廢棄稀土尾礦堆降雨入滲規律及破壞模式試驗研究

李春生 鐘 文，3 羅建林 肖長波 宋書亮 王 俊

（1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州341000；2.崇義章源鎢業股份有限公司，江西崇義341300；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢430071；4.江西應用技術職業學院，江西贛州341000；5.江西中梁爆破工程有限公司，江西萍鄉337000；6.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都610500；7.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶400044）

離子型稀土因富含世界上較為短缺的中型和重型稀土元素，是我國重要的保護型開采礦種之一［1-4］。20世紀六七十年代至21世紀初期，以堆浸、池浸工藝為代表的掠奪式開采導致離子型稀土產區遺留下了大量廢棄稀土尾礦堆。在人工堆積、浸礦侵蝕和風化營力等因素的影響下，廢棄稀土尾礦堆表現為一種各向異性、結構無序、弱膠結或無膠結的特殊地質體［5-6］，其入滲規律和破壞模式與一般土質邊坡相比差異較大，在極端降雨條件下極易產生局部垮塌或滑坡災害，是離子型稀土礦環境綜合治理工作中的重大安全隱患。

近年來，諸多學者在稀土的力學性質和滲透規律方面做了大量的研究工作。黃廣黎等［7］、李永欣等［8］分別通過對重塑的稀土試樣進行核磁共振成像試驗和三軸強度的測試試驗，對浸礦溶液在浸礦前后的重塑稀土試樣黏聚力和內摩擦角的變化規律進行了研究；同時為了了解離子型稀土在浸礦過程中，其浸礦效果與礦體滲透性之間的關系，利用自制的裝置進行了浸礦過程中稀土滲透系數測定試驗，研究了離子型稀土礦在浸礦時離子交換條件下滲透系數的變化規律和形成機理。羅嗣海等［9］通過研究室內柱浸試驗來研究稀土在滲流過程中的滲透性變化規律，并對比原礦和篩分樣的滲透系數變化，探討了浸礦過程中離子型稀土的滲透系數變化機理。王觀石等［10］通過陡坡開采礦塊的現場試驗，研究了裸腳式稀土礦山的原地浸礦滲流過程及其引起的邊坡變形規律，研究表明，坡度不同的陡坡在原地浸礦前期注液強度過大后，引發的坡體破壞模式不同。以上研究成果較好地豐富了當前對離子型稀土礦體物理力學性質方面的基礎理論研究，但對于廢棄稀土尾礦堆的降雨入滲規律及破壞模式尚缺乏有針對性的研究。

對于 Geo-studio軟件數值模擬，楊煜等［11］采用Geo-studio軟件建立了含軟弱夾層土坡數值計算模型，基于飽和—非飽和滲流理論，擬定大雨、暴雨及大暴雨3種強降雨條件，開展了不同降雨條件下含軟弱夾層土坡的滲流特性研究，得到了降雨等級與濕潤前鋒的發展速率關系；苗作華等［12］利用Geostudio軟件的滲流有限元法和蒙特卡洛法，通過建立不同降雨強度條件下的某礦山排土場坡體滲流模型，研究了不同降雨強度和入滲作用下排土場坡體的穩定性變化規律；郁舒陽等［13］采用Geo-studio軟件中的Seep/w和Slope/w模塊，分析了4種不同降雨模式條件下，坡體淺層及深層滑動面的滲流特性變化規律及邊坡穩定性的影響規律。上述研究表明：Geo-studio軟件在坡體降雨入滲研究方面運用較為廣泛，但在廢棄稀土尾礦堆模型中的運用案例較少。

本研究通過構建兩組有無頂端平臺的室內廢棄稀土尾礦堆模型，在相同的降雨工況等條件下，對其孔隙水壓力、含水率及內外排水速度進行監測，并運用Geo-studio軟件對兩組模型試驗進行數值模擬，研究其降雨入滲規律和破壞模式，為有效防治廢棄稀土尾礦堆局部垮塌、滑坡等災害提供參考。

1 室內試驗監測系統

本研究室內試驗監測系統由三大主體系統構成：①用以模擬自然降雨的降雨模擬系統，降雨模擬系統主要是利用水泵將水送入降雨管路，再通過可調控出水大小的霧化噴頭模擬自然降雨；②用以構建廢棄稀土尾礦堆的主體模型系統，堆積廢棄稀土尾礦堆的試驗箱；③監測及數據采集系統，包括試驗過程錄像的攝像頭、埋入廢棄稀土尾礦堆模型中的傳感器等。由3個主體系統組成的室內試驗監測系統結構如圖1所示。

1.1 降雨模擬系統

降雨模擬系統包括降雨裝置及供水裝置，降雨裝置包括噴頭、金屬支架和流量計；供水裝置由水泵、水箱、給水管和水閥構成。其中降雨裝置的噴頭由金屬材質制成，單個噴頭降雨區域直徑可達20～60 cm；金屬支架主要功能為調節降雨高度，由鋁合金管制成，調節高度范圍為1.5～2 m；LZB-4WB型、LZB-3WB型玻璃轉子流量計的水流速測量范圍分別為25～250 mL/min與10～100 mL/min。供水裝置由水泵、水箱、給水管和水閥構成，其中水泵型號為HGL-128型水泵，為降雨裝置提供穩定壓力，流量范圍為0～25 L/min，揚程為0～5 m；水箱用以儲水供應水源，長方體水箱尺寸長×寬×高為1 m×0.5 m×1 m，玻璃材料，厚度為12 mm；給水管選用塑膠管；水閥安裝在出水口處，用以分流調控并控制壓力。

1.1.1 降雨強度準確性監測

本研究降雨強度準確性監測的主要思路是利用固定容積的容器監測實際降雨強度，并與標定數值進行對比，以此來達到判斷降雨強度穩定性的目的。容器采用長寬高均為30 cm的水箱［14］，控制流量計流量從15 mL/min開始，每次模擬時長為30 min的降雨，標定試驗共進行8次，每次流量計流量依次增加15 mL/min，即第8次試驗達到120 mL/min。降雨強度監測結果如表1所示。3次試驗測量結果的均方根誤差分別為0.018 75、0.027 5和0.022 5，對其平均值的線性擬合結果為

式中，x為控制流量計流量，mL/min；y為降雨強度，mm/min。可見，兩者線性擬合效果較好。

1.1.2 降雨均勻性監測

采用均勻布設量筒的方法來測定模型降雨的均勻性，并通過各測點量筒的雨水積雨量和均勻性公式進行計算。目前我國模擬降雨均勻性系數k一般要求大于0.8，k值可進行如下計算：

式中，k為均勻系數；xi為測點i的雨量，mL；x為各測點平均雨量，mL；n為測點數，個［15］。

本研究將3個完全相同的量筒均勻布設在模型降雨區底部同一高度位置，分別監測25 mm/h、45 mm/h和65 mm/h的3組降雨強度的均勻性，每組降雨時間均為0.5 h。監測結果如表2所示，不同降雨強度的均勻性系數分別為0.85、0.85和0.87，降雨均勻性滿足試驗要求。

1.2 主體模型系統

本研究自主設計的實驗箱長寬高分別為160 cm、80 cm、120 cm，為了能夠直接從外部清晰觀測裂隙發育以及側邊滲流狀況，槽體模型材料使用有機玻璃，厚度為1 cm。為了減小邊界效應，需要在其內部貼防護膜，同時槽體模型內部底層設有混凝土板，用以模擬較為密實的原生坡體。模型箱坡比為0.5∶0.34，并在其前方開設排水槽，寬度為1 cm。

1.3 監測及數據采集系統

監測及數據采集系統分為數據采集裝置和連接裝置兩部分。其中，數據采集裝置由傳感器與攝像頭組成，型號為CYY2，高1.6 cm，直徑3 cm，測量范圍為0～10 kPa。孔隙水壓力傳感器在文中用P表示，如P1表示為1號位置的孔隙水壓力傳感器。含水率傳感器型號為PHTS，測量范圍為0～100%，分辨率為0.1%，準確度為±2%，兩種傳感器均由DC24 V電池供電。本研究將含水率傳感器計表示為M，如M1表示為1號位置的含水率傳感器。攝像頭型號為ZION-ipc8000DC1型攝像頭，最高像素為1 280×720。

1.3.1 孔隙水壓力傳感器標定

孔隙水壓力傳感器通常采用氣動活塞式壓力計進行標定，傳感器在標定前需要放在清水中煮沸一段時間，排除傳感器內部空氣［16］。本研究利用長寬高均為30 cm的水箱對孔隙水壓力傳感器進行標定。將待標定傳感器置于水箱底部，每次提高水位3 cm，時間間隔為5 min，重復進行14次。將傳感器采集到的數據進行線性擬合。如圖2（a）所示，采集數據與實際值線性一致，證明設備具有良好的準確性。

1.3.2 含水率傳感器標定

測量含水率各異的均勻土樣中的輸出電壓，并分別計算樣本體積含水率，得到電流和含水量之間的回歸曲線［17］。如圖2（b）所示，含水率傳感器監測值與標定曲線較為接近，說明采用回歸曲線函數計算含水率具有可行性。

2 室內模型試驗

2.1 室內試驗

2.1.1 試驗材料

本研究試驗主要是模擬有無頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆在降雨條件下，研究其降雨入滲變化規律及破壞模式的差異。試驗的尾礦堆模型表層為取自于贛南某稀土礦浸礦后的廢棄尾礦，其物理參數如表3所示。試驗中原生坡體結構較為致密，滲透性較低，故試驗中用混凝土板代替。為減少試驗過程中廢棄尾礦堆的邊界影響，在模型裝置內壁貼有防護膜。

2.1.2 試驗方案

本研究進行兩種有無頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型試驗，其中一種為坡頂沒有頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型A，另一種是模型坡頂擁有頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型B。兩種廢棄稀土尾礦堆模型的坡角為34°。利用霧化噴頭模擬降雨，降雨強度控制為45 mm/h。在廢棄稀土尾礦堆模型搭建完成后進行透水處理，并排水固結，24 h后進行試驗。確保兩種模型坡面降雨入滲厚度即模型表層厚度相同，坡角大小相同和傳感器埋設位置相同。兩種模型的試驗方案如表4所示，兩種模型及傳感器埋設位置如圖3所示。

2.2 數值模擬試驗

本研究采用Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊進行數值模擬，該模塊可以對二維穩定或非穩定、飽和或非飽和的地下水運動問題進行模擬［18］。利用SEEP/W模塊構建有頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型A和無頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型B，分別對降雨入滲過程中兩種模型的浸潤線、孔隙水壓力和含水率隨時間的變化情況進行模擬和數據采集，通過對比兩種模型的數值模擬結果，并對室內模擬試驗結果進行驗證。數值模擬所用材料的物理屬性參數如圖4所示。

3 試驗結果及分析

3.1 室內試驗結果及分析

在降雨入滲作用下，尾礦堆的內摩擦角與抗剪強度會隨著土顆粒水膜的增厚而降低，顆粒間的吸引力也因此而降低。因此在降雨量累積達到一定程度時，通常都會發破壞。在試驗過程中，模型A先在坡腳處出現淺層滑動破壞，且破壞區域擴展緩慢，隨著試驗的進行，破壞區域變化不大，直到180 min才增加一條裂隙（圖5（a））。模型B在坡腳處發生較為明顯的淺層滑動破壞，同時坡面破壞區域上方會依次往上產生裂隙，隨著試驗的進行，裂隙進一步與坡腳的淺層破壞區域匯合后，模型由下而上依次向下發生坍塌破壞，在180 min時刻已經產生多條貫穿性的大裂隙（圖5（b））。且兩種模型在同一時間，模型B破壞程度明顯大于模型A。試驗表明，由于兩個模型的形狀差異，導致其破壞模式存在較大差異。

模型A、B孔隙水壓力變化特征如圖6所示。在降雨過程中，廢棄稀土尾礦堆模型坡腳處的孔隙水壓力增長較為明顯，說明坡體的雨水入滲速度較快，且模型坡腳處孔隙水壓力（P3）最先達到飽和狀態，坡體上部的孔隙水壓力（P1）最后達到飽和。模型B在P1和P2處的孔隙水壓力比模型A更早達到正值并出現快速增長現象，這是因為模型B頂部有平臺，模型整體近似于梯形，上表面的存在加強了模型的集水能力，減少了水流入滲路徑，同時平臺上的雨水直接入滲坡體，導致模型B的孔隙水壓力更大，且更快達到飽和。模型A、B在最初的淺層滑動破壞模式時，P1的孔隙水壓力大小基本保持不變，這是因為對于埋設較深的P1而言，雨水入滲到該位置需要一定的時間。但是P1附近發生破壞時，P1處的孔隙水壓力為正值，隨著破壞向上部延伸，P1處孔隙水壓力逐漸趨于穩定。上述現象表明：廢棄稀土尾礦堆的破壞過程對孔隙水壓力會造成影響，孔隙水壓力會在破壞前達到最大值，之后基本保持穩定。

模型A、B的含水率變化特征如圖7所示。在降雨過程中，兩種廢棄稀土尾礦堆模型的含水率變化規律總體相近，均是先快速增大，后基本達到飽和。但兩種模型對于含水率的敏感程度有所不同，模型B的含水率傳感器響應都要快于模型A。在M1和M2位置入滲大于排水時數值增加較快，當入滲與排水平衡后，進入了穩定狀態；M3位置的含水率前期由于埋設較深處于短暫穩定狀態，隨著模型破壞的發展，含水率逐漸增大，當破壞臨近M3時，含水率趨于一個新的穩定狀態。

上述分析表明：有無頂端平臺廢棄稀土尾礦堆模型的含水率變化情況不同，具有頂端平臺模型的降雨入滲變化更為明顯，廢棄稀土尾礦堆也更快產生破壞。

模型A、B的排水速度變化特征如圖8所示。由圖8可知：降雨對不同廢棄稀土尾礦堆模型的影響大致相同，均是較快出現內部排水，持續降雨時，模型逐漸產生破壞并出現表面徑流，表面排水速度逐漸上升，內部排水速度則是先上升再下降。這是因為是在試驗過程中，廢棄稀土尾礦堆模型不斷破壞，導致內部滲透與表面徑流同時受到影響，特別是對表面徑流路徑的影響，使得排水速度表現為上下波動變化。有無頂端平臺廢棄稀土尾礦堆模型的排水速度變化規律也存在差異，由于模型B在頂部有平臺，所以早期內部排水速度較大，持續降雨使得尾礦堆逐漸產生破壞，表面徑流帶走大量降雨，使得模型B內部排水速度降低，故試驗進行到一定時間后，模型A的內部排水速度大于模型B。

3.2 數值模擬試驗結果及分析

利用GEO-Slope軟件進行了兩種廢棄稀土尾礦堆模型的數值模擬分析，結果如圖9所示。由圖9可知：試驗過程中兩種廢棄稀土尾礦堆模型的浸潤線變化情況存在差異，在前2 h時段，兩種模型的浸潤線變化情況大致相同。但在2 h后，模型B的浸潤線變化明顯比模型A快，尤其在3 h時，兩種模型的浸潤線所處位置明顯不同，模型B的浸潤線位置要比模型A高出很多。總體來說，兩種廢棄稀土尾礦堆模型的浸潤線位置都是向上變化，但模型B變化速度更快，這說明模型B降雨入滲更快。

本研究數值模擬對室內模型試驗結果提供了驗證，即驗證了模型B坡頂擁有頂端平臺，上表面的頂端平臺加強了模型的集水能力，平臺上的雨水直接入滲坡體，同時也減少了水流入滲路徑，導致有頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型更容易發生破壞等相關分析的準確性。

4 結論

（1）兩種廢棄稀土尾礦堆在試驗中，其孔隙水壓力和含水率的變化規律在降雨條件下相似，都是先快速增大，后趨于穩定；兩種廢棄稀土尾礦堆都較快出現內部排水現象。持續降雨時，廢棄稀土尾礦堆逐漸產生破壞并出現表面徑流，表面排水速度逐漸上升，內部排水速度則是先上升再下降。廢棄稀土尾礦堆破壞對孔隙水壓力會造成影響，孔隙水壓力會在破壞前達到最大值，并在破壞發生后逐漸降低。但具有頂端平臺的模型B的孔隙水壓力、含水率和排水速度更大，變化更為敏感。

（2）試驗過程中，有無頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型，其破壞模式存在較大差異，模型A坡角只有一些較小的淺層破壞，且模型破壞區域擴展緩慢；模型B在坡腳處發生較為明顯的淺層滑動破壞，同時坡面破壞區域上方會依次往上產生裂隙，隨著試驗的進行，裂隙進一步與坡腳的淺層破壞區域匯合后，模型由下而上依次向下產生坍塌破壞，導致模型整體產生大規模破壞。在同一時刻，模型B破壞程度明顯比模型A大，且模型B更快產生破壞。總而言之，有頂端平臺的廢棄稀土尾礦堆模型B在持續降雨條件下，更容易導致破壞。

（3）研究成果可為類似試驗和有效防治廢棄稀土尾礦堆局部垮塌、滑坡等災害提供必要的借鑒。建議采用堆浸和池浸工藝浸礦后的廢棄稀土尾礦堆積成無頂端平臺的尾礦堆，同時可在廢棄的稀土尾礦堆上開挖溝槽，進行引流排水，在連續降雨天氣和強降雨季節要做好安全預防措施，減少安全事故的發生。