)律、沖擊力變化特性以及彎道超高等問題進行了深入系統(tǒng)的研究。在尾礦庫潰壩試驗研究中，分析了壩體高度、泥漿濃度、溝槽坡度、潰決口門大小以及溝槽底部粗糙條件對潰決泥沙流動特性的影響，得出了相關(guān)規(guī)律；同時結(jié)合相關(guān)理論知識分析潰決泥沙流動機理，并在相似模型試驗研究的基

5、礎(chǔ)之上，運用量綱理論建立了適合尾礦庫潰決泥沙流動特性的流速和沖擊壓力計算方法?；诹黧w力學分析方法與流體質(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，對潰決泥沙流在彎道處的超高計算公式進行了修正，提出了更符合泥石流實際運動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，系統(tǒng)地研究了在庫區(qū)下游修筑攔擋壩后對潰決泥沙流緩沖效應等問題。在試驗研究中，分別從攔擋壩高度、攔擋壩級數(shù)兩方面對防護效果進行

6、了深入探討，并對攔擋壩工程的防護機理進行了分析。在結(jié)合前人的理論研究成果和本次模型試驗的結(jié)論基礎(chǔ)之上，對基于攔擋壩工程條件下潰決泥沙流沿程能量耗散特征進行系統(tǒng)的分析，得到了單位質(zhì)量泥沙流體能量隨著流動距離的增大呈非線性減小的趨勢。通過對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理，即運動邊界條件的突變是泥沙流發(fā)生能量突變的前提，并提出了泥沙流運動過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分析方法

7、在研究泥沙流運動、動力學方面提供了簡便可行的理論基礎(chǔ)和框架，結(jié)合模型試驗結(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動方向垂直的攔擋建筑物后的沖高數(shù)學模型，并對之進行了試驗驗證。
　　 (5)基于突變思想，建立了尾礦庫潰決泥沙起動的力學模型，得出了泥沙起動的勢函數(shù)，并根據(jù)尖點突變理論建立了泥沙流體起動的尖點突變模型，從力學的角度運用尖點突變模型對泥沙流起動機理進行分析，得到了泥沙流起動的充要條件。
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