季節(jié)性凍土區(qū)露天礦排土場(chǎng)淺層滑坡滑動(dòng)機(jī)理研究

楊永健

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

我國(guó)作為世界第三凍土大國(guó)，季節(jié)性凍土的面積約占全國(guó)國(guó)土面積的55%[1]。季節(jié)性凍土地區(qū)是我國(guó)露天煤礦最為集中的區(qū)域[2]。季節(jié)性凍土區(qū)邊坡由于受凍融循環(huán)影響與常規(guī)邊坡存在較大區(qū)別，常見的滑坡機(jī)理也不適用于這類滑坡[3-5]。由于不考慮凍融循環(huán)等因素的影響，常規(guī)分析評(píng)價(jià)方法不適用于季節(jié)性凍土地區(qū)排土場(chǎng)滑坡穩(wěn)定性分析，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性不高，常見的滑坡機(jī)理也不適用于這類滑坡，因此，凍融循環(huán)對(duì)露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

土體結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)影響下，自身強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化[6-8]，但凍融循環(huán)對(duì)排土場(chǎng)邊坡影響機(jī)理尚不清楚。在關(guān)于“凍融作用”的研究上，前人一方面基于凍脹和融沉對(duì)工程影響的考慮,大量的研究都致力于建立凍脹和融沉的預(yù)報(bào)模型[9]。另一方面,人們?cè)谝欢ǔ潭壬弦舱J(rèn)識(shí)到了凍融作用作為強(qiáng)風(fēng)化過程對(duì)土的工程性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大影響[10-13]。但是對(duì)于凍融導(dǎo)致的土工程性質(zhì)尤其是其力學(xué)性質(zhì)的變化研究的并不很多，而且目前已有的成果也比較分散，迄今沒有系統(tǒng)的總結(jié)和現(xiàn)狀分析。凍融循環(huán)對(duì)露天礦排土場(chǎng)邊坡的影響至今鮮有涉及。

季節(jié)性凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)很難考慮凍融影響，邊坡按設(shè)計(jì)堆排(刷坡)后仍然經(jīng)常發(fā)生滑坡。排土場(chǎng)邊坡由于排棄物比較松散，受凍融及降雨影響顯著，且排土場(chǎng)邊坡滑坡將破壞排土場(chǎng)設(shè)施，嚴(yán)重影響排土場(chǎng)的堆排效果、給綠化造成困難。排土場(chǎng)邊坡作為露天礦開采的重要組成部分，其穩(wěn)定性是保證礦產(chǎn)安全開采的前提，所以，研究季節(jié)性凍土地區(qū)露天礦排土場(chǎng)淺層滑坡滑動(dòng)機(jī)理顯得重要而緊迫。本文以神寶礦區(qū)排土場(chǎng)淺層滑坡為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)、坑探結(jié)合室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)及凍融試驗(yàn)，分析了季節(jié)性凍土區(qū)露天礦排土場(chǎng)淺層滑坡滑動(dòng)機(jī)理[14]。

1 區(qū)域概況

本區(qū)屬大陸性亞寒帶氣候，經(jīng)常遭受西伯利亞寒流的襲擊。春秋兩季風(fēng)較多，風(fēng)力較大，冬季嚴(yán)寒，夏季較熱，年平均氣溫-2.6℃，最高氣溫37.7℃，最低氣溫-48℃。年平均降水量315.0mm，年最大降水量542.9mm，月最大降水量199.0mm，日最大降水量55.6mm，小時(shí)最大降水量31.7mm，連續(xù)降水日數(shù)12d,年平均蒸發(fā)量1 344.8mm。

排土場(chǎng)是堆放由于采煤而開挖煤層上覆巖土體的場(chǎng)所，排棄物是巖土體的混合松散體，一般下部是按采剝順序排棄，上部覆蓋黏土，以利于植被生長(zhǎng)，生態(tài)恢復(fù)。

據(jù)往勘探資料，氣象資料以及地溫觀測(cè)表明：該區(qū)季節(jié)性凍土深度為2.41m，永久性凍土厚度2～4m，最大厚度5.7m[15]。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)

2.1 邊坡變形調(diào)查

2015年4月和2016年4月項(xiàng)目組相關(guān)人員兩次對(duì)神華寶日希勒露天礦兩個(gè)外排土場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主要調(diào)查排土場(chǎng)滑坡發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、坡面特點(diǎn)、巖土體含水情況等。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主要有以下結(jié)論：

1)坡面下部含水率高，頂部含水率低；黏土或含黏土的砂礫石層含水率高，粉土含水率低。

2)窄平臺(tái)上部邊坡穩(wěn)定性好，寬平臺(tái)上部邊坡穩(wěn)定性差。

3)滑坡大多為表層滑坡，角度很小但仍然很難穩(wěn)定。

4)平臺(tái)積水對(duì)表層滑坡影響小，如造成滑坡，規(guī)模一般較大。

2.2 邊坡現(xiàn)場(chǎng)勘察

為了更直觀地觀察滑坡特征、邊坡內(nèi)部水分遷移聚集情況及顆粒組成等特征，為分析邊坡穩(wěn)定性影響因素提供基礎(chǔ)資料，2016年4月15—20日對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了坑槽探勘察，共布設(shè)7個(gè)探坑，每個(gè)探坑取樣3～8件，探坑揭露情況見表1。

表1 探坑情況統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，滑坡體大部分為黏土邊坡或含黏土邊坡，粉質(zhì)或砂質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較好。而滑體內(nèi)一般含水率較高，開挖困難，而正常邊坡內(nèi)含水率低，開挖容易，揭露的土體含冰情況見圖1、圖2。

圖1 裂隙中的冰Figure 1 Ice in fissures

圖2 土壤中的冰Figure 2 Ice in soil

2.3 地溫監(jiān)測(cè)

為了查清凍融深度及凍融過程中溫度場(chǎng)的變化，監(jiān)測(cè)整個(gè)凍融過程中溫度場(chǎng)的發(fā)展變化，為凍融分析提供基礎(chǔ)資料，課題組在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了地溫監(jiān)測(cè)孔，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地溫進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)資料，本地凍融深度一般小于7m，本次監(jiān)測(cè)深度為15m，10m以內(nèi)每0.5m一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，10～15m每1m一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過一年的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果Figure 3 Ground temperature monitoring result

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，10月份土體開始凍結(jié)，1月底至2月初氣溫最低，凍結(jié)深度最大，次年4月開始消融，次年5月凍土基本全部消融。季節(jié)性溫度影響深度在6m左右，6m以下一年四季溫度基本穩(wěn)定在2.8℃。而凍土(巖土體溫度為0℃)深度在3m左右。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)

為了查清滑坡體物理力學(xué)性質(zhì)，2016年5月委托陜西羅克巖土工程檢測(cè)有限公司對(duì)探坑試樣進(jìn)行了土常規(guī)試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)，主要測(cè)定其密度、含水率、成分、抗剪強(qiáng)度等。由于土樣埋深均在2m以內(nèi)，直接采用小壓力快速剪切方法。試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 天然密度試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Natural density tested result

圖5 含水率試驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Moisture tested result

圖6 內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果Figure 6 Internal friction angle tested result

沿深度的試驗(yàn)結(jié)果顯示，土體含水率表層(20cm)較低，表層以下有個(gè)相對(duì)高含水率層位，之下含水率沒有大的差異。而滑體內(nèi)含水率都比正常邊坡含水率高，滑體內(nèi)土體密度也同樣大于滑體外土體。

由圖4可以看出，穩(wěn)定坡段巖土體天然密度為1.6～1.64g/cm3，而滑坡體的天然密度大多在1.69～1.77g/cm3；由圖5可以看出，穩(wěn)定坡段巖土體天然含水率為17.5%～22.5%，而滑坡體的天然含水率在26.6%～33.3%，滑坡體密度及含水率均整體大于穩(wěn)定坡段。

從直剪試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粘聚力沒有很強(qiáng)的規(guī)律性，而內(nèi)摩擦角滑體內(nèi)土體相對(duì)正常邊坡較小，不在滑體內(nèi)的T3和T7內(nèi)摩擦角為24°左右，而滑體內(nèi)的內(nèi)摩擦角大部分在9.9°～19.1°。

3.2 凍脹試驗(yàn)

為了分析凍結(jié)對(duì)巖土體密實(shí)度的影響，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]，項(xiàng)目組人員于2016年5月對(duì)土樣進(jìn)行不同溫度的凍脹測(cè)試，凍結(jié)溫度為-5℃、-15℃、-25℃、-35℃。根據(jù)研究成果[17]，凍結(jié)24h之后，不同溫度下凍結(jié)速率均趨于0cm/h，因此，本次試驗(yàn)凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)定為48h，在24h和48h時(shí)讀取凍脹量，凍脹試驗(yàn)結(jié)果見圖7～圖10。

圖7 各試樣凍脹率試驗(yàn)結(jié)果Figure 7 Frost heaving ratio tested result of samples

圖8 凍脹率與巖土成分的關(guān)系Figure 8 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil components

圖9 凍脹率與巖土含水率的關(guān)系Figure 9 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil moisture contents

圖10 凍脹率與巖土密度的關(guān)系Figure 10 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil densities

通過圖7可以看出，滑坡體巖土體凍脹率均大于正常坡段的凍脹率；由圖8～圖10可以看出，土的成分(黏性成分)、含水率、密度都對(duì)凍脹性影響也很大，且影響程度依次減小，土樣凍脹率最大為9.20%。凍脹最直接的影響為土的密度降低，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

4 滑坡機(jī)理分析

季節(jié)性凍土區(qū)排土場(chǎng)滑坡分深層滑坡及淺層滑坡，本處主要研究淺層滑坡。而淺層滑坡因機(jī)理不同，分為沖刷破壞、溜坍、滑塌、融凍泥流和熱融滑塌等幾種破壞類型，而根據(jù)調(diào)查研究，本區(qū)域的淺層滑坡主要為滑塌。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡深度在2～6m，正常坡段邊坡角為25.5°～31°，滑動(dòng)后邊坡坡角為15°～22°，局部可達(dá)5.5°?；麦w巖土成分大多為含雜質(zhì)的黏土，密度及含水率、凍脹率均整體大于穩(wěn)定坡段。

從以上調(diào)查、勘察、測(cè)試、監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)結(jié)果我們可以看出：季節(jié)性凍土區(qū)排土場(chǎng)淺層滑坡由于冬季土層凍結(jié)時(shí)水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移集聚，在漫長(zhǎng)的凍結(jié)過程中，凍結(jié)層集聚了大量地下冰體，加之冬季降水又無法入滲，全部以冰的形式聚集在凍結(jié)層內(nèi)；在暖季氣溫升高后，巖土層從上至下融化，冰融化的水無法入滲，冰融化后致使土層含水率急劇增大，加之凍脹作用引起土密實(shí)性降低，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，容易引起滑坡。

排土場(chǎng)主要巖性為破碎、松散的土石混合物，是典型的散體結(jié)構(gòu)。在力的作用下，其性狀如土，整體性質(zhì)可看做一個(gè)均質(zhì)體，邊坡破壞以(圓)弧形滑動(dòng)和坡頂拉裂破壞為主。

5 結(jié)論

1)排土場(chǎng)滑坡以小規(guī)模滑坡為主，滑坡一般發(fā)生在單個(gè)臺(tái)階以內(nèi)，極少貫穿兩個(gè)臺(tái)階?；w滑動(dòng)后仍難穩(wěn)定，未來仍然會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。

2)滑坡大多發(fā)生在寬平臺(tái)的上臺(tái)階，分析認(rèn)為由于地下水影響，由于寬平臺(tái)的上臺(tái)階離浸潤(rùn)線最近，在凍結(jié)時(shí)水分更容易遷移聚集，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

3)神寶礦區(qū)季節(jié)性溫度影響深度在6m左右，6m以下一年四季溫度基本穩(wěn)定在2.8℃。而凍土(巖土體溫度為0℃)深度在3m左右。

4)滑坡大多發(fā)生在含黏土的坡段。

5)滑坡由于冬季凍結(jié)時(shí)水分聚集，冷季降水無法入滲，水分全部以冰的形式聚集在凍結(jié)層內(nèi)。在暖季氣溫變暖后，冰融化后致使土含水率急劇增大，加之凍脹效應(yīng)導(dǎo)致巖土體密實(shí)度降低，從而引起滑坡。