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氧化铝生产企业赤泥堆场的安全稳定分析 1 赤泥堆场安全评价 根据相关数据，中国有3460个完整的采矿库。在中国，不存在一个完整的采矿库规模。2.3个收集池占总采矿库的比例很小，仅为总支数的6.7%，4.5个收集池占总采矿库的大多数，占总限额的63.4%。全国尾矿库尾矿坝最大设计坝高为324米, 绝大部分为设计坝高小于60米的尾矿库。在我国矿山诸多尾矿库中, 目前处于正常运行的不足70%。有的行业44%的尾矿库处于险、病、超期服务状态, 情况非常不利。 赤泥是生产氧化铝过程中产生的工业废料, 在自然环境中脱水呈现软塑-稍胶结-胶结状态, 胶结状态的赤泥结构强度较高, 有的赤泥的强度近似于已经硬化的低标号水泥。赤泥可作为防渗材料、筑坝材料和防渗层的填土, 但其物理力学性质比较复杂。利用赤泥作为筑坝材料, 堆积而成的构筑物称为赤泥堆场或赤泥坝。赤泥堆场是氧化铝企业的重要组成部分, 其安全运行是企业工作的重中之重。赤泥堆场灾害事故的发生, 不但造成氧化铝停产等直接的经济损失, 而且还会产生对周边居民的财产损失、人身伤亡以及重大的环境污染等问题, 其所造成的政治影响和社会危害性是极大的。因此, 开展赤泥堆场安全评价工作, 对提高氧化铝企业的本质安全状态和安全管理水平, 减少和控制赤泥堆场运行中的危险、有害因素, 降低赤泥堆场生产安全风险、预防事故发生, 保护企业及下游居民的财产安全等方面都具有重要意义。 自从Clough和Woodward (1967)成功地将有限元引入土坝、尾矿坝等水利工程的应力和变形计算以来, 坝体应力和变形有限元分析取得了较大进展, 目前已经形成了坝体总应力变形计算、有效应力变形计算、渗流计算以及坝坡稳定计算等成熟的有限元数值计算方法。本文将有限元数值计算方法应用于赤泥堆场的安全评价, 论述了赤泥堆场中浸润线计算和坝坡稳定计算中应当采用的有限元方法。通过中国铝业股份有限公司贵州分公司扎塘赤泥堆场增容改造工程安全评价的算例, 证明了有限元数值计算方法可以较好地分析坝体的渗流场分布规律和坝坡稳定性状, 该方法可以为赤泥堆场的设计和安全运行提供科学的技术保障。 2 kri=x,y式 根据筑坝材料赤泥的渗透特性, 认为赤泥是非均匀、各向异性的, 服从达西定律的渗流规律。二维稳定渗流控制方程为: ??x(kx?Η?x)+??y(ky?Η?y)=0??x(kx?H?x)+??y(ky?H?y)=0 式中:H——水头函数; kx、ky——分别为x、y向的渗透系数, 可表示为:ki= (k0)ikr(i=x, y) 式中: (k0)i——土体在饱和状态下i方向的渗透系数, 只于土体自身特性有关, 而与孔隙水压力无关;kr为相对渗透系数, 是孔隙水压力和含水率的函数。研究表明, 非饱和区采用饱和区的渗透系数对计算结果影响不大, 因此可以得到: kx?2Η?2x+ky?2Η?2y=0kx?2H?2x+ky?2H?2y=0 利用变分原理, 将上述的稳定渗流问题转换为泛函数在求解域内的极值问题, 采用有限元法求解, 可以得到如下方程: [K]{H}=0 式中, {H}为结点水头列阵;[K]为整体劲度矩阵, 由单元劲度矩阵集合而成, 单元劲度矩阵为: [k]e=?e[B]Τ[D][B]dxdy[k]e=?e[B]T[D][B]dxdy 其中∶[B]=[?Ν1?x?Ν2?x??Νd?x?Ν1?y?Ν2?y??Νd?y][D]=[kx00ky] 其中, N1、N2、...、Nd为二维单元形函数;d为单元结点数。 通过求解有限元方程, 可以求解得到离散后的有限元网格结点的总水头值, 从而得到赤泥堆场的渗流场和浸润线位置。 3 坝坡稳定分析中的破坏准则 图1为一坝坡的有限元网格示意图, 假定A点为某一单元的一个高斯点, 以下关于点的应力分析均以A点为例。设赤泥的抗剪强度指标为c和φ, 则土的抗剪强度为: τf=c+σtanφ 假设赤泥的抗剪强度以某一折减系数F按下式进行折减: τfF=c/F+σtanφ/F 当折减系数较小时, 尾矿的抗剪强度较高, 整个坝坡基本处于弹性状态。然后逐渐增加折减系数, 则尾矿的抗剪强度逐渐降低, 坝坡中处于弹性的范围会相应减少。如对于A点, 当折减系数增加到某一较大的值时, 会不再处于弹性状态, 其摩尔-库仑强度包线会下移至与应力摩尔圆相交。 当折减系数继续增加, 赤泥的抗剪强度进一步减小, 坝坡的塑性区会进一步增大;当折减系数增加到某一数值时, 塑性区形成连通的区域, 尾矿沿该剪切面发生不收敛的塑性剪切变形。此时认为坝坡发生破坏, 强度折减系数即认为是坝坡的整体安全系数;滑裂面的位置可根据位移增量等值线或最大剪应变增量等值线的疏密来确定, 也可根据破坏区域的范围来判断。 基于刚体极限平衡理论的坝坡稳定分析方法已相当