离子型稀土资源在国防、军工和高端制造业中具有重要战略意义,其开采工艺先后经历了池浸、堆浸和原地浸矿。赣南地区地质结构与土质类型对于矿山边坡稳定性具有重要影响,是离子型稀土矿安全开采的关键内因。土壤的分层结构增加了边坡稳定性研究的复杂性,层状土壤的水流和溶质运移机制不同,对边坡稳定性产生直接影响。在原地浸矿和降雨共同作用下,水分的入渗与再分布过程成为边坡稳定性演变的主导因素。离子型稀土矿山滑坡灾害不仅威胁矿区工作人员的生命安全,还会造成严重的经济损失。因此,系统研究降雨-浸矿共同作用对层状离子型稀土矿边坡稳定性的影响,对于实现安全高效的稀土资源开采具有重要意义。 本文在南方某离子型稀土矿区取样,通过室内模型试验、数值模拟和理论分析相结合方法,探究了不同边坡分层条件下,初始含水率、降雨强度、降雨时长对黏聚力和内摩擦角的影响,进而分析了不同因素对矿体边坡稳定性的作用机理。通过室内边坡模型试验,模拟降雨-注液作用下层状边坡破坏过程,对破坏形态、破坏时间及破坏模式进行系统分析,研究初始含水率、降雨强度、分层次序对坡体稳定性的影响。运用COMSOL多物理场耦合软件,基于流固耦合理论,对不同工况下边坡稳定性的作用机理进行数值模拟。采用改进灰色关联分析法,结合正交设计分析法,有效评估复杂环境下多种因素对边坡稳定性的影响。主要研究内容及结论如下: (1)通过室内层状边坡模型试验,研究降雨-注液共同作用下稀土矿边坡的破坏模式及演化过程。边坡破坏可划分为三个阶段:初始破坏阶段,坡顶浅层土体因雨滴冲刷和剥蚀作用发生滑落;裂缝贯通阶段,坡面及坡脚区域出现贯通细沟和裂缝,滞水带导致孔隙水压力升高,使坡脚稳定性显著降低;滑塌失稳阶段,坡面发生小规模滑塌并整体向前滑移,最终形成浅层滑塌与冲蚀滑移的复合破坏模式。 (2)通过室内层状边坡模型试验,分析不同初始含水率、降雨强度、分层条件下对稀土矿边坡稳定性的影响。降雨强度越大,坡体含水率和孔隙水压力增长越迅速,稳定性显著下降;在初始含水率较高的条件下,上下层土体的含水率变化幅度均显著减小,最终仅增加5%-10%,土体吸水能力减弱,抗剪强度降低,雨水渗透速率和孔隙水压力的增长幅度呈现不同特征。边坡分层次序的改变,降雨入渗路径及坡体破坏模式不同,砂-粉质黏土层状边坡滑坡集中在交界面附近,而粉-砂质黏土层状边坡则以表层裂缝扩展和坡脚滑塌为主。砂质黏土层的高渗透性和粉质黏土层的低渗透性共同作用导致滞水现象显著,进而加剧边坡的水力负荷和滑坡风险。 (3)基于流固耦合理论和理查兹渗流方程,运用COMSOL构建离子型稀土矿山层状边坡的数值模型,对不同降雨强度、初始含水率和分层次序条件下的边坡稳定性进行分析研究,揭示了边坡孔隙水压力、含水率变化规律及滑坡位移分布特征,利用强度折减法计算了不同工况下的边坡安全系数。结果表明,层状边坡的滑动面主要集中在土层交界处的滞水区,降雨强度越大、初始含水率越高,安全系数越低。在大雨(10mm/h)条件下,边坡的安全系数为1.3,而在暴雨(30mm/h)条件下,安全系数下降至1.15,下降幅度为11.5%。相较于粉-砂质黏土层状边坡,砂-粉质黏土层状边坡的稳定性更差,主要原因是下层粉质黏土的低渗透性,滞水效应更为显著。 (4)通过改进的灰色关联分析法和正交试验设计,研究了降雨强度、降雨时长、黏聚力、内摩擦角和初始含水率五种因素对边坡安全系数的影响,对各因素的敏感性排序,其中黏聚力和内摩擦角对边坡稳定性影响最为显著。分析认为,内因对边坡稳定性的影响大于外因,层状边坡的固有特性是影响稳定性的主要因素。与传统方法相比,改进的灰色关联分析法具有更高的准确性和可靠性,避免了样本平权处理的局限性,计算过程更加简洁,为边坡稳定性研究提供科学理论依据。