铜陵铜矿尾矿坝位于江西省瑞昌市古矿冶遗址区内。铜岭古矿冶遗址为2000年前商周时期的遗址,是目前中国境内发现最早的一处古矿冶遗址。在2001年,被国务院公布为第五批全国重点文物保护单位,2006年12月入选中国申报世界文化遗产候选名单,历史地位十分特殊,文化内涵丰富。因铜岭钢铁厂露天采矿、选矿在遗址区北部冲沟上游修建的铜陵铜矿尾砂坝,坝内饱和尾矿砂(泥)长期超载,直接影响到尾矿坝的稳定性和安全,不利于文物区的保护展示,同时也给下游人民带来严重威胁,因此迫切需要对该尾矿坝的动力稳定性现况进行研究分析。本文首先对铜陵铜矿尾矿泥试样进行了室内动三轴试验,根据试验结果研究了尾矿库内尾矿泥的动力特性以及液化可能性,为数值模拟提供相关的动力学性质参数。然后分别运用拟静力方法和地震反应谱分析法对尾矿坝的静力稳定性和动力稳定性进行了计算分析,得到了尾矿坝在不同工况的稳定系数,进而评价其稳定性状况。最后根据室内试验及现场勘察结果,采用有限差分软件FLAD3D建立了尾矿坝的三维地质模型。建立模型之后,首先对尾矿坝在自重应力条件下的稳定性情况进行了分析研究,得到了位移、变形、及塑性区分布等特征,对影响尾矿坝稳定的力学机制进行了分析。在静力分析基础上,在模型上设置监测点,输入地震波,分析研究监测点在地震条件下的位移、应力、速度和加速度响应时程曲线,以及尾矿砂(泥)孔隙水压力变化,从而得到尾矿坝在地震作用下的响应特征和液化可能性,评价地震动力对尾矿坝稳定性的影响。经过分析,得到结论如下:1. 动三轴试验结果表明,尾矿泥在不同围压下,动剪切模量G/Gmax都随剪应变γ幅值的增大而减小,呈负相关性,并且曲线都呈现随剪应变的增加先平缓降低、再急剧下降、然后趋于稳定的特点。对比试验发现,动弹性模量有随围压增大而增大的趋势。另外,动剪切模量也受到尾矿泥试样成分的影响,随着粘粒含量的增多,造成同等剪应变所需的剪应力也在增加,动剪切模量幅值也同步增大。2. 阻尼比试验表明,在一定围压下,尾矿泥的阻尼比λ随着剪应变γ的增加而逐渐增大,并且λ-γ曲线呈现出先缓慢增加,再迅速增大,最后趋向一个稳定幅值的特点。这说明振动过程中应变的变化滞后于应力的变化是有限制的。另外还发现,当固结应力比Kc相同时,不同围压下的λ-γ关系曲线比较接近,可见粘粒含量和围压对阻尼比的影响都不大。围压对阻尼比的影响不显著, 但仍可看出阻尼比有随围压增大而减小的趋势,尤其在动弹性应变比较低的情况下,表现更为明显。3. 利用拟静力法对尾矿坝在设防烈度为Ⅶ度、不同工况下的稳定性情况进行计算,求得尾矿坝在当前高水位和洪水位条件下的稳定系数分别为1.09和1.07;在地震+当前水位、地震+洪水位条件下的稳定系数分别为1.045和1.025。不同工况下尾矿坝的稳定系数均略低于《碾压土石坝设计规范》(SL274-2001)要求的安全系数,表明该尾矿坝处于欠稳定的状态。4. 采用地震反应谱分析法,结合瑞典圆弧条分法,对铜陵铜矿尾矿坝在设防烈度Ⅶ度下的动力稳定性进行计算,求得尾矿坝在目前较高水位的动力稳定系数为1.03,低于规范要求的安全系数1.05,也证明了该尾矿坝处于欠稳定的状态。用反应谱分析法得到的稳定系数低于用拟静力法计算的稳定性系数1.045,可见,地震反应谱分析法由于自身特点,相较其它方法,计算结果一般偏于保守。5. 运用有限差分软件FLAC3D,首先对尾矿坝在自重应力条件下的稳定性情况进行了计算分析,得到了尾矿坝在x、y和z方向的的位移、应力和塑性区分布云图。计算结果显示,尾矿坝下游坡面一定深度内存在较大的剪应力,导致了塑性区的产生,塑性变形进而造成了尾矿坝坡面的不均匀位移。由模拟结果可以看到,位移云图、剪应力云图以及塑性区云图均呈现出圆弧状特征。虽然在尾矿坝内部塑性区没有形成贯通面,但塑性变形的积累仍然对尾矿坝的安全造成极大影响。利用FLac3D自带的强度折减法,计算求得该尾矿坝在自重应力下的稳定系数为1.08,说明尾矿坝在天然状态下处于欠稳定的状态,长期超载饱和尾矿砂(泥)的侧压力作用是导致尾矿坝欠稳定的主要原因。6.在静力计算的基础上,给尾矿坝模型设置一定的滞后阻尼和自由场边界,选取EI Centro前10s地震波,经过滤波,对尾矿坝进行动力数值模拟。在尾矿坝坝体不同位置设置6个监测点,监测尾矿坝Ⅶ级地震烈度下的剪应力、位移、速度和加速度响应时程曲线,通过对比分析,评价尾矿坝在地震作用下的动力稳定性情况。结果显示,在地震作用下,尾矿坝内的剪应力τxy幅值随地震载荷来回摆动,最大剪应力幅值较大,达到44.47kPa;尾矿坝在x正方向和y方向发生了整体位移,分别达到52mm和116mm;尾矿坝各部分的速度和加速度幅值在动力作用下来回波动。结果表明,在设防烈度Ⅶ度条件下,尾矿坝的稳定性极差,很有可能失稳。7.利用FLAC3D内置的Byrne模型,结合尾矿砂(泥)标贯试验结果,模拟评价尾矿泥动力液化情况。在尾矿库内按深度由上到下设置6个监测点,监测不同深度尾矿泥在Ⅶ度设防烈度下的孔隙水压力变化情况,分析孔隙水压力动力响应时程曲线,将总应力与孔隙水压力比较,根据液化评判标准得到尾矿砂(泥)的液化情况。结果表明,设防烈度Ⅶ度下,不同深度内尾矿砂(泥)孔隙水压力急剧增大,大约4~7m深度内孔隙水压力大于总压力,尾矿砂(泥)发生液化,而在7m以下的深度内,由于尾矿砂总应力增加超过孔隙水压力的增加,尾矿砂难以液化。