高寒地區(qū)尾礦庫(kù)凍土分布及凍融規(guī)律研究

陳榮健 張?jiān)t飛 席 偉 聞 磊

(1.伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司,黑龍江 伊春 152500;2.中鐵資源集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司,河北 廊坊 065000;3.石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系,河北 石家莊 050000)

凍土是指具有負(fù)溫或零溫度并含有冰的土(巖),在我國(guó)高海拔、高緯度等寒冷地區(qū)廣泛分布[1]。受凍土分布影響,高寒區(qū)尾礦庫(kù)在尾礦力學(xué)性質(zhì)、庫(kù)區(qū)滲流、壩體穩(wěn)定等方面具有鮮明的特點(diǎn)[2-6]。因此,進(jìn)行高寒尾礦庫(kù)凍土方向的研究具有重要的實(shí)際意義。

在凍土對(duì)尾礦庫(kù)的影響方面,學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)探討。趙媛[7]建立了河北某含冰尾礦庫(kù)的三維數(shù)值模型,進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析,得出凍土分布對(duì)庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)形成的影響規(guī)律;楊永浩[8]采用試驗(yàn)方法,對(duì)凍融循環(huán)條件下尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,得到凍結(jié)尾礦的破壞形式和滲透性能變化規(guī)律;劉友能等[9]對(duì)凍融前后的尾礦土分別進(jìn)行常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),得到了反復(fù)凍融條件下尾礦土的強(qiáng)度弱化規(guī)律;沈樓燕[10]從凍土的角度出發(fā),結(jié)合堆壩、庫(kù)容等問(wèn)題,探討了高寒地區(qū)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)工作應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。

另一方面,庫(kù)區(qū)凍土的形成和變化為動(dòng)態(tài)過(guò)程,隨氣候條件、放礦活動(dòng)、筑壩條件的變化而改變。郭天勇等[11]詳細(xì)論述了庫(kù)區(qū)凍土及冬季放礦的特點(diǎn)和危害,并針對(duì)庫(kù)內(nèi)凍土可能引起的滲流、壩體變形等問(wèn)題,提出了尾礦堆積壩冬季放礦凍結(jié)計(jì)算方法;劉石橋等[12]從凍土的概念出發(fā),論述了凍土在尾礦庫(kù)的形成過(guò)程中對(duì)尾礦庫(kù)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(qū)氣象觀測(cè)站的逐日凍土深度、平均氣溫、降雨量等數(shù)據(jù),揭示了地區(qū)季節(jié)性凍土的凍融時(shí)間、凍結(jié)深度時(shí)空分布特征等與氣候變化的關(guān)系?？梢?jiàn),目前的凍土研究多關(guān)注于凍土的形成條件以及凍土對(duì)尾礦庫(kù)的危害程度評(píng)價(jià),對(duì)于凍土在庫(kù)區(qū)的分布特征及凍融變化規(guī)律的研究則較少。

本研究以小興安嶺地區(qū)某尾礦庫(kù)為例,采用鉆探、井溫測(cè)試等方法,揭示了庫(kù)區(qū)凍土的分布、凍融變化與季節(jié)變化、放礦筑壩等之間的關(guān)系,為尾礦庫(kù)的滲流分析、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及放礦筑壩優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了依據(jù),可為高寒地區(qū)尾礦庫(kù)凍土研究提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 尾礦庫(kù)概況

尾礦庫(kù)位于小興安嶺地區(qū),北緯47.35°,冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季濕熱短暫,年平均氣溫僅為2.3 ℃,庫(kù)內(nèi)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(kù)為山谷型尾礦庫(kù),由中部山脊分為1#庫(kù)和2#庫(kù),采用濕排法和上游法放礦筑壩,二庫(kù)初期壩均為透水堆石壩,壩頂標(biāo)高均為440 m,當(dāng)壩頂標(biāo)高達(dá)到460 m 時(shí),二庫(kù)合成一庫(kù)。設(shè)計(jì)總壩高為198 m,總庫(kù)容為4.29×108m3,為二等尾礦庫(kù)。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(kù)排放量(尾礦)1 500 萬(wàn)t/a,入庫(kù)尾礦細(xì)度-200 目約60%。放礦方式分為3 個(gè)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(jìn)行放礦筑壩(壩頂標(biāo)高456.0 m、灘頂標(biāo)高451.0 m 及以上),底流管在壩前處放礦、溢流管在庫(kù)內(nèi)70 m 以外進(jìn)行放礦;2019年以后為新型放礦筑壩期,在非冰凍期應(yīng)采用旋流器分級(jí)分區(qū)放礦筑壩工藝,在冰凍期放礦筑壩采用全尾庫(kù)內(nèi)集中放礦方式,尾礦經(jīng)輸送上壩后經(jīng)支管延伸至壩前一定距離放礦,放礦時(shí)采用支管后退式操作方式。

1.2 尾礦庫(kù)勘察

2020 年年初,堆積壩壩頂高程473.0 m,總壩高70 m,已達(dá)到設(shè)計(jì)總壩高的1/3 以上,礦方安排了尾礦壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作。為提供基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù),同時(shí)為查明庫(kù)區(qū)尾礦沉積和凍土分布規(guī)律,對(duì)堆積壩體和庫(kù)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展了勘探工作,勘探點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 勘探點(diǎn)平面布置Fig.1 Layout plan of exploration points

勘探方法以庫(kù)區(qū)灘面調(diào)查和鉆探為主,同時(shí)采用井溫測(cè)試法(假井溫)驗(yàn)證鉆探揭露的凍土發(fā)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(cè)試鉆孔內(nèi)不同深度內(nèi)的溫度。正常條件下,井溫曲線應(yīng)為連續(xù)分布的平滑曲線,受凍土造成的低溫影響,平滑曲線在對(duì)應(yīng)深度內(nèi)形狀變化,以此作為判斷凍土發(fā)育的標(biāo)志,和鉆探揭露的凍土發(fā)育深度相互驗(yàn)證。圖2 為無(wú)凍土發(fā)育鉆孔(圖2(a))和有凍土發(fā)育鉆孔(圖2(b))井溫測(cè)試曲線對(duì)比,可以看到,在凍土段落井溫曲線發(fā)生了顯著的變形。

圖2 井溫測(cè)試曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of well temperature test curves

2 庫(kù)區(qū)凍土發(fā)育和分布特征

2.1 凍土發(fā)育特征

庫(kù)內(nèi)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(kù)水流速平緩,庫(kù)內(nèi)未見(jiàn)流動(dòng)的浮冰。冰層融化過(guò)程中體積減小,釋放出部分庫(kù)容的同時(shí),造成庫(kù)區(qū)孔隙水壓力上升,一方面升高了庫(kù)區(qū)和堆積壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線,另一方面造成尾礦庫(kù)回水量增大,要求排洪系統(tǒng)具備更高的承壓能力和排洪能力[11-12]。

從灘面調(diào)查(圖3(a))和鉆探揭露(圖3(b))的情況來(lái)看,庫(kù)區(qū)凍土的成分主要為尾粉砂,肉眼可見(jiàn)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(guān),放礦期間灘面溢流的尾礦漿溫度較高,不易結(jié)冰,在后期沉積過(guò)程中形成凍土層;非放礦期間,庫(kù)區(qū)水面溫度較低,凍結(jié)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(yīng)定名為富冰凍土—飽冰凍土。凍土巖芯堅(jiān)硬,土顆粒被冰層膠結(jié),屬于堅(jiān)硬凍土,遇熱融化[14]。

圖3 凍土發(fā)育形態(tài)Fig.3 Development form of frozen soil

2.2 凍土分布特征

根據(jù)勘察結(jié)果,庫(kù)區(qū)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(jiàn)表1,分布范圍見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 庫(kù)內(nèi)凍土分布Fig.4 Permafrost distribution in the reservoir

圖5 勘探線8 庫(kù)內(nèi)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(xù)表1

結(jié)合壩體堆筑歷史,按由淺入深的空間分布關(guān)系,對(duì)表1 中所展示的3 層凍土進(jìn)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(xù)分布在庫(kù)區(qū)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(xù)分布在1#和2#庫(kù)區(qū),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(qū)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(cè)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(xù),與歷史灘頂距離多在100～340 m 左右,1#庫(kù)區(qū)該層凍土大致在距歷史灘頂500 m 處尖滅,2#庫(kù)區(qū)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(qū)域該層凍土已延伸至現(xiàn)狀壩體以下,如圖7 所示。

圖7 井溫測(cè)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(diào)查結(jié)果看,凍土的形成范圍下游可達(dá)壩前30 m 以內(nèi)。一方面壩前區(qū)域尾礦漿溫度較高(約在6 ℃左右);另一方面,壩前區(qū)域采用了除冰溝、犁冰等措施,促進(jìn)了凍土的消融,在該區(qū)域未形成多年凍土。從分布趨勢(shì)上看,多年凍土形成范圍大致在距灘頂100～500 m 距離范圍內(nèi),隨壩體向上游堆積,凍土分布范圍向庫(kù)內(nèi)延伸。

3 凍土的形成和消融規(guī)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(dǎo),隨著尾礦排放,灘面繼續(xù)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(shí),庫(kù)區(qū)尾礦的滲透性能較差,尾礦固結(jié)排水速度較慢,長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài),一方面促進(jìn)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(chǎn)的推進(jìn),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(duì)比,庫(kù)區(qū)凍土處于消融過(guò)程中,隨著時(shí)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(jié)果看,庫(kù)區(qū)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(yàn)證孔未揭露以上2 層凍土,證實(shí)了凍土的消融現(xiàn)象。另一方面,根據(jù)地溫監(jiān)測(cè)的一般規(guī)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(dá)到大氣影響深度上限后地溫基本穩(wěn)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(yàn)證鉆孔處所做長(zhǎng)期地溫監(jiān)測(cè)孔的典型數(shù)據(jù)曲線,時(shí)間段為驗(yàn)證孔終孔后1 個(gè)月,地溫變化基本穩(wěn)定下來(lái)。在0～15 m 深度,地溫逐漸下降,至15～30 m 深度左右,基本穩(wěn)定在0.5～1.0 ℃范圍內(nèi),接近凍土的凍結(jié)溫度,將不利于凍土的進(jìn)一步融化[16]。庫(kù)面上升速度6～8 m/a 時(shí),在地溫下降至凍結(jié)溫度附近之前,前2 年冬季形成的凍土能夠處于消融過(guò)程中。同時(shí),由于凍土層的滲透性能極差[17],庫(kù)區(qū)滲流在凍土層的下游邊界處發(fā)生繞流,將持續(xù)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(shí)間內(nèi)全部消融。如庫(kù)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(kù)區(qū)同時(shí)分布的凍土層可能大于3 層,甚至可能出現(xiàn)常年不融化的冰凍層,對(duì)庫(kù)區(qū)滲流、庫(kù)容、壩體安全都將造成進(jìn)一步的不利影響。

圖8 庫(kù)區(qū)地溫監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Monitoring curves of ground temperature in the reservoir area

從放礦方式來(lái)看,庫(kù)區(qū)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(xù)消融變化的觀點(diǎn)來(lái)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(kù)區(qū)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(kù)區(qū)上游尾礦的粒度較大,滲透性能也會(huì)相應(yīng)增加,滲流條件的改善有利于下部?jī)鐾翆拥南赱18]。

4 結(jié)論

針對(duì)高寒地區(qū)尾礦庫(kù)凍土形成、分布和凍融規(guī)律這一問(wèn)題,以小興安嶺地區(qū)某尾礦庫(kù)為例,采用鉆探、井溫測(cè)試等方法,查明了庫(kù)區(qū)凍土的分布范圍,并結(jié)合放礦方式、地溫監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù),分析了凍土的形成和消融規(guī)律,并形成了以下主要結(jié)論。

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

(3)持續(xù)的放礦過(guò)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(huán)境;同時(shí),庫(kù)區(qū)滲流也加快了凍土的消融過(guò)程。

(4)庫(kù)面上升速度將影響凍土的消融環(huán)境,在6～8 m/a 上升速度條件下,庫(kù)內(nèi)凍土基本在發(fā)育形成后3 年時(shí)間內(nèi)消融完成。如庫(kù)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(kù)區(qū)同時(shí)分布的凍土層可能大于3 層,甚至可能出現(xiàn)常年不融化的冰凍層,對(duì)庫(kù)區(qū)滲流、庫(kù)容、壩體安全都將造成進(jìn)一步的不利影響。