本发明涉及一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法。
背景技术：
尾矿库内贮存有大量未经压实的尾矿砂及澄清水，从而使得尾矿坝浸润线较高，在遭遇较大暴雨洪水时可能发生溃坝事故。与其他行业尾矿库相比，铀尾矿库作为储存大量铀尾矿而形成的较大的放射性辐射污染源，一旦发生溃坝事故，大量放射性尾矿流失库外，将造成下游环境辐射污染，严重危害下游生态环境及公众健康。
采用真空预压方法，促使铀尾矿泥排水固结，使得湿式铀尾矿库成为干式堆存的尾矿库，库内不再有澄清水，可以消除尾矿库浸润线，从而增强尾矿库坝体安全性，降低其溃坝风险。但采用真空预压方法排水固结铀尾矿泥施工前，需要进行现场试验以确定合理的排水板间距、插板深度等施工参数，试验周期长、费用高。同时，尾矿库滩面较软，施工难度较大、危险系数较高。
技术实现要素：
本发明提出一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，基于三维数值模拟方法确定铀尾矿库排水固结施工参数，模拟周期短，可降低施工费用，无需现场实地施工，危险系数低。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，包括以下步骤：
s1，根据工程勘察报告建立设定场地的三维工程地质模型；
s2，对建立的三维工程地质模型进行有限元网格剖分，形成包含单元、节点、应力积分点的有限元计算模型；
s3，对有限元计算模型执行真空预压操作；
s4，获取有限元计算模型的各项参数变化数据，并推导得出排水固结效果。
作为本发明的一个优选实施例，步骤s1具体包括以下步骤：
s101，建立初始三维工程地质模型；
s102，根据工程勘察报告设定土层本构模型与参数；
s103，确定模型边界条件；
s104，获得与设定场地实际情况相对应的三维工程地质模型。
作为本发明的一个优选实施例，步骤s102，根据工程勘察报告设定土层本构模型与参数具体指的是
综合考虑勘察报告中的室内试验及原位试验成果，选择软土本构模型的各个参数取值；
利用土层的试验力学指标一维压缩模量es换算修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*或者利用土层的试验物理指标孔隙比随应力水平的变化确定修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*。
作为本发明的一个优选实施例，步骤s103，确定模型边界条件具体指的是采用标准的边界约束条件确定确定模型的位移边界约束条件。
作为本发明的一个优选实施例，地表为自由边界、底部为全约束、四周为法向约束；水力边界为地表自由排水、四周为定水头边界、底部不透水；
塑料排水板采用线排水单元，对应土体内部的线形排水边界；密封墙采用非透水界面单元。
作为本发明的一个优选实施例，s3，对有限元计算模型执行真空预压操作具体包括
在有限元计算模型中施加80kpa的真空荷载，在膜下真空度达到80kpa时，持续抽真空140天。
作为本发明的一个优选实施例，步骤s4具体包括以下步骤：
s401，针对数值模拟结果，分析真空预压区地层水平位移、沉降、超静孔压变化情况以及沉降、孔压随时间变化情况；
s402，选择合理的真空预压施工参数；
s403，定量评价排水固结效果。
本发明的有益效果在于：基于三维数值模拟方法确定铀尾矿库排水固结施工参数，模拟周期短，可降低施工费用，无需现场实地施工，危险系数低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法一个实施例的流程图；
图2为真空预压区地层分布模型；
图3为场地真空预压排水体模型；
图4为真空预压区有限单元网格模型；
图5为真空预压区的地基变形图；
图6为真空预压区地层沉降云图；
图7为真空预压区地层水平位移云图；
图8为真空预压区地层沉降-时间曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出了一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，包括以下步骤：
s1，根据工程勘察报告建立设定场地的三维工程地质模型；
步骤s1具体包括以下步骤：
s101，建立初始三维工程地质模型；
s102，根据工程勘察报告设定土层本构模型与参数；
结合场地土层物理力学特性，选取可以很好模拟土层力学、变形和固结性质的本构模型。软土本构模型考虑土层刚度与应力的相关性(对数压缩定律)、可区分加卸载过程、对先期固结应力具有“记忆性”、考虑孔隙比及渗透性的变化等。
综合考虑勘察报告中的室内试验及原位试验成果，选择软土本构模型的各个参数取值；利用土层的试验力学指标一维压缩模量es换算修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*或者利用土层的试验物理指标孔隙比随应力水平的变化确定修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*。
s103，确定模型边界条件；采用标准的边界约束条件确定确定模型的位移边界约束条件。
地表为自由边界、底部为全约束、四周为法向约束；水力边界为地表自由排水(同原泥面上的砂垫层排水条件)、四周为定水头边界(同场地周围的水力补给条件)、底部不透水(同未完全揭露的极微透水层排水条件)。塑料排水板采用线排水单元来模拟，该单元对应土体内部的线形排水边界，既可以作为普通的排水体，也可以代表具有真空度的排水体。密封墙采用透水性极弱的材料，因此采用非透水界面单元。
s104，获得与设定场地实际情况相对应的三维工程地质模型。
s2，对建立的三维工程地质模型进行有限元网格剖分，形成包含单元、节点、应力积分点的有限元计算模型；
s3，对有限元计算模型执行真空预压操作；模型的初始条件按照正常固结软黏土的应力场计算，考虑抽真空效率的问题，在有限元计算模型中施加80kpa的真空荷载，在膜下真空度达到80kpa时，持续抽真空140天。
s4，获取有限元计算模型的各项参数变化数据，并推导得出排水固结效果。
步骤s4具体包括以下步骤：
s401，针对数值模拟结果，分析真空预压区地层水平位移、沉降、超静孔压变化情况以及沉降、孔压随时间变化情况；
s402，选择合理的真空预压施工参数；
s403，定量评价排水固结效果。
以下结合附图和具体应用实例对本发明作进一步的说明：
实施例一：
某铀尾矿库滩面面积达1.36km2，滩面内堆存的大量的铀尾矿泥和钛白泥。
建立场地工程地质模型
如图2所示，依据勘察报告，该尾矿库滩面地层呈现出非均匀分布的特征，需要多个特征钻孔控制地层模型。为了减少模型边界条件对试验场地区域的影响，地层模型的边界范围为东西方向160m，南北方向100m。受工程勘探钻孔揭露深度的限制，地层最大深度取为25m。
土层本构模型与参数
由于该场地中的钛白泥和尾矿泥均为高压缩性软土，含水量高，孔隙比大，为接近饱和的软黏土类地基。采用有限元软件plaxis中的高级本构模型—软土模型，可以很好的模拟该类土层的力学、变形和固结性质。软土模型考虑土层刚度与应力的相关性(对数压缩定律)、可区分加卸载过程、对先期固结应力具有“记忆性”、可考虑孔隙比及渗透性的变化等。软土模型遵循摩尔-库伦破坏准则，其塑性屈服面包括摩尔-库伦屈服面以及由等向先期固结应力所确定的屈服帽盖。
综合考虑勘察报告中的室内试验及原位试验成果，选择软土本构模型的各个参数取值。对于土层刚度参数的取值，分别采用两种指标换算方法，一是利用土层的试验力学指标一维压缩模量es换算修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*，其中压缩模量es由勘察试验得出；二是利用土层的试验物理指标孔隙比随应力水平的变化确定上述两个指标。模型中采用的土层参数如表1所示。
表1土层本构模型及参数取值表
分析模型边界条件
如图3所示，模型的位移边界采用标准的边界约束条件，即地表为自由边界、底部为全约束、四周为法向约束；水力边界为地表自由排水(同原泥面上的砂垫层排水条件)、四周为定水头边界(同场地周围的水力补给条件)、底部不透水(同未完全揭露的极微透水层排水条件)。
塑料排水板滤水性好，排水畅通，在本实例中用作真空预压的排水通道。本模型中排水板采用线排水单元来模拟，该单元对应土体内部的线形排水边界，既可以作为普通的排水通道，也可以代表具有真空度的排水通道。密封墙采用透水性极弱的材料，因此采用非透水界面单元模拟。
有限元模型与分析参数
如图4所示，对建立的数值模型进行有限元网格剖分，形成包含单元、节点、应力积分点的有限元计算模型。该模型包括227369个四面体单元，330755个节点，平均单元尺寸2.17m，最小单元尺寸0.05m。
模型的初始条件按照正常固结软黏土的应力场计算，考虑抽真空效率的问题，模型中施加80kpa的真空荷载。在膜下真空度达到80kpa时，持续抽真空140天，以观察90天真空固结期的地层固结效果。
分析模拟结果
针对数值模拟结果，分析真空预压区地层水平位移、沉降、超静孔压变化情况以及沉降、孔压随时间变化情况等。本实例抽真空140天后抽真空区地层发生很大沉降，同时两侧地层向抽真空区域内发生较大水平位移，地基变形情况如图5所示，图5为变形网格|u|(放大5.00倍)(时间是140天)最大值＝1.964m(单元105在节点8035)。区域地表沉降呈现中心区最大、两侧逐渐减小的形态，地基的最大沉降可以达到1.96m，见图6。区域地基水平位移方向指向真空区中心，抽真空区边界位置的水平位移最大，最大水平位移可以达到1.42m，见图7。在真空预压区中心设置位移和孔压监测点，分别位于地表附近、地表以下深度4m、8m、14m、20m处，各监测点沉降-时间曲线见图8，由该组曲线可见，深部地层沉降量小于浅部地层沉降量，在抽真空140天之后，各监测点的沉降基本趋于稳定。本实例选择合理的排水板间距等真空预压施工参数，定量评价排水固结效果。
本发明提出真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，方法费用低廉、不存在安全隐患，可有效确定真空预压施工参数，直观查看真空预压效果。本发明具有以下优点：
1)填补数值方法模拟真空预压排水固结铀尾矿泥方法的空白
本发明提供了一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，填补了数值方法模拟真空预压排水固结铀尾矿泥方法的空白。
2)周期短
数值模拟通过建立真空预压数值模型，对真空预压施工参数、排水固结效果进行模拟。从建立数值模型、进行模拟，到得到模拟结果并进行分析，仅需数天时间，远远短于真空预压现场试验所需至少90天的时间。
3)成本低
数值模拟方法不需要进行现场施工，人员、设备等成本均大大低于真空预压现场试验。
4)安全性高
采用计算机对真空预压排水固结铀尾矿泥进行模拟，不需进行现场施工，从而可以避免施工安全事故，数值模拟方法安全性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1，根据工程勘察报告建立设定场地的三维工程地质模型；
s2，对建立的三维工程地质模型进行有限元网格剖分，形成包含单元、节点、应力积分点的有限元计算模型；
s3，对有限元计算模型执行真空预压操作；
s4，获取有限元计算模型的各项参数变化数据，并推导得出排水固结效果。
2.根据权利要求1所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，步骤s1具体包括以下步骤：
s101，建立初始三维工程地质模型；
s102，根据工程勘察报告设定土层本构模型与参数；
s103，确定模型边界条件；
s104，获得与设定场地实际情况相对应的三维工程地质模型。
3.根据权利要求2所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，步骤s102，根据工程勘察报告设定土层本构模型与参数具体指的是
综合考虑勘察报告中的室内试验及原位试验成果，选择软土本构模型的各个参数取值；
利用土层的试验力学指标一维压缩模量es换算修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*或者利用土层的试验物理指标孔隙比随应力水平的变化确定修正压缩指数λ*以及修正回弹指数κ*。
4.根据权利要求2所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，步骤s103，确定模型边界条件具体指的是
采用标准的边界约束条件确定模型的位移边界约束条件。
5.根据权利要求4所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，地表为自由边界、底部为全约束、四周为法向约束；水力边界为地表自由排水、四周为定水头边界、底部不透水；
塑料排水板采用线排水单元，对应土体内部的线形排水边界；密封墙采用非透水界面单元。
6.根据权利要求1所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，s3，对有限元计算模型执行真空预压操作具体包括
在有限元计算模型中施加80kpa的真空荷载，在膜下真空度达到80kpa时，持续抽真空140天。
7.根据权利要求1所述的一种真空预压排水固结铀尾矿泥的数值模拟方法，其特征在于，步骤s4具体包括以下步骤：
s401，针对数值模拟结果，分析真空预压区地层水平位移、沉降、超静孔压变化情况以及沉降、孔压随时间变化情况；
s402，选择合理的真空预压施工参数；
s403，定量评价排水固结效果。
技术总结