降雨对多年冻土区浅层滑坡失稳的影响研究

近年来青藏高原多年冻土地区降雨量呈增大趋势,导致活动层沿多年冻土层滑脱,诱发的冻土浅层滑坡灾害严重影响区域生态环境和人类活动。冻土浅层滑坡失稳是渗流、温度和应力复杂耦合的过程,明确降雨条件下多年冻土斜坡水热力响应机制,揭示降雨诱发冻土浅层滑坡失稳的机理十分关键。基于冻土水热力耦合数值模拟方法,建立了仅施加气温变化的模型一和在气温变化基础上施加强度为9 mm·d^-1、持续降雨18 d的模型二,探讨了低强度、长时间降雨对多年冻土斜坡水热力演化的影响。结果表明：夏季雨水入渗对斜坡浅层温度场产生扰动,进而影响土体冻融过程,活动层以下有形成富水层的可能。雨水入渗导致融土饱和度大幅增加,水分渗流方向由竖直向下逐渐转变为顺坡方向。极限状态下斜坡位移分布在活动层,符合冻土浅层滑坡变形特征,降雨入渗数天后活动层位移有显著增大的趋势,最大位移所在位置向坡脚转移。降雨对斜坡稳定性影响显著,雨水入渗对活动层水热力产生持续影响,斜坡安全系数最小值出现明显滞后。研究结果为青藏地区冻土浅层滑坡灾害防治提供了科学指导。     

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。     

基于冻融交界面直剪试验的冻土斜坡失稳过程研究

为了探讨多年冻土区自然斜坡失稳机制,开展了不同含水率黏土、粉土、砂土的土-冰交界面直接剪切试验和相应融土的直接剪切试验。结果表明,砂土和砂土-冰冻融交界面剪切应力-变形特性主要表现为弹性变形,且剪应力存在明显峰值;粉土、黏土及相应的冻融交界面在很小的变形范围内表现为塑性变形,且剪应力无峰值。水分对砂土活动层抗剪强度影响较弱,表现为水分增高,内摩擦角小幅降低。水分对粉黏土活动层抗剪强度影响剧烈,表现为水分增高,粉黏土黏聚力急剧减小。研究发现,冻土区斜坡失稳更易发生于细颗粒粉黏土中。相对于粉土,粉土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更强,粉土斜坡潜在滑动面更易发育在冻融交界面上层附近;相对于黏土,黏土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更弱,黏土斜坡更易在冻融交界面处发生滑动。同时,细粒土斜坡极易在达到最大融化深度前提前失稳,斜坡坡度越高,失稳时间越提前。融化期活动层水分增多导致潜在滑动面黏聚力降低是细粒土冻土斜坡失稳的最主要原因,孔隙水压对冻土斜坡具有一定影响,在稳定性评价时要考虑活动层水位的影响。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情况下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高会降低土壤含水率和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

多年冻土边坡的水热力耦合分析及软件开发

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质活动层水热过程差异分析

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨了考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,定量分析了高原真实野外降雨条件下3种典型地表土质(砂土、亚砂土、粉质黏土)地表水分和能量平衡差异、活动层内部水分与能量输运分量变化过程和耦合机制。结果表明:随着土壤粒径增大,地表净辐射增大、蒸发潜热增大、感热通量减少、土壤热通量减小,不同土质地表蒸发潜热和地表感热通量差异最为显著,地表能量平衡差异在暖季较大、冷季较小;土壤粒径越大,水势梯度液态水和温度梯度水汽迁移越显著,但温度梯度水汽通量减小、水势梯度液态水通量增大;随着土壤粒径增大,土壤浅表层水分减少,25～75 cm水分略有增加;随着土壤粒径增大,土壤导热系数、降雨入渗对流传热和地表蒸发量增大、热传导通量减小,土体温度梯度降低,相同深度处土壤温度更高,活动层厚度增大,不利于多年冻土稳定。研究成果可为湿化背景下多年冻土的稳定性预测和保护提供参考。     

考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质活动层水热过程差异分析

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,定量分析了高原真实野外降雨条件下3种典型地表土质（砂土、亚砂土、粉质黏土）地表水分和能量平衡差异、活动层内部水分与能量输运分量变化过程和耦合机制。结果表明：随着土壤粒径增大,地表净辐射增大、蒸发潜热增大、感热通量减少、土壤热通量减小,不同土质地表蒸发潜热和地表感热通量差异最为显著,地表能量平衡差异在暖季较大、冷季较小;土壤颗粒越大,水势梯度液态水和温度梯度水汽迁移越显著,但温度梯度水汽通量减小、水势梯度液态水通量增大;随着土壤粒径增大,土壤浅表层水分减少,25～75 cm水分略有增加;随着土壤粒径增大,土壤导热系数、降雨入渗对流传热和地表蒸发量增大、热传导通量减小,土体温度梯度降低,相同深度处土壤温度更高,活动层厚度增大,不利于多年冻土稳定。研究成果可为湿化背景下多年冻土的稳定性预测和保护提供参考。     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

Response of hydrothermal activity in different types of soil at ground surface to rainfall in permafrost region

In order to understand the hydrothermal activity mechanism of active layers to rainfall in permafrost regions caused by humidification of climate, the differences of ground surface energy balance and hydrothermal activity in different types of shallow soil with the consideration of rainfall were discussed. Based on the meteorological data in 2013 observed at Beiluhe observation station of Tibet Plateau, three types of shallow ground soil (i.e., sandy soil, sandy loam and silty clay) were selected to compare the differences in the water content and energy balance at the ground surface, dynamic processes of water and energy transport in active layers and coupling mechanism under rainfall condition in the plateau using a coupled water-vapor-heat transport model. The results show that the increase of soil particle size leads to the increase of surface net radiation and latent heat of evaporation, but the decrease of soil heat flux. The difference of surface energy balance, especially the sensible heat flux and latent heat of evaporation, are larger in the warm season but smaller in the cold season. The liquid water transport under hydraulic gradient and the water-vapor transport under thermal gradient are obvious as the particle size in soil increases. However, the water-vapor flux under thermal gradient increases but the liquid water flux under hydraulic potential gradient decreases. As a result, the water content in shallow soil decreases accordingly but it increases slightly at the depth of 25 ~75 cm. Moreover, with the increase of soil particle size, the thermal conductivity of soil, convective heat transfer under rainfall and surface evaporation increase, but the soil heat conduction flux and soil temperature gradient decrease. Thus, soil temperature in sandy soil is much higher than that of sandy loam and silty clay at the same depth. The permafrost table declines with the increase of the thickness of active layer, which is unfavourable to permafrost stability. The results can provide theoretical reference for stability prediction and protection of permafrost caused by humidification of climate.     

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.     

青藏高原多年冻土区地温年变化深度的变化规律及影响因素

地温年变化深度的准确判断对于多年冻土发育特征评估、寒区冻土模式下边界深度的确定具有重要意义.通过对青藏高原地区典型钻孔地温数据进行分析,初步揭示了多年冻土地温年变化深度的变化规律及其影响因素,并提出一种简化了地表和活动层状态影响的地温年变化深度估算方法.结果表明：研究区低温冻土的地温年变化深度平均值比高温冻土大4.6 m,随着冻土温度升高,地温年变化深度基本上呈减小趋势,部分低温冻土钻孔由于土层含水率过高导致地温年变化深度相对较小;由于活动层水热动态和冻融过程的影响,地温年变化深度与浅层（0.5 m）温度年较差相关性不显著,而与多年冻土上限附近温度年较差的大小呈显著正相关关系;地层介质的热扩散率差异是导致地温年变化深度区域差异和变化的主要原因,土层含水率、温度、质地以及水的相态是影响地层热物理性质重要因素.     

Seismic behaviors of soil slope in permafrost regions using a large-scale shaking table

Large-scale shaking table model tests were carried out to study the dynamic behaviors of slopes and failure mechanism of landslide in permafrost regions. The model slope was constituted of silty clay layer stacked on an ice layer with 8° surface slope. Acceleration, displacement, and pore pressure were measured subjected to vertical and horizontal seismic loadings. The horizontal wave has a stronger influence on the failure of the model than the vertical wave motion, and the natural frequency of vibration in the horizontal direction decreased obviously at the failure state. The model slope has three components of different nonlinear mechanical properties, which are the soil layer, soil-ice interface, and ice layer. The amplification factor of peak ground acceleration is obviously smaller at the soil-ice interface than that at the soil and ice layer. The acceleration responses are nonlinear because of the nonlinear soil properties and degradation of modulus with increasing horizontal acceleration. Especially, excess pore pressure generation was observed near the soil-ice interface of the slope subjected to higher input acceleration, which resulted in the decrease of the effective stress. Failure surface appeared to be the soil-ice interface, which was consistent with the field observations of landslides in permafrost regions. Slope failure could be defined based on the massive movement of the slope, characterized by integral sliding pattern along the soil-ice interface without the distinct deformation inside the sliding body. The results show that the sliding of the slope with soil layer at gentle gradient is mainly triggered by the combined action of horizontal seismic wave, existence of soil-ice interface, and pore pressure generation in permafrost regions.     

冻融作用对冻土区路基边坡的影响

在冻土地区公路建设中,由于冻融作用的存在,路基边坡土体的力学性质在周期性的冻融作用下极易发生变化。选取不同条件下的青藏公路典型路基边坡为研究对象,通过有限差分法对边坡进行剪应变对比研究。结果表明,在冻结条件下土体冻结时剪应变变化量很小,处于较稳定状态;而消融到最大状态时在含水量大的冻融界面形成软弱带,剪应变变化量很大,路基边坡处于欠稳定状态。冻融条件下土的粘聚力、内摩擦角、重度的折减引起该边坡整体抗剪强度不足,致使路基边坡有较大的剪应变。      

间歇型降雨对堆积层斜坡变形破坏的物理模拟研究

为研究间歇型降雨作用下缓倾堆积层斜坡的变形破坏特征,以樱桃沟滑坡为例,进行了降雨作用下斜坡变形破坏的物理模拟研究。试验结果表明：前期降雨作用下坡体变形特征表现为前缘滑移沉陷、中部滑移、后缘沉陷、坡体裂缝生成,且前缘裂缝扩张明显,后期降雨作用下坡脚区域首先发生滑塌,然后依次向后缘传递发生逐阶滑塌破坏;降雨入渗易在基岩面上储存,形成暂态地下水位、高孔隙水压力区域和坡向渗流场,基岩面附近土体饱水时间长,软化程度高,抗剪强度弱化显著,边坡易沿基覆界面土层发生滑坡;坡体滑动易发生在降雨间歇期,触发特征表现为雨后坡体暂态饱和区水分和坡表积水持续下渗,导致地下水位上升滞后于降雨,造成坡体内浮托力、渗透力和孔隙水压力增大,有效应力降低,诱发滑坡。     

离子土固化剂加固滑坡滑带土的试验研究

研究开发快速经济和行之有效的滑坡治理方法与理论, 一直是各国滑坡防治研究工作的重点.本试验研究使用一种经济适用的离子土固化剂(Ionic Soil Stabilizer, 简称ISS) 对提高滑带土的抗剪强度进行了探索.滑带土首先通过ISS不同配比水溶液的处理, 然后进行阿太堡试验、剪切试验、固结试验和自由膨胀率试验.试验结果表明: 滑坡滑带土在加入离子土固化剂后, 土的塑性指数降低, 粘聚力提高, 孔隙比和自由膨胀率减小.其机理为: 在以粘性土为主的滑带土中加入离子土固化剂, 通过物理化学原理, 它能取代吸附在粘土表面的可交换性阳离子, 改变粘土颗粒表面的双电层结构, 减小结合水膜厚度, 将滑带土的亲水性改为憎水性, 从而提高滑带土的抗剪强度.