高寒地区尾矿库冻土分布及冻融规律研究

陈荣健 张诏飞 席 伟 闻 磊

(1.伊春鹿鸣矿业有限公司,黑龙江 伊春 152500;2.中铁资源集团勘察设计有限公司,河北 廊坊 065000;3.石家庄铁道大学工程力学系,河北 石家庄 050000)

冻土是指具有负温或零温度并含有冰的土(岩),在我国高海拔、高纬度等寒冷地区广泛分布[1]。受冻土分布影响,高寒区尾矿库在尾矿力学性质、库区渗流、坝体稳定等方面具有鲜明的特点[2-6]。因此,进行高寒尾矿库冻土方向的研究具有重要的实际意义。

在冻土对尾矿库的影响方面,学者们进行了相关探讨。赵媛[7]建立了河北某含冰尾矿库的三维数值模型,进行渗流稳定分析,得出冻土分布对库区渗流场形成的影响规律;杨永浩[8]采用试验方法,对冻融循环条件下尾矿的物理力学性质进行研究,得到冻结尾矿的破坏形式和渗透性能变化规律;刘友能等[9]对冻融前后的尾矿土分别进行常规三轴固结不排水剪切试验,得到了反复冻融条件下尾矿土的强度弱化规律;沈楼燕[10]从冻土的角度出发,结合堆坝、库容等问题,探讨了高寒地区尾矿库设计工作应当注意的问题。

另一方面,库区冻土的形成和变化为动态过程,随气候条件、放矿活动、筑坝条件的变化而改变。郭天勇等[11]详细论述了库区冻土及冬季放矿的特点和危害,并针对库内冻土可能引起的渗流、坝体变形等问题,提出了尾矿堆积坝冬季放矿冻结计算方法;刘石桥等[12]从冻土的概念出发,论述了冻土在尾矿库的形成过程中对尾矿库的危害,并提出了一些防治措施;冯晓莉等[13]研究了三江源地区气象观测站的逐日冻土深度、平均气温、降雨量等数据,揭示了地区季节性冻土的冻融时间、冻结深度时空分布特征等与气候变化的关系。可见,目前的冻土研究多关注于冻土的形成条件以及冻土对尾矿库的危害程度评价,对于冻土在库区的分布特征及冻融变化规律的研究则较少。

本研究以小兴安岭地区某尾矿库为例,采用钻探、井温测试等方法,揭示了库区冻土的分布、冻融变化与季节变化、放矿筑坝等之间的关系,为尾矿库的渗流分析、稳定性评价及放矿筑坝优化设计等提供了依据,可为高寒地区尾矿库冻土研究提供参考。

1 工程实例

1.1 尾矿库概况

尾矿库位于小兴安岭地区,北纬47.35°,冬季寒冷漫长,夏季湿热短暂,年平均气温仅为2.3 ℃,库内封冰期在每年的9 月下旬,翌年3 月上旬为解冰期,冰层逐渐融化。1 月份最冷,平均气温-23.8 ℃,最低气温-42.6 ℃。

尾矿库为山谷型尾矿库,由中部山脊分为1#库和2#库,采用湿排法和上游法放矿筑坝,二库初期坝均为透水堆石坝,坝顶标高均为440 m,当坝顶标高达到460 m 时,二库合成一库。设计总坝高为198 m,总库容为4.29×108m3,为二等尾矿库。尾矿堆积坝采取上游式筑坝,每期子坝高3.0 m,年上升高度6～8 m。

尾矿库排放量(尾矿)1 500 万t/a,入库尾矿细度-200 目约60%。放矿方式分为3 个典型阶段:2017 年以前为全尾放矿期;2017—2018 年为旋流器放矿初期,采用FX350 旋流器进行放矿筑坝(坝顶标高456.0 m、滩顶标高451.0 m 及以上),底流管在坝前处放矿、溢流管在库内70 m 以外进行放矿;2019年以后为新型放矿筑坝期,在非冰冻期应采用旋流器分级分区放矿筑坝工艺,在冰冻期放矿筑坝采用全尾库内集中放矿方式,尾矿经输送上坝后经支管延伸至坝前一定距离放矿,放矿时采用支管后退式操作方式。

1.2 尾矿库勘察

2020 年年初,堆积坝坝顶高程473.0 m,总坝高70 m,已达到设计总坝高的1/3 以上,矿方安排了尾矿坝的稳定性评价工作。为提供基础地质数据,同时为查明库区尾矿沉积和冻土分布规律,对堆积坝体和库内重点区域开展了勘探工作,勘探点布置见图1。

图1 勘探点平面布置Fig.1 Layout plan of exploration points

勘探方法以库区滩面调查和钻探为主,同时采用井温测试法(假井温)验证钻探揭露的冻土发育情况,在钻孔终孔后安装薄壁PVC 管,放置24 h 后,采用温敏电阻式传感器测试钻孔内不同深度内的温度。正常条件下,井温曲线应为连续分布的平滑曲线,受冻土造成的低温影响,平滑曲线在对应深度内形状变化,以此作为判断冻土发育的标志,和钻探揭露的冻土发育深度相互验证。图2 为无冻土发育钻孔(图2(a))和有冻土发育钻孔(图2(b))井温测试曲线对比,可以看到,在冻土段落井温曲线发生了显著的变形。

图2 井温测试曲线对比Fig.2 Comparison of well temperature test curves

2 库区冻土发育和分布特征

2.1 冻土发育特征

库内封冰期在每年的9 月下旬,翌年3 月上旬为解冰期,冰层逐渐融化。勘察揭露的滩面冰层最大厚度为4.0 m。因解冰期平均气温仍较低,冰层融化速度缓慢,且冰层多与浮泥混合分布,平缓滩面下库水流速平缓,库内未见流动的浮冰。冰层融化过程中体积减小,释放出部分库容的同时,造成库区孔隙水压力上升,一方面升高了库区和堆积坝体内的浸润线,另一方面造成尾矿库回水量增大,要求排洪系统具备更高的承压能力和排洪能力[11-12]。

从滩面调查(图3(a))和钻探揭露(图3(b))的情况来看,库区冻土的成分主要为尾粉砂,肉眼可见分凝冰、冰层与冻土层呈千层饼状互层排列分布,这种分布特征与冬季间歇性放矿直接相关,放矿期间滩面溢流的尾矿浆温度较高,不易结冰,在后期沉积过程中形成冻土层;非放矿期间,库区水面温度较低,冻结形成条带状冰层。冰条带厚度在20～30 mm 之间,按照含冰特征,应定名为富冰冻土—饱冰冻土。冻土岩芯坚硬,土颗粒被冰层胶结,属于坚硬冻土,遇热融化[14]。

图3 冻土发育形态Fig.3 Development form of frozen soil

2.2 冻土分布特征

根据勘察结果,库区共分布3 层冻土,其分布范围与历史水面大致相近。分布特征见表1,分布范围见图4 和图5。

图4 库内冻土分布Fig.4 Permafrost distribution in the reservoir

图5 勘探线8 库内冻土分布概化剖面Fig.5 Generalized section of permafrost distribution in the library of line 8

表1 冻土层分布特征Table 1 Distribution characteristics of frozen soil layer

续表1

结合坝体堆筑历史,按由浅入深的空间分布关系,对表1 中所展示的3 层冻土进行如下分析:

第1 层冻土为2020—2021 年冬季形成,高程在460.81～471.74 m 之间,厚度在1.0～4.0 m 左右,连续分布在库区中心,与滩顶距离在120～180 m 左右,至520 m 处基本尖灭,但上游仍有零星分布薄层冻土。

第2 层冻土为2018—2019 年冬季形成,高程在453.32～460.47 m 之间,厚度在0.8～2.5 m 左右,连续分布在1#和2#库区,与历史滩顶距离在100～220 m 左右,上游边界大致在距历史滩顶520 m 处。在1#副坝区域,该层冻土距历史滩顶距离较近,大致在70 m 左右,大约在距历史滩顶520 m 距离尖灭。如图6所示。

图6 井温测试等值线图(高程459 m)Fig.6 Isoline map of well temperature test (459 m elevation)

第3 层冻土为2017—2018 年冬季形成,高程在446.63～454.41 m 之间,平缓分布,大部分位置厚度在1.2～3.0 m 之间,仅局部厚度稍大至3.6 m,或稍小至0.5 m。分布连续,与历史滩顶距离多在100～340 m 左右,1#库区该层冻土大致在距历史滩顶500 m 处尖灭,2#库区该层冻土上游边界距历史滩顶距离大致为200～360 m。在1#副坝区域该层冻土已延伸至现状坝体以下,如图7 所示。

图7 井温测试等值线图(高程452 m)Fig.7 Well temperature test contour map (452 m elevation)

从冬季沉积滩面调查结果看,冻土的形成范围下游可达坝前30 m 以内。一方面坝前区域尾矿浆温度较高(约在6 ℃左右);另一方面,坝前区域采用了除冰沟、犁冰等措施,促进了冻土的消融,在该区域未形成多年冻土。从分布趋势上看,多年冻土形成范围大致在距滩顶100～500 m 距离范围内,随坝体向上游堆积,冻土分布范围向库内延伸。

3 冻土的形成和消融规律

每年冬季,滩面冰冻层在融化之前被新排放的矿浆覆盖,因气温较低,被覆盖冻土层的低温难以传导,随着尾矿排放,滩面继续上升,加大冰冻层的埋置深度,形成冻土,冻土层的厚度基本上与冬季放矿滩面上升的高度相同。同时,库区尾矿的渗透性能较差,尾矿固结排水速度较慢,长期处于饱和状态,一方面促进了冻土的形成,另一方面也减缓了冻土的消融速度。随着排尾生产的推进,冻土埋深逐步增大,新覆盖尾矿将冰冻层与寒冷的大气温度相隔绝,形成保温层。

从图6 与图7 对比,库区冻土处于消融过程中,随着时间的推移和埋深的增大,冰冻层的分布范围将逐步缩小。从勘探结果看,库区仅揭露2017—2021年度冬季所形成的3 层冻土,更早年份形成的冻土已基本消融。图5 所展示的剖面图中,钻孔ZK8-3 为2020 年4 月施工,揭露了2017—2019 年冬季形成2层冻土的最下游边界。2021 年3 月,在原ZK8-3 位置1 m 附近的验证孔未揭露以上2 层冻土,证实了冻土的消融现象。另一方面,根据地温监测的一般规律,在地表以下存在一定深度为大气温度影响范围,地温随深度的增加而降低,达到大气影响深度上限后地温基本稳定,随深度的增加而缓慢增加,每100 m深度地温增加约1.0 ℃以下[15]。

图8 为ZK8-3 验证钻孔处所做长期地温监测孔的典型数据曲线,时间段为验证孔终孔后1 个月,地温变化基本稳定下来。在0～15 m 深度,地温逐渐下降,至15～30 m 深度左右,基本稳定在0.5～1.0 ℃范围内,接近冻土的冻结温度,将不利于冻土的进一步融化[16]。库面上升速度6～8 m/a 时,在地温下降至冻结温度附近之前,前2 年冬季形成的冻土能够处于消融过程中。同时,由于冻土层的渗透性能极差[17],库区渗流在冻土层的下游边界处发生绕流,将持续暖化和消融其边界范围。在地温和渗流作用下,历年冻土基本在3 年时间内全部消融。如库面上升速度增加,地温下降速度随之增加,冻土消融的条件变差,库区同时分布的冻土层可能大于3 层,甚至可能出现常年不融化的冰冻层,对库区渗流、库容、坝体安全都将造成进一步的不利影响。

图8 库区地温监测曲线Fig.8 Monitoring curves of ground temperature in the reservoir area

从放矿方式来看,库区揭露的第1 层冻土形成于新型放矿筑坝期,第2 层冻土形成于旋流器放矿初期。从冻土持续消融变化的观点来看,第1 层冻土的范围明显小于第2 层。分析其原因,新型放矿筑坝期采用支管后退式操作方式,高温尾矿浆在库区上游的溢流范围较大,有利于冬季冰冻层的融化;另一方面,与旋流放矿相比,全尾放矿条件下,库区上游尾矿的粒度较大,渗透性能也会相应增加,渗流条件的改善有利于下部冻土层的消融[18]。

4 结论

针对高寒地区尾矿库冻土形成、分布和冻融规律这一问题,以小兴安岭地区某尾矿库为例,采用钻探、井温测试等方法,查明了库区冻土的分布范围,并结合放矿方式、地温监测等数据,分析了冻土的形成和消融规律,并形成了以下主要结论。

(1)库区同时发育3 层冻土,分别为2017—2021年冬季放矿所形成。其分布的下游边界距滩顶距离70～200 m 左右,上游边界距滩顶500 m 以上。冻土层厚度与冬季滩面上升高度基本相同。

(2)冻土发育的边界范围与放矿方式、除冰措施等相关。新型放矿筑坝期采用支管后退式放矿,冻土发育的上游边界较旋流放矿有所后退;坝前区域采用的除冰沟、犁冰等措施,能有效较少冻土发育的下游边界范围。

(3)持续的放矿过程,使得在冬季形成的冻土层之上形成保温层,将冰冻层与寒冷的大气温度相隔绝,保证了冻土的消融环境;同时,库区渗流也加快了冻土的消融过程。

(4)库面上升速度将影响冻土的消融环境,在6～8 m/a 上升速度条件下,库内冻土基本在发育形成后3 年时间内消融完成。如库面上升速度增加,地温下降速度随之增加,冻土消融的条件变差,库区同时分布的冻土层可能大于3 层,甚至可能出现常年不融化的冰冻层,对库区渗流、库容、坝体安全都将造成进一步的不利影响。