Geotechnical design of tailings dams - a stochastic analysis approach

• Main Author: Hamade, Tarek
• Other Authors: Hani Mitri (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Engineering - Mining
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=116869

Mine tailings dams are geotechnical structures that are designed to provide adequate and safe storage of tailings materials both during and after the end of mine life. The design of tailings dams is currently based on limit equilibrium methods (LEM) which are used to calculate slope stability safety factors under various operational loads. The minimum safety factor obtained from these analyses is retained to be the design safety factor. LEM's however suffer from a number of shortcomings most notably the lack of information on dam deformation and the interaction between effective stress and pore pressure. For this, advanced numerical modeling techniques accounting for the hydro-mechanical coupling occurring in the dam structure have been developed. These models provide much greater insight into the geotechnical behavior of the tailings dam. However, both LEM and numerical modeling approaches are deterministic in nature; thus, they do not take into consideration the inherent uncertainty of the construction material properties – a fact that is well known to the geotechnical engineer, yet, needs to be addressed.In this thesis, stochastic analysis approaches such as the Monte Carlo (MC) method are adopted to investigate the effect of the inherent uncertainty in material properties on the design factor of safety. Both LEM and coupled hydro-mechanical numerical models are first developed and the results for deterministic models are compiled. These are then compared with the result obtained from stochastic analyses. A case study of a new water retention tailings dam project design with well documented geotechnical data is adopted throughout the thesis study. First the LEM analysis was pursued followed by a sensitivity analysis to determine the most influential parameters on the design safety factor. Next, a fully coupled hydro-mechanical model was developed with FLAC2D in which the construction sequence was simulated in seven stages. The factor of safety (FOS) was calculated at the end of every stage using the Strength Reduction Technique (SRT). Following that, the Point Estimate Method (PEM) was then used to obtain the probability of unsatisfactory performance by considering the dam's core angle of friction, cohesion and permeability as stochastic variables. The coefficient of variation for the material properties was varied and its consequence on the probability was recorded. Next, the MC method was adopted to calculate the tailings dam's probability of unsatisfactory performance as well as its reliability. The effect of changing the probability density function (PDF) of the stochastic input parameter on the output reliability was further analyzed. Furthermore, the effect of randomness at the local level was studied using the Random Monte-Carlo (RMC) method and compared to the output of the MC method.Finally, the effect of the coefficient of correlation between the dam's core angle of friction and its cohesion on the impoundment's reliability was analyzed. This was followed by an advanced stochastic analysis using the MC method that included a third stochastic variable, the dam's core permeability. The incorporation of both mechanical and hydraulic parameters as stochastic variables lowered the impoundment's reliability; thus, highlighting the power and novelty in the hydro-mechanical stochastic analysis hybrid approach. The results of all analyses are presented in the thesis along with the findings in the conclusion. === Les digues des résidus miniers sont des ouvrages géotechniques conçus pour offrir un stockage adéquat et sécuritaire des résidus et ce pendant et après la fin de la vie de la mine. La conception des digues à résidus est actuellement basée sur les méthodes d'équilibre limite (LEM) qui sont utilisés pour calculer les facteurs de sécurité de la stabilité des pentes sous diverses charges opérationnelles. Le facteur de sécurité minimal obtenu à partir de ces analyses est considéré comme facteur de sécurité de conception. Ils sont présentement utilisés dans la conception géotechnique. Cependant, LEM a des lacunes notamment le manque d'information sur la déformation d'une digue et de l'interaction entre les contraintes effectives et la pression interstitielle. Ainsi, les techniques de modélisation numérique avancées qui considèrent le couplage hydro-mécanique survenant dans la structure de la digue ont été développées. Ces modèles procurent un aperçu plus précis du comportement géotechnique de la digue à résidus. Cependant, les deux approches LEM et modélisation numérique sont déterministe. Par conséquent, ces approches ne tiennent pas compte de l'incertitude inhérente aux propriétés des matériaux de construction et ceci est un fait bien connu par l'ingénieur géotechnicien et pourtant ceci doit être abordé.Dans cette thèse, les approches d'analyse stochastiques tels que le Monte Carlo (MC) sont adoptées pour étudier l'effet de l'incertitude inhérente aux propriétés du matériau sur le coefficient de sécurité. Les deux LEM et les modèles numériques hydro- mécaniques couplés sont d'abord développés et après les résultats des modèles déterministes sont compilés. Ces derniers sont ensuite comparés aux résultats obtenus à partir des analyses stochastiques.Une étude de cas d'une nouvelle conception d'une digue à rétention d'eau à résidus avec des données géotechniques bien documentées est adoptée dans cette étude. Tout d'abord, l'analyse LEM a été poursuivi et suivi par une analyse de sensibilité pour déterminer les paramètres les plus influents sur le facteur de sécurité de la conception.Ensuite, un model couplé d'hydro-mécanique a été développé avec FLAC2D dans lequel la séquence de construction a été simulée en sept étapes. Le coefficient de sécurité (FOS) a été calculé à la fin de chaque étape en utilisant la technique de réduction de la résistance (SRT). Par la suite, la méthode d'estimation ponctuelle (PEM) a été utilisée pour obtenir la probabilité d'un rendement insatisfaisant en tenant compte de l'angle de base de la digue, de la friction, de la cohésion et de la perméabilité comme variables stochastiques. Le coefficient de variation des propriétés du matériau a été varié et ses conséquences sur la probabilité ont été enregistrées. Ensuite, la méthode de MC a été adoptée pour calculer la probabilité de rendement insatisfaisant de la digue à résidus ainsi que sa fiabilité. Par ailleurs, l'effet de la modification de la fonction de densité de probabilité (PDF) du paramètre d'entrée stochastique sur la fiabilité de sortie a encore été analysé. En outre, l'effet du hasard au niveau local a été étudiée en utilisant le hasard Monte-Carlo (RMC) et la méthode par rapport à la sortie de la méthode de MC. Enfin, l'effet du coefficient de corrélation entre l'angle de friction du noyau et la cohésion sur la fiabilité de la digue a été analysé. Ceci a été suivi d'une analyse stochastique avancé à l'aide de la méthode MC qui comprenait une troisième variable stochastique qui est la perméabilité du noyau. L'incorporation de paramètres à la fois mécaniques et hydrauliques en tant que variables stochastiques ont réduit la fiabilité de la digue, ainsi, mettant en évidence l'impact de l'analyse stochastique hydro-mécanique avec l'approche hybride. Les résultats de toutes les analyses sont présentés dans la thèse suivante ainsi que les découvertes dans la conclusion.