尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势

工程科学学报，第38卷，第8期：1039-1049,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1039-1049,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.001:http://journals..ustb.edu.cn 尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 李长洪12》，卜磊2，陈龙根12) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:b20150010@xs.usth.cdu.cn 摘要尾矿坝失稳致灾机理极其复杂，然而目前尾矿坝灾害防控缺乏对尾矿材料多尺度多因素耦合力学机制的深入研究， 且细粒与高堆尾矿坝灾变机理不明确.针对尾矿坝致灾机理研究的基础共性问题，收集大量的国内外尾矿坝灾害紧密相关 的研究领域的文献，综述有关筑坝尾矿结构多尺度表征描述与力学特性、筑坝尾矿沉积运动规律、尾矿坝成坝机理与坝体结 构组成、尾矿坝稳定性分析与致灾机理等方面的研究现状及成果，指出目前研究存在的不足，凝练出尾矿坝灾害研究领域亟 待解决的关键科学问题，并对未来的研究发展态势进行具体全面的展望. 关键词尾矿坝：本构关系：沉积特征：边坡稳定性：灾害：机理 分类号X936 Research situation of the disaster-causing mechanism of tailing dams and its developing trend LI Chang-hong),BU Le,CHEN Long-gen 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:b20150010@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT The disaster-causing mechanism of unstable tailing dams is extremely complex.However,the impact of multi-scale and multi-factor mechanical properties of tailings is not adequately considered in existing studies on the disaster prevention of tailing dams, and the mechanism of the cataclysm of fine grained tailing dams and high piled tailing dams is not clear.Aiming at the basic and com- mon problems existing in studies on the disaster-eausing mechanism of tailing dam,this article collects a lot of documents closely relat- ed to tailing dam disaster at home and abroad,and briefly introduces the study status and results of the structural multi-scale character- ization and mechanical characteristics of tailings,the deposition law of tailings,the formation and structure of tailing dams,the stabili- ty analysis of tailing dams and the disaster-causing mechanism.On this basis,some existing shortcomings are pointed out in current re- searches,the key scientific problems in the related research fields of tailing dam disaster are extracted which have to be quickly solved,and finally,concrete and comprehensive analyses are conducted on the development direction in the future of the research. KEY WORDS tailing dams:constitutive relations:deposition characteristics;slope stability;disaster:mechanisms 尾矿坝是将矿产资源开发利用过程中产生的废弃 周期完整性建设的动态过程，期间，尾矿坝的占地面积 尾矿有序的储存而堆筑成的坝体，是大型人为高位 和堆置高度都在不断增加，一旦发生溃坝，泥石流将涌 “泥石流”源体，对其下游群众人生安全和生态环境构 向下游造成灾难性的破坏.尾矿坝致灾机理极其复 成潜在的严重威胁四.尾矿堆存是一个贯穿矿山生命 杂，包括尾矿材料自身物理力学因素的致灾衰变机制 收稿日期：2016-04-14 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB731500):国家自然科学基金重点资助项目(5103400)：“十二五"国家科技支撑计 划资助项目(2013BAB02B08)

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1039--1049，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1039--1049，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 李长洪1，2) ，卜 磊1，2) ，陈龙根1，2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: b20150010@ xs． ustb． edu． cn 摘 要 尾矿坝失稳致灾机理极其复杂，然而目前尾矿坝灾害防控缺乏对尾矿材料多尺度多因素耦合力学机制的深入研究， 且细粒与高堆尾矿坝灾变机理不明确． 针对尾矿坝致灾机理研究的基础共性问题，收集大量的国内外尾矿坝灾害紧密相关 的研究领域的文献，综述有关筑坝尾矿结构多尺度表征描述与力学特性、筑坝尾矿沉积运动规律、尾矿坝成坝机理与坝体结 构组成、尾矿坝稳定性分析与致灾机理等方面的研究现状及成果，指出目前研究存在的不足，凝练出尾矿坝灾害研究领域亟 待解决的关键科学问题，并对未来的研究发展态势进行具体全面的展望． 关键词 尾矿坝; 本构关系; 沉积特征; 边坡稳定性; 灾害; 机理 分类号 X936 Ｒesearch situation of the disaster-causing mechanism of tailing dams and its developing trend LI Chang-hong1，2) ，BU Lei1，2)  ，CHEN Long-gen1，2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines ( Ministry of Education) ，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: b20150010@ xs． ustb． edu． cn ABSTＲACT The disaster-causing mechanism of unstable tailing dams is extremely complex． However，the impact of multi-scale and multi-factor mechanical properties of tailings is not adequately considered in existing studies on the disaster prevention of tailing dams， and the mechanism of the cataclysm of fine grained tailing dams and high piled tailing dams is not clear． Aiming at the basic and com￾mon problems existing in studies on the disaster-causing mechanism of tailing dam，this article collects a lot of documents closely relat￾ed to tailing dam disaster at home and abroad，and briefly introduces the study status and results of the structural multi-scale character￾ization and mechanical characteristics of tailings，the deposition law of tailings，the formation and structure of tailing dams，the stabili￾ty analysis of tailing dams and the disaster-causing mechanism． On this basis，some existing shortcomings are pointed out in current re￾searches，the key scientific problems in the related research fields of tailing dam disaster are extracted which have to be quickly solved，and finally，concrete and comprehensive analyses are conducted on the development direction in the future of the research． KEY WOＲDS tailing dams; constitutive relations; deposition characteristics; slope stability; disaster; mechanisms 收稿日期: 2016--04--14 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2010CB731500) ; 国家自然科学基金重点资助项目( 51034001) ; “十二五”国家科技支撑计 划资助项目( 2013BAB02B08) 尾矿坝是将矿产资源开发利用过程中产生的废弃 尾矿有序的储存而堆筑成的坝体，是大型人为高位 “泥石流”源体，对其下游群众人生安全和生态环境构 成潜在的严重威胁［1］． 尾矿堆存是一个贯穿矿山生命 周期完整性建设的动态过程，期间，尾矿坝的占地面积 和堆置高度都在不断增加，一旦发生溃坝，泥石流将涌 向下游造成灾难性的破坏． 尾矿坝致灾机理极其复 杂，包括尾矿材料自身物理力学因素的致灾衰变机制

·1040 工程科学学报，第38卷，第8期 以及尾矿坝成灾过程的孕育演化机理.因此，尾矿坝 成果还很缺乏，对尾矿坝灾变过程的机理性认知依然 的稳定运行与灾害防治问题备受各国矿山企业和政府 停留在宏观唯象层面，至今尚未建立起科学完善的尾 安全主管部门的重视. 矿坝灾害孕育演化与失稳机理及相应的安全防控措施 经统计，目前我国建设有各类尾矿坝12000多座， 体系，其中机理部分的研究是防灾减灾的核心与基础. 其中部分行业大约44%的尾矿库（坝）处于险、病或超 鉴于此，通过收集大量的国内外尾矿坝研究领域的文 期服役状态；另一方面，不同于美国、南非等国外采矿 献资料，归纳分析出以下与尾坝致灾机理紧密关联 大国“保守型”的筑坝技术，我国以上游法尾矿坝堆筑 的若干具体方面的最新研究成果及发展现状. 方式居多.相对于偏保守的下游法和中线法筑坝工 1.1尾矿颗粒材料多尺度表征描述与物理力学特性 艺，上游式筑坝具有工艺简单、便于管理和适用性高的 研究 特点，但坝体动力稳定性相对较差，坝坡稳定性安全系 尾矿作为筑坝原材料，是一种人造三相散体介质 数较低，暴雨、强震等极端工况运行时溃坝风险较高. 为了更加准确全面地揭示尾矿坝的致灾机理，更安全 如：1960年江西省赣州市岿美山尾矿库由于长时间连 可靠地利用尾矿筑坝，首先需要对尾矿材料的宏一细 续暴雨导致洪水漫顶而溃坝：1976年唐山丰南及2008 观多尺度结构特征及物理力学特性进行深入的研究. 年四川汶川均发生强烈地震，造成当地许多上游法尾 在多尺度结构表征描述方面，现有研究主要借助数字 矿坝均出现了不同程度的坍塌甚至溃坝网.尾矿坝的 图像处理算法和统计理论表征手段，精确量测岩土颗 安全稳定与防灾减灾问题突现，使政府和企业都倍感 粒的宏细观空间结构和几何形态，获取散体岩土介 压力. 质的多尺度结构特征参数，从而进一步实现岩土材料 此外，随着人类对矿产资源的不断开采以及选矿 的非均质力学分析，而专门针对尾矿材料的多尺度结 技术的日益提升，特别是贫矿的大量开发，导致细粒尾 构特征性研究基本为空白.Schena等国基于X光CT 矿含量猛增：尾矿坝选址征地难、基建费用高等问题也 可视化分析技术，研究了微细颗粒散体介质的结构组 在很大程度上促使一批高堆尾矿坝的出现（全国尾矿 成.岳中琦等四将数字图像处理理论与几何矢量转换 库坝体最大设计坝高为324).细粒尾矿堆坝与尾矿 技术相结合，成功获得岩土工程材料矢量化的细观结 筑高坝已逐渐成为尾矿坝工程领域未来的发展趋势， 构.于庆磊等可研发出一种基于数字图像的岩石细观 其下游受溃坝威胁的群众大范围的群体事件造成了国 结构非均匀性表征技术 家和行业安全形势的日趋严峻，尾矿坝的防灾减灾问 在物理力学特性研究方面，国内外一些专家学者 题亟待解决.尾矿坝灾害防治属于多学科综合协同攻 通过尾矿材料的试验研究获得了丰富的成果.Auber- 关研究领域，高校尚未开设相应的研究型学科，在与尾 in等、Rassam和Williams切针对不同尾矿颗粒组 矿坝失稳致灾机理研究紧密相关的诸多领域，例如尾 成、分布规律以及非饱和状态下的强度特性等方面进 矿材料多尺度耦合力学机制、尾矿沉积分选特性、尾矿 行了研究.Wijewickreme等网对三种类型各异的细粒 坝成坝机理与地质模型研究、尾矿坝灾害时空孕育演 尾矿进行了直剪实验，研究了的不同矿种的强度特性 化与失稳机理方面，缺乏系统的理论与技术支撑，已严 段蔚平和汪斌回基于非饱和土力学原理，采用拟合法 重制约了我国矿业和经济的健康发展. 研究并提出了一种滞水曲线的数学模型，很好地反映 综上所述，深入开展尾矿坝致灾机理的研究将有 了上游法筑坝尾矿坝的非饱和力学特征.曹净网和 助于不同基础学科方向之间的综合性交叉融合，同时 宁民霞四研究了相对密度、含水量及加载条件等尾矿 也能够大幅度提升尾矿坝防灾减灾的理论认知水平， 强度指标的影响.阮元成和郭新网、尹光志等围从细 实现从“被动救灾”向“主动防灾”的重大转变，突破制 微观的角度对尾矿进行了研究，试图揭示尾矿细微观 约矿山可持续安全发展的瓶颈，从而树立我国矿山生 力学性质与宏观力学性质之间的内在关系。吴小刚 产安全的国际新形象，符合国家在经济建设、社会发 等和刘庭发等的分别采用固结试验、化学分析实 展、国家安全和科技创新等方面的重大需求，具有十分 验以及材料性质测试的方法，研究总结了影响尾矿固 重要的研究价值和极其显著的社会效益 结特性、渗透特性和强度特性的核心因子集及各因素 的敏感度与关联程度.潘建平等a和刘海明等叨研 国内外研究进展及现状分析 究并分别建立了能反映在高压、高应力条件下的尾矿 当前，随着可利用土地的稀缺以及矿产资源回收 材料非线性强度特性与应变软化特性的幂函数型、抛 率的提高，细粒尾矿坝、高堆尾矿坝急剧增多，然而国 物线型摩尔强度准则及修正双曲线模型.蔡清等网 内外在筑坝尾矿结构特征与物理力学特性的研究、尾 于沉香和程江涛分别采用岩土力学原理和数理统 矿的沉积运动规律、成坝机理与尾矿坝坝体结构组成 计原理重新定义并划分了细粒尾矿的土力学适用范 研究、尾矿坝的失稳溃决机理研究等基础研究方面的 围，修正了前人的不足

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 以及尾矿坝成灾过程的孕育演化机理． 因此，尾矿坝 的稳定运行与灾害防治问题备受各国矿山企业和政府 安全主管部门的重视． 经统计，目前我国建设有各类尾矿坝 12000 多座， 其中部分行业大约 44% 的尾矿库( 坝) 处于险、病或超 期服役状态; 另一方面，不同于美国、南非等国外采矿 大国“保守型”的筑坝技术，我国以上游法尾矿坝堆筑 方式居多． 相对于偏保守的下游法和中线法筑坝工 艺，上游式筑坝具有工艺简单、便于管理和适用性高的 特点，但坝体动力稳定性相对较差，坝坡稳定性安全系 数较低，暴雨、强震等极端工况运行时溃坝风险较高． 如: 1960 年江西省赣州市岿美山尾矿库由于长时间连 续暴雨导致洪水漫顶而溃坝; 1976 年唐山丰南及 2008 年四川汶川均发生强烈地震，造成当地许多上游法尾 矿坝均出现了不同程度的坍塌甚至溃坝［2］． 尾矿坝的 安全稳定与防灾减灾问题突现，使政府和企业都倍感 压力． 此外，随着人类对矿产资源的不断开采以及选矿 技术的日益提升，特别是贫矿的大量开发，导致细粒尾 矿含量猛增; 尾矿坝选址征地难、基建费用高等问题也 在很大程度上促使一批高堆尾矿坝的出现( 全国尾矿 库坝体最大设计坝高为 324 m) ． 细粒尾矿堆坝与尾矿 筑高坝已逐渐成为尾矿坝工程领域未来的发展趋势， 其下游受溃坝威胁的群众大范围的群体事件造成了国 家和行业安全形势的日趋严峻，尾矿坝的防灾减灾问 题亟待解决． 尾矿坝灾害防治属于多学科综合协同攻 关研究领域，高校尚未开设相应的研究型学科，在与尾 矿坝失稳致灾机理研究紧密相关的诸多领域，例如尾 矿材料多尺度耦合力学机制、尾矿沉积分选特性、尾矿 坝成坝机理与地质模型研究、尾矿坝灾害时空孕育演 化与失稳机理方面，缺乏系统的理论与技术支撑，已严 重制约了我国矿业和经济的健康发展． 综上所述，深入开展尾矿坝致灾机理的研究将有 助于不同基础学科方向之间的综合性交叉融合，同时 也能够大幅度提升尾矿坝防灾减灾的理论认知水平， 实现从“被动救灾”向“主动防灾”的重大转变，突破制 约矿山可持续安全发展的瓶颈，从而树立我国矿山生 产安全的国际新形象，符合国家在经济建设、社会发 展、国家安全和科技创新等方面的重大需求，具有十分 重要的研究价值和极其显著的社会效益． 1 国内外研究进展及现状分析 当前，随着可利用土地的稀缺以及矿产资源回收 率的提高，细粒尾矿坝、高堆尾矿坝急剧增多，然而国 内外在筑坝尾矿结构特征与物理力学特性的研究、尾 矿的沉积运动规律、成坝机理与尾矿坝坝体结构组成 研究、尾矿坝的失稳溃决机理研究等基础研究方面的 成果还很缺乏，对尾矿坝灾变过程的机理性认知依然 停留在宏观唯象层面，至今尚未建立起科学完善的尾 矿坝灾害孕育演化与失稳机理及相应的安全防控措施 体系，其中机理部分的研究是防灾减灾的核心与基础． 鉴于此，通过收集大量的国内外尾矿坝研究领域的文 献资料，归纳分析出以下与尾矿坝致灾机理紧密关联 的若干具体方面的最新研究成果及发展现状． 1. 1 尾矿颗粒材料多尺度表征描述与物理力学特性 研究 尾矿作为筑坝原材料，是一种人造三相散体介质． 为了更加准确全面地揭示尾矿坝的致灾机理，更安全 可靠地利用尾矿筑坝，首先需要对尾矿材料的宏--细 观多尺度结构特征及物理力学特性进行深入的研究． 在多尺度结构表征描述方面，现有研究主要借助数字 图像处理算法和统计理论表征手段，精确量测岩土颗 粒的宏--细观空间结构和几何形态，获取散体岩土介 质的多尺度结构特征参数，从而进一步实现岩土材料 的非均质力学分析，而专门针对尾矿材料的多尺度结 构特征性研究基本为空白． Schena 等［3］基于 X 光 CT 可视化分析技术，研究了微细颗粒散体介质的结构组 成． 岳中琦等［4］将数字图像处理理论与几何矢量转换 技术相结合，成功获得岩土工程材料矢量化的细观结 构． 于庆磊等［5］研发出一种基于数字图像的岩石细观 结构非均匀性表征技术． 在物理力学特性研究方面，国内外一些专家学者 通过尾矿材料的试验研究获得了丰富的成果． Auber￾tin 等［6］、Ｒassam 和 Williams［7］ 针对 不 同 尾 矿 颗 粒 组 成、分布规律以及非饱和状态下的强度特性等方面进 行了研究． Wijewickreme 等［8］对三种类型各异的细粒 尾矿进行了直剪实验，研究了的不同矿种的强度特性． 段蔚平和汪斌［9］基于非饱和土力学原理，采用拟合法 研究并提出了一种滞水曲线的数学模型，很好地反映 了上游法筑坝尾矿坝的非饱和力学特征． 曹净［10］和 宁民霞［11］研究了相对密度、含水量及加载条件等尾矿 强度指标的影响． 阮元成和郭新［12］、尹光志等［13］从细 微观的角度对尾矿进行了研究，试图揭示尾矿细微观 力学性质与宏观力学性质之间的内在关系． 吴小刚 等［14］和刘庭发等［15］分别采用固结试验、化学分析实 验以及材料性质测试的方法，研究总结了影响尾矿固 结特性、渗透特性和强度特性的核心因子集及各因素 的敏感度与关联程度． 潘建平等［16］和刘海明等［17］研 究并分别建立了能反映在高压、高应力条件下的尾矿 材料非线性强度特性与应变软化特性的幂函数型、抛 物线型摩尔强度准则及修正双曲线模型． 蔡清等［18］、 于沉香和程江涛［19］分别采用岩土力学原理和数理统 计原理重新定义并划分了细粒尾矿的土力学适用范 围，修正了前人的不足． · 0401 ·

李长洪等：尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 *1041· 尾矿坝是“尾矿利用”与“尾矿贮存”两种技术相 在尾矿沉积运动规律及成坝机理的相关研究方 结合产生的特殊水工构筑物，具有边服务、边施工的特 面，唐艳华网深入研究了高寒地区细颗粒尾矿的沉积 点，尾矿的材料力学特性直接关系到坝体的安全性. 规律与特性及其对坝体稳定的影响.徐宏达对上 刘洋等0基于临界土力学原理研究了尾砂的静力液 游法堆积尾矿的沉积规律进行了研究，从尾矿坝体几 化特性.乔兰等四通过对上游式尾矿库沉积滩面不 何结构特征、尾矿材料物理性质和现场放矿工艺三个 同距离处尾矿进行颗粒级配分析、力学性质和渗透性 层面出发，分析了影响尾矿沉积规律的若干因素.王 质试验，研究发现随着距离上游式尾矿库滩顶长度的 进学和曹作忠网将神经网络技术成功用于某尾矿坝 增大，尾矿颗粒组成中的细粒含量逐渐增多，颗粒级配 沉积滩上尾矿颗粒沉积规律的预测.徐宏达网尝试 情况由一般到良好再到一般，孔隙比也呈现出随之先 探索了细粒尾矿充填筑坝的沉积规律，研究发现尾矿 减小后增大的变化趋势.海龙等网以阜新同乃铁矿 中小于0.02mm的组分颗粒只能在静水条件下沉积. 排放的铁尾矿为研究对象，通过室内试验分析证明了 颜学军两基于尾矿沉积固结特性，提出了尾矿排放浓 不同含水率和压实度条件下铁尾矿的抗剪强度存在很 度、流速、流量、排放点等因素对坝体沉积规律及坝体 大的差异性.廖威林和周小文圆通过对三种尾矿砂 结构组成的影响机制.敬小非等的依据小打鹅尾矿 不同浓度浆体进行流变试验，分析尾矿砂浆体的颗粒 库设计资料，采用物理模拟的科研方法完整演绎了坝 组成和浆体浓度对其流变特性的影响，结果表明以细 体堆积形成的真实过程，重点研究了浸润线在坝体内 颗粒为主的尾矿砂浆体，其剪切应力随剪切速率的增 的分布特征及尾矿颗粒在库内的沉降过程规律和沉积 大而增大，而以粗颗粒为主的尾矿砂浆体，其剪切应力 分布规律等.余绍维等购结合若干尾矿坝工程实例， 会出现先减小后增大的过程.宁宝宽等网应用尾矿 从堆积坝内坡坡度、子坝高度和排放形式等角度细致 砂和水泥混合制备了水泥尾矿砂土试样，在实验室研 对比并诠释了不良的尾矿沉积情况与坝体安全运行的 究了不同应力状态和变形过程中水泥尾矿砂土的渗透 相关性.肖霄等阿利用室内颗粒分析试验等研究方 性变化规律及工程特性，结果表明水泥尾矿砂土的渗 法，分析总结了上游式尾矿库的沉积规律，结果证明尾 透系数随着轴向应力的增加先减小后增大，变化曲线 矿颗粒的粒径大小沿深度和水平两个方向呈现逐渐变 呈U字型，且渗透特性变化与它的应力应变特性具有 小的趋势 一定的对应关系.刘海明等四针对典型的尾矿材料， 在尾矿坝体结构组成方面的研究，现场岩土工程 分别进行不同干密度尾矿样的脱水试验，测量不同吸 勘查已成为获取尾矿库坝体地质结构组成的主要手 力下尾矿样的含水量，并基于此采用加德纳模型拟合 段，但该方法难以适用于新建尾矿坝的结构组成描述， 得到考虑干密度影响的尾矿材料土水特征曲线模型. 陈守义网针对细粒尾矿堆坝特点，提出了细粒尾矿堆 在尾矿动力特性与地震液化机理方面，国内外研 坝的坝体结构概化分区模式.于广明等网基于分形 究成果相对较少.Troncoso网针对细粒含量对尾矿动 几何学理论，研究揭示了某金矿的尾矿材料的粒径分 力性能影响，提出了细粒临界含量的概念。高艳平 布具有分形结构特征，并认为粒径分布的分维值是反 等叨通过现场测试研究了尾矿的地震液化特性.刘 映筑坝尾矿的渗透性与强度特性的重要参数指标.袁 潇等网以某铜矿尾粉砂为试验材料，利用多功能动三 维等@和尹光志等即分别运用正交试验设计法和数 轴试验系统，进行了一系列饱和及不同饱和度下非饱 值模拟的方法探究了尾矿坝坝体内部（泥夹层）透镜 和尾粉砂的振动三轴试验，研究尾粉砂在动荷载作用 体对坝体稳定性以及内部浸润线分布的影响规律，分 下的强度和液化特性，并讨论了孔隙水压力的发展规 别得出透镜体面积比率与坝体稳定程度成反比的关系 律.余湘娟等网采用共振柱和动三轴试验的手段获 以及影响浸润线埋深和形状的透镜体分布范围.尾矿 取了尾矿库坝基粉砂动力特性参数的归一化曲线 坝的浸润线是坝体结构组成内部重要的安全指标.然 1.2尾矿沉积运动规律、成坝机理及尾矿坝坝体结构 而，由于浸润线埋藏在结构复杂的坝体内部，且筑坝尾 组成的研究 矿固结过程具有动态性特点，过往科研工作者极少通 尾矿在库内的沉降运动是一个典型的泥沙介质运 过理论计算的方法成功确定出实际的浸润线位置，工 动学行为，受到排放矿浆的浓度与速度、干滩面的坡度 程实践中也多半采取现场钻孔监测、无损检测技术等 等多因素影响.尾矿坝坝体结构组成及其形成过程受 手段来获得浸润线相关信息.尹光志等网采用数值 到沉积滩面的尾矿颗粒组成及其固结程度的影响，并 模拟的方法研究了龙都尾矿坝地下渗流场的变化规 且与坝体失稳机理密切关联，与常规土石坝存在较大 律.梅海峰网对影响尾矿坝浸润线埋深的诸多因素 差异.因此，研究尾矿的沉积规律、成坝机理及尾矿坝 给予了分别分析探讨，认为干滩长度、上下游坡比、渗 坝体结构组成是进行尾矿坝失稳致灾机理研究的重要 透系数等因素起关键作用.敬小非等脚基于有限元 前提. 方法对云南某尾矿坝的渗流场分布规律进行了模拟分

李长洪等: 尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 尾矿坝是“尾矿利用”与“尾矿贮存”两种技术相 结合产生的特殊水工构筑物，具有边服务、边施工的特 点，尾矿的材料力学特性直接关系到坝体的安全性． 刘洋等［20］基于临界土力学原理研究了尾砂的静力液 化特性． 乔兰等［21］通过对上游式尾矿库沉积滩面不 同距离处尾矿进行颗粒级配分析、力学性质和渗透性 质试验，研究发现随着距离上游式尾矿库滩顶长度的 增大，尾矿颗粒组成中的细粒含量逐渐增多，颗粒级配 情况由一般到良好再到一般，孔隙比也呈现出随之先 减小后增大的变化趋势． 海龙等［22］以阜新同乃铁矿 排放的铁尾矿为研究对象，通过室内试验分析证明了 不同含水率和压实度条件下铁尾矿的抗剪强度存在很 大的差异性． 廖威林和周小文［23］通过对三种尾矿砂 不同浓度浆体进行流变试验，分析尾矿砂浆体的颗粒 组成和浆体浓度对其流变特性的影响，结果表明以细 颗粒为主的尾矿砂浆体，其剪切应力随剪切速率的增 大而增大，而以粗颗粒为主的尾矿砂浆体，其剪切应力 会出现先减小后增大的过程． 宁宝宽等［24］应用尾矿 砂和水泥混合制备了水泥尾矿砂土试样，在实验室研 究了不同应力状态和变形过程中水泥尾矿砂土的渗透 性变化规律及工程特性，结果表明水泥尾矿砂土的渗 透系数随着轴向应力的增加先减小后增大，变化曲线 呈 U 字型，且渗透特性变化与它的应力!应变特性具有 一定的对应关系． 刘海明等［25］针对典型的尾矿材料， 分别进行不同干密度尾矿样的脱水试验，测量不同吸 力下尾矿样的含水量，并基于此采用加德纳模型拟合 得到考虑干密度影响的尾矿材料土水特征曲线模型． 在尾矿动力特性与地震液化机理方面，国内外研 究成果相对较少． Troncoso［26］针对细粒含量对尾矿动 力性能影响，提出了细粒临界含量的概念． 高 艳 平 等［27］通过现场测试研究了尾矿的地震液化特性． 刘 潇等［28］以某铜矿尾粉砂为试验材料，利用多功能动三 轴试验系统，进行了一系列饱和及不同饱和度下非饱 和尾粉砂的振动三轴试验，研究尾粉砂在动荷载作用 下的强度和液化特性，并讨论了孔隙水压力的发展规 律． 余湘娟等［29］采用共振柱和动三轴试验的手段获 取了尾矿库坝基粉砂动力特性参数的归一化曲线． 1. 2 尾矿沉积运动规律、成坝机理及尾矿坝坝体结构 组成的研究 尾矿在库内的沉降运动是一个典型的泥沙介质运 动学行为，受到排放矿浆的浓度与速度、干滩面的坡度 等多因素影响． 尾矿坝坝体结构组成及其形成过程受 到沉积滩面的尾矿颗粒组成及其固结程度的影响，并 且与坝体失稳机理密切关联，与常规土石坝存在较大 差异． 因此，研究尾矿的沉积规律、成坝机理及尾矿坝 坝体结构组成是进行尾矿坝失稳致灾机理研究的重要 前提． 在尾矿沉积运动规律及成坝机理的相关研究方 面，唐艳华［30］深入研究了高寒地区细颗粒尾矿的沉积 规律与特性及其对坝体稳定的影响． 徐宏达［31］对上 游法堆积尾矿的沉积规律进行了研究，从尾矿坝体几 何结构特征、尾矿材料物理性质和现场放矿工艺三个 层面出发，分析了影响尾矿沉积规律的若干因素． 王 进学和曹作忠［32］将神经网络技术成功用于某尾矿坝 沉积滩上尾矿颗粒沉积规律的预测． 徐宏达［33］尝试 探索了细粒尾矿充填筑坝的沉积规律，研究发现尾矿 中小于 0. 02 mm 的组分颗粒只能在静水条件下沉积． 颜学军［34］基于尾矿沉积固结特性，提出了尾矿排放浓 度、流速、流量、排放点等因素对坝体沉积规律及坝体 结构组成的影响机制． 敬小非等［35］依据小打鹅尾矿 库设计资料，采用物理模拟的科研方法完整演绎了坝 体堆积形成的真实过程，重点研究了浸润线在坝体内 的分布特征及尾矿颗粒在库内的沉降过程规律和沉积 分布规律等． 余绍维等［36］结合若干尾矿坝工程实例， 从堆积坝内坡坡度、子坝高度和排放形式等角度细致 对比并诠释了不良的尾矿沉积情况与坝体安全运行的 相关性． 肖霄等［37］利用室内颗粒分析试验等研究方 法，分析总结了上游式尾矿库的沉积规律，结果证明尾 矿颗粒的粒径大小沿深度和水平两个方向呈现逐渐变 小的趋势． 在尾矿坝体结构组成方面的研究，现场岩土工程 勘查已成为获取尾矿库坝体地质结构组成的主要手 段，但该方法难以适用于新建尾矿坝的结构组成描述． 陈守义［38］针对细粒尾矿堆坝特点，提出了细粒尾矿堆 坝的坝体结构概化分区模式． 于广明等［39］基于分形 几何学理论，研究揭示了某金矿的尾矿材料的粒径分 布具有分形结构特征，并认为粒径分布的分维值是反 映筑坝尾矿的渗透性与强度特性的重要参数指标． 袁 维等［40］和尹光志等［41］分别运用正交试验设计法和数 值模拟的方法探究了尾矿坝坝体内部( 泥夹层) 透镜 体对坝体稳定性以及内部浸润线分布的影响规律，分 别得出透镜体面积比率与坝体稳定程度成反比的关系 以及影响浸润线埋深和形状的透镜体分布范围． 尾矿 坝的浸润线是坝体结构组成内部重要的安全指标． 然 而，由于浸润线埋藏在结构复杂的坝体内部，且筑坝尾 矿固结过程具有动态性特点，过往科研工作者极少通 过理论计算的方法成功确定出实际的浸润线位置，工 程实践中也多半采取现场钻孔监测、无损检测技术等 手段来获得浸润线相关信息． 尹光志等［42］采用数值 模拟的方法研究了龙都尾矿坝地下渗流场的变化规 律． 梅海峰［43］对影响尾矿坝浸润线埋深的诸多因素 给予了分别分析探讨，认为干滩长度、上下游坡比、渗 透系数等因素起关键作用． 敬小非等［44］基于有限元 方法对云南某尾矿坝的渗流场分布规律进行了模拟分 · 1401 ·

·1042 工程科学学报，第38卷，第8期 析，揭示坝体在不同运行工况下的浸润线埋深及变化 了尾矿坝坝坡表面监测点位移及破坏过程与加压荷载 规律.张力霆等的提出并结合工程实例比较验证了 的关系，并指出临界高度的概念.卜磊等网对比研究 一种确定尾矿坝入渗上缘线位置的间接化引方法 了刚体极限平衡法和强度折减有限元法在尾矿坝稳定 Yi等采用尾矿堆坝物理模型试验，演绎了不同库 性分析中的异同点.张登等网基于时变分析方法研 水位条件下，尾矿坝体浸润线埋深及其变化规律.林 究了尾矿坝边坡安全系数在不同外界因素（降雨、库 雪松等网为了能够用解析的方法得出浸润线，首先将 水等)动态作用下随时间发展演化的规律.李嫣绮 尾矿坝的渗流分析区域简化为一个矩形，然后在矩形 等网基于三维有限元强度折减理论与摩尔一库伦弹塑 区域中选定两种符合工程实际的边界条件，最后通过 性本构关系模型，采用塑性区贯通为失稳判据，分析了 傅里叶级数法求解渗流微分方程，即求出这两种边界 尾矿坝坝体强度参数折减过程中塑性区的特征及其发 条件下的浸润线.目前针对坝体浸润线的研究，多半 展，并给出其整体安全系数.陈承等@采用SEEP/W 侧重于数值仿真技术和物理模拟试验，缺乏关于坝体 软件研究揭示了尾矿坝在不同降雨强度工况条件运行 浸润线准确位置及其形态描述的理论体系，其预测结 时雨强、时间与安全系数的函数关系.何锦龙等基 果与实际情况存在一定程度的偏差，对坝体稳定非常 于极限平衡法研究得出尾矿坝的安全系数与降雨量之 不利 间的反比例关系，发现随着尾矿坝面积增大，坝体稳定 1.3尾矿坝稳定性分析及成灾机理研究 性受降雨影响越大的规律.张铎等@基于有限差分 尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的关键环 与离散元在耦合域速度与力传递的离散一连续耦合分 节，而尾矿坝是尾矿库的核心水工构筑物，国内外矿山 析方法模拟了某尾矿坝潜在滑移带形成过程的细观力 企业对尾矿坝的安全非常重视，尤其对极端环境条件 学特征，揭示出尾矿坝边坡渐进破坏过程中如力链分 下（暴雨、地震等）尾矿坝的稳定性特别关注，然而实 布、土体细观组构发展等细观力学特征与破坏机理 际工程中尾矿坝的失稳事故仍屡见不鲜.究其原因， 张千贵等网对比研究室内堆坝模型试验和二维离散 主要是设计分析中包含有各种不确定性因素，影响了 元数值模拟试验的结果得出了尾砂的细观力学参数， 计算结果的可靠性，用传统边坡极限平衡法的单一确 并基于此分析了坝体的颗粒接触力分布、颗粒位移等. 定性安全系数无法提供尾矿坝实际可能具备的安全储 由上可知，在现行的尾矿坝稳定性分析与评价方 备以及潜在的失稳概率 面，大多数是沿用传统岩土力学的边坡稳定性分析手 在尾矿坝静力学稳定性及其影响因素方面，Zeng 段.然而，影响尾矿坝工程稳定性的因素绝大部分都 等以粉煤灰为筑坝材料，通过离心机模型试验研究 是动态不确定的参量，广泛存在着时空的随机不确定 对比不同筑坝类型的尾矿坝的稳定性，并指出上游式 性和模糊不确定性因素，如尾矿材料力学性质的空间 尾矿坝的稳定性较其他筑坝方式更差.孙国文等网 变异性、尾矿坝工程的时变性与失稳破坏的渐进性 分析了不同因素对细粒尾矿堆坝坝体稳定性的影响， 王飞跃等6从工程结构可靠性的角度出发，首次将模 并制定了各类影响因素下相应的提高细粒尾矿坝体稳 糊可靠度理论用于研究尾矿坝稳定性的模糊随机可靠 定性的措施，曹林卫等建立了能考虑材料多因素 度分析方法.李苗等的在研究尾矿坝稳定性时，通过 影响特性的土一水特征曲线，在重点考虑多因素耦合 比较基于灰色一突变理论的预测结果与工程现场实际 效应下的屈服接近度分布的基础上，对某尾矿坝稳定 数据，证明了灰色-突变理论在尾矿坝稳定性分析与失 状态进行了流固耦合计算分析.高尚青等如研究并 稳预测中的合理性.宋志飞等建立了适用于尾矿 证明了邓肯一张双曲线E-B模型在尾矿坝非线性稳定 坝工程的精细化评价方法，并通过与传统方法的对比 性计算中的适用性.邓涛等网采用室内堆坝模型试 证明该方法在可靠性和精确性方面均有所提升.陈鹏 验和有限元数值模拟相结合的综合性研究方法，对温 等例基于蒙特卡洛的概率方法的工程应用优势，在考 庄尾矿坝堆积过程进行了全面的应力场与渗流场耦合 虑尾矿材料力学特征的空间变异性的基础上，研究计 分析，获得了坝体内的应力场及孔隙压力的分布规律. 算出该尾矿坝在极端条件（洪水运行）时的失稳概率、 韩建波等5阅、李强等5和张福宏等5刷均采用流固耦 可靠性指标和敏感性曲线。吕方可等侧以影响尾矿 合机理与强度折减算法相结合的手段，选取典型的工 坝稳定性的14个指标为参数，运用MATLAB实现 程实例，分别从不同维度研究了各种工况下尾矿坝的 RBF神经网络的方法，采用实际数据对网络进行训练， 边坡稳定性以及对应的失稳破坏模式和塑性区分布演 分析并得出了该铀尾矿坝的稳定性参数.曹志松和王 化的特征，并结合规范提出了合适的临界安全系数值 星星侧在详细工勘的基础上充分考虑岩体材料强度 张敏哲等基于相似理论和量纲分析原理，采用小比 参数的随机性，采用二次多项式序列响应面法计算尾 尺堆积而成的尾矿坝物理模拟模型，在考虑孔隙水压 矿坝稳定性的可靠度. 力的影响下，研究并采用高速数码摄像技术手段揭示 在尾矿坝渗流失稳方面，柳厚祥等网基于弹性力

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 析，揭示坝体在不同运行工况下的浸润线埋深及变化 规律． 张力霆等［45］提出并结合工程实例比较验证了 一种确定尾矿坝入渗上缘线位置的间接化引方法． Yin 等［46］采用尾矿堆坝物理模型试验，演绎了不同库 水位条件下，尾矿坝体浸润线埋深及其变化规律． 林 雪松等［47］为了能够用解析的方法得出浸润线，首先将 尾矿坝的渗流分析区域简化为一个矩形，然后在矩形 区域中选定两种符合工程实际的边界条件，最后通过 傅里叶级数法求解渗流微分方程，即求出这两种边界 条件下的浸润线． 目前针对坝体浸润线的研究，多半 侧重于数值仿真技术和物理模拟试验，缺乏关于坝体 浸润线准确位置及其形态描述的理论体系，其预测结 果与实际情况存在一定程度的偏差，对坝体稳定非常 不利． 1. 3 尾矿坝稳定性分析及成灾机理研究 尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的关键环 节，而尾矿坝是尾矿库的核心水工构筑物，国内外矿山 企业对尾矿坝的安全非常重视，尤其对极端环境条件 下( 暴雨、地震等) 尾矿坝的稳定性特别关注，然而实 际工程中尾矿坝的失稳事故仍屡见不鲜． 究其原因， 主要是设计分析中包含有各种不确定性因素，影响了 计算结果的可靠性，用传统边坡极限平衡法的单一确 定性安全系数无法提供尾矿坝实际可能具备的安全储 备以及潜在的失稳概率． 在尾矿坝静力学稳定性及其影响因素方面，Zeng 等［48］以粉煤灰为筑坝材料，通过离心机模型试验研究 对比不同筑坝类型的尾矿坝的稳定性，并指出上游式 尾矿坝的稳定性较其他筑坝方式更差． 孙国文等［49］ 分析了不同因素对细粒尾矿堆坝坝体稳定性的影响， 并制定了各类影响因素下相应的提高细粒尾矿坝体稳 定性的措施． 曹林卫等［50］建立了能考虑材料多因素 影响特性的土--水特征曲线，在重点考虑多因素耦合 效应下的屈服接近度分布的基础上，对某尾矿坝稳定 状态进行了流固耦合计算分析． 高尚青等［51］研究并 证明了邓肯--张双曲线 E--B 模型在尾矿坝非线性稳定 性计算中的适用性． 邓涛等［52］采用室内堆坝模型试 验和有限元数值模拟相结合的综合性研究方法，对温 庄尾矿坝堆积过程进行了全面的应力场与渗流场耦合 分析，获得了坝体内的应力场及孔隙压力的分布规律． 韩建波等［53］、李强等［54］和张福宏等［55］均采用流固耦 合机理与强度折减算法相结合的手段，选取典型的工 程实例，分别从不同维度研究了各种工况下尾矿坝的 边坡稳定性以及对应的失稳破坏模式和塑性区分布演 化的特征，并结合规范提出了合适的临界安全系数值． 张敏哲等［56］基于相似理论和量纲分析原理，采用小比 尺堆积而成的尾矿坝物理模拟模型，在考虑孔隙水压 力的影响下，研究并采用高速数码摄像技术手段揭示 了尾矿坝坝坡表面监测点位移及破坏过程与加压荷载 的关系，并指出临界高度的概念． 卜磊等［57］对比研究 了刚体极限平衡法和强度折减有限元法在尾矿坝稳定 性分析中的异同点． 张登等［58］基于时变分析方法研 究了尾矿坝边坡安全系数在不同外界因素( 降雨、库 水等) 动态作用下随时间发展演化的规律． 李 嫣 绮 等［59］基于三维有限元强度折减理论与摩尔--库伦弹塑 性本构关系模型，采用塑性区贯通为失稳判据，分析了 尾矿坝坝体强度参数折减过程中塑性区的特征及其发 展，并给出其整体安全系数． 陈承等［60］采用 SEEP /W 软件研究揭示了尾矿坝在不同降雨强度工况条件运行 时雨强、时间与安全系数的函数关系． 何锦龙等［61］基 于极限平衡法研究得出尾矿坝的安全系数与降雨量之 间的反比例关系，发现随着尾矿坝面积增大，坝体稳定 性受降雨影响越大的规律． 张铎等［62］基于有限差分 与离散元在耦合域速度与力传递的离散--连续耦合分 析方法模拟了某尾矿坝潜在滑移带形成过程的细观力 学特征，揭示出尾矿坝边坡渐进破坏过程中如力链分 布、土体细观组构发展等细观力学特征与破坏机理． 张千贵等［63］对比研究室内堆坝模型试验和二维离散 元数值模拟试验的结果得出了尾砂的细观力学参数， 并基于此分析了坝体的颗粒接触力分布、颗粒位移等． 由上可知，在现行的尾矿坝稳定性分析与评价方 面，大多数是沿用传统岩土力学的边坡稳定性分析手 段． 然而，影响尾矿坝工程稳定性的因素绝大部分都 是动态不确定的参量，广泛存在着时空的随机不确定 性和模糊不确定性因素，如尾矿材料力学性质的空间 变异性、尾矿坝工程的时变性与失稳破坏的渐进性． 王飞跃等［64］从工程结构可靠性的角度出发，首次将模 糊可靠度理论用于研究尾矿坝稳定性的模糊随机可靠 度分析方法． 李苗等［65］在研究尾矿坝稳定性时，通过 比较基于灰色 － 突变理论的预测结果与工程现场实际 数据，证明了灰色!突变理论在尾矿坝稳定性分析与失 稳预测中的合理性． 宋志飞等［66］建立了适用于尾矿 坝工程的精细化评价方法，并通过与传统方法的对比 证明该方法在可靠性和精确性方面均有所提升． 陈鹏 等［67］基于蒙特卡洛的概率方法的工程应用优势，在考 虑尾矿材料力学特征的空间变异性的基础上，研究计 算出该尾矿坝在极端条件( 洪水运行) 时的失稳概率、 可靠性指标和敏感性曲线． 吕方可等［68］以影响尾矿 坝稳定 性 的 14 个 指 标 为 参 数，运 用 MATLAB 实 现 ＲBF 神经网络的方法，采用实际数据对网络进行训练， 分析并得出了该铀尾矿坝的稳定性参数． 曹志松和王 星星［69］在详细工勘的基础上充分考虑岩体材料强度 参数的随机性，采用二次多项式序列响应面法计算尾 矿坝稳定性的可靠度． 在尾矿坝渗流失稳方面，柳厚祥等［70］基于弹性力 · 2401 ·

李长洪等：尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 ·1043· 学理论提出了适用于尾矿坝的应力渗流耦合分析的 非稳定渗流有限元计算公式及计算程序.杨永恒四 尾矿坝致灾机理研究发展态势及展望 从堆坝形式和渗流固结角度出发，研究分析了尾矿坝 2.1存在的不足 的各种不同类型的渗透破坏形式及相应的判别方法 通过上述对与尾矿坝失稳致灾机理紧密相关方面 张慧等四通过对尾矿的孔隙水压力消散实验研究，认 研究现状的总结与分析，可以发现虽然国内外学者们 为分析施工过程中尾矿坝的稳定性时，还需要考虑渗 对尾矿坝稳定性及致灾机理研究的诸多方面都进行了 流等因素的影响.路美丽和崔莉网采用数值模拟的 一定的科研工作并取得了一些可喜的成果，但是鉴于 方法，分析了三维条件下尾矿坝的地下渗流场.段仲 尾矿坝灾害自身的特殊性及复杂性，依然有如下方面 沅等网根据非饱和土理论，从浸润线上升、排水措施、 的科研工作亟待提升. 水位以及渗流稳定计算等方面探讨尾矿坝失稳原因 (1)在尾矿多尺度表征描述方面，现有的科研成 郭振世等阿在研究尾矿坝三维渗流时，按时间先后顺 果未能形成散体岩土材料的多尺度结构数字信息提取 序分区选取尾矿材料的力学参数，并将改进子排水结 技术，仅限于对散体介质结构的测绘和识别.没有结 构法和不变网格模拟分析方法相结合，提出了符合尾 合尾矿的细微观结构特点对宏观物理力学特性响应规 矿坝真实情况的数学模型.尹光志等利用室内物 律进行机理性研究.此外，当前直观描述法没有完善 理模型试验方法，研究了粗、细不同的尾矿堆积的尾矿 地实现岩土材料介质结构的多尺度精确识别，对尾矿 坝的渗流场运动规律.齐清兰等m采用有限元对复 的组成、空间排列和粒间作用关系等细微观结构也没 杂地形的尾矿库渗流场进行数值模拟分析时，提出了 有系统性研究.目前的研究成果难以实现尾矿细观结 构的精确描述与力学分析，没有建立尾矿材料的多尺 将地形剖面上的主要控制点拟合成曲线，然后再将曲 度结构描述模型，且在尾矿材料介质的细观精细表征 线拟合成曲面，最后由曲面生成概化的三维数值模型 领域还没有提出较为合理的三维结构建模技术，无法 的新方法，并在此基础上进行了某尾矿库的三维渗流 场计算，证明了模型概化的合理性.刘洋等网编写分 实现尾矿细观结构的三维重构. (2)在尾矿物理力学特性研究方面，针对尾矿材 析程序SAFTD对上游式尾矿坝在液化前后的渗流特 料在高围压、循环冻融等极端条件下的力学特性，尾矿 性进行模拟研究，使得多孔介质渗流理论在尾矿坝工 循环加载过程中的流变特性，以及多因素影响下的尾 程中得到合理应用.党发宁等网以某上游式尾矿坝 矿材料力学本构关系等方面还缺乏系统有效的研究 为例，揭示了各种不同类型的排渗装置对尾矿坝稳定 同时，针对尾矿材料本身及尾矿坝的动力响应与地震 的影响规律.尾矿坝渗流失稳是尾矿坝失稳破坏的形 液化方面的研究有待深入，没有明确地震震级、烈度等 式之一，目前的研究主要是基于数值模拟的方法针对 复杂因素对尾矿动强度、变形特性以及动孔隙水压力 尾矿坝内渗流场的模拟计算分析. 发展的影响规律，未能提出多因素影响条件下的尾矿 有关文献指出地震是诱发尾矿坝溃坝事故的第二 动力本构模型.针对各类尾矿材料的颗粒级配、密度 大原因，国内现存的尾矿坝多采用上游法堆筑，对地震 与应力条件等多因素对尾矿强度、变形、渗透与固结特 作用更为敏感”.在地震作用下尾矿坝的稳定性研究 性的影响规律以及多尺度耦合力学特征方面未进行系 方面，Ishihara等侧在尾矿坝地震稳定研究中尝试应 统研究.在多相多场耦合效应下、饱和一非饱和环境下 用了残余强度理论.Harper等首先分析与尾矿坝震 的动一静力学特性及其非常规条件下的土力学本构模 害紧密相关的影响因素，在此基础上重点介绍了一种 型等领域的研究成果也极度匮乏， 尾矿坝地震评价的方法.Seid-Karbasi和Byme网基于 (3)在尾矿沉积规律、成坝机理与尾矿坝坝体结 有限差分算法原理研究了某尾矿坝的地震响应特征及 构组成的研究方面，现有成果仅限于从定性的角度对 相应的抗震措施.李新星剧采用动力有限元方法研 尾矿的沉积过程进行概观描述，未能结合泥沙介质运 究并揭示了地震频率与尾矿坝的固有频率、地震持续 动学理论对尾矿坝的固结成坝过程予以机理性研究， 时间以及加速度之间的关系.王文星侧等研究并指 尚未揭示多因素耦合作用下尾矿沉积固结过程的阶段 出超孔隙水压力的存在对尾矿坝的地震稳定性起到极 性发展演化规律，亦未能明确表征尾矿沉降固结的控 其关键的作用.袁兵等啊提出了综合考虑多因素影 制性参数（沉降时间、沉降量、含水率等）的数学关系， 响下的尾矿坝地震液化判别法.曹金海等胸分析了 缺乏有关尾矿浆组成成分对尾矿沉积规律的影响研 余震动对某上游式尾矿坝稳定性的影响机理.郭超 究.对尾矿库的固结演化机制、水化学演化模式以及 等刚结合某黏土防渗垫层的尾矿坝进行了二维有限 尾矿沉积过程的动力学演化机制没有明确的研究成 差分地震动力响应分析，并总结了防渗尾矿坝地震永 果，尤其是通过尾矿的沉降规律来揭示坝体结构及其 久位移的规律 固结机制方面的研究更是缺乏.目前针对尾矿沉积规

李长洪等: 尾矿坝致灾机理研究现状及发展态势 学理论提出了适用于尾矿坝的应力!渗流耦合分析的 非稳定渗流有限元计算公式及计算程序． 杨永恒［71］ 从堆坝形式和渗流固结角度出发，研究分析了尾矿坝 的各种不同类型的渗透破坏形式及相应的判别方法． 张慧等［72］通过对尾矿的孔隙水压力消散实验研究，认 为分析施工过程中尾矿坝的稳定性时，还需要考虑渗 流等因素的影响． 路美丽和崔莉［73］采用数值模拟的 方法，分析了三维条件下尾矿坝的地下渗流场． 段仲 沅等［74］根据非饱和土理论，从浸润线上升、排水措施、 水位以及渗流稳定计算等方面探讨尾矿坝失稳原因． 郭振世等［75］在研究尾矿坝三维渗流时，按时间先后顺 序分区选取尾矿材料的力学参数，并将改进子排水结 构法和不变网格模拟分析方法相结合，提出了符合尾 矿坝真实情况的数学模型． 尹光志等［76］利用室内物 理模型试验方法，研究了粗、细不同的尾矿堆积的尾矿 坝的渗流场运动规律． 齐清兰等［77］采用有限元对复 杂地形的尾矿库渗流场进行数值模拟分析时，提出了 将地形剖面上的主要控制点拟合成曲线，然后再将曲 线拟合成曲面，最后由曲面生成概化的三维数值模型 的新方法，并在此基础上进行了某尾矿库的三维渗流 场计算，证明了模型概化的合理性． 刘洋等［78］编写分 析程序 SAFTD 对上游式尾矿坝在液化前后的渗流特 性进行模拟研究，使得多孔介质渗流理论在尾矿坝工 程中得到合理应用． 党发宁等［79］以某上游式尾矿坝 为例，揭示了各种不同类型的排渗装置对尾矿坝稳定 的影响规律． 尾矿坝渗流失稳是尾矿坝失稳破坏的形 式之一，目前的研究主要是基于数值模拟的方法针对 尾矿坝内渗流场的模拟计算分析． 有关文献指出地震是诱发尾矿坝溃坝事故的第二 大原因，国内现存的尾矿坝多采用上游法堆筑，对地震 作用更为敏感［1］． 在地震作用下尾矿坝的稳定性研究 方面，Ishihara 等［80］在尾矿坝地震稳定研究中尝试应 用了残余强度理论． Harper 等［81］首先分析与尾矿坝震 害紧密相关的影响因素，在此基础上重点介绍了一种 尾矿坝地震评价的方法． Seid-Karbasi 和 Byrne［82］基于 有限差分算法原理研究了某尾矿坝的地震响应特征及 相应的抗震措施． 李新星［83］采用动力有限元方法研 究并揭示了地震频率与尾矿坝的固有频率、地震持续 时间以及加速度之间的关系． 王文星［84］等研究并指 出超孔隙水压力的存在对尾矿坝的地震稳定性起到极 其关键的作用． 袁兵等［85］提出了综合考虑多因素影 响下的尾矿坝地震液化判别法． 曹金海等［86］分析了 余震动对某上游式尾矿坝稳定性的影响机理． 郭超 等［87］结合某黏土防渗垫层的尾矿坝进行了二维有限 差分地震动力响应分析，并总结了防渗尾矿坝地震永 久位移的规律． 2 尾矿坝致灾机理研究发展态势及展望 2. 1 存在的不足 通过上述对与尾矿坝失稳致灾机理紧密相关方面 研究现状的总结与分析，可以发现虽然国内外学者们 对尾矿坝稳定性及致灾机理研究的诸多方面都进行了 一定的科研工作并取得了一些可喜的成果，但是鉴于 尾矿坝灾害自身的特殊性及复杂性，依然有如下方面 的科研工作亟待提升． ( 1) 在尾矿多尺度表征描述方面，现有的科研成 果未能形成散体岩土材料的多尺度结构数字信息提取 技术，仅限于对散体介质结构的测绘和识别． 没有结 合尾矿的细微观结构特点对宏观物理力学特性响应规 律进行机理性研究． 此外，当前直观描述法没有完善 地实现岩土材料介质结构的多尺度精确识别，对尾矿 的组成、空间排列和粒间作用关系等细微观结构也没 有系统性研究． 目前的研究成果难以实现尾矿细观结 构的精确描述与力学分析，没有建立尾矿材料的多尺 度结构描述模型，且在尾矿材料介质的细观精细表征 领域还没有提出较为合理的三维结构建模技术，无法 实现尾矿细观结构的三维重构． ( 2) 在尾矿物理力学特性研究方面，针对尾矿材 料在高围压、循环冻融等极端条件下的力学特性，尾矿 循环加载过程中的流变特性，以及多因素影响下的尾 矿材料力学本构关系等方面还缺乏系统有效的研究． 同时，针对尾矿材料本身及尾矿坝的动力响应与地震 液化方面的研究有待深入，没有明确地震震级、烈度等 复杂因素对尾矿动强度、变形特性以及动孔隙水压力 发展的影响规律，未能提出多因素影响条件下的尾矿 动力本构模型． 针对各类尾矿材料的颗粒级配、密度 与应力条件等多因素对尾矿强度、变形、渗透与固结特 性的影响规律以及多尺度耦合力学特征方面未进行系 统研究． 在多相多场耦合效应下、饱和--非饱和环境下 的动--静力学特性及其非常规条件下的土力学本构模 型等领域的研究成果也极度匮乏． ( 3) 在尾矿沉积规律、成坝机理与尾矿坝坝体结 构组成的研究方面，现有成果仅限于从定性的角度对 尾矿的沉积过程进行概观描述，未能结合泥沙介质运 动学理论对尾矿坝的固结成坝过程予以机理性研究， 尚未揭示多因素耦合作用下尾矿沉积固结过程的阶段 性发展演化规律，亦未能明确表征尾矿沉降固结的控 制性参数( 沉降时间、沉降量、含水率等) 的数学关系， 缺乏有关尾矿浆组成成分对尾矿沉积规律的影响研 究． 对尾矿库的固结演化机制、水化学演化模式以及 尾矿沉积过程的动力学演化机制没有明确的研究成 果，尤其是通过尾矿的沉降规律来揭示坝体结构及其 固结机制方面的研究更是缺乏． 目前针对尾矿沉积规 · 3401 ·