青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

青藏高原多年冻土区斜坡类型及典型斜坡稳定性研究

冻土区斜坡稳定性是青藏高原工程建设必须面对和解决的问题之一. 介绍了青藏高原多年冻土区斜坡失稳的主要类型, 包括崩塌型、蠕变型、泥流阶地型、表土植被层蠕滑型及热融滑塌型等. 其中热融滑塌型对于高原环境、尤其是植被及工程的危害最为显著, 该类斜坡的诱发因素一般为工程开挖或工程活动对冻土的热扰动, 斜坡失稳的根本原因在于多年冻土融化后强度的减弱或丧失. 在分析了热融滑塌型滑坡失稳机理的基础上, 提出了滑坡治理的原则与工程措施方案建议.     

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

全球变暖、极端天气频发,引发的地质灾害对自然生态环境和人类生产生活造成了很大的影响。尤其对气候变化较为敏感的高温（年平均地温>-1 °C）和高含冰量多年冻土区,气候变暖以及人类活动导致的冻融地质灾害日益频繁。冻土退化条件下,土体结构和物理力学性质发生改变,黏聚力和抗剪强度降低,造成多年冻土区斜坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。斜坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建（构）筑物安全运营产生威胁。与非冻土区相比,多年冻土区斜坡稳定性研究主要针对高含冰量斜坡段,斜坡失稳模式主要以热融滑塌和活动层滑脱为主。热融滑塌由斜坡段地下冰暴露融化引起,而活动层滑脱产生的原因是冻土融化导致土体孔隙水压力过大,形成的超孔隙水压力降低了土体强度,造成斜坡失稳。此外,多年冻土区斜坡失稳模式还包括融冻泥流、崩塌以及蠕变滑坡等。通过综述近期多年冻土区斜坡稳定性研究进展,概括了多年冻土区斜坡失稳的模式、特征、影响因素、失稳机理、分析方法及防治措施等,并对未来多年冻土区斜坡失稳的研究重点提出建议。     

多年冻土热融滑塌的地温变化及滑坡过程分析

随着青藏高原工程强度的提高,冻土区斜坡稳定性成为工程建设必须面对和解决的问题,其中最为严重也是较难防治的斜坡失稳是热融滑塌.针对典型热融滑塌进行的温度监测资料表明,在滑塌的影响下,其下多年冻土地温年变化幅度趋小而年平均地温升高,导致产生这一现象的原因在于每年进入多年冻土的冷能有所降低.滑坡溯源侵蚀范围监测资料表明,滑塌范围的扩展随地温的周期变化波动进行,并主要集中在7～9月,最大扩展范围出现在沿坡体倾向方向.热融滑塌的产生与多年冻土条件和外因力的诱发关系密切,工程治理要考虑引起滑坡消亡的基本条件.     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

青藏高原多年冻土区两类低角度滑坡灾害形成机理探讨

青藏高原多年冻土区发育的两类低角度滑坡--融冻泥流和热融滑塌是冻融循环条件下特殊的斜坡失稳类型,在广大的非冻土地区一般很难见到这种低角度的滑坡类型。探讨了两类低角度滑坡灾害的形成机理,即质点迁移效应和滞水润滑效应。以摩尔-库仑强度准则为理论基础,应用所推导的沿坡面平行方向渗流条件下安全系数的统一形式,对青藏公路k3035里程热融滑塌体稳定性进行了分析评价,验证了活动层沿厚层地下冰面滑动的“滞水润滑效应”。从环境工程地质学的观点出发,针对热融滑塌这种可控的滑坡地质灾害,提出了基于保护冻土原则的具体的防治措施。     

青藏高原多年冻土区热融滑塌变形现场监测分析

为了了解青藏高原多年冻土区K3035里程热融滑塌体的变形特征,分别在未滑动土体、近滑塌前缘滑体中布设了2个变形监测孔,利用Geokon-603型测斜仪实施了近1 a的变形监测。结果表明,发育在平缓斜坡上的热融滑塌具有明显的变形特征,其位移主要发生在土层浅部,越往深部,位移越小,这一监测结果通过室内数值模拟得到了验证。将阳坡的K3035热融滑塌与阴坡的K3057热融滑塌体的变形做了对比监测,无论是滑塌体后缘还是前缘,前者的滑动变形均显著大于后者。而无热融滑塌发育的斜坡(青藏铁路DK1139)土体变形量极小,这种差异一方面说明了开挖是导致热融滑塌发生的直接因素,另一方面,由于热融滑塌的影响,其后缘相对稳定的原斜坡土体也处于相对较大的蠕变变形之中。     

中国天山西部那拉提山地区多年冻土分布特征

那拉提山位于中国天山西部, 其冻土变化过程对区域自然环境变化、 工程活动产生重要互馈作用. 结合即将修建的新疆伊(宁)-库(车)输电线路前期的冻土勘察结果, 对那拉提山地区冻土分布特性、 主要影响因素等进行了探讨. 结果表明: 那拉提山地区冻土分布属于典型的山地多年冻土, 冻土发育区域、 冻土类型和地下冰空间发育特征及冻土温度状况等主要受到海拔、 地形地貌、 地表水分条件等因素的影响和控制. 同时, 该地区大量发育有泥流阶地、 泥流舌、 热融滑塌、 石环、 石河等冰缘现象. 受坡向、 植被、 水分等因素影响, 区域内冻土活动层厚度为0.7~4.5 m, 随着海拔增加, 冻土厚度由阳坡连续多年冻土下界(海拔3 000 m)附近的约20~22 m增加到海拔3 300 m附近的约70~100 m. 自1985年以来, 区域年平均气温上升(约0.088℃·a^-1), 该区域内的冻土退化趋势明显.     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

基于遥感影像的祁连山区俄博岭热融滑塌发育特征

热融滑塌是山地多年冻土退化最直接的表现形式之一,通过解译祁连山俄博岭地区遥感影像,结合实地考察,对俄博岭热融滑塌的空间分布和时间变化进行了研究,明确了热融滑塌的发育特征。结果表明,俄博岭热融滑塌发育活跃,1997~2015年热融滑塌数量增加(11~13个),面积增大(7765~20605m^2),其中1997~2009年面积增加速率为679.9m^2/a,2009~2015年面积增加速率为780.2m^2/a。通过分析热融滑塌景观分布与地形因子的关系,发现俄博岭热融滑塌在海拔3570~3700m,坡度3°~10°的富冰多年冻土区北向斜坡发育;通过对典型热融滑塌溯源后退速率分析发现,1997~2009年其平均后退速率为2m/a,2009~2015年平均后退速率为5m/a,呈明显增大趋势,且其后退速率主要与坡度、地下冰含量和地表径流相关。     

Behaviour of retrogressive thaw slumps in northern Canada—three-year monitoring results from 18 sites

Eighteen (18) retrogressive thaw slumps (typical landslides in ice-rich permafrost) in northern Canada were monitored for 3 years to investigate the characteristics of their retrogressive behaviour. The head scarp retreat distances and scarp wall heights were measured annually. The first year monitoring results from 13 of the sites were released earlier, which demonstrated a correlation between thaw retrogression rate and scarp wall height. More data were obtained from a subsequent 2 years of monitoring and with five monitoring locations added. The additional data enhanced the initial findings that the retrogression rate increased with the increase of the scarp wall height. An updated correlation between the retrogression rate and scarp wall height is presented in this paper. The effect of slope orientation on thaw slump retrogression was also investigated. The data provided evidence that the occurrence of the retrogressive thaw slumps had no preference over slope orientation. The retrogression rates were also not affected by the slope facing direction.     

Slope instability phenomena in permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau, China

Permafrost covers a significant area of the Qinghai-Tibet Plateau. Slope instability problem in the region was often neglected, though it plays important roles in engineering construction and landform processes. In this paper, the slope instability phenomena in the permafrost regions on the plateau are discussed. The slope failures often occur in the forms of thaw-induced landslides and gelifluction. Thaw-induced landslides are closely related to active layer detachment and changes of permafrost conditions. Such landslides include retrogressive flow and thaw slump and are hazardous to engineering constructions. Gelifluction includes deep-seated movement and surface movement. It is an important factor in landform planation because it may spread over a large area and remain active for a long period of time.     

Thaw-induced slope failures and stability analyses in permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau,China

The distribution of permafrost-related slope failures along the Qinghai-Tibet Highway from Wuddaoliang to Fenghuoshan correlates with ice content, slope gradient, and ground temperature. Slope failures are of two types. (1) Retrogressive thaw slumps result from icy permafrost being exposed by either man-induced excavation or fluvial-thermal erosion and undercutting of basal slopes. (2) Active-layer-detachment failures are caused by thaw of icy permafrost at the active layer-permafrost interface. After initial failure, active-layer-detachment failures can lead to retrogressive thaw-slumping and localized surficial landslide. Common trigger mechanisms for failure include high summer air temperatures and heavy summer precipitation. A third possible trigger mechanism for slope failure is earthquake occurrence. A geotechnical slope stability analysis was undertaken for an active-layer-detachment failure that had progressed into a retrogressive thaw slump. A safety factor (F _s ) of 1.24 for the natural slope was determined using in situ tested strength parameters. However, the slope would lose stability when either the groundwater level over the permafrost table exceeded 1.42 m or seismic acceleration reached, or exceeded, 0.03?g.     

高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

Retrogression characteristics of landslides in fine-grained permafrost soils, Mackenzie Valley, Canada

Thirteen landslides (retrogressive thaw flows) were investigated to study the behavior of thaw retrogression in permafrost in the Mackenzie Valley, Northwest Territories (NWT), Canada. Those landslides are all in fine-grained ice-rich permafrost soils. Such landslides usually start from small-scale slope failures followed by retrogressive thaw flows when ice-rich permafrost soils are exposed to the atmosphere. The landslides were marked with survey stakes to measure their retreat rates for the thawing season of 2007. Two correlations are presented: one is between scarp wall height and retreat rate; another is between overall slope angle and retreat rate. It was found that thaw flow retrogression rate increases with increase in scarp wall height and slope angle up to a certain limit. It was also confirmed that thaw flow retrogression is not influenced by slope orientation.     

气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响

受气温变化影响,浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换,是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响,基于冻土水热力耦合数值模型,模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明:水分迁移速率呈周期性变化,每年5—10月活动层融化程度高,总体积含水率变化趋势显著;夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层,孔隙水压难以消散;4年间多年冻土上限下移10.4 cm,导致活动层和富水层的厚度增大,上覆融土下滑力增大、抗滑力减小,土体抗剪强度进一步下降;活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形,抗剪强度不断劣化,坡脚处最容易形成薄弱带。     

青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。