0 引言

中国地域辽阔，北方各省和青藏高原属于寒冷地区或季节性冻土区。据有关资料记载，中国多年冻土面积达 2.15×10⁶ km²，占国土面积的 22.3%，并且是世界上多年冻土分布面积的第三大国。随着中国经济的快速发展及西部大开发的不断推进，矿产资源开采加工及基建工程为中国经济建设发展提供必要保障。基建工程涉及范围相当广泛，包括采矿工程、交通工程、房屋建设、隧道工程等。在冻融作用明显地区的工程建设项目都需要通过研究冻融有关方向，为指导下一步施工做技术支撑，所以必须对高寒地区岩土体进行系统梳理和研究。在高寒高海拔地区进行工程建设存在众多特殊的工程地质问题和技术难题，目前已发生过多次在冻融循环作用下岩质边坡冻融滑塌等一系列边坡失稳问题，多年冻土边坡的变形破坏模式主要以坍塌、滑坍和泥石流为主（王加龙，2011；苏伟，2012）。因此，对于大量的铁路或公路工程边坡、露天采矿边坡，如何研究高寒地区冻融对边坡稳定性的影响，并采用有效的方法将其对工程建设的危害程度降到最低，是国内众多科研学者亟须解决的科学问题之一。一般冻土指的是一种温度低于 0℃且空隙中含有冰的岩土体混合物。温度在 0℃及以下的岩体混合物称作寒土。根据其冻结时间可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土，而随着科研学者们对冻土研究的不断深入，进一步将冻结土和冻结岩的研究加以细化区分（母剑桥，2014；金栋，2016）。冻融是指岩土层在温度周期性的变化过程中发生冻胀、融沉及泥流。冻胀是岩土体中的水冻结后体积膨胀而导致地表不均匀隆起的作用，一般会形成冻胀垄岗现象。融沉则是由于冰融化成水后地表出现的下沉现象（王掌权等，2017；闻磊等，2017）。由于大自然四季更替，昼夜循环，导致温度出现正负性差异，会对含水率较高且强度较低的岩土体力学性质产生较大影响。随着温度的循环变化，土体中的水由一种物理状态转变为另一种物理状态，其间土体会依次出现冻胀和融沉现象。另外，在冻融循环条件下，岩土体冻胀后出现新的损伤（如微裂缝的扩展和发育），当融沉后损伤不可逆转，而冻融循环作用下，会对岩土体的结构及完整性产生显著影响，从而劣化其力学性质（陈涛，2019；张云龙等， 2019）。因此冻融对岩土体结构的影响是中国西部工程建设中必须考虑的因素之一。

对于冻土地区的边坡损坏及防控技术一直是工程界长期关注的课题，由于中国西部及东北省份地理纬度高，都具有季节性冻土和常年冻土地区。故在高寒地区的边坡设计方法和灾害防治措施等方面进行了大量的研究，形成的技术指南为后续科研工作提供必要指导（宋彦琦等，2020；张卢霞， 2020）。

目前中国有关常温及高温地区边坡稳定性分析及边坡变形监测研究成果相对较多，对于冻土的力学特性、冻胀及融沉变形研究方面也颇为丰富，而结合边坡工程理论和冻土力学进行高寒地区的边坡稳定性的研究较少，研究对象主要集中于寒区小尺寸公路边坡等，对寒区露采边坡的冻融灾害研究非常少，本次将对高寒高海拔地区的西藏某铜多金属矿边坡进行冻融稳定性分析，为后续开展相关方面的研究工作提供一定的技术指导。

1 冻融边坡滑动模式分析

冻土是一种特殊类型的土体，它的许多物理力学性质与其内部结构、温度、含水率及其所处的环境密切相关。这是一种对温度高度敏感且性质较不稳定的土体。温度变化对边坡稳定性的影响，主要表现在冻融循环作用下，岩土发生冻融损伤，导致边坡发生失稳垮塌。季节变化和昼夜循环对岩土力学特性有显著影响，特别是对强度较低且含水率较高的岩土体力学特性影响更大。融化后土体的下部冻结层是近似不透水层，上层融化的水无法渗透，导致上层土壤含水量饱和，从而导致土体抗剪强度显著下降。在冻结层与融沉后的土体交界处，水沿交界面流动，土体泥化效果明显，最终导致融冻泥流和热融崩塌等灾害。这种类型的多年冻土区滑坡模式属于平面浅层破坏。

冻土边坡的研究始于自然边坡。对于冻土边坡失稳类型的研究，初步将其分为以流动、滑动和崩塌为主的土体运动3种类型。由于蠕变特征同样是冻土的重要特征，蠕变失稳也应是其类型之一。滑动和崩塌型边坡的失稳破坏现象是多年冻土区普遍存在的一种类型。其发育过程根据地形可分为冰缘碎屑流动滑动和普通多年冻土区的热融崩塌。牛富俊等对青藏公路和青藏铁路沿线不同时期的多年冻土工程进行了地质调查，分析了青藏公路沿线多年冻土斜坡区边坡失稳的常见类型及特征。他们认为，冻土边坡的失稳可分为两种类型：正冻土滑坡和正融土滑坡。正融土滑坡包括两种类型：融化泥石流和热融化崩塌；正冻土滑坡包括两种类型：蠕变型滑坡和崩塌型滑坡。热融崩塌是青藏高原多年冻土区边坡失稳的一种独特形式。其滑动规模和速度远小于一般滑坡，但在多年冻土区较为常见。冻融的反复作用会影响寒区边坡的稳定性。杨更舍等根据失稳原因将兰州黄土寒区边坡失稳类型分为冻融滑坡、冻融滑坡和冻融滑坡 3种类型（表1）。

在正冻滑坡的情况下，冻结滞水型滑坡是寒区边坡滑坡的一种独特类型。正冻滑坡又可分为融化泥石流和热融化崩塌两种类型，是寒区边坡特有的冻融灾害。冻融滑坡主要是由岩质边坡的崩塌和岩屑的滑动引起的。这是由于岩体的长期冻融损伤和强度劣化，影响了运输和采矿工程的安全。

地表崩塌破坏模式是岩质边坡长期冻融作用的主要表现形式。对于土质边坡，在融化过程中，土体含水量增加，抗剪强度降低；夏季降雨集中，冻融效应使上层土壤水分迁移，增加了含水量和透气性。多种因素的综合作用降低了寒区土壤边坡的稳定性。冻融循环作用下岩质边坡的破坏主要是地形、地质等内部因素与降雨、热变形、冻融效应等外部因素共同作用的结果。刘全胜等对岩石冻融破坏机理进行了研究，认为岩石冻融破坏的基本模式有：片落模式和裂纹模式。

在中国极端寒冷条件下的一些公路岩质边坡破坏案例中，常见的不良地质灾害模式主要是冻融崩塌。由于岩质边坡在冻融作用下的破坏主要是由滑动引起的，其破坏机制是冻融、重力、地形和坡度等因素共同作用的结果。

从北海道丰滨隧道洞口岩体垮塌实例可以看出：北海道地区岩质边坡破坏规模普遍在1000 m³ 以下，主要表现为浅层破坏，平均深度为2~3 m，浅层破坏频率很高。根据北海道气温情况和现场测量结果显示，地表冻结深度一般在2 m以内，冻融直接造成的破坏一般仅限于地表。主要原因是在寒冷地区，冻结和融化过程使岩体强度降低，导致边坡出现裂缝，造成岩质边坡垮塌等破坏。这种损伤破坏频繁发生，一般属于小尺度表层损伤。如果是由地下水、地震等外部因素引起，也可能发生大规模破坏。

通常，在寒冷条件下岩石崩塌事故相对罕见，因为岩石在低温下的强度高于正常温度下的强度，而地下水和地表水的活动在低温下受到限制。在融化期岩石容易发生坍塌。这些地区的岩质边坡主要表现为浅层破坏。这种效应对于含水量高、结构面较发育的边坡破坏是显著的。当然，也有大规模滑坡，主要是由于岩质边坡坡面冻结导致地下水位上升，裂隙面水压增大，从而诱发边坡破坏。在融化期，积雪和冻结岩体融化，容易发生边坡坍塌，这些地区的岩质边坡主要表现为浅层破坏。冻融循环作用易降低边坡的稳定性，导致边坡失稳坍塌。

寒区冻土边坡不同于普通边坡。冻土参数是温度的函数，随环境温度的变化而不断变化。寒区边坡稳定性受多种因素影响，主要分为内部因素和外部因素。内部因素包括：构成边坡的岩土类型和性质、边坡形态、地下水等；外部因素包括气候条件、斜坡植被、人类工程活动等。寒区冻土边坡的稳定性分析不仅包括传统的分析方法，近年来，随着计算机技术的飞速发展，边坡失稳的数值计算方法也悄然兴起并逐渐蓬勃发展。主要对温度场、渗流场和岩土应力场进行耦合分析，同时采用有限元强度折减法对边坡稳定性进行分析。

2 某露天矿山基本概况

2.1 地理位置与交通

如图1 所示，某露天矿行政区划隶属拉萨市墨竹工卡县甲玛乡管辖。地理坐标为：东经91°35′24″~91°37′01″；北纬29°35′12″~29°36′12″。矿区东西长 2600 m，南北宽1800 m，面积为4.68 km²。从矿区沿矿区简易公路北行约 28 km 至 318 国道，向西行 61 km 至拉萨市，东行 6.50 km 至墨竹工卡县，交通尚属方便。

区域地层分区属于冈底斯—腾冲地层区拉萨 —察隅地层分区，分布于拉萨—墨竹工卡一带，从中生代晚三叠世至中侏罗世，地层为一套沉积岩系，岩性主要为沉积碎屑岩、生物碎屑灰岩、页岩等，其中的火山岩成分少，至中侏罗世，火山活动加强，形成了叶巴组钙碱性中酸性火山岩；从晚侏罗世至晚白垩世弧间沉积地层广泛发育，分布着晚侏罗世多底沟组—早白垩世林布宗组、门中组、晚白垩世温区组等，地层岩性以沉积碎屑岩和生物碎屑灰岩为主，局部地区或地段夹有火山熔岩或火山碎屑岩，总体上火山岩成分较少；古近纪火山活动急剧加强，形成了该时段具有代表性的林子宗群火山岩，岩性主要为中酸性、钙碱性火山岩；中新世乌郁群主要为一套陆相山间沉积岩系夹少量火山岩，形成环境为山间盆地河湖环境；第四系大量发育，主要为冲积、残坡积、冰碛和冰水碛，以大量发育冰碛物为特征。

2.2 剖面选择

分析剖面是建立地质模型进行边坡稳定性研究的基础，分析剖面的布置应遵循以下原则：

（1）剖面走向应垂直于露天边坡走向；

（2）剖面应布置在露天采场各分区内有代表性的最危险的位置，如最高边坡、断层破碎带、软弱夹层、富水岩层等位置；

（3）剖面应布置在工程及水文地质资料比较完整的区域，才能保证推测剖面岩性分布以及工程水文地质条件更符合矿山实际情况；

因此，选取露天矿山北采场A1剖面进行冻融循环后的稳定性分析计算，如图2所示，该分区标高为 5180～5360 m，边坡形态为直线+弧线型山坡-凹陷边坡，岩组分布特征以第四系覆盖层少量分布，岩组主要为中侏罗世叶巴组灰岩、矽卡岩和凝灰岩。

2.3 岩土体力学参数选取

通过对某矿区边坡岩石物理力学试验参数的工程处理，综合选取的岩体物理力学参数如表2 所示。由于矿区地形有利于自然排水，矿床水文地质条件属简单类型，地下水对边坡稳定性的影响较小，且岩体质量工程地质评价和岩体力学参数研究过程中，已经考虑了地下水对边坡的影响因素，因此，岩体物理力学参数选取时，未考虑饱水状态时的参数值。

第四系土体分布于地表，厚度较薄，且分布不连续，土体物理力学参数值的选取将考虑雨季时的最不利状态—饱水状态。

强风化岩体分布于地表，仅局部被第四系覆盖，且厚度较薄，因此强风化岩体物理力学参数值采用第四系土体参数值。

断层破碎带由于未做专门的试验研究，岩土体物理力学参数值将按照经验选取，介于第四系土体和中风化岩体参数值之间，比自然状态第四系土体参数值稍高。

冻融循环 30 次岩土体物理力学参数选取的原则：

（1）冻土层参数参考冻土中型直剪试验结果取值；

（2）断层破碎带冻结层由于未做专门的试验研究，岩土体物理力学参数值将按照经验选取，介于第四系土体和中风化岩体参数值之间，比自然状态第四系土体参数值稍高。

冻融循环 30 次后的岩体物理力学参数如表3 所示

3 边坡冻融影响的极限平衡分析

以A1剖面为研究对象，逐次按1°提高剖面最终边坡角，各剖面最终边坡角依次为 60°、61°、62°、 63°、64°、65°，基于极限平衡法，分别计算冻融前及冻融后安全系数，安全系数汇总于表4，计算结果如图3所示。

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

a—冻融前；b—冻融后；1—第四系冻土；2—灰岩（MW-N-A）；3—灰岩（SW-N-A）；4—矽卡岩（MW-N-A）；5—凝灰岩（MW-N-A）；6—凝灰岩 （SW-N-A）；7—断层破碎带

由表4及图4~9可知，随着边坡角度不断增加，冻融前后的边坡安全系数逐渐降低，冻融前下降幅度为 16.2%～32.6%，冻融后下降幅度为 15.2%～28.2%；冻融后边坡整体安全系数较冻融前下降 0.86%～3.32%，冻融对边坡整体稳定性有一定的影响。综上所述，冻融作用后，边坡岩体黏聚力及内摩擦角有所下降，从而降低边坡整体稳定性。

4 结论

基于极限平衡法及冻融影响分析方法，选取了某露天矿北采场A1剖面为研究对象，通过调整边坡角度，进行了不同边坡角的稳定性研究，研究结论如下：

（1）随着边坡角度不断增加，冻融前后的边坡安全系数逐渐降低，冻融前下降幅度为 16.2%～32.6%，冻融后下降幅度为15.2%～28.2%；

（2）冻融作用后，边坡岩体黏聚力及内摩擦角有所下降，冻融后边坡整体安全系数较冻融前下降 0.86%～3.32%，冻融对边坡整体稳定性有一定的影响。

（3）研究成果对冻土地区边坡损坏及防控具有一定的指导及参考价值。

参考文献