降雨时间分布对尾矿坝稳定性的差异化影响：鄱阳湖流域两种暴雨类型的比较研究

《Sustainability》：Differential Effects of Rainfall Temporal Distribution on Tailings Dam Stability: A Comparative Study of Two Storm Types in the Poyang Lake Basin

　　

尾矿坝安全是绿色可持续矿山开发的基石，此类设施失稳直接威胁周边生态系统安全、人类生命与财产安全，违背了关于清洁水和陆地生态系统保护的可持续发展目标（Sustainable Development Goals，SDGs）。降雨是触发尾矿坝失稳的主要外部因素，但失稳机制可能因降雨时间分布的不同而存在根本差异。以鄱阳湖流域为背景，本研究整合2020—2025年实测降雨数据与101座运行中尾矿坝的普查结果（其中IV级坝占43.6%，上游法筑坝占88.1%），在此基础上选取一座具有代表性的IV级上游法尾矿坝为原型。构建非饱和渗流与稳定性耦合数值模型，设计两组降雨情景：一组改变降雨峰值位置系数t，另一组改变降雨历时。结果表明：短历时强降雨诱导的入渗局限于浅层地层。降雨峰值出现越早，深部入渗发育越充分，安全系数降幅越大，控制稳定性衰减的关键变量是降雨峰值后可用于深部再分配的时间长度。长历时持续降雨驱动浸润线整体抬升，渗流响应由平均降雨强度主导。延长历时无法补偿降雨强度降低所导致的入渗驱动力衰减，决定灾害风险的核心因素是平均降雨强度能否超过深部低渗透层的排水阈值。在鄱阳湖流域背景下，梅雨期持续20至40天的集中性强连续性降雨是控制尾矿坝稳定性的决定性工况，应在汛期安全监管中优先关注。本研究揭示的降雨驱动失稳机制为建立差异化监测预警阈值和尾矿坝可持续运行提供了理论基础。

**研究背景与问题提出**
尾矿坝安全是矿山绿色可持续发展的基石。降雨通过入渗重塑坝体非饱和带基质吸力分布、抬升浸润线并降低土体有效应力，是触发尾矿坝失稳的关键水动力条件。现有研究存在两方面的局限：其一，多数降雨稳定性研究直接采用假定的恒定降雨强度作为输入，很少基于区域降雨观测资料系统确定情景参数，以恒定强度替代实际起伏的暴雨过程可能掩盖峰值时刻的瞬时失稳风险；其二，研究对象多集中于天然边坡或路堤边坡，与尾矿坝在材料特性、结构构造和失效模式上存在本质差异——尾矿为选矿后排出的磨细工业残渣，粒径分布受选矿工艺和水力分选控制，具有高压缩性、低强度及对饱和度敏感等特点；上游法尾矿坝由初期坝与多级子坝堆积而成，沉积层理沿堆坝方向由粗到细变化，坝前干滩与尾矿库构成独特水力边界，浸润线直接受滩长、库水位和堆坝速率控制。此外，尾矿坝不仅可能发生边坡失稳，还可能发生渗透破坏（管涌和流土）、浸润线抬升引起的饱和膨胀甚至液化，简单圆弧滑动分析难以全面刻画。鄱阳湖流域有色金属与非金属矿产资源丰富，尾矿坝数量众多，春季多锋面持续降雨（长历时、大累积量、小时强度相对均匀），夏季多对流性短历时强降雨（1 h雨量可达100 mm以上），两种降雨类型交替出现，但将区域降雨时间分布特征与尾矿坝结构类型相耦合的系统研究在文献中极为罕见。为此，研究人员基于2020—2025年江西省实测降雨数据和区域尾矿坝普查结果，开展两种降雨类型下尾矿坝渗流场与稳定性响应的对比分析，以揭示降雨时间分布对坝体稳定的差异化影响机制。

**研究方法概要**
研究人员以鄱阳湖流域为研究背景，降雨数据取自江西省气候中心2020—2025年气候影响评估年报（基准值为1991—2020年多年平均值），六年平均降水量1602.3 mm，1 h、24 h极端雨量分别为112.0 mm/h和603 mm/24 h，雨季持续96—122 d。基于101座运行中尾矿坝普查（IV级占43.6%，上游法占88.1%），选取典型IV级上游法尾矿坝（总高45 m，初期坝高15 m）为原型，构建二维非饱和渗流-稳定性耦合数值模型（GeoStudio 2024平台）。Seep/W模块采用Richards方程描述非饱和渗流，Slope/W模块采用Morgenstern-Price极限平衡法和Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式逐时步计算安全系数。设计两组情景：短历时强降雨（24 h总雨量固定600 mm，峰值强度50 mm/h，峰值位置系数t=0.1—0.9）和长历时持续降雨（总雨量固定1100 mm，历时20—120 d）。

**研究结果**

**4.1 不同降雨模式下渗流场响应特征**
基于孔隙水压力等值线演化云图和典型土层监测数据分析发现：短历时强降雨情景下，渗流场响应具有明显的浅层性和瞬时性，孔隙水压力显著变化区局限于坝体表层细尾砂和粉质尾砂层，下游浸润线位置与初始状态基本一致。降雨峰值位置对浅层渗流场的分布格局和压力水平具有显著调控作用：峰值越早，前期入渗越强，但降雨结束后浅层压力因再分配和消散而较低；峰值越晚，末期持续高强度入渗使表层最终压力最高。亚层粉质尾砂的响应则相反：峰值越早，水分向下迁移时间越充分，最终压力越高。表层与亚层的层位反向梯度反映了短历时降雨入渗的滞后特性。长历时情景下，渗流响应呈深部和累积性特征：平均降雨强度主导响应强度，20 d情景表层孔隙水压力从?22.25 kPa升至18.78 kPa，120 d情景仅升至?10.68 kPa，浸润线抬升幅度随历时延长（强度降低）而单调减小。

**4.2 不同降雨模式下稳定性响应特征**
采用时变安全系数分析发现：短历时情景中，安全系数呈非线性加速衰减，最终降幅与峰值位置系数负相关——t=0.1时降幅1.00%（FS由1.9262降至1.9070），t=0.9时仅0.35%，临界滑动面始终位于坝坡浅层，表明24 h强降雨主要诱发浅层滑动。长历时情景中，20 d高强情景安全系数持续加速下降，总降幅19.3%（降至1.5541）；60 d和80 d情景呈"先加速后减速"的二阶段特征；120 d低强情景总降幅仅6.7%。短期高强度降雨对稳定的削弱作用远大于长期低强度降雨，延长历时所带来的水分再分配时间增加无法补偿降雨强度降低造成的入渗驱动力损失。

**讨论与结论**
讨论部分指出，短历时情景中，控制稳定性衰减的关键变量是降雨峰值后深层再分配的时间长度；长历时情景中，决定灾害风险的核心变量是平均降雨强度能否超过深部低渗透层的排水阈值。两类降雨可统一为两个物理判据：入渗驱动力能否突破坝体低渗透层的排水阻力瓶颈，决定渗流影响的垂直范围；水分再分配时间窗是否充分，决定深部孔隙水压力累积能否达到显著削弱稳定的程度。与历史溃坝案例（如2019年Brumadinho尾矿坝在持续降雨后失稳）及离心机试验、边坡降雨模型试验的对比验证了机理的合理性。研究同时指出模型均质化、情景理想化、极限平衡法无法刻画渐进破坏过程、降雨数据为日尺度以下粗粒度统计、缺乏实测标定等局限，并提出未来开展参数敏感性分析、多坝型对比、三维地形效应及实测资料验证的方向。在可持续性应用方面，该研究直接关联SDG 6（清洁饮水与卫生设施）、SDG 13（气候行动）和SDG 15（陆地生物），可为ESG（环境、社会与治理）风险披露、GISTM（全球尾矿管理标准）水文气象风险管理和差异化汛期预警提供理论依据。研究结论如下：(1) 短历时强降雨入渗局限于浅层，峰值越早深部水分补给越充分、安全系数降幅越大；长历时持续降雨驱动浸润线整体抬升，响应强度由平均降雨强度主导，延长历时增加的入渗时间不足以补偿强度降低造成的驱动力损失。(2) 两类降雨的失效机制可统一为两个通用物理判据：入渗驱动力能否突破坝体低渗透层的排水阻力瓶颈，决定渗流影响的竖向范围；水分再分配时间窗是否充分，决定深部孔隙水压力累积能否达到显著削弱稳定的程度。(3) 在鄱阳湖流域实际降雨格局下，梅雨期持续20—40天的集中性强连续降雨是该地区尾矿坝稳定性的决定性工况，应作为汛期安全监管重点；短历时强降雨虽然强度大，但对坝体整体稳定的威胁有限。