季节性冻土区露天矿排土场浅层滑坡滑动机理研究

杨永健

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

我国作为世界第三冻土大国，季节性冻土的面积约占全国国土面积的55%[1]。季节性冻土地区是我国露天煤矿最为集中的区域[2]。季节性冻土区边坡由于受冻融循环影响与常规边坡存在较大区别，常见的滑坡机理也不适用于这类滑坡[3-5]。由于不考虑冻融循环等因素的影响，常规分析评价方法不适用于季节性冻土地区排土场滑坡稳定性分析，评价结果准确性不高，常见的滑坡机理也不适用于这类滑坡，因此，冻融循环对露天矿排土场边坡稳定性影响机理需要进一步研究。

土体结构在冻融循环影响下，自身强度会发生变化[6-8]，但冻融循环对排土场边坡影响机理尚不清楚。在关于“冻融作用”的研究上，前人一方面基于冻胀和融沉对工程影响的考虑,大量的研究都致力于建立冻胀和融沉的预报模型[9]。另一方面,人们在一定程度上也认识到了冻融作用作为强风化过程对土的工程性质会产生较大影响[10-13]。但是对于冻融导致的土工程性质尤其是其力学性质的变化研究的并不很多，而且目前已有的成果也比较分散，迄今没有系统的总结和现状分析。冻融循环对露天矿排土场边坡的影响至今鲜有涉及。

季节性冻土区边坡稳定性评价很难考虑冻融影响，边坡按设计堆排(刷坡)后仍然经常发生滑坡。排土场边坡由于排弃物比较松散，受冻融及降雨影响显著，且排土场边坡滑坡将破坏排土场设施，严重影响排土场的堆排效果、给绿化造成困难。排土场边坡作为露天矿开采的重要组成部分，其稳定性是保证矿产安全开采的前提，所以，研究季节性冻土地区露天矿排土场浅层滑坡滑动机理显得重要而紧迫。本文以神宝矿区排土场浅层滑坡为研究对象，通过现场调查、监测、坑探结合室内物理力学试验及冻融试验，分析了季节性冻土区露天矿排土场浅层滑坡滑动机理[14]。

1 区域概况

本区属大陆性亚寒带气候，经常遭受西伯利亚寒流的袭击。春秋两季风较多，风力较大，冬季严寒，夏季较热，年平均气温-2.6℃，最高气温37.7℃，最低气温-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，小时最大降水量31.7mm，连续降水日数12d,年平均蒸发量1 344.8mm。

排土场是堆放由于采煤而开挖煤层上覆岩土体的场所，排弃物是岩土体的混合松散体，一般下部是按采剥顺序排弃，上部覆盖黏土，以利于植被生长，生态恢复。

据往勘探资料，气象资料以及地温观测表明：该区季节性冻土深度为2.41m，永久性冻土厚度2～4m，最大厚度5.7m[15]。

2 现场调查及试验

2.1 边坡变形调查

2015年4月和2016年4月项目组相关人员两次对神华宝日希勒露天矿两个外排土场进行了现场调查，主要调查排土场滑坡发生时间、地点、坡面特点、岩土体含水情况等。通过现场调查，主要有以下结论：

1)坡面下部含水率高，顶部含水率低；黏土或含黏土的砂砾石层含水率高，粉土含水率低。

2)窄平台上部边坡稳定性好，宽平台上部边坡稳定性差。

3)滑坡大多为表层滑坡，角度很小但仍然很难稳定。

4)平台积水对表层滑坡影响小，如造成滑坡，规模一般较大。

2.2 边坡现场勘察

为了更直观地观察滑坡特征、边坡内部水分迁移聚集情况及颗粒组成等特征，为分析边坡稳定性影响因素提供基础资料，2016年4月15—20日对现场进行了坑槽探勘察，共布设7个探坑，每个探坑取样3～8件，探坑揭露情况见表1。

表1 探坑情况统计

现场勘察发现，滑坡体大部分为黏土边坡或含黏土边坡，粉质或砂质边坡稳定性较好。而滑体内一般含水率较高，开挖困难，而正常边坡内含水率低，开挖容易，揭露的土体含冰情况见图1、图2。

图1 裂隙中的冰Figure 1 Ice in fissures

图2 土壤中的冰Figure 2 Ice in soil

2.3 地温监测

为了查清冻融深度及冻融过程中温度场的变化，监测整个冻融过程中温度场的发展变化，为冻融分析提供基础资料，课题组在现场布设了地温监测孔，对现场地温进行了长时间连续监测。根据资料，本地冻融深度一般小于7m，本次监测深度为15m，10m以内每0.5m一个监测点，10～15m每1m一个监测点。经过一年的监测，监测结果如图3所示。

图3 地温监测结果Figure 3 Ground temperature monitoring result

根据监测结果，10月份土体开始冻结，1月底至2月初气温最低，冻结深度最大，次年4月开始消融，次年5月冻土基本全部消融。季节性温度影响深度在6m左右，6m以下一年四季温度基本稳定在2.8℃。而冻土(岩土体温度为0℃)深度在3m左右。

3 室内试验

3.1 常规物理力学试验

为了查清滑坡体物理力学性质，2016年5月委托陕西罗克岩土工程检测有限公司对探坑试样进行了土常规试验及直剪试验，主要测定其密度、含水率、成分、抗剪强度等。由于土样埋深均在2m以内，直接采用小压力快速剪切方法。试验结果见图4～图6。

图4 天然密度试验结果Figure 4 Natural density tested result

图5 含水率试验结果Figure 5 Moisture tested result

图6 内摩擦角试验结果Figure 6 Internal friction angle tested result

沿深度的试验结果显示，土体含水率表层(20cm)较低，表层以下有个相对高含水率层位，之下含水率没有大的差异。而滑体内含水率都比正常边坡含水率高，滑体内土体密度也同样大于滑体外土体。

由图4可以看出，稳定坡段岩土体天然密度为1.6～1.64g/cm3，而滑坡体的天然密度大多在1.69～1.77g/cm3；由图5可以看出，稳定坡段岩土体天然含水率为17.5%～22.5%，而滑坡体的天然含水率在26.6%～33.3%，滑坡体密度及含水率均整体大于稳定坡段。

从直剪试验结果可以看出，粘聚力没有很强的规律性，而内摩擦角滑体内土体相对正常边坡较小，不在滑体内的T3和T7内摩擦角为24°左右，而滑体内的内摩擦角大部分在9.9°～19.1°。

3.2 冻胀试验

为了分析冻结对岩土体密实度的影响，参照相关标准[16]，项目组人员于2016年5月对土样进行不同温度的冻胀测试，冻结温度为-5℃、-15℃、-25℃、-35℃。根据研究成果[17]，冻结24h之后，不同温度下冻结速率均趋于0cm/h，因此，本次试验冻结时长定为48h，在24h和48h时读取冻胀量，冻胀试验结果见图7～图10。

图7 各试样冻胀率试验结果Figure 7 Frost heaving ratio tested result of samples

图8 冻胀率与岩土成分的关系Figure 8 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil components

图9 冻胀率与岩土含水率的关系Figure 9 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil moisture contents

图10 冻胀率与岩土密度的关系Figure 10 Relationship between frost heaving ratio and rock,soil densities

通过图7可以看出，滑坡体岩土体冻胀率均大于正常坡段的冻胀率；由图8～图10可以看出，土的成分(黏性成分)、含水率、密度都对冻胀性影响也很大，且影响程度依次减小，土样冻胀率最大为9.20%。冻胀最直接的影响为土的密度降低，从而导致土体强度降低。

4 滑坡机理分析

季节性冻土区排土场滑坡分深层滑坡及浅层滑坡，本处主要研究浅层滑坡。而浅层滑坡因机理不同，分为冲刷破坏、溜坍、滑塌、融冻泥流和热融滑塌等几种破坏类型，而根据调查研究，本区域的浅层滑坡主要为滑塌。

根据现场调查，滑坡深度在2～6m，正常坡段边坡角为25.5°～31°，滑动后边坡坡角为15°～22°，局部可达5.5°。滑坡体岩土成分大多为含杂质的黏土，密度及含水率、冻胀率均整体大于稳定坡段。

从以上调查、勘察、测试、监测、试验结果我们可以看出：季节性冻土区排土场浅层滑坡由于冬季土层冻结时水分不断向冻结锋面迁移集聚，在漫长的冻结过程中，冻结层集聚了大量地下冰体，加之冬季降水又无法入渗，全部以冰的形式聚集在冻结层内；在暖季气温升高后，岩土层从上至下融化，冰融化的水无法入渗，冰融化后致使土层含水率急剧增大，加之冻胀作用引起土密实性降低，从而导致土体强度降低，容易引起滑坡。

排土场主要岩性为破碎、松散的土石混合物，是典型的散体结构。在力的作用下，其性状如土，整体性质可看做一个均质体，边坡破坏以(圆)弧形滑动和坡顶拉裂破坏为主。

5 结论

1)排土场滑坡以小规模滑坡为主，滑坡一般发生在单个台阶以内，极少贯穿两个台阶。滑体滑动后仍难稳定，未来仍然会出现滑动。

2)滑坡大多发生在宽平台的上台阶，分析认为由于地下水影响，由于宽平台的上台阶离浸润线最近，在冻结时水分更容易迁移聚集，导致滑坡发生。

3)神宝矿区季节性温度影响深度在6m左右，6m以下一年四季温度基本稳定在2.8℃。而冻土(岩土体温度为0℃)深度在3m左右。

4)滑坡大多发生在含黏土的坡段。

5)滑坡由于冬季冻结时水分聚集，冷季降水无法入渗，水分全部以冰的形式聚集在冻结层内。在暖季气温变暖后，冰融化后致使土含水率急剧增大，加之冻胀效应导致岩土体密实度降低，从而引起滑坡。