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多年冻土区斜坡稳定性研究综述.docx
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多年冻土区斜坡稳定性研究综述.docx
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冻土是由岩土颗粒、未冻水、冰以及空气(水汽)组成的四相混合多孔介
质,是寒冷环境和气候的综合产物;它是岩土的一种热状态
[ 1]
,负温状态持
续时间不少于两年的称为多年冻土
[ 2]
。由于冰的存在,冻土的力学、理化性
质会随外界温压条件的变化而变化,导致其性质的不稳定
[ 3]
。随着气候变暖,
多年冻土退化
[ 4]
,地下冰融化、冻土活动层增厚
[ 5]
,融化层土的孔隙水压力、
黏聚力发生变化,影响了斜坡土体的抗剪强度,降低了斜坡稳定性。如果存在
外部干扰,如强降雨、地震或其他人为扰动等,斜坡失稳概率将大大增加。多
年冻土区的斜坡失稳灾害与气候变化密切相关,是过去和现代气候波动的重要
指标之一
[ 6]
。随着多年冻土区基础建设的逐渐增多(铁路、公路、管道、大
坝等),斜坡失稳对多年冻土区脆弱的生态环境以及工程建筑物的安全造成了
严重影响,引起了学者、工程师和社会公众的广泛关注
[ 7]
。
目前,国内外学者对多年冻土区斜坡稳定性问题已经进行了大量的研究,
包括对斜坡失稳机理、引起的冷生地貌、地质条件变化、灾害评价、滑坡区域
内植物-土壤-冻土
[ 8]
之间的关系开展了很多的工作。国外研究区域主要集中在
北美、加拿大、西伯利亚、欧洲等地。这些地区多年冻土广布广泛、冻土对温
度变化敏感(如美国阿拉斯加地区),有很多重要交通运输工程穿越(如美国
阿拉斯加地区,加拿大北部,西伯利亚地区)。国内研究区域主要集中在青藏
高原以及东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等地,在这些地区青藏铁路、青
藏公路、新藏公路、川藏公路和川藏铁路、中俄原油管道、中俄天然气管道、
伊哈高铁(在建)等国家重大工程项目建成运营。线性工程穿越冻土区的施工
和运营扰动改变了沿线斜坡的水热状态,易引起斜坡或边坡失稳
[ 9]
,对工程
的安全运营产生威胁。在青藏铁路建设存在的问题中,程国栋等
[ 10]
提出冻融
次生灾害,如融冻泥流、热融滑塌以及路基边坡滑塌等,会影响铁路的运行安
全,需要引起足够的重视。姚檀栋等
[ 11]
也关注了由于气候变暖、冻土退化引
起的不同程度的热喀斯特灾害,以热融滑塌、融冻泥流和热融湖塘为主,对我
国青藏高原的生态环境造成了一定的影响。东北大、小兴安岭多年冻土区同样
存在由于气候变暖、工程扰动以及森林火灾等引起冻土退化导致的斜坡失稳灾
害问题
[ 12]
。
相比于非多年冻土区,多年冻土区斜坡失稳机理复杂且影响因素众多。因
此,正确认识多年冻土区斜坡失稳类型、特征、机理及影响因素,提出合理的、
有针对性的防治措施,对多年冻土区生态环境保护和工程运营安全十分必要。
本文在国内外研究工作基础上进行归纳总结,提出未来多年冻土区斜坡稳定性
研究中需要关注的问题,希望为多年冻土区斜坡稳定性研究提供参考。
1 多年冻土区斜坡失稳模式、特征、机理及影响因素
由于冻土的特殊性质以及多年冻土区的复杂气候环境,与非冻土区相比,
多年冻土区的斜坡失稳具有独特性,主要表现在:(1)诱发因素不同:多年
冻土区斜坡失稳主要是由高含冰量冻土融化引起,而非冻土区滑坡是由突发的
地震、降水及水文地质条件变化等引起
[ 13]
;(2)滑坡发生坡度不同:多年
冻土区斜坡失稳可以在很缓的坡面上发生,滑坡发生的角度范围较大,但速度
和规模相对较小,分布广泛
[ 14]
;(3)滑坡发展规律不同:多年冻土区滑坡
的发展速度和规模随气温地温发生变化,而非冻土区是瞬时滑坡;(4)阴阳
坡效应:多年冻土区斜坡阴坡和阳坡的滑坡规模和速度不同,阴坡的滑动速率、
规模远小于阳坡
[ 15 ]
;(5)滑动面明确:多年冻土区斜坡失稳具有明确的滑
动界面
[ 16]
。
国内外研究学者对多年冻土区斜坡的研究主要集中在表 1 总结的区域内,
不同区域多年冻土斜坡发生滑坡的模式、特征、机理以及影响因素不尽相同,
因此要研究多年冻土区斜坡稳定性,就需要对不同斜坡失稳模式分别进行讨论。
由于多年冻土区斜坡失稳特征和非冻土区存在差异,不能沿用非冻土区滑坡分
类标 准, 需要 对多 年冻 土区 斜坡 失稳 模式 进行 重新 定义 和划 分 。 国 外 学 者
McRoberts and Morgenstern
[ 17 ]
按照失稳特征将多年冻土区的斜坡失稳模式
划分泥流、滑塌和崩塌三类;国内学者牛富俊等
[ 18]
从冻土性质角度出发,划
分为正冻土斜坡失稳(崩塌型滑坡和蠕变型滑坡)和正融土斜坡失稳(热融滑
塌和融冻泥流)。目前,关于多年冻土区斜坡失稳模式还没有统一的分类标准
[ 19]
,主要研究的对象为热融滑塌和活动层滑脱;其次还包括融冻泥流、崩塌
以及蠕变滑坡。
表 1 多年冻土区斜坡稳定性主要研究区域
Table 1 Summary of the major terrain of landslide in permafrost
作者
研究区域
年份
主要研究内容
Swanson 等
[
20
]
北美阿拉
斯加北极
国家公园
2021
通过比较该区域内三个时间段
的热融滑塌、活动层滑脱及冻
结岩屑蠕变滑坡(FDLs)发
展规模的变化,分析冻土退化
对斜坡稳定性的影响
Gong 等
[
21
]
北美阿拉
斯加布鲁
克斯山
2019
通过雷达和遥感数据综合分析
评价冻结岩屑蠕变滑坡的发展
运动过程
作者
研究区域
年份
主要研究内容
Darrow 等
[
22
]
北美阿拉
斯加布鲁
克斯山
2017
提出预测 FDLs 运动的函数
Ravens 等
[
23
]
北美阿拉
斯加
Drew
Point 地
区
2014
提出预测存在冰楔海岸线在冻
土退化和海水侵蚀所用下的发
生崩塌的计算模型
Daanen 等
[
24
]
北美阿拉
斯加布鲁
克斯山
2012
分析、测量、评价 FDLs 的运
动过程
Blais-
Stevens 等
[
25
]
加拿大哥
伦比亚地
区
2018
分析该地区的滑坡沉积物组
成、通过 InSAR 监测和
Flow-R 绘制区域滑坡敏感性
区划图
Behnia 等
[
26
]
加拿大育
空地区
2017
运用随机法对阿拉斯加工程走
廊内活动层失稳滑坡进行敏感
性分析
Lacelle 等
[
27
]
加拿大西
北部理查
森山地区
2015
调查该地区热融滑塌的分布和
发展情况
Beamish 等
[
28
]
加拿大努
纳武特地
区
2014
分析活动层滑脱对区域碳含量
的短期影响
Harris 等
[
29
]
加拿大努
纳武特地
区
2000
分析区域内活动层滑脱后斜坡
的孔隙水压力和位移变化
Geertsema
等
[
30
]
加拿大西
部哥伦比
亚地区
2009
分析滑坡对线性工程安全的影
响
作者
研究区域
年份
主要研究内容
Lantuit 等
[
31
]
加拿大育
空波弗特
海岸沿线
2008
研究波弗特海岸沿线热融滑塌
和海岸线侵蚀现象
Lewkowicz
等
[
32
]
加拿大麦
肯齐河谷
2005
分析总结该地区活动层滑脱灾
害的特征和机理
Savi 等
[
33
]
欧洲阿尔
卑斯山
2021
分析气候变化对高海拔斜坡稳
定性的影响
Blikra 等
[
34
]
欧洲挪威
地区
2014
研究挪威北部高山岩石在冻融
循环下的变形及崩塌失稳破坏
Fischer 等
[
35
]
欧洲阿尔
卑斯山
2013
分析冰川退化、气候变暖对岩
石滑坡的影响
Kharuk 等
[
36
]
俄罗斯西
伯利亚中
部
2016
分析气候变化对冻土滑坡发生
概率和空间分布的影响
Khak 等
[
37
]
俄罗斯西
伯利亚地
区
2012
分析人为因素对冻土退化和冻
土滑坡的影响
Leibman 等
[
38
]
俄罗斯亚
马尔半岛
1995
对该地区的滑坡进行调查并对
其特征进行描述
Luo 等
[
39
]
青藏高原
北麓河地
区
2019
通过卫星图像和实地调查该地
区发生热融滑塌数量和规模发
展
Niu 等
[
40
]
青藏高原
五道梁地
区
2014
研究该地区发生的一起热融滑
塌,提出滑坡稳定性评价方法
和防治措施
Shan 等
[
41
]
大兴安岭
地区
2016
分析气候变化对东北高纬度地
区多年冻土斜坡影响
Hu
[
42
]
小兴安岭
地区
2016
结合 HDR 和 GPR 技术对该地
区的滑坡进行调查分析
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