上游法细粒尾矿堆积坝稳定性是尾矿处理技术遇到的难题之一。从可持续发展和环境保护方面考虑,矿山迫切希望解决好细粒尾矿堆积坝稳定性问题。本文以大红山铜矿龙都尾矿库细粒尾矿堆坝工程为例,采用现场测试、室内试验、理论分析、数值计算和工程实践相结合的研究方法,对细粒尾矿的物理力学特性、沉积规律、细粒尾矿与土工合成材料的界面作用特性以及细粒尾矿堆积坝的渗流场、应力场等进行了深入系统的研究。本文所完成的主要工作和取得的成果如下:(1)通过现场勘察、试验、取样、室内原状土和重塑土的土工试验、室内动三轴试验等一系列测试,深入系统地研究了细粒尾矿的物理力学特性,获得了尾矿颗粒组成、动力学特性以及沉积规律。(2)首次以细粒尾矿作为加筋填料土,利用拉拔试验研究了在填料土不同密度、含水量及垂直荷载作用下,土工合成材料与填料土(细粒尾矿)的界面作用特性以及在细粒尾矿中加筋的作用机理。(3)建立了尾矿库渗流场二维有限元计算模型,采用2D-FLOW计算软件,对龙都尾矿库在不同条件下的渗流场进行了模拟计算。获得了初期坝透水和堵塞两种情况;干滩面长度分别为100m、200m、300m三种条件下的渗流场;同时,首次考虑了大气降雨分别为日降雨量50mm/d、100mm/d、200mm/d三种雨型对细粒尾矿堆积坝渗流场的影响。(4)采用静力稳定计算分析方法和动力稳定性计算分析方法(拟静力法和地震稳定性分析),对细粒尾矿堆积坝的现状和未来的稳定性进行了计算分析,得到了不同工况、不同条件下的动力和静力计算结果。结果表明,坝体在目前状态下是稳定的;但随着尾矿坝继续堆高,达到+570m,即坝高50m时,尾矿坝的稳定性在特殊情况下(即在洪水和地震共同作用下),其稳定系数为1.036,小于规范值1.05,坝体处于不稳定状态,不能满足规范要求;尾矿坝继续堆高,达到+600m,即坝高为80m时,在洪水情况下,其稳定系数为1.147,略小于规范值1.15,处于极限稳定状态,在特殊情况下(即在洪水和地震共同作用下),其稳定系数为0.982,小于规范值1.05,尾矿坝处于不稳定状态,不能满足规范要求,需要进行加固处理。(5)根据地震稳定性分析得出,龙都尾矿库内尾粉砂的中值粒径d50=0.1023mm、不均匀系数Cu=5.69,属于最易液化土层;尾亚砂的中值粒径d50=0.0623mm、不均匀系数Cu=10.36,属于易液化土层;从现场原位标准贯入测试结果分析,尾亚砂①4呈中密状,其抗液化能力较好。 <WP=6>(6)根据抗液化剪应力判别得出,目前尾矿坝在正常情况下,如发生7级地震,基本不会发生液化现象;但在洪水情况下,如发生7级地震,则15.4m深度以上尾矿会发生液化现象,15.4m以下则不会发生液化现象。(7)通过认真总结国内矿山在细粒尾矿堆坝加固处理方面成功事例和细粒尾矿堆特点的基础上,按照“技术可行、安全可靠、经济合理、简单易实施”的原则,创造性地提出了细粒尾矿堆积坝的加固方案—即本文首创的加筋梯田法。并将其应用于细粒尾矿堆坝加固实践中。(8)根据加筋土稳定性计算原理,结合拟静力分析地震作用方法,在引入地震力的基础上,首次提出了将加筋材料的作用抵减部分地震力作用的抵减地震力法,分析了坝体的稳定性,得出了加筋加固后,坝体达到稳定状态,满足规范要求的结论。(9)根据龙都尾矿库的设计原形,按照1:200的比尺,对龙都尾矿库+550m～+600m标高段加筋前后,尾矿坝的稳定性进行了模型试验,获得了细粒尾矿堆积坝变形破坏等方面的规律。(10)在模型试验的基础上,采用FLAC数值程序,对细粒尾矿坝进行了数值模拟计算,得到了细粒尾矿堆积坝堆积到+600m标高时的应力、应变以及坝体的位移变形等规律,并进一步检验了细粒尾矿堆积坝加筋加固的作用与效果。