高寒地區凍融作用對高陡邊坡安全穩定性影響分析

魯金濤(應急管理部研究中心,北京100013)

1 前言

據不完全統計,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造成的工程地質問題及安全問題成為西部工程開發不可回避的研究內容[2-3]。

凍土熱融及巖石凍脹易造成基礎滑塌、邊坡加速失穩等安全問題,嚴重可造成工程失效及毀滅性破壞[4-5]。隨著我國資源開發逐漸向西部遷移,西部高海拔高寒地區新建多座大型露天采礦工程,邊坡高度達300 m 以上,如何在設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重要。

本文以西藏某大型露天礦開采為實例,通過實測凍融深度及相關參數,模擬露天采場的溫度場與凍融深度的關系,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定性,為礦山安全生產提供必要的理論基礎。

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,自然地理條件異常惡劣,地勢險峻,切割強烈,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巖組成,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,水文地質條件簡單。

2.2 永凍層實測

通過查明礦山的不同區域、不同標高永凍層的埋深,了解季節融化層的厚度隨不同標高變化的規律,本次共選擇了21 處測量點。經測量,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),實測數據顯示永凍層的埋深與標高關系不明顯,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 永凍層埋深與標高關系

3 巖石凍融實驗

通過露采邊坡所取巖樣在導熱系數、比熱和凍結溫度、巖石循環凍融后的抗壓強度、巖石凍結強度試驗,分析巖石在凍融循環下的熱物理、力學參數變化,揭示邊坡巖體的凍融破壞的機制。

3.1 熱物理參數試驗

研究溫度在巖石中的傳導能力對巖石凍融深度至關重要,試驗采用非穩定態法中的熱線法測定巖樣的導熱系數與比熱。實驗表明,對同一個樣品來說,其導熱系數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,巖石的導熱能力越強,所需的能量越多。實驗結果見表1。

表1 不同巖體的熱物理參數實驗結果

3.2 巖石凍融試驗

對6 種巖石在5 種凍融循環次數后(分別為0、10、20、30、50 次)進行常溫下的飽和單軸壓縮試驗[6]。經試驗分析,凍融循環次數對巖石的凍融損傷劣化影響非常明顯,凍融循環次數越多,巖石劣化越明顯。總體趨勢隨凍融循環次數的增加,強度逐漸降低。應力曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同凍融次數后的應力曲線(花崗斑巖)

圖3 不同凍融次數后的應力曲線(閃長巖)

4 凍融作用下邊坡的安全穩定性分析

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,邊坡體上部覆蓋有第四系土體及強風化巖體,凍融作用會導致部分第四系土體和強風化巖體內水融化而滲入到下部巖體內,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,對臺階表層穩定性的影響較重。

4.2 露天采場溫度場分析

在熱傳導的過程中,巖體內各點的溫度隨著各點的位置和時間而變化,因而溫度T是位置坐標和時間t的函數[7]。

式中:q——熱流密度;

λ——導熱系數。

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

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,其中大地熱流值參考青藏高原地區的多年經驗值,取值0.048 W/m2。

1)分析方案

實驗共分析了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、導熱系數等參數,準確計算熱梯度、追蹤凍結鋒面。

2)模擬結果

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

圖4 分析模型第一種方案計算結果

第二種分析方案結果,坡體上部凝灰巖的凍結深度最大值約為6.8 m;坡體中部花崗巖的凍結深度最大值約為5.5 m;坡體下部閃長巖的凍結深度最大值約為4.5 m。

第三種分析方案結果,坡頂第四系土體及強風化層的融化深度的最大值約為6.4 m。

第四種分析方案結果,坡頂第四系土體及強風化層的融化深度的最大值約為5.5 m。

3)結果分析

從溫度場模擬分析結果看,極端條件下邊坡溫度場最大凍結深度均小于8 m,驗證了凍融循環對表層穩定性的影響最為嚴重。

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,采用邊坡穩定性的極限平衡分析,其巖土體物理力學參數值參照凍融后溫度場指標,邊坡剖面整體穩定性分析如圖5所示,凍融前后邊坡整體安全系數見表2。

圖5 C3 邊坡剖面整體穩定性分析圖

表2 凍融前后邊坡整體安全系數對比

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較凍融前下降2.1%～5.2%,凍融對邊坡整體穩定性存在一定的影響,主要對表層巖體的強度及完整性影響嚴重,溫差浮動50 ℃左右時,影響深度大致在10 m以內。

6 結論

(1)凍土層與海拔關系:高原高寒地區凍土層厚度與海拔高度不存在正相關性,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化巖體,當氣溫差浮動在50 ℃左右時,巖體溫度場最大影響深度及凍結深度小于8 m,凍融循環對巖體的弱化作用主要集中在淺部巖體。

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