1、冻岩土区露天矿排土场边坡局部稳定性研究蓝秋华(新疆金宝矿业有限责任公司 新疆 富蕴 8 3 6 1 0 0)作者简介蓝秋华(1 9 9 0年),男,助理工程师,从事采矿工程、资源勘查等工作。摘 要 为了解决由边坡失稳造成的露天矿排土场地质灾害,本文以冻岩土区为例,对露天矿排土场边坡局部稳定性展开研究。绘制冻岩土区地层特性概念图,分析冻岩土区地层特性;选择与冻岩土区性质较为接近的岩石作为样本,按照初始化数值的乘积计算公式,得到岩土结构的折减系数,参照 有色金属矿山排土场设计规范 文件,选择排土场区模型中的岩体的物理力学参数与热流场环境参数;选择理想模型中的排土场边坡局部区域作为研究区域,对此区域
2、发生五次冻融循环的每个月份冻融深度、边坡塑性、拉应力、剪力强度增进演化进行分析,掌握露天矿排土场边坡结构的局部稳定性。关键词 冻岩土区;露天矿;排土场边坡;局部稳定性 1.引言为了满足各领域发展的需求,进一步提高我国市场经济的价值与建设稳定性,国家在组织了多次大型会议后,提出将基建工程逐步向寒冷地区推进。在全球经济变暖的背景下,我国冻岩土在市场内整体呈现出“南向北”移动的趋势,寒冷地区的边坡失稳与地质结构坍塌事故越来越多,此种现象不仅对我国经济北移建设工作造成了负面影响,同时也对社会群体的日常生活带来了较大的安全隐患1。为了解决此方面问题,稳固冻岩土区边坡结构的稳定性,有关单位对出现此种现象的
3、原因展开了研究,综合研究成果可知,冻岩土区气候冷暖变化与环境交替是造成边坡失稳的主要原因。冻岩土在出现熔化现象时,季节活动现象显著,当环境内气温下降时,土层中的水分聚集在面部,而到了暖季或环境温度上升后,冻岩土中的冰层融化,土体中的水分趋近于饱和。对于露天矿区中长年冻岩土而言,地区气候环境的变化与迁移会在不同程度上影响到边坡结构应力的分布,当边坡结构中的水分含量增加时,润滑作用将在一定程度上降低潜在滑动面的抗剪强度,导致冻岩土边坡的稳定性出现剧烈下降,与此同时,土体结构的承载力急剧下降,当应力过于集中或过于分散时,边坡局部将出现坍塌事故。2.冻岩土区地层特性分析我国现有的季节性冻岩土区面积约占
4、我国现有土地总面积的5 0.0%,其中呈永久性与季节性冻岩土区的土地面积约占我国现有土地面积的7 0.0%。本文以某露天矿排土场中的冻岩土区为例,对其进行不同地层结构的划分,并以此为依据,进行地层特性的分析2。地层特性概念如图1所示。根据图1中所示的内容可以看出,在永冻层结构的上部长期受到温度变化的影响,因此形成了季节性的季冻层结构,在完成对边坡结构的开挖施工后,坡体表层中原本为永冻层的结构会逐渐转变为季冻层。而在永冻层结构的下部,存在不冻层结构,这一结构也会受到坡体表层的影响,并随着时间的变化逐渐出现冻融交替的现象。含有上述冻岩土区地层特征的区域通常每年最低温度能够达到零下3 0,最高气温普
5、遍在零上1 9.0到2 0范围内,年平均气温在零下4.3到零上5.2范围内。由于气候具有季节性的冷暖变化特征,因此图1中的季冻层结构会在每年4月末到5月初逐渐开始融化,9月末到1 0月初达到最大融深。同时,在这一过程中,每个月融化的速度都有着明显的差异变化,平均数值在0.0 1m/d0.0 5 m/d范围内。在9月末,气温开始出现逐渐下降的趋势,并逐渐进入到负温状态,此时图1中的季融层结构会按照从上至下的顺序迅速回冻,并直到1 2月中旬达到完全冻结的状态。通过对多年冻岩土区的地层结构进行分析可知,该区域内季冻层的厚度通常能够达到45 m,而冻土层结构的厚度通常能够达到5 0 m,甚至7 0 m
6、。图1 冻岩土区地层特性概念图3.排土场区模型参数选取及方法完成上述研究后,采用构建边坡模型的方式,进行排土场区边坡结构稳定性的综合分析。为了确保构建的模型满足边坡稳定性分析需求,应在构建模型与分析前,进行模型参数的选择3。结合冻岩土区地层特性的分析成果,假设岩体边坡稳定参数会随着环境温度与冻融循环发生次数的变化而发生变化,为了简化分析过程,选择与冻岩土区性质较为接近的岩石作为样本,按照初始化数值的乘积计算公式,得到岩土结构的折减系数。假设在选择模型参数时只考虑冻融循环次数、岩体的物理力学参数与热流场环境参数,忽略不计温度场昼夜循环变化参数,可设定如表1与表2所示的模型参数。970 水文地质、
7、环境地质、工程地质DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.027表1 岩体的物理力学参数序号参数取值计算单位(1)岩体密度2.6 51 03K g/m3(2)岩体内摩擦角度5 0.0(3)岩体土层粘聚力1.5MP a(4)体积模量1 3.3G P a(5)剪切模量8.0G P a表2 热流场环境参数物质岩体水冰冰点以上冰点以下冰点以上冰点以下比热8 1 6.0 k g8 1 6.0 k g4 1 9 0.0 k g1 8 8 0.0 k g导热系数2.7 m2.7 m0.5 2 m2.2 1 m渗透系数1.0 1 0-7c m/s1.0 1 0-1 0c m/s 膨胀系数
8、3.0 1 0-6-1-1.5 1 0-5-12.1 1 0-4-1-1.5 1 0-3-1完成对岩体的物理力学参数与热流场环境参数的设计后,将参数导入模型,使用此模型构建一个理想型的露天矿排土场理想边坡结构。考虑到露天矿排土场边坡在冻融循环过程中,干燥的岩石受到外部环境的影响,存在热胀冷缩的现象,此时岩土的弹性变形将转化为无残余应力变形4。与此同时,呈现饱和状态的岩体将经历“岩体受冷收缩岩土冷冻膨胀回温迟滞冻岩土融化收缩岩体受热膨胀”五个阶段。对于在此过程中的饱和状态岩石样本,应明确岩基同样满足符合“热胀冷缩”的物理原则,当土体内水分在不同条件下发生此种效应时,岩体强度也将随之变化。为了进一
9、步对此种变化规律进行分析,可在完成对参数的选择后,结合理想边坡结构,对其热传导率进行计算。根据岩石基质的比热与导热,进行热流系数的优选。以此种方式,完成对冻岩土边坡稳定性分析过程中,排土场区模型参数选取与分析方法设计。4.边坡稳定性分析完成上述分析后,考虑到冻岩土区昼夜会存在较大的温度差,而此种温度差就是造成岩体结构中水分反复相变的主要原因,反复冻融的现象又在一定程度上影响了冻岩土区的边坡强度,此时边坡结构的稳定性与安全性将受到影响或干预5。为了实现对其稳定性的进一步分析,应明确冻岩土区的边坡稳定性影响因素与常规的岩土边坡稳定性影响因素存在差异,除了岩体自身形态会影响到结构稳定性之外,环境温度
10、、大气中水分含量、发生冻融现象的次数与频率、结构应力集中与分散状态等,也是影响边坡结构稳定性的主要因素。因此,本章将结合边坡稳定性及其覆盖范围,在理想边坡模型中,选择边坡局部,根据局部屈服度的稳定性,进行边坡失稳敏感性的研究。选择理想模型中的排土场边坡局部区域作为研究区域,对此区域发生五次冻融循环的每个月份冻融现象深度、边坡塑性、拉应力、剪力强度增进演变进行分析。综合有关地质勘查结果与历史调查数据可知,边坡局部在每年的三月份进入春季时,排土场边坡中的冻岩土坡肩就会发生融化现象,随着温度的升高,在后续 的7月9月 中,最 高 融 化 深 度 将 达 到4.0 m6.0 m,直到9月末,环境温度开
11、始下降,十月初环境温度将持续下降到负数值,融化层将从上层开始快速回冻,直到1 2月中下旬,所有融化层冻实。在此温度变化过程中,局部边坡表层1.04.0 m的冻岩土区内,抗剪强度发生变化,存在边坡结构失稳、坍塌、滑坡等趋势,在坡体结构中的3.08.0 m范围内,存在拉塑性历史,此种现象是水冰反复交替演化形成。当岩体发生回冻现象时,冻岩土将受到冻胀力的作用,新形成的塑性区域会随着岩土的冻结发生回迁或內移,从而在局部边坡的坡肩位置形成一个新的塑性区域。当冻岩土层发生融化时,表层受到热熔滑塌的影响,边坡结构中的坡肩与坡角位置将产生一定的拉应力。在季节变化的全过程中,坡肩的拉应力最低0.0 5 MP a
12、,而结构内部的拉应力超过0.2 5MP a。由于内部与外部之间的拉应力存在明显差异,因此,发生边坡失稳的局部坡肩主要呈现“三角形”滑坡趋势。这一现象与边坡顶部掏蚀现象类似,均是坡肩产生受力,且边坡浅层结构位置的稳定性与安全性较高。因此,可以认为局部边坡中的浅层坡体区域是相对安全的,可在进行边坡结构加固施工时,在下一坡肩的下部范围中进行固化处理,以此种方式,提高边坡结构整体的稳定性。5.结束语本文从三个方面,以冻岩土区为例,对露天矿排土场边坡局部稳定性展开研究。完成研究后发现,边坡局部结构的稳定性是随着冻融变化而发生变化的。要解决由此方面问题诱发的边坡失稳与地质灾害问题,应在后续的工作中,加大对
13、边坡的养护,根据边坡结构与周围地质环境,采取合理有效的加固措施,以此种方式,提高边坡结构的稳定性,为我国基建工程的实施提供明确的指示方向,从而提升矿山行业在市场发展中的经济效益,减少失稳或滑坡事故对矿山领域发展带来的经济方面的损失。参考文献1武哲,刘明扬,田宁,等.十堰某扶贫产业园高填方边坡整体与局部稳定性分析J.科技和产业,2 0 2 1,2 1(5):2 9 6-2 9 9.2褚志成,雷胜友,原喜忠,等.冻融作用下多年冻土边坡局部稳定性研究J.水利与建筑工程学报,2 0 1 9,1 7(6):2 3-2 8.3李志军,朱承金,周海霞,等.基于局部强度折减NMM的岩质边坡稳定性分析 J.水利与建筑工程学报,2 0 1 9,1 7(2):2 9-3 3.4李国锋,李宁,刘乃飞,等.多年冻岩土区露天矿边坡局部稳定性探究J.西安理工大学学报,2 0 1 9,3 5(1):5 3-6 1.5姜谙男,张权,吴洪涛,等.基于改进局部安全度的爆破作用边坡稳定性分析J.岩土力学,2 0 1 9,4 0(1):5 1 1-5 1 8.080