基于模拟人工降雨的磷石膏堆体变形监测

潘盛泽，丁坚平，杨建华，罗海洲，曾鹏飞

（贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550003）

0 引言

土质边坡发生失稳破坏与降雨、工程地质条件、构造运动、人类工程活动、地貌因素等因素密切相关［1］。而大量的统计资料表明，引起土质边坡失稳的主要诱发因素是降雨［2-3］。为此，国内外众多研究者对土质边坡进行了长期的监测和人工降雨试验后［4-10］，在土质边坡的稳定性评价及失稳预报方面都取得了一定的成果。

贵州某磷矿的磷石膏采用筑坝形式堆放。目前磷矿采用干法输渣方案将选矿后排出的磷石膏废渣堆置于渣库上游的斜坡处，堆积高度2～4 m，堆积面积约1.3 hm2。随着磷矿的开采，选矿后排出的磷石膏废渣堆体（以下简称磷石膏堆体）的高度也会随之相应增加，在一年内将达到20 m左右的高度。在强降雨的情况下其变形破坏的可能性很大，如其发生液化将充满整个渣库。矿山的坝基防渗、岩溶处理等问题还未完全解决，磷石膏中的可溶性磷（P）、氟（F）会污染地表水体，而受污染的地表水侵入到地下含水层中又会导致地下水的污染，进而引发危害人体健康和影响正常的工业生产等一系列问题。

为了保护生态环境与保证磷矿的安全生产，利用人工降雨装置与原位监测设备，研究磷石膏堆体在天然降雨条件下的入渗规律及可能发生的变形破坏模式。进而对渣库堆填磷石膏施工提出建议。

1 磷石膏的性质

磷石膏属于级配不良土，不均匀系数Cu小于10且大于5，曲率系数Cs在0.7～1.1变化，它的吸水率约30％，其液化可能性很大。磷石膏库的垂直渗透系数要大于水平渗透系数，即层间的渗透性大于水平层内的渗透性。它是一种具有明显剪胀性的材料，在剪切条件下其破坏发生在孔隙水压力为负的情况下，且其破坏时的应变受围压的影响不明显［11］。

磷石膏的主要成分为二水石膏，此外还含有多种杂质。磷石膏杂质分两大类：①不溶性杂质：如石英、未分解的磷灰石、硫酸盐、极微量的重金属元素等；②可溶性杂质：如水溶性 P2O5，溶解度较低的氟化物等［12］。磷石膏中所含可溶性的磷（P）、氟（F）杂质是导致磷石膏在堆存过程中造成环境污染的主要因素。如果这些物质通过岩溶管道、裂隙进入地下含水系统，极易使附近地区地下和地表水遭受严重污染。

2 试验区概况

2.1 试验区地形地貌与地质条件

试验区地处贵州高原中部，属亚热带大陆性季风湿润型气候，冬春半干旱，夏秋湿润多雨，四季分明，气候温和，冬暖夏凉，雨量充沛。年平均气温12.8℃，年平均降水量1258.5 mm，降雨主要多集中在5～8月，其中暴雨日（日降雨≥50.0 mm）2.3天，最大日降雨量164.1 mm。

试验区位于地势较低的沟谷地带，沟谷呈狭长形树枝状，两岸坡不对称。主沟SE-NW向发育，沟底宽10～70 m，长2150 m，支沟4条，近南北向发育，长200～600 m，河床纵比坡降12％ ～28％，受下降泉及890平硐排水补给，沟中常年有水。这为磷石膏变形后充满渣库提供了条件。

试验区内出露的主要地层有：震旦系上统灯影组（Zbdn）浅灰色厚层至中厚层碎花状细至中晶白云岩，应对此处地表做水平防治处理；震旦系下统统南沱组（Zann）蓝绿色泥质页岩、灰绿色水云母粘土页岩，经过岩土工程勘察可知，地下10m以下场地的防渗系数可达到7～10cm/s，已满足防渗要求，不需要处理。试验区内有一逆断层，该断层长700 m，倾角一般在15°以上，局部地段平缓甚至微西倾。断层破碎带宽一般3～4m，多为白云质糜棱岩组成，强白云石化蚀变普遍发育，为了防止地表水沿断层渗漏，应对此断层作垂直防渗处理［13］。

2.2 试验场地选择

在对试验区作了综合考察后，本着模拟磷石膏废渣堆体真实效果的原则，保证试验有足够用水量的条件下，选择目前正在堆积磷石膏废渣附近的斜坡处作本次人工降雨试验的场地，以2 m高度的干堆磷石膏堆体模拟来模拟实际高度20 m磷石膏堆体在天然降雨条件下的入渗规律及可能发生的变形破坏模式。

2.3 仪器的布置埋设

试验场地范围6m×6 m，坡度为坡体坡度60°度，埋设仪器后的试验场地（图1）。

图1 试验装置布置剖面图Fig.1 Arrangement of the experimental device profile

首先清除坡体上的杂物。为了防止周围土体内的水渗入到试验场地内影响试验的精确性，采用土工布与塑料布铺设试验场地。

试验场地内共安装了3个孔隙水压力计、1个钻孔、9个标尺。钻孔内放置花管主要用于测量堆体中的水位。试验场地的左右两侧各垫高0.1 m，以确保磷石膏堆体饱和后产生的径流不流入旁边的土体中。在试验堆体前端挖设长1 m、宽1 m、深为0.5 m的方形槽。用塑料布铺设于沟槽的底部，便于收集堆体表面及底部渗出的降水。

3 监测方法

边坡工程监测由过去的人工皮尺简易工具的监测手段过渡到仪器监测，目前正在向自动化、高精度及远程系统发展。在边坡工程中，监测方法主要有简易观测法、设站观测法、仪表观测法和远程监测法等4种类型的监测方法［14］。基于磷石膏的特征和保证监测精度的条件下，本试验采取设站观测法。

3.1 坡面裂隙监测

堆体坡面裂缝测量采用简单的测量方法，在进行地表观察时，采用钢卷尺对坡面主要裂缝宽度进行测量，并拍摄照片。

3.2 位置监测

为提高测量标高的精度在试验时使用全站仪、水准仪、水平仪与标尺来监测磷石膏堆体在人工降雨下的变形情况。在监测数据前，在堆体上选择9个比较有代表性的点放置标尺，于堆体旁立一标杆作为测量标尺相对高程与水平位置的参照基点。在人工降雨前后，利用基点分别测量各标尺相对地面的高度与水平面上的位置，对比两次测得的数据可得到各标尺对应磷石膏堆体所在位置的变形，从而反映出堆体的变形情况。

试验中的标尺为带有刻度的极细小铁管。将其插入磷石膏堆体表面，用水平仪来使小铁管保持垂直，进而使监测更加精确。铁管插入深度应以铁管在降雨前后保持垂直为宜。为了减小误差，将仪器摆放不同位置测量了多组数据，最终取其均值作为的监测数据。各标尺的位置如图2。

3.3 孔隙水压力监测

孔隙水压力的变化可能引起堆体的不稳定。为了监测其变化，本次实验采用MB-6TL便携式电池供电的读数仪连接PWS振弦式渗压计来监测磷石膏堆体内的孔隙水压力。PWS型渗压计量程是0～200 kPa，可以埋设在填土中以及混凝土的交界处，也可嵌入钻孔或小直径的管中，它由内装有压力传感器和热感应电阻的小直径圆形保护管组成，主要用来测量孔隙水或其它流体压力。

在堆体中心附近埋设3个渗压计，渗压计1、2、3探头的埋深分别为0.84 m、1.03 m、1.65 m。位置如图2。

图2 监测点布置图Fig.2 Arrangement of the monitoring point

3.4 降雨量和地表径流监测

试验选择的降雨强度为试验区二十年一遇的标准。降雨强度可通过主供水管的流量表控制入水量实现。在试验开始前将管道中充满水，再读取主供水管上的流量表，这样可以减小水量测量的误差。

将试验场地内的坡面径流汇集到集水池边挖的简易水渠内，并在水渠的出水口处安装了一个三角堰测量堆体达到饱和后的稳定流量。再由水泵将集水池中的水回收到试验场地上方的蓄水池内，以供循环利用。

4 人工降雨模拟试验

4.1 人工降雨模拟装置

［15］中的SR型野外人工降雨模拟装置，自制人工降雨模拟装置如图3所示。本装置包括试验场地较高处的蓄水池、水泵、控制阀、水表、水压表、主管、支管、两通管、三通管、喷头组成。主管由长为1.5 m的短管经两通管或三通管组装而成。应选择能均匀喷水的喷头为宜，在管子连接处应涂抹防水胶确保装置的密封性。通过调节控制阀可以改变入水量，从而改变降雨强度产生多级降雨。

4.2 人工降雨模拟试验的监测时间

待仪器埋设完成，管道内充满水，磷石膏堆体稳定后，测定各仪器的初始读数。人工降雨模拟试验的起止时间为2010年7月8日9：00至2010年7月8日13：00。以40 mm/h的降雨强度（当地二十年一遇降雨强度）连续降雨4 h，降雨过程中每隔二十分钟进行孔隙水压力的读数、测量花管内水位与坡面裂隙，在停雨后24 h再进行位移测量工作。

图3 人工降雨装置图Fig.3 Artificial rainfall device

5 试验结果分析

5.1 坡面裂隙监测

试验期间，坡面无水平位移，整个降雨过程中未发现堆体表面出现裂隙。

5.2 位移监测

通过降雨前后全站仪测量的数据可知堆体水平面上并未发生位移，仅在垂直方向上发生了微小的沉降（图 4、表 1）。

从表中可以看出，在试验所选择的降雨强度下，最大的沉降量发生在堆体的顶部，位移为21 mm，这对于自然休止角为48°的干堆磷石膏而言是比较小的。在对堆体放大10倍后，考虑堆体由于重力增大、堆体远未达到饱和等有利因素，真实堆体的沉降量应小于10倍试验的沉降量。取保守值即真实堆体的沉降量为210 mm。

图4 堆体剖面图Fig.4 Accumulations profile

表1 各标尺的沉降量Table 1 Settlement of all the scales

5.3 孔隙水压力及地表径流监测

图 5为渗压计 1、2、3 在 0.84 m、1.03 m、1.65m的深度处的孔隙水压力随时间的变化曲线图。从图中可以看出，降雨前期孔隙水压力趋于线性增大，在降雨近2h时左右达最大值，在降雨3.5h后孔隙水压力基本不变，趋于稳定。

通过对水渠的出水口处安装的三角堰测流可知，在降雨试验的最后半小时内，地表径流流量达到最大值约为0.40 L/s，此时的降雨几乎全部转化为地表径流。由此可见磷石膏堆体已经达到饱和状态。

图5 孔隙水压力随时间变化曲线Fig.5 The curve of pore water pressure changed with time

6 结论

一个现场监测体系可以很好反映试验对象的实际情况，其监测结果对于研究和把握堆体变形演化规律具有重要的科学和现实意义。通过对斜坡上磷石膏堆体的人工降雨模拟试验和对磷石膏样本做的试验得到以下认识：

（1）磷石膏堆体在降雨入渗的影响下，在水平面上并未发生位移，而在垂直方向上发生了沉降。最大沉降量为21 mm。从堆体顶部至底部沉降量程线性状逐渐减小。

（2）磷石膏堆体的渗透性较高，渗透系数很快趋于稳定且达到饱和状态，这可由人工降雨3.5h后的孔隙水压力与地表径流量的稳定得到论证。

（3）20 m磷石膏堆体的强度优于试验所采用的干堆体。通过对缩小比例的模型进行人工降雨试验可知，堆体在当地二十年一遇的降雨强度下基本稳定，不会出现因堆体失稳而造成的不必要的损失。磷石膏的吸水性很强，而磷石膏吸水后其堆体的抗剪强度会因有效应力的减小和磷石膏颗粒吸水软化而降低。所以，对坡体上堆砌磷渣后的排水工作还应当足够重视。

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