不同降雨條件下稀土尾礦堆入滲與破壞規(guī)律試驗研究

鐘文，歐陽健，黃震，李春生，曾鵬，朱文韜，田鑫

(1. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州，341000；2. 崇義章源鎢業(yè)股份有限公司，江西崇義，341300；3. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北武漢，430071；4. 江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西贛州，341000)

離子型稀土是寶貴的礦產(chǎn)資源，富含世界上較為短缺的中、重型稀土元素，因而受到國內(nèi)外的廣泛重視。離子型稀土尾礦堆長期飽受浸礦液侵蝕，其礦物成分、內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)與一般土體差異較大，受人工堆積、浸礦侵蝕和風(fēng)化營力等因素影響成為各向異性、結(jié)構(gòu)無序、弱膠結(jié)或無膠結(jié)的特殊地質(zhì)體[1?2]，在降雨入滲條件下易發(fā)生局部垮塌和滑坡，可能造成嚴重的人員傷亡和環(huán)境破壞。因此，研究離子型稀土尾礦堆降雨入滲規(guī)律及破壞模式對于預(yù)測與防治離子型稀土尾礦堆局部垮塌和滑坡具有重要意義。

降雨入滲引起的土體內(nèi)部孔隙水壓力升高、土體重度增加、抗剪強度降低及基質(zhì)吸力下降是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要原因[3?7]。人們從不同角度對降雨入滲條件下邊坡含水率和孔隙水壓力變化進行了研究：1)進行相關(guān)模型試驗探討降雨入滲規(guī)律[8?11]；2) 開展不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析[12?15]；3)基于數(shù)值模擬平臺，研究入滲過程邊坡飽和區(qū)分布特征[16?18]。但在分析降雨入滲條件下稀土尾礦堆穩(wěn)定性時，考慮不同條件下離子型稀土尾礦堆內(nèi)部含水率及孔隙水壓力分布狀態(tài)的研究較少，對以此為基礎(chǔ)的離子型稀土尾礦堆降雨入滲規(guī)律及破壞模式的研究較少。此外，在邊坡失穩(wěn)預(yù)測研究方面，目前人們多以雨量[19?20]、雨強[21?22]或位移[23?24]等作為預(yù)警因子，而從失穩(wěn)機制方面提出相應(yīng)的預(yù)警方法[25]的研究較少。

基于以上分析，目前亟需開展不同條件下離子型稀土尾礦堆內(nèi)部含水率及孔隙水壓力分布狀態(tài)研究，并以此為基礎(chǔ)深入研究降雨條件對離子型稀土尾礦堆水分入滲規(guī)律及破壞模式的影響。鑒于此，本文作者首先開展離子型稀土尾礦堆降雨入滲室內(nèi)模型試驗，根據(jù)試驗結(jié)果得到土體含水率及孔隙水壓力分布狀態(tài)，并結(jié)合離子型稀土尾礦堆降雨入滲時空分布特征，分析不同降雨類型及坡角條件下的離子型稀土尾礦堆水分入滲規(guī)律及破壞模式。

1 模型試驗

1.1 試驗材料

試驗所用稀土尾礦模型材料取自贛南某稀土礦浸礦后的尾礦堆，得到其試樣物理特性如表1所示，粒徑級配曲線如圖1所示。

表1 離子型稀土尾礦的物理特性指標Table 1 Physical properties of ion-type rare earth tailings

圖1 試驗離子型稀土顆粒級配曲線Fig.1 Curve of test ion-type rare earth particle grading

1.2 試驗方案

為了分析降雨入滲條件下尾礦堆內(nèi)部含水率、孔隙水壓力及坡體破壞的特點，開展室內(nèi)模型試驗。根據(jù)試驗條件和以往經(jīng)驗，根據(jù)相似理論與滲流等效原理[26?27]，取幾何相似比Cl=1∶100，容重相似比Cγ=1∶1。離子型稀土尾礦堆的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)的相似比可根據(jù)相似理論推導(dǎo)得到[28?29]。試驗裝置主要由降雨模擬系統(tǒng)、主體試驗箱系統(tǒng)和監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共3個主體系統(tǒng)構(gòu)成，試驗裝置長為160 cm，寬為80 cm，高為180 cm。

稀土尾礦堆降雨入滲模型試驗共進行5組，分2類進行對比：一類為相同坡角(45°)，不同降雨類型；另一類為不同坡角(30°，45°和60°)，相同降雨類型。5 組試驗在3 種降雨類型下的降雨總量相等，均為280 mm，試驗時長設(shè)定為5 h。

1.3 傳感器布置

5組試驗的稀土尾礦堆模型均為梯形結(jié)構(gòu)，擁有長為30 cm的坡頂平臺。坡體均由基層和表層組成，表層利用稀土尾礦材料進行堆積，厚度均保持為40 cm，堆積的材料初始含水率為16%，基層利用混凝土板模擬致密基巖，滲水能力較差。

在堆積稀土尾礦堆模型表層時進行分層壓實，每堆積5 cm，使用木板和總質(zhì)量為32 kg 的4 個鐵塊壓實15 min。在試驗過程中，尾礦堆模型的整個表層視為均質(zhì)模型。模型堆積完成后，為使稀土尾礦堆模型內(nèi)的含水從上到下呈梯度分布，盡可能還原其含水分布情況，將堆積完成的尾礦堆模型靜置5 h再進行試驗。試驗前布置孔隙水壓力傳感器P1～P5和含水率傳感器M1～M3，圖2 所示為尾礦堆模型和傳感器布置圖。

圖2 稀土尾礦堆模型和傳感器布置圖Fig.2 Models of rear earth tailing piles and layout of sensor

1.4 降雨條件模擬

本次試驗?zāi)M自然界中小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨5 種天氣類型及前鋒、中鋒、后鋒3類降雨強度，采用試驗室內(nèi)降雨1 h的降雨量模擬現(xiàn)實生活中1 d的降雨量，氣象降雨條件和降雨工況設(shè)計如表2 所示，5 組試驗的降雨條件對照如表3所示，3類降雨強度設(shè)計如圖3所示。

圖3 試驗降雨工況設(shè)計Fig.3 Designs of experimental rainfall condition

表2 氣象降雨類型和降雨工況設(shè)計Table 2 Design of meteorological rainfall types and rainfall conditions

表3 5組試驗降雨條件對比Table 3 Comparison of five groups of experimental rainfall conditions

2 試驗結(jié)果分析

2.1 稀土尾礦堆破壞

圖4所示為5組稀土尾礦堆模型隨時間破壞演變過程圖。

從圖4 可以看出：同為45°坡角的稀土尾礦堆模型，在前鋒型、中鋒型、后鋒型降雨條件下發(fā)生破壞的時間依次增加，其中在前鋒型降雨條件下，25 min時已出現(xiàn)明顯的淺層破壞和裂隙。從試驗后期坡面的破壞和裂隙的發(fā)展情況可以看出，在后鋒型降雨條件下，模型坡面破壞和裂隙變化更加明顯，說明坡體的破壞與降雨強度有對應(yīng)關(guān)系，對于相同坡角的稀土尾礦堆，降雨強度越大，雨水入滲速度越快，尾礦堆破壞演化速率越大，稀土尾礦堆越易發(fā)生明顯的失穩(wěn)破壞。

圖4 稀土尾礦堆模型的破壞演變過程對比Fig.4 Comparison of failure evolution process of model of rare earth tailing piles

在同為后鋒型降雨條件下，坡角為30°的稀土尾礦堆模型破壞較為緩慢，直至300 min試驗結(jié)束都未發(fā)生滑動破壞。坡角為60°的稀土尾礦堆模型在150 min時，整個稀土尾礦堆模型沿著基層與表層的接觸面進行滑動破壞且模型整體下沉。此外，坡頂平臺上產(chǎn)生的裂隙使稀土尾礦堆模型在300 min 前又產(chǎn)生了一次滑動破壞，導(dǎo)致坡頂平臺上的裂隙更大、更深，說明相同降雨類型下稀土尾礦堆模型破壞模式與坡角有較大關(guān)系?？傮w來看，坡角小的尾礦邊坡較為穩(wěn)定，破壞模式大致是從淺層破壞逐步演化到坍塌破壞；坡角大的模型穩(wěn)定性較差，期間伴有滑動破壞。在試驗過程中，坡角為60°的稀土尾礦堆模型發(fā)生了2 次滑動

破壞，這與一般土質(zhì)邊坡不同。經(jīng)分析認為模型的坡角越大，整個模型的重心越高，模型底部的長度越小，滑動面的圓弧曲率越小。與一般邊坡材料相比，稀土尾礦材料滲透性大、顆粒間作用力小、抗滑力較小，因而，尾礦堆坡角越大，越容易產(chǎn)生滑動破壞。

2.2 稀土尾礦堆降雨入滲規(guī)律

圖5所示為5組試驗過程中稀土尾礦堆含水率隨時間的變化曲線。由圖5可以看出：當(dāng)坡角相同(45°)時，前鋒型降雨條件下的模型坡腳傳感器M1所在位置含水率更為敏感且最早達到飽和，反映了在前鋒型降雨條件下，相同坡角的模型降雨入滲變化更快、更明顯；在后鋒型降雨條件下，含水率變化更為緩慢，且其達到飽和所需時間更長。坡角為60°的稀土尾礦堆在降雨下含水率變化最敏感，最早達到穩(wěn)定平衡；坡角為30°的稀土尾礦堆模型其含水率變化最緩慢，達到平衡的時間最長。結(jié)果反映出相同表層厚度的離子型稀土尾礦堆模型中，坡角越大，坡面越陡，導(dǎo)致雨水入滲更快。這說明降雨類型和坡角對于稀土尾礦堆降雨入滲均有較大影響，降雨強度越大，稀土尾礦堆坡角越大，導(dǎo)致土體含水越敏感，越早達到飽和，降雨入滲速率越大。

圖5 試驗過程中稀土尾礦堆含水率隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curves of water content of rare earth tailing piles with time during experiments

對比5 組試驗結(jié)果可知，傳感器M3所在位置初始含水率最大，M2所在位置初始含水率最小且含水率變化時間較長。這是因為試驗所用的離子型稀土材料滲透性較大，且試驗開始前，每組試驗都靜置了5 h，導(dǎo)致稀土尾礦堆模型內(nèi)的自由水受重力影響而向下入滲。M3所在位置距離坡面最遠，埋設(shè)位置最深，使M3所在位置初始含水率最大。M2所在位置的含水率傳感器由于處于離子型稀土尾礦堆模型的坡面較中間位置，容易產(chǎn)生裂隙和破壞而導(dǎo)致傳感器暴露于空氣中。

圖6所示為試驗過程中稀土尾礦堆孔隙水壓力隨時間變化曲線。由圖6 可以看出：當(dāng)坡角同為45°時，在前鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型的孔隙水壓力傳感器所測得的孔隙水壓力變化速率最大，孔隙水壓力最先達到穩(wěn)定平衡；在中鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型孔隙水壓力變化主要集中在前半個階段的中雨到大暴雨期間；在后鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型5個位置的孔隙水壓力達到穩(wěn)定平衡的時間最長。在相同降雨條件下，不同坡角的稀土尾礦堆模型其孔隙水壓力隨時間的變化不同。坡角為30°的稀土尾礦堆模型5個孔壓監(jiān)測點變化持續(xù)時間較長，直到試驗結(jié)束也未完全達到穩(wěn)定；坡角為45°的稀土尾礦堆模型中，5個監(jiān)測點的孔隙水壓力在大雨階段后基本達到穩(wěn)定平衡；坡角為60°的稀土尾礦堆模型中，5個位置的孔隙水壓力中雨階段就已經(jīng)開始達到穩(wěn)定平衡。此外，對比一般土質(zhì)邊坡，坡腳傳感器P1所在位置的孔隙水的壓力變化最早，這是因為稀土材料滲透性強，稀土尾礦堆內(nèi)的水都會集中滲透到坡角，從坡腳處排出，所以，在坡腳處的孔隙水壓力變化最早且最為明顯。

圖6 試驗過程中稀土尾礦堆孔隙水壓力隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of pore water pressure of rare earth tailing piles with time during experiments

綜上可知，降雨強度與孔隙水壓力的變化有對應(yīng)關(guān)系，在孔隙水壓力達到平衡狀態(tài)前，降雨強度越大，孔隙水壓力上升越快，也最早達到平衡狀態(tài)；稀土尾礦堆模型的坡角越大，模型坡底長越短，導(dǎo)致雨水入滲更為集中，入滲的速度更快，稀土尾礦堆內(nèi)的孔隙水壓力更快達到穩(wěn)定平衡；而稀土尾礦堆模型坡角越小，稀土尾礦堆模型坡底就越長，導(dǎo)致雨水入滲較慢，稀土尾礦堆內(nèi)的孔隙水壓力變化緩慢。

3 稀土尾礦堆時空破壞規(guī)律

3.1 破壞區(qū)域的三維體積計算

利用超像素理論對離子型稀土尾礦堆模擬試驗過程中三目相機所監(jiān)測的圖像進行識別，以及對離子型稀土尾礦堆模型進行三維重建，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：模型可以在整個試驗過程中對離子型稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的演化過程進行捕捉，并在識別出的圖片和重建模型中劃分網(wǎng)格，計算出破壞區(qū)域的二維面積和三維體積。稀土尾礦堆模型的坡面破壞區(qū)域三維體積計算原理是將選定時刻的坡面圖與初始坡面圖重合比較，分別計算選定時刻坡面圖和初始坡面圖所對應(yīng)的每個網(wǎng)格之間的深度均差。由于所劃的網(wǎng)格非常小，把每個對應(yīng)網(wǎng)格所組成的立體設(shè)為長方體，通過網(wǎng)格的面積S0和平均深度hn，計算離子型稀土尾礦堆模型坡面破壞區(qū)域的三維體積V，具體計算公式如下：

圖7 模型圖像識別點云圖和模型三維重建Fig.7 Point cloud pictures of model image recognition and image of three dimensional reconstruction

式中：V為破壞區(qū)域體積，m3；n為破壞區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)；hn為第n個網(wǎng)格的平均深度，m；S0為每個網(wǎng)格的面積，m2。

為了減小計算誤差，默認初始時刻的坡面破壞區(qū)域體積為零，即用每個時刻計算出來的坡面破壞區(qū)域體積與初始時刻的坡面破壞區(qū)域體積的差值，作為該時刻的坡面破壞區(qū)域的最終體積。

3.2 破壞區(qū)域三維體積變化隨時間變化分析

圖8所示為不同條件下試驗過程中稀土尾礦堆破壞區(qū)域三維體積隨時間變化曲線。由圖8可以看出：當(dāng)坡角同為45°時，在前鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的三維體積最先發(fā)生變化，發(fā)生大規(guī)模變形破壞的時間主要集中在大暴雨階段，后面幾個降雨階段尾礦堆模型變形破壞較小，模型變形破壞的三維體積數(shù)值均趨于穩(wěn)定；在中鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型大規(guī)模破壞時間主要集中在第一次的大雨階段到大暴雨階段，大暴雨之后的降雨階段，模型變形破壞較小，變形破壞趨于穩(wěn)定；在后鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型變形破壞的三維體積出現(xiàn)變化的時間最長，在開始發(fā)生變形破壞后，一直持續(xù)緩慢破壞，直到大暴雨的后半階段才趨于穩(wěn)定。這是因為在前鋒型降雨條件下，試驗一開始就是大暴雨，強降雨使雨水快速入滲尾礦堆模型內(nèi)，坡體內(nèi)部的水含量迅速達到飽和，使模型最先開始發(fā)生變形破壞以及大規(guī)模破壞的時間段集中在試驗前期的大暴雨階段；后鋒型降雨和前鋒型降雨模式相反，后鋒型降雨類型的小雨在前，大暴雨在最后，前期的降雨入滲較小，且離子型稀土材料滲水速率較大，內(nèi)部排水速率也較大，所以，后鋒型降雨條件下的稀土尾礦堆最晚開始發(fā)生變形破壞，坡體的變形破壞一直持續(xù)，且破壞緩慢，直到大暴雨的后半階段才趨于穩(wěn)定。

圖8 稀土尾礦堆破壞區(qū)域三維體積隨時間的變化曲線Fig.8 Variation curves of three dimensional volume with time in failure area of rare earth tailing piles

在相同的降雨條件下，坡角為30°的稀土尾礦堆模型在變形破壞趨于穩(wěn)定后，三維體積破壞量最小；坡角為45°的稀土尾礦堆模型變形破壞趨于穩(wěn)定后，三維體積破壞量最大；坡角為60°的稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的三維體積最先出現(xiàn)變化，在變形破壞趨于穩(wěn)定后，與坡角為30°的稀土尾礦堆模型相比，破壞區(qū)域三維體積破壞量呈小幅增加。這是因為相同降雨條件下，不同坡角的稀土尾礦堆模型在試驗過程中出現(xiàn)的破壞模式存在較大差距。坡角為60°的稀土尾礦堆模型坡角較大，坡體重心較高，導(dǎo)致雨水入滲的速率更大，且坡面上的雨水因沿坡面的重力分力較大，導(dǎo)致坡面雨水流速大，坡腳位置水含量更容易達到飽和，從而被破壞。

3.3 破壞區(qū)域三維體積變化速率隨時間變化分析

通過對三維體積在時間上進行求導(dǎo)，得到其破壞區(qū)域三維體積變化速率，如圖9 所示。從圖9可以看出：在前鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的三維體積變化速率在試驗1 h時就發(fā)生明顯的變化，且出現(xiàn)峰值，后4 h尾礦堆模型變形破壞區(qū)域的三維體積變化速率較小，此時，模型變形破壞趨于穩(wěn)定。在中鋒型降雨條件下，稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的三維體積變化速率主要集中在前2.5 h，在后半個試驗過程中，三維體積變化速率基本為零，稀土尾礦堆模型變形破壞已趨于穩(wěn)定。在后鋒型降雨條件下，坡角為45°的稀土尾礦堆破壞區(qū)域的三維體積變化速率在整個試驗過程中基本都在變化，最大峰值出現(xiàn)在大雨階段；坡角為30°的稀土尾礦堆模型由于坡角太小，且主要破壞區(qū)域靠近坡腳位置，其破壞區(qū)域的三維體積變化速率在整個試驗過程中變化較小，模型破壞緩慢；坡角為60°的稀土尾礦堆模型，其三維體積變化速率峰值在最后1 h(大暴雨階段)才出現(xiàn)，這是因為尾礦堆模型的坡角位置最先發(fā)生變形破壞，此位置的破壞深度較小，幾乎只是坡面表面產(chǎn)生變形破壞，直至破壞區(qū)域延伸到一定高度后，破壞區(qū)域的深度才增大。

圖9 稀土尾礦堆破壞區(qū)域三維體積變化速率隨時間的變化曲線Fig.9 Three?dimensional volume change rate curve with time in failure area of rare earth tailing piles

綜上可知，從尾礦堆的大規(guī)模破壞時間來看，在前鋒型條件下，尾礦堆模型大規(guī)模變形破壞的時間主要集中在大雨至大暴雨階段，而在后面幾個降雨階段，尾礦堆模型變形破壞較小，變形破壞的三維體積均趨于穩(wěn)定；中鋒型降雨條件下的離子型稀土尾礦堆大規(guī)模破壞時間主要集中在第一次大雨階段到大暴雨階段。在大暴雨之后的降雨階段，尾礦堆變形破壞較小，變形破壞趨于穩(wěn)定；在后鋒型降雨條件下，離子型稀土尾礦堆在開始發(fā)生變形破壞后，一直持續(xù)緩慢發(fā)生破壞，直到大暴雨的后半階段才趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)稀土尾礦堆在不同降雨類型條件下的破壞模式均從坡腳開始，由淺層破壞逐步演變?yōu)樘茐?，且在前期雨強大的降雨類型下發(fā)生破壞演化速率最快。對于稀土尾礦堆，降雨條件下可選取坡腳處的孔隙水壓力和飽和度作為預(yù)警因子，尤其注意前期暴雨條件下稀土尾礦堆發(fā)生滑坡和坍塌的可能性。

2)稀土尾礦堆的破壞與降雨強度有對應(yīng)關(guān)系，降雨強度越大，響應(yīng)時間越快，越易達到飽和，孔隙水壓力上升越快，稀土尾礦堆越易發(fā)生明顯的失穩(wěn)破壞。

3)稀土尾礦堆在相同降雨類型條件下，坡角越大，降雨入滲速度越快，其含水率和孔隙水壓力達到穩(wěn)定平衡的時間越短，稀土尾礦堆越不穩(wěn)定。其破壞模式不僅表現(xiàn)為淺層破壞和坍塌破壞，而且伴有滑動破壞。

4)稀土尾礦堆大規(guī)模破壞的時間集中在初次大雨至大暴雨階段，在其他降雨階段，稀土尾礦堆變形破壞并不明顯，并且在初次大雨至大暴雨階段，稀土尾礦堆變形破壞速率陡增。