魯金濤(應(yīng)急管理部研究中心,北京100013)

1 前言

據(jù)不完全統(tǒng)計,我國多年凍土面積占國土面積的22.3%,屬于世界第三大凍土國[1],尤其在我國西部高原,常年凍土及凍融循環(huán)造成的工程地質(zhì)問題及安全問題成為西部工程開發(fā)不可回避的研究內(nèi)容[2-3]。

凍土熱融及巖石凍脹易造成基礎(chǔ)滑塌、邊坡加速失穩(wěn)等安全問題,嚴(yán)重可造成工程失效及毀滅性破壞[4-5]。隨著我國資源開發(fā)逐漸向西部遷移,西部高海拔高寒地區(qū)新建多座大型露天采礦工程,邊坡高度達(dá)300 m 以上,如何在設(shè)計及施工中考慮凍融對邊坡的影響,并把影響降低到最小限度,對礦山開采安全至關(guān)重要。

本文以西藏某大型露天礦開采為實(shí)例,通過實(shí)測凍融深度及相關(guān)參數(shù),模擬露天采場的溫度場與凍融深度的關(guān)系,分析凍融邊坡滑動模式,利用極限平衡理論計算分析露天邊坡的安全穩(wěn)定性,為礦山安全生產(chǎn)提供必要的理論基礎(chǔ)。

2 礦山基本情況

2.1 情況介紹

項目位于5 000 m 左右的高海拔地區(qū),自然地理條件異常惡劣,地勢險峻,切割強(qiáng)烈,5～12月平均氣溫2.0 ℃。

露采邊坡主要由流紋巖、黑云母二長花崗斑巖、二長花崗巖、花崗閃長斑巖以及凝灰?guī)r組成,地表由四系松散砂礫及碎塊石覆蓋,露天采場最大邊坡高度945 m。礦山地下水及大氣降水較差,水文地質(zhì)條件簡單。

2.2 永凍層實(shí)測

通過查明礦山的不同區(qū)域、不同標(biāo)高永凍層的埋深,了解季節(jié)融化層的厚度隨不同標(biāo)高變化的規(guī)律,本次共選擇了21 處測量點(diǎn)。經(jīng)測量,永凍層埋藏較淺,永凍層埋深并未隨著海拔的增加而增厚,反而是海拔相對較低的位置(≤5 200 m)融化層厚度較大(1.80 m),實(shí)測數(shù)據(jù)顯示永凍層的埋深與標(biāo)高關(guān)系不明顯,具體如圖1所示,主要原因是由于表層松散巖土的厚度、顆粒級配、含水量、坡向以及接受日照時間的長短不同,造成了溫度與凍土層厚度的反向差異。

圖1 永凍層埋深與標(biāo)高關(guān)系

3 巖石凍融實(shí)驗

通過露采邊坡所取巖樣在導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和凍結(jié)溫度、巖石循環(huán)凍融后的抗壓強(qiáng)度、巖石凍結(jié)強(qiáng)度試驗,分析巖石在凍融循環(huán)下的熱物理、力學(xué)參數(shù)變化,揭示邊坡巖體的凍融破壞的機(jī)制。

3.1 熱物理參數(shù)試驗

研究溫度在巖石中的傳導(dǎo)能力對巖石凍融深度至關(guān)重要,試驗采用非穩(wěn)定態(tài)法中的熱線法測定巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)與比熱。實(shí)驗表明,對同一個樣品來說,其導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度降低而增大,其比熱則是隨著溫度降低而減小,即溫度越低,巖石的導(dǎo)熱能力越強(qiáng),所需的能量越多。實(shí)驗結(jié)果見表1。

表1 不同巖體的熱物理參數(shù)實(shí)驗結(jié)果

3.2 巖石凍融試驗

對6 種巖石在5 種凍融循環(huán)次數(shù)后(分別為0、10、20、30、50 次)進(jìn)行常溫下的飽和單軸壓縮試驗[6]。經(jīng)試驗分析,凍融循環(huán)次數(shù)對巖石的凍融損傷劣化影響非常明顯,凍融循環(huán)次數(shù)越多,巖石劣化越明顯。總體趨勢隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,強(qiáng)度逐漸降低。應(yīng)力曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同凍融次數(shù)后的應(yīng)力曲線(花崗斑巖)

圖3 不同凍融次數(shù)后的應(yīng)力曲線(閃長巖)

4 凍融作用下邊坡的安全穩(wěn)定性分析

4.1 凍融邊坡滑動模式分析

對該礦山邊坡而言,處于多年的凍土區(qū),邊坡體上部覆蓋有第四系土體及強(qiáng)風(fēng)化巖體,凍融作用會導(dǎo)致部分第四系土體和強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)水融化而滲入到下部巖體內(nèi),由于多年凍土層具相對隔水性,對水的入滲不利,影響了邊坡體穩(wěn)定性仍是表層的巖體,其破壞模式為表層崩塌,對臺階表層穩(wěn)定性的影響較重。

4.2 露天采場溫度場分析

在熱傳導(dǎo)的過程中,巖體內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨著各點(diǎn)的位置和時間而變化,因而溫度T是位置坐標(biāo)和時間t的函數(shù)[7]。

式中:q——熱流密度;

λ——導(dǎo)熱系數(shù)。

通過了解巖石熱傳導(dǎo)的特征,模擬分析氣溫對裸露邊坡巖石的影響深度及程度,進(jìn)而為分析研究凍融作用對邊坡穩(wěn)定性的影響提供依據(jù)。

本工程采用SVOffice 軟件建立了典型露天邊坡模型,確立了四類邊界條件,其中大地?zé)崃髦祬⒖记嗖馗咴貐^(qū)的多年經(jīng)驗值,取值0.048 W/m2。

1)分析方案

實(shí)驗共分析了4 種方案,分別為極端最低溫、平均最低溫、極端最高溫、平均最高溫,計算時步為1個月。通過輸入密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù),準(zhǔn)確計算熱梯度、追蹤凍結(jié)鋒面。

2)模擬結(jié)果

第一種方案中坡體上部凝灰?guī)r的凍結(jié)深度最大值約為7.5 m;坡體中部花崗巖的凍結(jié)深度最大值約為6.9 m;坡體下部閃長巖的凍結(jié)深度最大值約為5.6 m。分析模型第一種方案計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 分析模型第一種方案計算結(jié)果

第二種分析方案結(jié)果,坡體上部凝灰?guī)r的凍結(jié)深度最大值約為6.8 m;坡體中部花崗巖的凍結(jié)深度最大值約為5.5 m;坡體下部閃長巖的凍結(jié)深度最大值約為4.5 m。

第三種分析方案結(jié)果,坡頂?shù)谒南低馏w及強(qiáng)風(fēng)化層的融化深度的最大值約為6.4 m。

第四種分析方案結(jié)果,坡頂?shù)谒南低馏w及強(qiáng)風(fēng)化層的融化深度的最大值約為5.5 m。

3)結(jié)果分析

從溫度場模擬分析結(jié)果看,極端條件下邊坡溫度場最大凍結(jié)深度均小于8 m,驗證了凍融循環(huán)對表層穩(wěn)定性的影響最為嚴(yán)重。

5 凍融影響下邊坡的極限平衡分析

選取溫度場模擬中的代表性邊坡剖面,采用邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析,其巖土體物理力學(xué)參數(shù)值參照凍融后溫度場指標(biāo),邊坡剖面整體穩(wěn)定性分析如圖5所示,凍融前后邊坡整體安全系數(shù)見表2。

圖5 C3 邊坡剖面整體穩(wěn)定性分析圖

表2 凍融前后邊坡整體安全系數(shù)對比

考慮邊坡在自重狀況和地震狀況下,即在受力Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ情況下,凍融后邊坡整體安全系數(shù)較凍融前下降2.1%～5.2%,凍融對邊坡整體穩(wěn)定性存在一定的影響,主要對表層巖體的強(qiáng)度及完整性影響嚴(yán)重,溫差浮動50 ℃左右時,影響深度大致在10 m以內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)凍土層與海拔關(guān)系:高原高寒地區(qū)凍土層厚度與海拔高度不存在正相關(guān)性,凍土層厚度受松散巖土的厚度、顆粒級配、含水量、坡向以及接受日照時間等因素影響。

(2)溫度場對巖體影響:針對含水率較低弱風(fēng)化巖體,當(dāng)氣溫差浮動在50 ℃左右時,巖體溫度場最大影響深度及凍結(jié)深度小于8 m,凍融循環(huán)對巖體的弱化作用主要集中在淺部巖體。

(3)凍融循環(huán)對整體邊坡的影響:在三種受力情況下,邊坡整體安全系數(shù)較凍融前下降2.1%～5.2%,凍融循環(huán)對整體邊坡穩(wěn)定性影響較輕,對局部及淺部滑坡體影響較大。