废弃稀土尾矿堆降雨入渗规律及破坏模式试验研究

李春生 钟 文，3 罗建林 肖长波 宋书亮 王 俊

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.崇义章源钨业股份有限公司，江西崇义341300；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071；4.江西应用技术职业学院，江西赣州341000；5.江西中梁爆破工程有限公司，江西萍乡337000；6.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500；7.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044）

离子型稀土因富含世界上较为短缺的中型和重型稀土元素，是我国重要的保护型开采矿种之一［1-4］。20世纪六七十年代至21世纪初期，以堆浸、池浸工艺为代表的掠夺式开采导致离子型稀土产区遗留下了大量废弃稀土尾矿堆。在人工堆积、浸矿侵蚀和风化营力等因素的影响下，废弃稀土尾矿堆表现为一种各向异性、结构无序、弱胶结或无胶结的特殊地质体［5-6］，其入渗规律和破坏模式与一般土质边坡相比差异较大，在极端降雨条件下极易产生局部垮塌或滑坡灾害，是离子型稀土矿环境综合治理工作中的重大安全隐患。

近年来，诸多学者在稀土的力学性质和渗透规律方面做了大量的研究工作。黄广黎等［7］、李永欣等［8］分别通过对重塑的稀土试样进行核磁共振成像试验和三轴强度的测试试验，对浸矿溶液在浸矿前后的重塑稀土试样黏聚力和内摩擦角的变化规律进行了研究；同时为了了解离子型稀土在浸矿过程中，其浸矿效果与矿体渗透性之间的关系，利用自制的装置进行了浸矿过程中稀土渗透系数测定试验，研究了离子型稀土矿在浸矿时离子交换条件下渗透系数的变化规律和形成机理。罗嗣海等［9］通过研究室内柱浸试验来研究稀土在渗流过程中的渗透性变化规律，并对比原矿和筛分样的渗透系数变化，探讨了浸矿过程中离子型稀土的渗透系数变化机理。王观石等［10］通过陡坡开采矿块的现场试验，研究了裸脚式稀土矿山的原地浸矿渗流过程及其引起的边坡变形规律，研究表明，坡度不同的陡坡在原地浸矿前期注液强度过大后，引发的坡体破坏模式不同。以上研究成果较好地丰富了当前对离子型稀土矿体物理力学性质方面的基础理论研究，但对于废弃稀土尾矿堆的降雨入渗规律及破坏模式尚缺乏有针对性的研究。

对于 Geo-studio软件数值模拟，杨煜等［11］采用Geo-studio软件建立了含软弱夹层土坡数值计算模型，基于饱和—非饱和渗流理论，拟定大雨、暴雨及大暴雨3种强降雨条件，开展了不同降雨条件下含软弱夹层土坡的渗流特性研究，得到了降雨等级与湿润前锋的发展速率关系；苗作华等［12］利用Geostudio软件的渗流有限元法和蒙特卡洛法，通过建立不同降雨强度条件下的某矿山排土场坡体渗流模型，研究了不同降雨强度和入渗作用下排土场坡体的稳定性变化规律；郁舒阳等［13］采用Geo-studio软件中的Seep/w和Slope/w模块，分析了4种不同降雨模式条件下，坡体浅层及深层滑动面的渗流特性变化规律及边坡稳定性的影响规律。上述研究表明：Geo-studio软件在坡体降雨入渗研究方面运用较为广泛，但在废弃稀土尾矿堆模型中的运用案例较少。

本研究通过构建两组有无顶端平台的室内废弃稀土尾矿堆模型，在相同的降雨工况等条件下，对其孔隙水压力、含水率及内外排水速度进行监测，并运用Geo-studio软件对两组模型试验进行数值模拟，研究其降雨入渗规律和破坏模式，为有效防治废弃稀土尾矿堆局部垮塌、滑坡等灾害提供参考。

1 室内试验监测系统

本研究室内试验监测系统由三大主体系统构成：①用以模拟自然降雨的降雨模拟系统，降雨模拟系统主要是利用水泵将水送入降雨管路，再通过可调控出水大小的雾化喷头模拟自然降雨；②用以构建废弃稀土尾矿堆的主体模型系统，堆积废弃稀土尾矿堆的试验箱；③监测及数据采集系统，包括试验过程录像的摄像头、埋入废弃稀土尾矿堆模型中的传感器等。由3个主体系统组成的室内试验监测系统结构如图1所示。

1.1 降雨模拟系统

降雨模拟系统包括降雨装置及供水装置，降雨装置包括喷头、金属支架和流量计；供水装置由水泵、水箱、给水管和水阀构成。其中降雨装置的喷头由金属材质制成，单个喷头降雨区域直径可达20～60 cm；金属支架主要功能为调节降雨高度，由铝合金管制成，调节高度范围为1.5～2 m；LZB-4WB型、LZB-3WB型玻璃转子流量计的水流速测量范围分别为25～250 mL/min与10～100 mL/min。供水装置由水泵、水箱、给水管和水阀构成，其中水泵型号为HGL-128型水泵，为降雨装置提供稳定压力，流量范围为0～25 L/min，扬程为0～5 m；水箱用以储水供应水源，长方体水箱尺寸长×宽×高为1 m×0.5 m×1 m，玻璃材料，厚度为12 mm；给水管选用塑胶管；水阀安装在出水口处，用以分流调控并控制压力。

1.1.1 降雨强度准确性监测

本研究降雨强度准确性监测的主要思路是利用固定容积的容器监测实际降雨强度，并与标定数值进行对比，以此来达到判断降雨强度稳定性的目的。容器采用长宽高均为30 cm的水箱［14］，控制流量计流量从15 mL/min开始，每次模拟时长为30 min的降雨，标定试验共进行8次，每次流量计流量依次增加15 mL/min，即第8次试验达到120 mL/min。降雨强度监测结果如表1所示。3次试验测量结果的均方根误差分别为0.018 75、0.027 5和0.022 5，对其平均值的线性拟合结果为

式中，x为控制流量计流量，mL/min；y为降雨强度，mm/min。可见，两者线性拟合效果较好。

1.1.2 降雨均匀性监测

采用均匀布设量筒的方法来测定模型降雨的均匀性，并通过各测点量筒的雨水积雨量和均匀性公式进行计算。目前我国模拟降雨均匀性系数k一般要求大于0.8，k值可进行如下计算：

式中，k为均匀系数；xi为测点i的雨量，mL；x为各测点平均雨量，mL；n为测点数，个［15］。

本研究将3个完全相同的量筒均匀布设在模型降雨区底部同一高度位置，分别监测25 mm/h、45 mm/h和65 mm/h的3组降雨强度的均匀性，每组降雨时间均为0.5 h。监测结果如表2所示，不同降雨强度的均匀性系数分别为0.85、0.85和0.87，降雨均匀性满足试验要求。

1.2 主体模型系统

本研究自主设计的实验箱长宽高分别为160 cm、80 cm、120 cm，为了能够直接从外部清晰观测裂隙发育以及侧边渗流状况，槽体模型材料使用有机玻璃，厚度为1 cm。为了减小边界效应，需要在其内部贴防护膜，同时槽体模型内部底层设有混凝土板，用以模拟较为密实的原生坡体。模型箱坡比为0.5∶0.34，并在其前方开设排水槽，宽度为1 cm。

1.3 监测及数据采集系统

监测及数据采集系统分为数据采集装置和连接装置两部分。其中，数据采集装置由传感器与摄像头组成，型号为CYY2，高1.6 cm，直径3 cm，测量范围为0～10 kPa。孔隙水压力传感器在文中用P表示，如P1表示为1号位置的孔隙水压力传感器。含水率传感器型号为PHTS，测量范围为0～100%，分辨率为0.1%，准确度为±2%，两种传感器均由DC24 V电池供电。本研究将含水率传感器计表示为M，如M1表示为1号位置的含水率传感器。摄像头型号为ZION-ipc8000DC1型摄像头，最高像素为1 280×720。

1.3.1 孔隙水压力传感器标定

孔隙水压力传感器通常采用气动活塞式压力计进行标定，传感器在标定前需要放在清水中煮沸一段时间，排除传感器内部空气［16］。本研究利用长宽高均为30 cm的水箱对孔隙水压力传感器进行标定。将待标定传感器置于水箱底部，每次提高水位3 cm，时间间隔为5 min，重复进行14次。将传感器采集到的数据进行线性拟合。如图2（a）所示，采集数据与实际值线性一致，证明设备具有良好的准确性。

1.3.2 含水率传感器标定

测量含水率各异的均匀土样中的输出电压，并分别计算样本体积含水率，得到电流和含水量之间的回归曲线［17］。如图2（b）所示，含水率传感器监测值与标定曲线较为接近，说明采用回归曲线函数计算含水率具有可行性。

2 室内模型试验

2.1 室内试验

2.1.1 试验材料

本研究试验主要是模拟有无顶端平台的废弃稀土尾矿堆在降雨条件下，研究其降雨入渗变化规律及破坏模式的差异。试验的尾矿堆模型表层为取自于赣南某稀土矿浸矿后的废弃尾矿，其物理参数如表3所示。试验中原生坡体结构较为致密，渗透性较低，故试验中用混凝土板代替。为减少试验过程中废弃尾矿堆的边界影响，在模型装置内壁贴有防护膜。

2.1.2 试验方案

本研究进行两种有无顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型试验，其中一种为坡顶没有顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型A，另一种是模型坡顶拥有顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型B。两种废弃稀土尾矿堆模型的坡角为34°。利用雾化喷头模拟降雨，降雨强度控制为45 mm/h。在废弃稀土尾矿堆模型搭建完成后进行透水处理，并排水固结，24 h后进行试验。确保两种模型坡面降雨入渗厚度即模型表层厚度相同，坡角大小相同和传感器埋设位置相同。两种模型的试验方案如表4所示，两种模型及传感器埋设位置如图3所示。

2.2 数值模拟试验

本研究采用Geo-Studio软件的SEEP/W模块进行数值模拟，该模块可以对二维稳定或非稳定、饱和或非饱和的地下水运动问题进行模拟［18］。利用SEEP/W模块构建有顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型A和无顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型B，分别对降雨入渗过程中两种模型的浸润线、孔隙水压力和含水率随时间的变化情况进行模拟和数据采集，通过对比两种模型的数值模拟结果，并对室内模拟试验结果进行验证。数值模拟所用材料的物理属性参数如图4所示。

3 试验结果及分析

3.1 室内试验结果及分析

在降雨入渗作用下，尾矿堆的内摩擦角与抗剪强度会随着土颗粒水膜的增厚而降低，颗粒间的吸引力也因此而降低。因此在降雨量累积达到一定程度时，通常都会发破坏。在试验过程中，模型A先在坡脚处出现浅层滑动破坏，且破坏区域扩展缓慢，随着试验的进行，破坏区域变化不大，直到180 min才增加一条裂隙（图5（a））。模型B在坡脚处发生较为明显的浅层滑动破坏，同时坡面破坏区域上方会依次往上产生裂隙，随着试验的进行，裂隙进一步与坡脚的浅层破坏区域汇合后，模型由下而上依次向下发生坍塌破坏，在180 min时刻已经产生多条贯穿性的大裂隙（图5（b））。且两种模型在同一时间，模型B破坏程度明显大于模型A。试验表明，由于两个模型的形状差异，导致其破坏模式存在较大差异。

模型A、B孔隙水压力变化特征如图6所示。在降雨过程中，废弃稀土尾矿堆模型坡脚处的孔隙水压力增长较为明显，说明坡体的雨水入渗速度较快，且模型坡脚处孔隙水压力（P3）最先达到饱和状态，坡体上部的孔隙水压力（P1）最后达到饱和。模型B在P1和P2处的孔隙水压力比模型A更早达到正值并出现快速增长现象，这是因为模型B顶部有平台，模型整体近似于梯形，上表面的存在加强了模型的集水能力，减少了水流入渗路径，同时平台上的雨水直接入渗坡体，导致模型B的孔隙水压力更大，且更快达到饱和。模型A、B在最初的浅层滑动破坏模式时，P1的孔隙水压力大小基本保持不变，这是因为对于埋设较深的P1而言，雨水入渗到该位置需要一定的时间。但是P1附近发生破坏时，P1处的孔隙水压力为正值，随着破坏向上部延伸，P1处孔隙水压力逐渐趋于稳定。上述现象表明：废弃稀土尾矿堆的破坏过程对孔隙水压力会造成影响，孔隙水压力会在破坏前达到最大值，之后基本保持稳定。

模型A、B的含水率变化特征如图7所示。在降雨过程中，两种废弃稀土尾矿堆模型的含水率变化规律总体相近，均是先快速增大，后基本达到饱和。但两种模型对于含水率的敏感程度有所不同，模型B的含水率传感器响应都要快于模型A。在M1和M2位置入渗大于排水时数值增加较快，当入渗与排水平衡后，进入了稳定状态；M3位置的含水率前期由于埋设较深处于短暂稳定状态，随着模型破坏的发展，含水率逐渐增大，当破坏临近M3时，含水率趋于一个新的稳定状态。

上述分析表明：有无顶端平台废弃稀土尾矿堆模型的含水率变化情况不同，具有顶端平台模型的降雨入渗变化更为明显，废弃稀土尾矿堆也更快产生破坏。

模型A、B的排水速度变化特征如图8所示。由图8可知：降雨对不同废弃稀土尾矿堆模型的影响大致相同，均是较快出现内部排水，持续降雨时，模型逐渐产生破坏并出现表面径流，表面排水速度逐渐上升，内部排水速度则是先上升再下降。这是因为是在试验过程中，废弃稀土尾矿堆模型不断破坏，导致内部渗透与表面径流同时受到影响，特别是对表面径流路径的影响，使得排水速度表现为上下波动变化。有无顶端平台废弃稀土尾矿堆模型的排水速度变化规律也存在差异，由于模型B在顶部有平台，所以早期内部排水速度较大，持续降雨使得尾矿堆逐渐产生破坏，表面径流带走大量降雨，使得模型B内部排水速度降低，故试验进行到一定时间后，模型A的内部排水速度大于模型B。

3.2 数值模拟试验结果及分析

利用GEO-Slope软件进行了两种废弃稀土尾矿堆模型的数值模拟分析，结果如图9所示。由图9可知：试验过程中两种废弃稀土尾矿堆模型的浸润线变化情况存在差异，在前2 h时段，两种模型的浸润线变化情况大致相同。但在2 h后，模型B的浸润线变化明显比模型A快，尤其在3 h时，两种模型的浸润线所处位置明显不同，模型B的浸润线位置要比模型A高出很多。总体来说，两种废弃稀土尾矿堆模型的浸润线位置都是向上变化，但模型B变化速度更快，这说明模型B降雨入渗更快。

本研究数值模拟对室内模型试验结果提供了验证，即验证了模型B坡顶拥有顶端平台，上表面的顶端平台加强了模型的集水能力，平台上的雨水直接入渗坡体，同时也减少了水流入渗路径，导致有顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型更容易发生破坏等相关分析的准确性。

4 结论

（1）两种废弃稀土尾矿堆在试验中，其孔隙水压力和含水率的变化规律在降雨条件下相似，都是先快速增大，后趋于稳定；两种废弃稀土尾矿堆都较快出现内部排水现象。持续降雨时，废弃稀土尾矿堆逐渐产生破坏并出现表面径流，表面排水速度逐渐上升，内部排水速度则是先上升再下降。废弃稀土尾矿堆破坏对孔隙水压力会造成影响，孔隙水压力会在破坏前达到最大值，并在破坏发生后逐渐降低。但具有顶端平台的模型B的孔隙水压力、含水率和排水速度更大，变化更为敏感。

（2）试验过程中，有无顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型，其破坏模式存在较大差异，模型A坡角只有一些较小的浅层破坏，且模型破坏区域扩展缓慢；模型B在坡脚处发生较为明显的浅层滑动破坏，同时坡面破坏区域上方会依次往上产生裂隙，随着试验的进行，裂隙进一步与坡脚的浅层破坏区域汇合后，模型由下而上依次向下产生坍塌破坏，导致模型整体产生大规模破坏。在同一时刻，模型B破坏程度明显比模型A大，且模型B更快产生破坏。总而言之，有顶端平台的废弃稀土尾矿堆模型B在持续降雨条件下，更容易导致破坏。

（3）研究成果可为类似试验和有效防治废弃稀土尾矿堆局部垮塌、滑坡等灾害提供必要的借鉴。建议采用堆浸和池浸工艺浸矿后的废弃稀土尾矿堆积成无顶端平台的尾矿堆，同时可在废弃的稀土尾矿堆上开挖沟槽，进行引流排水，在连续降雨天气和强降雨季节要做好安全预防措施，减少安全事故的发生。