高寒地區尾礦庫凍土分布及凍融規律研究

陳榮健 張詔飛 席 偉 聞 磊

(1.伊春鹿鳴礦業有限公司,黑龍江 伊春 152500;2.中鐵資源集團勘察設計有限公司,河北 廊坊 065000;3.石家莊鐵道大學工程力學系,河北 石家莊 050000)

凍土是指具有負溫或零溫度并含有冰的土(巖),在我國高海拔、高緯度等寒冷地區廣泛分布[1]。受凍土分布影響,高寒區尾礦庫在尾礦力學性質、庫區滲流、壩體穩定等方面具有鮮明的特點[2-6]。因此,進行高寒尾礦庫凍土方向的研究具有重要的實際意義。

在凍土對尾礦庫的影響方面,學者們進行了相關探討。趙媛[7]建立了河北某含冰尾礦庫的三維數值模型,進行滲流穩定分析,得出凍土分布對庫區滲流場形成的影響規律;楊永浩[8]采用試驗方法,對凍融循環條件下尾礦的物理力學性質進行研究,得到凍結尾礦的破壞形式和滲透性能變化規律;劉友能等[9]對凍融前后的尾礦土分別進行常規三軸固結不排水剪切試驗,得到了反復凍融條件下尾礦土的強度弱化規律;沈樓燕[10]從凍土的角度出發,結合堆壩、庫容等問題,探討了高寒地區尾礦庫設計工作應當注意的問題。

另一方面,庫區凍土的形成和變化為動態過程,隨氣候條件、放礦活動、筑壩條件的變化而改變。郭天勇等[11]詳細論述了庫區凍土及冬季放礦的特點和危害,并針對庫內凍土可能引起的滲流、壩體變形等問題,提出了尾礦堆積壩冬季放礦凍結計算方法;劉石橋等[12]從凍土的概念出發,論述了凍土在尾礦庫的形成過程中對尾礦庫的危害,并提出了一些防治措施;馮曉莉等[13]研究了三江源地區氣象觀測站的逐日凍土深度、平均氣溫、降雨量等數據,揭示了地區季節性凍土的凍融時間、凍結深度時空分布特征等與氣候變化的關系?？梢?目前的凍土研究多關注于凍土的形成條件以及凍土對尾礦庫的危害程度評價,對于凍土在庫區的分布特征及凍融變化規律的研究則較少。

本研究以小興安嶺地區某尾礦庫為例,采用鉆探、井溫測試等方法,揭示了庫區凍土的分布、凍融變化與季節變化、放礦筑壩等之間的關系,為尾礦庫的滲流分析、穩定性評價及放礦筑壩優化設計等提供了依據,可為高寒地區尾礦庫凍土研究提供參考。

1 工程實例

1.1 尾礦庫概況

尾礦庫位于小興安嶺地區,北緯47.35°,冬季寒冷漫長,夏季濕熱短暫,年平均氣溫僅為2.3 ℃,庫內封冰期在每年的9 月下旬,翌年3 月上旬為解冰期,冰層逐漸融化。1 月份最冷,平均氣溫-23.8 ℃,最低氣溫-42.6 ℃。

尾礦庫為山谷型尾礦庫,由中部山脊分為1#庫和2#庫,采用濕排法和上游法放礦筑壩,二庫初期壩均為透水堆石壩,壩頂標高均為440 m,當壩頂標高達到460 m 時,二庫合成一庫。設計總壩高為198 m,總庫容為4.29×108m3,為二等尾礦庫。尾礦堆積壩采取上游式筑壩,每期子壩高3.0 m,年上升高度6～8 m。

尾礦庫排放量(尾礦)1 500 萬t/a,入庫尾礦細度-200 目約60%。放礦方式分為3 個典型階段:2017 年以前為全尾放礦期;2017—2018 年為旋流器放礦初期,采用FX350 旋流器進行放礦筑壩(壩頂標高456.0 m、灘頂標高451.0 m 及以上),底流管在壩前處放礦、溢流管在庫內70 m 以外進行放礦;2019年以后為新型放礦筑壩期,在非冰凍期應采用旋流器分級分區放礦筑壩工藝,在冰凍期放礦筑壩采用全尾庫內集中放礦方式,尾礦經輸送上壩后經支管延伸至壩前一定距離放礦,放礦時采用支管后退式操作方式。

1.2 尾礦庫勘察

2020 年年初,堆積壩壩頂高程473.0 m,總壩高70 m,已達到設計總壩高的1/3 以上,礦方安排了尾礦壩的穩定性評價工作。為提供基礎地質數據,同時為查明庫區尾礦沉積和凍土分布規律,對堆積壩體和庫內重點區域開展了勘探工作,勘探點布置見圖1。

圖1 勘探點平面布置Fig.1 Layout plan of exploration points

勘探方法以庫區灘面調查和鉆探為主,同時采用井溫測試法(假井溫)驗證鉆探揭露的凍土發育情況,在鉆孔終孔后安裝薄壁PVC 管,放置24 h 后,采用溫敏電阻式傳感器測試鉆孔內不同深度內的溫度。正常條件下,井溫曲線應為連續分布的平滑曲線,受凍土造成的低溫影響,平滑曲線在對應深度內形狀變化,以此作為判斷凍土發育的標志,和鉆探揭露的凍土發育深度相互驗證。圖2 為無凍土發育鉆孔(圖2(a))和有凍土發育鉆孔(圖2(b))井溫測試曲線對比,可以看到,在凍土段落井溫曲線發生了顯著的變形。

圖2 井溫測試曲線對比Fig.2 Comparison of well temperature test curves

2 庫區凍土發育和分布特征

2.1 凍土發育特征

庫內封冰期在每年的9 月下旬,翌年3 月上旬為解冰期,冰層逐漸融化。勘察揭露的灘面冰層最大厚度為4.0 m。因解冰期平均氣溫仍較低,冰層融化速度緩慢,且冰層多與浮泥混合分布,平緩灘面下庫水流速平緩,庫內未見流動的浮冰。冰層融化過程中體積減小,釋放出部分庫容的同時,造成庫區孔隙水壓力上升,一方面升高了庫區和堆積壩體內的浸潤線,另一方面造成尾礦庫回水量增大,要求排洪系統具備更高的承壓能力和排洪能力[11-12]。

從灘面調查(圖3(a))和鉆探揭露(圖3(b))的情況來看,庫區凍土的成分主要為尾粉砂,肉眼可見分凝冰、冰層與凍土層呈千層餅狀互層排列分布,這種分布特征與冬季間歇性放礦直接相關,放礦期間灘面溢流的尾礦漿溫度較高,不易結冰,在后期沉積過程中形成凍土層;非放礦期間,庫區水面溫度較低,凍結形成條帶狀冰層。冰條帶厚度在20～30 mm 之間,按照含冰特征,應定名為富冰凍土—飽冰凍土。凍土巖芯堅硬,土顆粒被冰層膠結,屬于堅硬凍土,遇熱融化[14]。

圖3 凍土發育形態Fig.3 Development form of frozen soil

2.2 凍土分布特征

根據勘察結果,庫區共分布3 層凍土,其分布范圍與歷史水面大致相近。分布特征見表1,分布范圍見圖4 和圖5。

圖4 庫內凍土分布Fig.4 Permafrost distribution in the reservoir

圖5 勘探線8 庫內凍土分布概化剖面Fig.5 Generalized section of permafrost distribution in the library of line 8

表1 凍土層分布特征Table 1 Distribution characteristics of frozen soil layer

續表1

結合壩體堆筑歷史,按由淺入深的空間分布關系,對表1 中所展示的3 層凍土進行如下分析:

第1 層凍土為2020—2021 年冬季形成,高程在460.81～471.74 m 之間,厚度在1.0～4.0 m 左右,連續分布在庫區中心,與灘頂距離在120～180 m 左右,至520 m 處基本尖滅,但上游仍有零星分布薄層凍土。

第2 層凍土為2018—2019 年冬季形成,高程在453.32～460.47 m 之間,厚度在0.8～2.5 m 左右,連續分布在1#和2#庫區,與歷史灘頂距離在100～220 m 左右,上游邊界大致在距歷史灘頂520 m 處。在1#副壩區域,該層凍土距歷史灘頂距離較近,大致在70 m 左右,大約在距歷史灘頂520 m 距離尖滅。如圖6所示。

圖6 井溫測試等值線圖(高程459 m)Fig.6 Isoline map of well temperature test (459 m elevation)

第3 層凍土為2017—2018 年冬季形成,高程在446.63～454.41 m 之間,平緩分布,大部分位置厚度在1.2～3.0 m 之間,僅局部厚度稍大至3.6 m,或稍小至0.5 m。分布連續,與歷史灘頂距離多在100～340 m 左右,1#庫區該層凍土大致在距歷史灘頂500 m 處尖滅,2#庫區該層凍土上游邊界距歷史灘頂距離大致為200～360 m。在1#副壩區域該層凍土已延伸至現狀壩體以下,如圖7 所示。

圖7 井溫測試等值線圖(高程452 m)Fig.7 Well temperature test contour map (452 m elevation)

從冬季沉積灘面調查結果看,凍土的形成范圍下游可達壩前30 m 以內。一方面壩前區域尾礦漿溫度較高(約在6 ℃左右);另一方面,壩前區域采用了除冰溝、犁冰等措施,促進了凍土的消融,在該區域未形成多年凍土。從分布趨勢上看,多年凍土形成范圍大致在距灘頂100～500 m 距離范圍內,隨壩體向上游堆積,凍土分布范圍向庫內延伸。

3 凍土的形成和消融規律

每年冬季,灘面冰凍層在融化之前被新排放的礦漿覆蓋,因氣溫較低,被覆蓋凍土層的低溫難以傳導,隨著尾礦排放,灘面繼續上升,加大冰凍層的埋置深度,形成凍土,凍土層的厚度基本上與冬季放礦灘面上升的高度相同。同時,庫區尾礦的滲透性能較差,尾礦固結排水速度較慢,長期處于飽和狀態,一方面促進了凍土的形成,另一方面也減緩了凍土的消融速度。隨著排尾生產的推進,凍土埋深逐步增大,新覆蓋尾礦將冰凍層與寒冷的大氣溫度相隔絕,形成保溫層。

從圖6 與圖7 對比,庫區凍土處于消融過程中,隨著時間的推移和埋深的增大,冰凍層的分布范圍將逐步縮小。從勘探結果看,庫區僅揭露2017—2021年度冬季所形成的3 層凍土,更早年份形成的凍土已基本消融。圖5 所展示的剖面圖中,鉆孔ZK8-3 為2020 年4 月施工,揭露了2017—2019 年冬季形成2層凍土的最下游邊界。2021 年3 月,在原ZK8-3 位置1 m 附近的驗證孔未揭露以上2 層凍土,證實了凍土的消融現象。另一方面,根據地溫監測的一般規律,在地表以下存在一定深度為大氣溫度影響范圍,地溫隨深度的增加而降低,達到大氣影響深度上限后地溫基本穩定,隨深度的增加而緩慢增加,每100 m深度地溫增加約1.0 ℃以下[15]。

圖8 為ZK8-3 驗證鉆孔處所做長期地溫監測孔的典型數據曲線,時間段為驗證孔終孔后1 個月,地溫變化基本穩定下來。在0～15 m 深度,地溫逐漸下降,至15～30 m 深度左右,基本穩定在0.5～1.0 ℃范圍內,接近凍土的凍結溫度,將不利于凍土的進一步融化[16]。庫面上升速度6～8 m/a 時,在地溫下降至凍結溫度附近之前,前2 年冬季形成的凍土能夠處于消融過程中。同時,由于凍土層的滲透性能極差[17],庫區滲流在凍土層的下游邊界處發生繞流,將持續暖化和消融其邊界范圍。在地溫和滲流作用下,歷年凍土基本在3 年時間內全部消融。如庫面上升速度增加,地溫下降速度隨之增加,凍土消融的條件變差,庫區同時分布的凍土層可能大于3 層,甚至可能出現常年不融化的冰凍層,對庫區滲流、庫容、壩體安全都將造成進一步的不利影響。

圖8 庫區地溫監測曲線Fig.8 Monitoring curves of ground temperature in the reservoir area

從放礦方式來看,庫區揭露的第1 層凍土形成于新型放礦筑壩期,第2 層凍土形成于旋流器放礦初期。從凍土持續消融變化的觀點來看,第1 層凍土的范圍明顯小于第2 層。分析其原因,新型放礦筑壩期采用支管后退式操作方式,高溫尾礦漿在庫區上游的溢流范圍較大,有利于冬季冰凍層的融化;另一方面,與旋流放礦相比,全尾放礦條件下,庫區上游尾礦的粒度較大,滲透性能也會相應增加,滲流條件的改善有利于下部凍土層的消融[18]。

4 結論

針對高寒地區尾礦庫凍土形成、分布和凍融規律這一問題,以小興安嶺地區某尾礦庫為例,采用鉆探、井溫測試等方法,查明了庫區凍土的分布范圍,并結合放礦方式、地溫監測等數據,分析了凍土的形成和消融規律,并形成了以下主要結論。

(1)庫區同時發育3 層凍土,分別為2017—2021年冬季放礦所形成。其分布的下游邊界距灘頂距離70～200 m 左右,上游邊界距灘頂500 m 以上。凍土層厚度與冬季灘面上升高度基本相同。

(2)凍土發育的邊界范圍與放礦方式、除冰措施等相關。新型放礦筑壩期采用支管后退式放礦,凍土發育的上游邊界較旋流放礦有所后退;壩前區域采用的除冰溝、犁冰等措施,能有效較少凍土發育的下游邊界范圍。

(3)持續的放礦過程,使得在冬季形成的凍土層之上形成保溫層,將冰凍層與寒冷的大氣溫度相隔絕,保證了凍土的消融環境;同時,庫區滲流也加快了凍土的消融過程。

(4)庫面上升速度將影響凍土的消融環境,在6～8 m/a 上升速度條件下,庫內凍土基本在發育形成后3 年時間內消融完成。如庫面上升速度增加,地溫下降速度隨之增加,凍土消融的條件變差,庫區同時分布的凍土層可能大于3 層,甚至可能出現常年不融化的冰凍層,對庫區滲流、庫容、壩體安全都將造成進一步的不利影響。