高寒地区冻融作用对高陡边坡安全稳定性影响分析

鲁金涛(应急管理部研究中心,北京100013)

1 前言

据不完全统计,我国多年冻土面积占国土面积的22.3%,属于世界第三大冻土国[1],尤其在我国西部高原,常年冻土及冻融循环造成的工程地质问题及安全问题成为西部工程开发不可回避的研究内容[2-3]。

冻土热融及岩石冻胀易造成基础滑塌、边坡加速失稳等安全问题,严重可造成工程失效及毁灭性破坏[4-5]。随着我国资源开发逐渐向西部迁移,西部高海拔高寒地区新建多座大型露天采矿工程,边坡高度达300 m 以上,如何在设计及施工中考虑冻融对边坡的影响,并把影响降低到最小限度,对矿山开采安全至关重要。

本文以西藏某大型露天矿开采为实例,通过实测冻融深度及相关参数,模拟露天采场的温度场与冻融深度的关系,分析冻融边坡滑动模式,利用极限平衡理论计算分析露天边坡的安全稳定性,为矿山安全生产提供必要的理论基础。

2 矿山基本情况

2.1 情况介绍

项目位于5 000 m 左右的高海拔地区,自然地理条件异常恶劣,地势险峻,切割强烈,5～12月平均气温2.0 ℃。

露采边坡主要由流纹岩、黑云母二长花岗斑岩、二长花岗岩、花岗闪长斑岩以及凝灰岩组成,地表由四系松散砂砾及碎块石覆盖,露天采场最大边坡高度945 m。矿山地下水及大气降水较差,水文地质条件简单。

2.2 永冻层实测

通过查明矿山的不同区域、不同标高永冻层的埋深,了解季节融化层的厚度随不同标高变化的规律,本次共选择了21 处测量点。经测量,永冻层埋藏较浅,永冻层埋深并未随着海拔的增加而增厚,反而是海拔相对较低的位置(≤5 200 m)融化层厚度较大(1.80 m),实测数据显示永冻层的埋深与标高关系不明显,具体如图1所示,主要原因是由于表层松散岩土的厚度、颗粒级配、含水量、坡向以及接受日照时间的长短不同,造成了温度与冻土层厚度的反向差异。

图1 永冻层埋深与标高关系

3 岩石冻融实验

通过露采边坡所取岩样在导热系数、比热和冻结温度、岩石循环冻融后的抗压强度、岩石冻结强度试验,分析岩石在冻融循环下的热物理、力学参数变化,揭示边坡岩体的冻融破坏的机制。

3.1 热物理参数试验

研究温度在岩石中的传导能力对岩石冻融深度至关重要,试验采用非稳定态法中的热线法测定岩样的导热系数与比热。实验表明,对同一个样品来说,其导热系数是随着温度降低而增大,其比热则是随着温度降低而减小,即温度越低,岩石的导热能力越强,所需的能量越多。实验结果见表1。

表1 不同岩体的热物理参数实验结果

3.2 岩石冻融试验

对6 种岩石在5 种冻融循环次数后(分别为0、10、20、30、50 次)进行常温下的饱和单轴压缩试验[6]。经试验分析,冻融循环次数对岩石的冻融损伤劣化影响非常明显,冻融循环次数越多,岩石劣化越明显。总体趋势随冻融循环次数的增加,强度逐渐降低。应力曲线如图2、图3所示。

图2 不同冻融次数后的应力曲线(花岗斑岩)

图3 不同冻融次数后的应力曲线(闪长岩)

4 冻融作用下边坡的安全稳定性分析

4.1 冻融边坡滑动模式分析

对该矿山边坡而言,处于多年的冻土区,边坡体上部覆盖有第四系土体及强风化岩体,冻融作用会导致部分第四系土体和强风化岩体内水融化而渗入到下部岩体内,由于多年冻土层具相对隔水性,对水的入渗不利,影响了边坡体稳定性仍是表层的岩体,其破坏模式为表层崩塌,对台阶表层稳定性的影响较重。

4.2 露天采场温度场分析

在热传导的过程中,岩体内各点的温度随着各点的位置和时间而变化,因而温度T是位置坐标和时间t的函数[7]。

式中:q——热流密度;

λ——导热系数。

通过了解岩石热传导的特征,模拟分析气温对裸露边坡岩石的影响深度及程度,进而为分析研究冻融作用对边坡稳定性的影响提供依据。

本工程采用SVOffice 软件建立了典型露天边坡模型,确立了四类边界条件,其中大地热流值参考青藏高原地区的多年经验值,取值0.048 W/m2。

1)分析方案

实验共分析了4 种方案,分别为极端最低温、平均最低温、极端最高温、平均最高温,计算时步为1个月。通过输入密度、比热、导热系数等参数,准确计算热梯度、追踪冻结锋面。

2)模拟结果

第一种方案中坡体上部凝灰岩的冻结深度最大值约为7.5 m;坡体中部花岗岩的冻结深度最大值约为6.9 m;坡体下部闪长岩的冻结深度最大值约为5.6 m。分析模型第一种方案计算结果如图4所示。

图4 分析模型第一种方案计算结果

第二种分析方案结果,坡体上部凝灰岩的冻结深度最大值约为6.8 m;坡体中部花岗岩的冻结深度最大值约为5.5 m;坡体下部闪长岩的冻结深度最大值约为4.5 m。

第三种分析方案结果,坡顶第四系土体及强风化层的融化深度的最大值约为6.4 m。

第四种分析方案结果,坡顶第四系土体及强风化层的融化深度的最大值约为5.5 m。

3)结果分析

从温度场模拟分析结果看,极端条件下边坡温度场最大冻结深度均小于8 m,验证了冻融循环对表层稳定性的影响最为严重。

5 冻融影响下边坡的极限平衡分析

选取温度场模拟中的代表性边坡剖面,采用边坡稳定性的极限平衡分析,其岩土体物理力学参数值参照冻融后温度场指标,边坡剖面整体稳定性分析如图5所示,冻融前后边坡整体安全系数见表2。

图5 C3 边坡剖面整体稳定性分析图

表2 冻融前后边坡整体安全系数对比

考虑边坡在自重状况和地震状况下,即在受力Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ情况下,冻融后边坡整体安全系数较冻融前下降2.1%～5.2%,冻融对边坡整体稳定性存在一定的影响,主要对表层岩体的强度及完整性影响严重,温差浮动50 ℃左右时,影响深度大致在10 m以内。

6 结论

(1)冻土层与海拔关系:高原高寒地区冻土层厚度与海拔高度不存在正相关性,冻土层厚度受松散岩土的厚度、颗粒级配、含水量、坡向以及接受日照时间等因素影响。

(2)温度场对岩体影响:针对含水率较低弱风化岩体,当气温差浮动在50 ℃左右时,岩体温度场最大影响深度及冻结深度小于8 m,冻融循环对岩体的弱化作用主要集中在浅部岩体。

(3)冻融循环对整体边坡的影响:在三种受力情况下,边坡整体安全系数较冻融前下降2.1%～5.2%,冻融循环对整体边坡稳定性影响较轻,对局部及浅部滑坡体影响较大。