本發(fā)明屬于尾礦壩分析領域，具體涉及一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法及分析系統(tǒng)。

背景技術：

隨著人類社會對資源需求量的與日俱增，在對礦產(chǎn)資源進行開發(fā)利用時會產(chǎn)生大量尾礦，一個礦山的選礦廠只要有尾礦產(chǎn)生，就必須建有尾礦庫，這是由于礦水中往往含有多種藥劑，如不加處理，則必造成選廠周圍環(huán)境嚴重污染，將尾礦妥善貯存在尾礦庫內(nèi)，尾礦水在庫內(nèi)澄清后回收循環(huán)利用，可有效地保護環(huán)境，所以說尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)必不可少的組成部分。

通常尾礦庫是指筑尾礦壩攔截谷口或圍地構成的，堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，當大量的尾礦堆存于壩前時，尾礦壩連同尾礦庫內(nèi)大量的尾礦會形成一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重特大事故。因而尾礦壩體的穩(wěn)定性分析是確定尾礦庫設計方案和論證技術可行性的重要內(nèi)容。

由于國內(nèi)尾礦壩安全技術起步較晚，至今尚未形成自身的獨立計算、分析體系，一般還是沿用土力學的傳統(tǒng)分析方法。由于尾礦壩一般是用土石材料和經(jīng)壓濾后的尾礦砂堆筑而成，壩體總體上基本處于非飽和狀態(tài)，屬于一類特殊的非飽和邊坡。而基質吸力與非飽和壩體邊坡抗剪強度及穩(wěn)定性緊密相關，但目前尾礦壩穩(wěn)定性計算和分析多是根據(jù)傳統(tǒng)的飽和土力學理論進行的。

目前可用于尾礦壩穩(wěn)定性計算的數(shù)值模擬軟件較多，如slide、ansys、flac等，其主要依據(jù)的強度理論為基于飽和土力學的mohr-coulomb強度破壞準則：

式中：τf—抗剪強度，c—黏聚力，σ—破壞面上的正應力，—內(nèi)摩擦角。

傳統(tǒng)計算方法是依據(jù)公式中的飽和土體強度準則，直接將完全干燥和完全飽和兩種情況下的c、值輸入計算機即可計算抗剪強度，然后根據(jù)極限平衡法或有限元法，利用抗滑力與下滑力關系，計算出壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)。但該公式僅考慮了“固-液-氣”三相，缺乏對非飽和土體中的第四相——液-氣交界面上收縮膜產(chǎn)生的基質吸力的考慮，基質吸力作為非飽和土體區(qū)別于飽和土體的重要特征參數(shù)，在非飽和壩體穩(wěn)定性計算和分析時不可忽略。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法及分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)通過尾礦壩的基質吸力確定非飽和尾礦壩的穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法，包括：

s1、獲取不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms；

s2、獲取不同非飽和狀態(tài)下的尾礦壩基質吸力ms對應的尾礦壩抗剪強度τf；

s3、利用格子boltzmann模型對獲取的不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms及對應的抗剪強度τf進行分析，確定非飽和尾礦壩穩(wěn)定性。

進一步地，步驟s2中，不同非飽和狀態(tài)下的尾礦壩基質吸力ms對應的尾礦壩抗剪強度τf的獲取方法為：

式中，c為尾礦壩的黏聚力，σ為尾礦壩破壞面上的正應力，ua為尾礦壩孔隙氣壓力，θ為尾礦壩非飽和狀態(tài)下的非飽和含水量，θr為尾礦壩干燥狀態(tài)下的殘余含水量，θs為尾礦壩飽和狀態(tài)下的飽和含水量，為尾礦壩的內(nèi)摩擦角。

進一步地，步驟s3中，通過格子boltzmann模型，對獲取的不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms及對應的抗剪強度τf進行擬合分析，構建非飽和狀態(tài)下尾礦壩基質吸力ms與非飽和尾礦壩穩(wěn)定性安全系數(shù)fs的擬合公式：

進一步地，尾礦壩非飽和狀態(tài)下的基質吸力ms的獲取方法為：

ms＝ua-uw

式中，ua為尾礦壩孔隙氣壓力，uw為尾礦壩孔隙水壓力。

進一步地，所述尾礦壩為初期壩。

進一步地，所述尾礦壩為堆積壩。

進一步地，一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，所述非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)采用上述任一項的所述非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法，所述非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)包括輸入模塊、處理模塊和顯示模塊，所述輸入模塊和所述顯示模塊分別與所述處理模塊電連接。

進一步地，所述輸入模塊包括鍵盤。

進一步地，所述輸入模塊還包括鼠標。

進一步地，所述顯示模塊為液晶顯示器。

本發(fā)明采用以上技術方案，至少具備以下有益效果：

本發(fā)明通過獲取不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力及其對應的抗剪強度，利用格子boltzmann模型對獲取的基質吸力及其對應的抗剪強度進行分析，實現(xiàn)通過尾礦壩的基質吸力確定非飽和尾礦壩的穩(wěn)定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法的步驟示意圖；

圖2為本發(fā)明通過格子boltzmann模型得到擬合狀態(tài)下非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms及對應的抗剪強度τf之間關系的擬合曲線圖；

圖3為本發(fā)明一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的工作原理圖。

圖中，1-輸入模塊；2-處理模塊；3-顯示模塊。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本發(fā)明所保護的范圍。

由于國內(nèi)尾礦壩安全技術起步較晚，至今尚未形成自身的獨立計算、分析體系，一般還是沿用土力學的傳統(tǒng)分析方法。由于尾礦壩一般是用土石材料和經(jīng)壓濾后的尾礦砂堆筑而成，壩體總體上基本處于非飽和狀態(tài)，屬于一類特殊的非飽和邊坡。而基質吸力與非飽和壩體邊坡抗剪強度及穩(wěn)定性緊密相關，但目前尾礦壩穩(wěn)定性計算和分析多是根據(jù)傳統(tǒng)的飽和土力學理論進行的。

目前可用于尾礦壩穩(wěn)定性計算的數(shù)值模擬軟件較多，如slide、ansys、flac等，其依據(jù)的強度理論為基于飽和土力學的mohr-coulomb強度破壞準則：

式中：τf—抗剪強度，c—黏聚力，σ—破壞面上的正應力，—內(nèi)摩擦角。

傳統(tǒng)計算方法是依據(jù)公式中的飽和土體強度準則，直接將完全干燥和完全飽和兩種情況下的c、值輸入計算機即可計算抗剪強度，然后根據(jù)極限平衡法或有限元法，利用抗滑力與下滑力關系，計算出壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)。但該公式僅考慮了“固-液-氣”三相，缺乏對非飽和土體中的第四相——液-氣交界面上收縮膜產(chǎn)生的基質吸力的考慮，基質吸力作為非飽和土體區(qū)別于飽和土體的重要特征參數(shù)，在非飽和壩體穩(wěn)定性計算和分析時不可忽略。

對于尾礦壩傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析是基于飽和土力學的mohr-coulomb強度破壞準則，其沒有考慮非飽和土體中的第四相——液-氣交界面上收縮膜產(chǎn)生的基質吸力，而基質吸力在非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方面是不可缺少的。對此本發(fā)明提供一種實現(xiàn)通過尾礦壩的基質吸力確定非飽和尾礦壩的穩(wěn)定性的方案，具體如下：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法，包括：

s1、獲取不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms；

s2、獲取不同非飽和狀態(tài)下的尾礦壩基質吸力ms對應的尾礦壩抗剪強度τf；

s3、利用格子boltzmann模型對獲取的不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms及對應的抗剪強度τf進行分析，確定非飽和尾礦壩穩(wěn)定性。

本發(fā)明上述方案中，通過獲取不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力及其對應的抗剪強度，利用格子boltzmann模型對獲取的基質吸力及其對應的抗剪強度進行分析，實現(xiàn)通過尾礦壩的基質吸力確定非飽和尾礦壩的穩(wěn)定性。格子boltzmann模型是一種適用于復雜多孔介質、多相多組分物質的數(shù)值模擬方法，是一個可以為復雜物理現(xiàn)象建模、擬合的新方法。

對于步驟s2、獲取不同非飽和狀態(tài)下的尾礦壩基質吸力ms對應的尾礦壩抗剪強度τf的方法，在現(xiàn)有技術中，可以采用fredlund非飽和土強度理論克服飽和土力學的mohr-coulomb強度破壞準則沒有考慮非飽和狀態(tài)時產(chǎn)生基質吸力的不足，fredlund根據(jù)mohr-coulomb破壞準則和雙應力變量理論，考慮了非飽和土固有的力學參數(shù)(即基質吸力對抗剪強度的貢獻)，得到了抗剪強度與基質吸力之間的定量關系：

式中：ua—孔隙氣壓力，uw—孔隙水壓力，(ua-uw)—基質吸力，—抗剪強度隨基質吸力(ua-uw)變化的摩擦角。

但是在實際應用中，卻存在著難以測定的不足，對此，為了解決卻存在著難以測定的問題，本發(fā)明提供如下解決方案：

步驟s2中，不同非飽和狀態(tài)下的尾礦壩基質吸力ms對應的尾礦壩抗剪強度τf的獲取方法為：

式中，c為尾礦壩的黏聚力，σ為尾礦壩破壞面上的正應力，ua為尾礦壩孔隙氣壓力，θ為尾礦壩非飽和狀態(tài)下的非飽和含水量，θr為尾礦壩干燥狀態(tài)下的殘余含水量，θs為尾礦壩飽和狀態(tài)下的飽和含水量，為尾礦壩的內(nèi)摩擦角。

上述方案將fredlund非飽和土強度公式中的用替換，即通過容易測定的尾礦壩非飽和狀態(tài)下的非飽和含水量θ、尾礦壩干燥狀態(tài)下的殘余含水量θr、尾礦壩飽和狀態(tài)下的飽和含水量θs和尾礦壩的內(nèi)摩擦角實現(xiàn)得到值，從而解決難以測定的問題。

通過上述方案，抗剪強度τf與基質吸力ms之間已建立了關系，抗剪強度τf可以通過包含基質吸力ms的公式替換，基于此，本發(fā)明中步驟s3中，還可以通過格子boltzmann模型對獲取的不同非飽和狀態(tài)下尾礦壩的基質吸力ms及對應的抗剪強度τf進行擬合分析，通過進一步地利用格子boltzmann模型構建非飽和狀態(tài)下尾礦壩基質吸力ms與非飽和尾礦壩穩(wěn)定性安全系數(shù)fs的擬合曲線圖(如圖2所示)，得到非飽和狀態(tài)下尾礦壩基質吸力ms與非飽和尾礦壩穩(wěn)定性安全系數(shù)fs的擬合公式：

通過該方案，只需測得尾礦壩土體相應的基質吸力，即可計算尾礦壩的安全系數(shù)，進而預測尾礦壩穩(wěn)定性情況。

對于尾礦壩非飽和狀態(tài)下的基質吸力ms本發(fā)明還給出如下實現(xiàn)方案，即：尾礦壩非飽和狀態(tài)下的基質吸力ms的獲取方法為：

ms＝ua-uw

式中，ua為尾礦壩孔隙氣壓力，uw為尾礦壩孔隙水壓力。

現(xiàn)有技術中，尾礦壩包括初期壩，其用作支撐后期尾礦堆存體的壩；而在生產(chǎn)過程中，隨著尾礦堆存體增多，在初期壩的壩頂以上用尾礦充填堆筑而成的壩，成為堆積壩。因而在本發(fā)明中，所述尾礦壩既可以為初期壩，也可以為堆積壩。

如圖3所示，對于本發(fā)明上述各個所述非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法，本發(fā)明還提供一種采用上述各個所述非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析方法的非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輸入模塊1、處理模塊2和顯示模塊3，所述輸入模塊1和所述顯示模塊3分別與所述處理模塊2電連接。

本發(fā)明提供的非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)中，所述輸入模塊1可以包括鍵盤，也可以通過鼠標配合鍵盤共同實現(xiàn)輸出。

本發(fā)明提供的非飽和尾礦壩穩(wěn)定性分析系統(tǒng)中，所述顯示模塊3優(yōu)選采用液晶顯示器。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。