鐘文,歐陽(yáng)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(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430071;4. 江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外的廣泛重視。離子型稀土尾礦堆長(zhǎng)期飽受浸礦液侵蝕,其礦物成分、內(nèi)部細(xì)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(yíng)力等因素影響成為各向異性、結(jié)構(gòu)無(wú)序、弱膠結(jié)或無(wú)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(yán)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(duì)于預(yù)測(cè)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(qiáng)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(duì)降雨入滲條件下邊坡含水率和孔隙水壓力變化進(jìn)行了研究:1)進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)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(tái),研究入滲過(guò)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(shí),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(duì)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(cè)研究方面,目前人們多以雨量[19?20]、雨強(qiáng)[21?22]或位移[23?24]等作為預(yù)警因子,而從失穩(wěn)機(jī)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(duì)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(yàn),根據(jù)試驗(yàn)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(shí)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。
試驗(yàn)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(jí)配曲線如圖1所示。
表1 離子型稀土尾礦的物理特性指標(biāo)Table 1 Physical properties of ion-type rare earth tailings
圖1 試驗(yàn)離子型稀土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Curve of test ion-type rare earth particle grading
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(diǎn),開展室內(nèi)模型試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)條件和以往經(jīng)驗(yàn),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(yàn)裝置主要由降雨模擬系統(tǒng)、主體試驗(yàn)箱系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共3個(gè)主體系統(tǒng)構(gòu)成,試驗(yàn)裝置長(zhǎng)為160 cm,寬為80 cm,高為180 cm。
稀土尾礦堆降雨入滲模型試驗(yàn)共進(jìn)行5組,分2類進(jìn)行對(duì)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(yàn)在3 種降雨類型下的降雨總量相等,均為280 mm,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為5 h。
5組試驗(yàn)的稀土尾礦堆模型均為梯形結(jié)構(gòu),擁有長(zhǎng)為30 cm的坡頂平臺(tái)。坡體均由基層和表層組成,表層利用稀土尾礦材料進(jìn)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(shí)進(jìn)行分層壓實(shí),每堆積5 cm,使用木板和總質(zhì)量為32 kg 的4 個(gè)鐵塊壓實(shí)15 min。在試驗(yàn)過(guò)程中,尾礦堆模型的整個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)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
本次試驗(yàn)?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(qiáng)度,采用試驗(yàn)室內(nèi)降雨1 h的降雨量模擬現(xiàn)實(shí)生活中1 d的降雨量,氣象降雨條件和降雨工況設(shè)計(jì)如表2 所示,5 組試驗(yàn)的降雨條件對(duì)照如表3所示,3類降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 試驗(yàn)降雨工況設(shè)計(jì)Fig.3 Designs of experimental rainfall condition
表2 氣象降雨類型和降雨工況設(shè)計(jì)Table 2 Design of meteorological rainfall types and rainfall conditions
表3 5組試驗(yàn)降雨條件對(duì)比Table 3 Comparison of five groups of experimental rainfall conditions
圖4所示為5組稀土尾礦堆模型隨時(shí)間破壞演變過(guò)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(shí)間依次增加,其中在前鋒型降雨條件下,25 min時(shí)已出現(xiàn)明顯的淺層破壞和裂隙。從試驗(yàn)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(shuō)明坡體的破壞與降雨強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)于相同坡角的稀土尾礦堆,降雨強(qiáng)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(guò)程對(duì)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(yàn)結(jié)束都未發(fā)生滑動(dòng)破壞。坡角為60°的稀土尾礦堆模型在150 min時(shí),整個(gè)稀土尾礦堆模型沿著基層與表層的接觸面進(jìn)行滑動(dòng)破壞且模型整體下沉。此外,坡頂平臺(tái)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(dòng)破壞,導(dǎo)致坡頂平臺(tái)上的裂隙更大、更深,說(shuō)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。總體來(lái)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(dòng)破壞。在試驗(yàn)過(guò)程中,坡角為60°的稀土尾礦堆模型發(fā)生了2 次滑動(dòng)
破壞,這與一般土質(zhì)邊坡不同。經(jīng)分析認(rèn)為模型的坡角越大,整個(gè)模型的重心越高,模型底部的長(zhǎng)度越小,滑動(dòng)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(dòng)破壞。
圖5所示為5組試驗(yàn)過(guò)程中稀土尾礦堆含水率隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可以看出:當(dāng)坡角相同(45°)時(shí),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(dá)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(dá)到飽和所需時(shí)間更長(zhǎng)。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(dá)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(dá)到平衡的時(shí)間最長(zhǎng)。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(shuō)明降雨類型和坡角對(duì)于稀土尾礦堆降雨入滲均有較大影響,降雨強(qiáng)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(dá)到飽和,降雨入滲速率越大。
圖5 試驗(yàn)過(guò)程中稀土尾礦堆含水率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation curves of water content of rare earth tailing piles with time during experiments
對(duì)比5 組試驗(yàn)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(shí)間較長(zhǎng)。這是因?yàn)樵囼?yàn)所用的離子型稀土材料滲透性較大,且試驗(yàn)開始前,每組試驗(yàn)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(yuǎn),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(yàn)過(guò)程中稀土尾礦堆孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線。由圖6 可以看出:當(dāng)坡角同為45°時(shí),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(cè)得的孔隙水壓力變化速率最大,孔隙水壓力最先達(dá)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(gè)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(gè)位置的孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定平衡的時(shí)間最長(zhǎng)。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(shí)間的變化不同。坡角為30°的稀土尾礦堆模型5個(gè)孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),直到試驗(yàn)結(jié)束也未完全達(dá)到穩(wěn)定;坡角為45°的稀土尾礦堆模型中,5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力在大雨階段后基本達(dá)到穩(wěn)定平衡;坡角為60°的稀土尾礦堆模型中,5個(gè)位置的孔隙水壓力中雨階段就已經(jīng)開始達(dá)到穩(wěn)定平衡。此外,對(duì)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?yàn)橄⊥敛牧蠞B透性強(qiáng),稀土尾礦堆內(nèi)的水都會(huì)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(yàn)過(guò)程中稀土尾礦堆孔隙水壓力隨時(shí)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(qiáng)度與孔隙水壓力的變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系,在孔隙水壓力達(dá)到平衡狀態(tài)前,降雨強(qiáng)度越大,孔隙水壓力上升越快,也最早達(dá)到平衡狀態(tài);稀土尾礦堆模型的坡角越大,模型坡底長(zhǎng)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(dá)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(zhǎng),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。
利用超像素理論對(duì)離子型稀土尾礦堆模擬試驗(yàn)過(guò)程中三目相機(jī)所監(jiān)測(cè)的圖像進(jìn)行識(shí)別,以及對(duì)離子型稀土尾礦堆模型進(jìn)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)離子型稀土尾礦堆模型破壞區(qū)域的演化過(guò)程進(jìn)行捕捉,并在識(shí)別出的圖片和重建模型中劃分網(wǎng)格,計(jì)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(jì)算原理是將選定時(shí)刻的坡面圖與初始坡面圖重合比較,分別計(jì)算選定時(shí)刻坡面圖和初始坡面圖所對(duì)應(yīng)的每個(gè)網(wǎng)格之間的深度均差。由于所劃的網(wǎng)格非常小,把每個(gè)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格所組成的立體設(shè)為長(zhǎng)方體,通過(guò)網(wǎng)格的面積S0和平均深度hn,計(jì)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(jì)算公式如下:
圖7 模型圖像識(shí)別點(diǎn)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(gè)網(wǎng)格的平均深度,m;S0為每個(gè)網(wǎng)格的面積,m2。
為了減小計(jì)算誤差,默認(rèn)初始時(shí)刻的坡面破壞區(qū)域體積為零,即用每個(gè)時(shí)刻計(jì)算出來(lái)的坡面破壞區(qū)域體積與初始時(shí)刻的坡面破壞區(qū)域體積的差值,作為該時(shí)刻的坡面破壞區(qū)域的最終體積。
圖8所示為不同條件下試驗(yàn)過(guò)程中稀土尾礦堆破壞區(qū)域三維體積隨時(shí)間變化曲線。由圖8可以看出:當(dāng)坡角同為45°時(shí),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(shí)間主要集中在大暴雨階段,后面幾個(gè)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(shí)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(shí)間最長(zhǎng),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?yàn)樵谇颁h型降雨條件下,試驗(yàn)一開始就是大暴雨,強(qiáng)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(dá)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(shí)間段集中在試驗(yàn)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(shí)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?。黄陆菫?5°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?yàn)橄嗤涤陾l件下,不同坡角的稀土尾礦堆模型在試驗(yàn)過(guò)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(dá)到飽和,從而被破壞。
通過(guò)對(duì)三維體積在時(shí)間上進(jìn)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(yàn)1 h時(shí)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(shí),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(gè)試驗(yàn)過(guò)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(gè)試驗(yàn)過(guò)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(gè)試驗(yàn)過(guò)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?yàn)槲驳V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(shí)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(shí)間來(lái)看,在前鋒型條件下,尾礦堆模型大規(guī)模變形破壞的時(shí)間主要集中在大雨至大暴雨階段,而在后面幾個(gè)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(shí)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。
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?qiáng)大的降雨類型下發(fā)生破壞演化速率最快。對(duì)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(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系,降雨強(qiáng)度越大,響應(yīng)時(shí)間越快,越易達(dá)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(dá)到穩(wěn)定平衡的時(shí)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(dòng)破壞。
4)稀土尾礦堆大規(guī)模破壞的時(shí)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。