（岩土工程专业论文）多年冻土地区热融滑塌及其工程危害性的研究.pdf

摘要 多年冻土地区热融滑塌及其工程危害性的研究 马立峰 ( 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室。兰州7 3 0 0 0 0 ) 中文摘要 冻土地区斜坡稳定性研究是斜坡研究的一个独特领域，随着近年来我国寒区 工程的快速发展，冻土区斜坡稳定性成为工程建设必须面对和解决的问题。热融 滑塌是冻土地区普遍存在且较难防治的一种斜坡失稳类型，尤其在全球气候变暖 的背景下，加速了冻土斜坡地区多年冻土的退化，对工程、周围环境破坏性较大。 为保证斜坡地区工程稳定性、加强冻土斜坡地区环境保护，本文对热融滑塌及其 危害性进行了研究。 本文首先对冻土斜坡地区常见的斜坡失稳类型及特征进行了描述，将其划分 为崩塌型、蠕变型、融冻泥流型及热融滑塌型；整理分析了有关青藏公路i ( 3 0 3 5 热融滑塌斜坡的长期野外监测数据，并运用数值分析方法，对热融滑塌的温度场、 滑塌速率进行了研究；并且对热融滑塌的分布特征和形成发展过程进行了讨论。 根据青藏公路k 3 0 3 5 里程处发育的热融滑塌所处的地质条件及多年气候条 件，进行了热融滑塌数值模型研究，数值计算结果与实测结果有较好的吻合性。 对热融滑塌形成后的温度场进行了计算，并模拟计算了应用碎石填埋滑坎后热融 滑塌的温度变化，结果表明该措施是可行的。对野外实测数据的整理分析，得出 了如下结论：由于滑塌土体结构发生变化而引起导热系数降低，使得滑塌体下多 年冻土相对于原土体条件下，由于导热性能差而出现地温变化幅度小且年平均地 温变高的特点；滑塌主要产生在季节融化期，不同方向滑塌速度不一致，沿坡体 倾向方向滑塌速率大于其余方向的滑塌速率；热融滑塌标志着斜坡地区多年冻土 的退化。 在全球气候变暖的背景下，热融滑塌不但加速了冻土斜坡地区多年冻土退 化，而且导致冻土斜坡地区水土流失、高原植被退化，加剧了冻土斜坡地区沙漠 化、盐渍化和荒漠化程度，对热融滑塌周围地区环境造成了破坏。在青藏高原特 殊的气候环境下，热融滑塌引起的植被退化等环境影响极难自然恢复，甚至不可 中国科学院硕士学位论文：多年冻十地区热融滑塌及j 工工程危害性的研究 能恢复。同样，热融滑塌对工程也具有破坏性，如形成路基侧向积水，极易导致 路基发生热融下沉、不均匀冻胀等病害，热融滑塌的不断扩展，还会堵塞路基排 水渠道、破坏路基边坡、壅塞桥涵、逐步掩埋路基堵塞交通等。 文章最后探讨了热融滑塌稳定性评价的方法一无限斜坡分析法，针对热融滑 塌提出了工程防治措施，即对滑坡后缘土体采取主动保护多年冻土的原则，如进 行抛石护坡、草皮护坡、粗颗粒土填埋等措施；对滑塌土体可设计具有良好排水 功能的支挡结构，如挡土墙。由于热融滑塌较难防治，这就要求工程施工过程中 尽量避免对斜坡坡脚的破坏。 关键词：青藏高原：多年冻土；冻土斜坡；热融滑塌：危害 i i a b s t r a c t s t u d yo nt h a ws l u m pa n di t sh a z a r d n e s st oe n g i n e e r i n gi n p e r m a f r o s tr e g i o n s m al i f e n g ( g e o t e c l m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f n i uf u j u n a b s t r a e t t h es t u d yo nt h es t a b i l i t yo fs l o p e si np e r m a f r o s ti sas p e c i a lf i e l di nt h er e s e a r c h o ft h es l o p e s w i t h d e v e l o p m e n t o f e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s ，s u c h a st h e q i n g h a i - t i b e th i g h w a ya n dt h eq i n g h a i t i b e tr a i l w a y ，t h es l o p ei n s t a b i l i t yp r o b l e m s i np e r m a f r o s tr e g i o n so f t h eq i n g h a i t i b e tp l a t e a um u s tb ec a r e f u l l yc o n s i d e r e d o nt h eb a s i so fl l l cr e s e a r c hr e s u l t s p e r m a f r o s ts i 。l p e sa l 馒a gt h eq i n g h a i - l i b e th i g h w a y , 球m 嘲i n m b i l i t yp a t t e r n sa i ec l a s s i f i e di n t ot w o 把j 蛹i e 缸啦s o i ls l i d em a dt h a w e d s o i ls l i d e c 把l i f l u c t i o nm x tt h a ws l u m p 躺i n c l u d e di nt h et h a w e ds o i ls l i d e q e e ps l i d i n ga n d c o n 印s es l i d i n ga r ei n c l u d e di n 彘：函1 9s o i l 幽她n i sa s s u m e dm 殖s o i l s 骶鞠劬! 锄e db y 嗽 m a df f t i c ki c es e r v e sa ss l i d i n g 白c ef o rg e l i f l u c t i o na n dt h a ws h m 卿g t h ed i s t r i b u t i o n 幽觚蝴甜s 晒0 f 妇t h a ws h m l p i l l ga l ea l s os t u d i e di nt h i s 粥a m o n gt h es l o p ei n s t a b i l i t y t y p e s ，t h a ws l u m p i n gi st h em o s th a z a r d o u st oe n g i n e e r i n gp r o j e c t sa n d e n v i r o n m e n t t h e g r o u n dt e m p e r a t u r ed a t af r o ml o n g - t e r mm o n i t o r i n gi nt y p i c a lt h a ws l u m p i n g i n d i c a t e st h a tt h ea v e r a g em e a ng r o u n dt e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d ，w h i l et h ea n n u a l f l u c t u a t i o no ft h eg r o u n dt e m p e r a t u r ei sr e d u c e du n d e rt h et h a ws l u m p i n g t h er e a s o n i st h a tt h eh e a tf l u xe n t e r i n gt h ep e r m a f r o s ti n c r e a s e s r e t r o g r e s s i v es l i d ed a t at h r o u g h t h el o n g - t e r mm o n i t o r i n gi nt h et y p i c a lt h a ws l u m p i n gi n d i c a t e st h a tt h ee x p a n s i o no f t h et h a ws l u m p i n gf l u c t u a t e sa l o n gt h eg r o u n dt e m p e r a t u r e sa n n u a lf l u c t u a t i o n ，a n d t h ee x p a n s i o na l s ot a k e sp l a c ei n7 - 9m o n t h s t h em a x i m u me x p a n s i o na p p e a r si nl i n e 、i t l lt h ed i r e c t i o no ft h es l o p et e n d e n c y f o r m i n ga n dd e v e l o p i n go ft h et h a w s l u m p i n gi sr e l a t e dt ot h ep e r m a f r o s tc o n d i t i o n sa n do t h e r e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s u s i n gt h ef ec o d e ，g e o s l o p e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u to na t y p i c a lt h a ws l u m p i n g t h e n ，n u m e r i c a ls t u d yo nt h et h a ws l u m p i n gi sc o n d u c t e do n t h ec o n d i t i o nt h a tg r a v e li sp a v e do nt h es l o p et op r o t e c tt h ef r o z e ns o i lf r o mt h a w i n g n 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融滑塌及其丁程危害性的研究 i ti sc o n c l u d e dt h a ts u c hat r e a t m e n ti sf e a s i b l e k e yw o r d s ：q i n g h a i t i b e tp l a t e a u ；p e r m a f r o s t ；s l o p e si np e r m a f r o s t ；t h a ws l u m p i n g h a z a r d o u s 第1 章绪论 第1 章绪论 冻土，一般是指温度在o c 或o 以下，并含有冰的各类岩土和土壤。按土 的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土( 数小时、数日以至半 月) 、季节冻土( 半月至数月) 以及多年冻土( 数年至数万年以上) 三种类型。 地球上这三种冻土类型分布的地区( 或地带) 分别称作短时冻土区( 带) 、季节 冻土区( 带) 及多年冻土区( 带) 。在多年冻土区的某些地段，因具有特殊的水 热条件而不能发育多年冻土，这些地段称为融区0 1 。多年冻土在地球上的分布约 为3 5 1 0 6k m 2 ，约占地球陆地面积的四分之一啪，而地球上多年冻土、季节冻土 和瞬时冻土的面积约占全球面积的7 0 田。中国是继前苏联、加拿大之后世界第 三冻土大国，多年冻土分布面积2 1 5 x 1 0 k i n ，占中国陆地面积的2 2 ，季节冻 土区约占国土面积的5 3 5 ，青藏高原地区冻土分布面积达1 5 1 0 6k m 2 ，占我 国多年冻土分布面积的7 0 。冻土作为寒区工程中所面对的第一大难题，深入研 究和解决冻土问题成为了寒区工程的关键。 1 1 多年冻土地区斜坡研究现状 早在1 6 世纪，文献中已出现有关西伯利亚和北美有冻土存在的报告；m b 罗蒙诺索夫曾发表“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系等提出看法：著名 的谢尔金探井( 1 1 6 m 深度内) 的冻土温度资料就在1 9 2 5 年测得：苏姆金的苏 联境内永久冻结土壤专著出版( 1 9 2 7 年) ，标志着冻土学已成为一门独立学科 。多年冻土地区斜坡问题作为冻土学及滑坡学的交叉课题是在冻土区经济开发 的实践中产生和发展起来的。随着冻土学的逐步成熟，多年冻土区斜坡研究也取 得了进一步的发展。 冻土地区斜坡稳定性研究是斜坡研究的一个独特领域，对其全面的研究主要 集中与最近的5 0 6 0 年，由于我国寒区工程经济活动的相对落后，冻土斜坡稳 定性问题并没有被充分的重视，研究资料极为匮乏。随着近年来我国寒区工程建 设的不断发展，冻土区斜坡稳定性成为工程建设必须面对和解决的问题，冻土斜 坡的研究也在不断深入。 早在1 8 9 7 年就有人对冻土斜坡进行了描述“，前苏联著名工程地质学家 e n 叶米罩扬诺娃在滑坡作用基本规律一书中指出”融冻泥流在多年冻 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融滑塌及其工程危害性的研究 土地区以及季节冻结很深的局部地方均可见到，其发生发展条件具有特殊性，被 认为是一种复杂的重力现象，根据其对前苏联寒区工程建设的意义，融冻泥流现 象是一个独特的大问题。冻土学家周幼吾指出，在我国所有的冰缘地貌类型中， 最值得提及的是热融滑塌，具有迸一步深入研究的价值。齐齐哈尔铁路科学技术 研究所王文宝研究员在上世纪八十年代后期对多年冻土地区铁路路基边坡滑塌 及其整治的问题进行了研究”：著名冻土学家程国栋院士指出”，由冻融灾害引 起的不良地质现象，当它们威胁到青藏铁路安全运营和工程稳定性时，就演变为 一种工程灾害，特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地段，微弱的工程热扰 动就可能会引起冻土区斜坡稳定性的变化。在南水北调西线工程前期科学考察及 青藏公路沿线工程地质研究中，张长庆，朱林楠等学者指出删：融冻泥流频繁发 生，冻土区边坡开挖及斜坡稳定性是工程活动中必须解决的问题之一。 在冻土斜坡失稳类型的研究方面，m c r o b e r t s 和m o r g e n s t e m ”早在1 9 7 3 年 对冻土斜坡的失穗进行了划分，可分为热融泥流、表层流和双模流：我国在冻土 滑坡分类方面起步较晚，研究资料也十分匮乏，周幼吾在中国冻土一书中曾 对冻士斜坡失稳现象进行了划分和描述；近期牛富俊等根据斜坡失稳时所处的 温度环境对青躐高原冻土区斜坡失稳类型划分为正冻土滑坡和正融土滑坡：正冻 土滑坡分为崩塌型斜坡和蠕变型斜坡，正融土滑坡分为泥流阶她型、热融滑塌型 和表土植被层蠕滑型“。1 9 8 8 年c l a r k “”曾对冰缘地貌条件下滑坡的定名进行了 总结，目前应用的术语包括地下冰滑动、泥滑、泥流、热融滑动、双重融流滑塌 以及溯源融流滑塌等，造成术语众多现象的原因在于不同研究者基于特殊的地 貌、地质和斜坡变形特征给予了不同的名称“。 在冻土斜坡模型试验研究方面，系统地开展冻土斜坡模型试验研究工作的是 英国c h a r r i s 博士，他利用离心模型实验深入研究了冰土层融化过程中斜坡运 动的机制“”，其目的在于研究冰土层从常年缓慢的冰冻层土溜向快速融化泥流转 化的机理问题。模型包括3 种不同的坡度状态( 1 2 。、1 8 。、2 4 。) ，实验结果 对很好地解释冻土层中浅层滑坡问题和寒冷地区由冷转暖期间的斜坡运动机理， 具有十分重要的理论意义。近期牛富俊、靳德武等进行了典型冻土斜坡相似模型 试验“：进行了坡厦点温度与点位移对应分析；分析研究了在冻融循环条件下， 坡体内部变形规律，认为不同深度及与滑坎距离不同，其变形特点是不同的：利 第l 章绪论 用变形测量装置，分解出平行于坡面的变形和垂真于坡面的变形，认为垂直于坡 面的变形主要表现为沉降及部分冻胀变形并对斜坡滑塌速率作了初步的分析。 在冻土斜坡变形观测和计算方面：郭东信等“”对青藏公路风火山垭口盆地融 冻泥流阶地进行了初步研究，在不同方向布置了融冻泥流阶地变形观测点，观测 了不同方向泥流推进速度并对泥流阶地地貌形态做了完整的描述。王绍令“”对青 藏公路风火山地区以东大沟为中心的8 个热融滑塌体进行了归纳描述；王保来“7 3 在上世纪九十年代以青藏高原风火山西大沟为研究基地，在冻土斜坡上安设了测 斜仪装黉，对冻土斜坡在自然状态下的蠕变现象进行历时3 年的原位蠕变观测， 初步描述了冻土斜坡原位蠕变规律，并将观测结果与国外等人的观测结果做了对 比；朱诚“曾对中天山地区斜坡岩块覆盖层的变形进行了分析计算。 国内岩士工程界发表的有关融土区斜坡稳定性计算方法及变形监测资料已 十分广泛，对于冻土力学特性、冻胀及融沉变形研究也较为丰富，但是有关冻土 区斜坡稳定性评价的研究较少。在冻土斜坡稳定性评价方法方面，较为典型的方 法主要有三种，其一为w e e k s 和c h a n d l e r 推导的基于“冰阻渗流”导致孔隙水 压力增加机理的有效应力分析法“；其二为由h u t c h i n s o n 提出总应力分析法， 认为由于冻结锋面碎块冰集聚导致融化时土体含水量增加。土的不排水抗剪强度 降低，从而引发斜坡失稳唧；第三种方法由m c r o b e r t s 和m o r g e n s t e r n 提出，该 法基于有效应力和融化一固结理论，认为在斜坡冻土融化一固结过程中，易滑面 上超孔隙水压力增加并可引发斜坡失稳“；靳德武等提出了无限斜坡稳定性评价 的有效应力分析方法和不同渗流条件下无限斜坡稳定性分析方法“”。 在冻土滑坡防治方面，王绍令“”认为热融滑塌的破坏作用是渐变的，对工程 建筑的危害是可以预报和防治的，应使建筑物场地尽量避开热融滑塌体和有可能 产生热融滑塌的危险地段，无法绕避时，应采取一定的措施，禁止在地下冰发育 的坡脚取土，同时利用“自埋原理”人为地控制热融滑塌的发展：靳德武、牛富 俊等。”也提出了针对热融滑塌的一些具体的防治措旌。 1 2 多年冻土地区热融滑塌研究背景 近五十年来，美国、前苏联、加拿大等国加紧开发北极地区的石油和天然气 资源并修筑公路、铁路、天然气输油管线等，拉开了寒区开发的序幕：近四十年 来，我国在寒区开展了大量的工程和经济开发活动，如青减公路、格尔木一拉萨 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地| 苎：热融滑塌及其工程危害性的研究 输油管线、通讯光缆、西气东输、正在修建的青藏铁路以及规划中的南水北调西 线工程等寒区工程建设活动日益频繁，尤其是线性工程建设规模加大，如作为西 部大开发战略实施的四大重点工程之一的青藏铁路全长1 1 1 8 k m ，其中穿越多年 冻土区达6 3 2 k m ；青海省境内1 0 9 、2 1 4 、2 2 7 国道穿越多年冻士区达干余公里。 在已完成和正在实施的工程和研究项目中，冻土斜坡失稳研究显示了重要的地 位，尤其在即将实施的西部大开发战略中，地质环境保护、交通线路建设选线与 施工，将不可避免地穿越多年冻土分布区，研究、设计和旋工都将面临冻土斜坡 稳定性预测、预防和治理问题，为适应工程实践需要，深入开展该方面研究工作 已成为必然。 a n d e x s s o n 最早在1 9 0 6 年提出了热融泥流的概念1 ；王绍令在1 9 9 0 年对青 藏公路风火山地区的热融滑塌进行研究“，对热融滑塌的类型、特征、动态变化、 防治措施等进行了归纳总结，报据热融滑塌的运动方式将其划分为坍塌沉陷式和 牵引滑动式滑塌两种类型，形态上分为圈椅形、带形、多头舌形、长条形和支岔 形。对于热融滑塌形成机理的研究已经较为透彻，研究表明”热融滑塌的形成机 理主要是由于工程开挖等因素使斜坡坡脚形成了临空面，在夏季融化土体失去冰 连接而强度降低，在临空面产生坍塌，士体坍塌后厚层地下冰则处于半暴露状态 或其覆盖层变薄，地下冰融化并使得地下冰面上的坍塌土体处于饱和状态，坍塌 土体在地下冰面上发生滑动，地下冰将进一步暴露，在临空面继续坍塌，土体坍 塌一滑动一再坍塌一再滑动的循环过程造成了热融滑塌的溯源侵蚀滑塌，随着滑 塌体排水、固结以及地下冰面埋深加大，滑塌将趋于稳定：靳德武对青藏高原两 类低角度滑坡热融滑塌和融冻泥流的形成机理进行了研究分析提出了质点迁 移效应和滞水润滑效应汹1 。 青藏高原地区冻土分布面积达1 5 0 1 0 4k m 2 ，随着青藏铁路、南水北调等大 型寒区工程的开发，必将进行冻土区的土方开挖、填士及其它对地质环境的扰动， 多年冻土斜坡稳定性问题成为了斜坡地区工程稳定性的关键问题，必须面对和解 决。实际上青藏公路沿线工程地质研究中，研究者已经指出，冻融泥流频繁发生、 冻土区边坡开挖及斜坡稳定性是工程建设必须面对的问题之一“”“ 。 热融滑塌是一种低角度斜坡失稳灾害，在多年冻土地区普遍发育也是较难防 治的斜坡失稳问题。据张廷军、周幼吾报道。“，在青藏高原风火山地区的某一路 第l 章绪论 段，“由于铲除了植被保护层，造成地下冰大面积暴露，产生严重的热融滑塌， 坡面迅速向上溯源侵蚀，而在坡脚则形成超过4 1 0 m 的滑塌体，这种情况在地 下冰发育地段时有所见”。热融滑塌对冻土斜坡地区工程施工及工程长期稳定性 影响极大，尤其是线性工程，如铁路、公路、天然气输油管道等。 相对于其它滑坡问题，热融滑塌对工程的危害性更大。首先，热融滑塌可以 在斜坡坡度极小的情况下发育，坡度大于3 。的冻土斜坡都有可能发育热融滑 塌，如青藏公路k 3 0 3 5 处热融滑塌；其次，热融滑塌一旦形成就会产生溯源侵蚀 滑塌，发展速度快、滑塌范围大，严重威胁施工过程中施工安全及工程建成后的 长期强度。热融滑溻不但对工程具有危害性，而且对周围环境也会造成破坏，如 引起冻土退化、加剧冻土地区荒漠化、改变了原来的排水条件、破坏了草被覆盖 等。靳德武“3 1 提出对于多年冻土区热融滑塌型滑坡的工程治理应从保护冻土的原 则出发，着重保护滑坡后缘土体的冻结状态。 深入进行冻土地区斜坡稳定性研究尤其是热融滑塌的研究可以更加清楚的 认识其形成发展机理、对工程及环境的危害性，对斜坡地区寒区工程的研究、设 计、施工起到理论指导作用，进行热融滑塌稳定性预测并针对热融滑塌的危害性 提出工程防治措施。 1 3 本文主要研究内容及技术路线 ( 1 ) 主要研究内容 由于对冻土地区斜坡稳定性尤其是热融滑塌的研究比较有限，为了进一步了 解热融滑塌的形成发展及危害性，保证冻土斜坡地区工程稳定性，本文结合野外 长期观测数据，并运用数值模拟方法，对热融滑塌迸行了分析研究。 本文第二章主要介绍了冻土斜坡失稳类型以及热融滑塌的分布特征，结合早 期和近期冻土斜坡失稳类型的研究，进行了冻土斜坡失稳类型的划分并对其特征 进行了描述，同时还对热融滑塌的分布特征进行了讨论。 热融滑塌是冻土斜坡地区一种特殊的小角度斜坡失稳类型，其形成的工程地 质条件显得尤为重要。第三章主要针对热融滑塌的工程地质条件展开了讨论，详 细论述了青藏公路k 3 0 3 5 典型热融滑塌斜坡的工程地质特征；并依据k 3 0 3 5 斜 坡的工程地质性质对热融滑塌工程地质条件的一般性进行了讨论：本章最后对热 融滑塌的形成发展过程进行了讨论。 中国科学院硕士学位论文；多年冻土地区热融精塌及其工程危害性的研究 本文第四章主要进行了典型热融滑塌温度场的数值计算，根据青藏公路 k 3 0 3 5 热融滑塌工程地质特征和风火山地区气候条件，建立了数值计算的物理模 型，通过数值计算进一步对热融滑塌温度场分布特征进行研究，并且模拟计算了 在滑坎位置填埋碎石这一防治措施的工程效果。 第五章进行了青藏高原典型热融滑塌斜坡( k 3 0 3 5 ) 现场实铡数据分析，对 青藏公路k 3 0 3 5 滑塌斜坡长期监测点的布设作了介绍并分别从温度、热流量及滑 塌扩展速率等方面着手进行了现场数据分析。 热融滑塌是多年冻土地区最为严重也是较难防治的斜坡失稳问题，第六章介 绍了热融滑塌的危害性，探讨了热融滑塌稳定性评价方法并提出了针对热融滑塌 的工程措施。 ( 2 ) 技术路线 本文以青藏公路k 3 0 3 5 热融滑塌体为典型，通过地质霄达、钻探、坑探等 主要手段，对滑塌体的地质条件进行地质勘察；以现场地温、变形监测资料为基 础，分析热融滑塌的温度、变形特征；为进一步研究热融滑塌斜坡内部土体温度 场的分布，依据k 3 0 3 5 热融滑塌的工程地质条件和气候条件进行了数值计算分 析。本文具体的研究技术路线见图1 - 1 。 6 兰! 童堡垒 r 一：二蔓塑重亟( ： _ j ，j ，一 匾巫蓟l 燮螋 中国科学院硕士学位论文：多年冻七地区热融滑塌及其工程危害性的研究 第2 章多年冻土地区斜坡失稳类型及热融滑塌分布特征 2 1 多年冻土地区斜坡失稳类型及特征 在过去的几十年，融土地区斜坡稳定性研究取得了长足的进步和丰硕的成 果，但是涉及多年冻土区斜坡稳定性这一特殊课题的研究甚少。冻土属于四相结 构土体，与一般融土差异很大，无法简单的运用融土斜坡理论来解决冻土斜坡问 题。 m c r o b e r t s 早在1 9 7 3 年对失稳的划分，可分为热融泥流、表层流和双模流“： 基于牛富俊等“”对冻土斜坡失稳类型研究的成果，根据斜坡失稳时所处的温度环 境对青藏高原冻土区斜坡失稳类型划分为正冻土滑坡和正融土滑坡：正冻土滑坡 分为崩塌型斜坡和蠕变型斜坡正融土滑坡分为泥流阶地型和热融滑塌型。 正冻土滑坡类型： ( 1 ) 崩塌型滑坡 该类斜坡失稳主要指裂隙比较发育、且含有较多量的冰的岩、土体，在反复 的冻胀拉裂、风化作用、蠕变、以及重力作用产生岩体坍塌引起的斜坡失稳类型。 由于冻土( 岩) 的强度表现在土( 岩) 颗粒间的粘接、嵌合强度和冰的胶结强度，其 与土的类型、温度、含冰量及变形速率有很大关系，因此，冻土斜坡除具有与融 区斜坡失稳类似特征外，斜坡失稳在很大程度上受上述诸要素的控制。在高原斜 坡地区，崩塌型冻土斜坡的主要载体为岩石，包括风化岩和裂隙岩体，斜坡失稳 的主要变形方式为崩塌，形态大多表现为离、陡及失稳面不易确定。 ( 2 ) 蠕变型滑坡 蠕变型滑坡就是由于冻土特殊的蠕变特性导致的斜坡坡体变形、失稳。冻土 中冰的存在以及冰一土胶结构造的特殊性，使得蠕变成为冻土的一大变形特性。 这一特性的存在，在很低的应力水平下，斜坡土( 岩) 体即可表现出蠕变行为，这 一结论已得至r j 7 m c r o b e r t s 的试验证明。”。由于蠕变可产生在很低的应力水平下， 因此斜坡的坡度变化范围较大，无论陡、缓的斜坡均可产生蠕变变形。蠕变型斜 坡在青藏高原是普遍存在的斜坡类型，曾在青藏高风火山地区完成的冻土蠕变原 位测试结果表明”，蠕变主要发生在冬、夏两季，蠕变量随深度的增加而减小， 但相同深度上随冻土地温的升高而增加。此外，冬季出现沿斜坡向上的位移量( 表 第2 章多年冻士地区斜坡失稳类型段热融滑塌分布特征 明冬季冻胀在斜坡变形中的作用) 。对于蠕变型冻土斜坡，一个值得指出的现象 是，理论上由于冻土的蠕变在很大程度上受冰的影响，其蠕变量应与冰含量呈现 一定的正比关系，但实测资料显示情况并非如此，即表明蠕变主要受控于土的类 型、未冻水及士颗粒与冰之间的胶结关系。“。因此，冻土斜坡要比融区斜坡的蠕 变特性显得更为复杂。 正融土滑坡类型： ( 1 ) 融冻泥流 融冻泥流是由于冻融作用，斜坡土体结构破坏，上部融化土与下部冻土界面 成为滑动面，饱和融土在自重作用下顺坡向下缓慢蠕动成为泥流其组合物多为 饱和状态的草皮苔藓、泥炭和土、砂类混合物，蠕动后的滑动丽成为无地表植被 的裸露面，多发生在缓坡地段的富冰冻土内，甚至在l 。一2 。坡度上都有可能发 生，由于泥流融冻发生在活动层中，因此融冻泥流型滑坡属浅层滑动，且运动速 度常常很慢。 融冻泥流包括泥流阶地、鱼鳞状草皮等多种类型。 泥流阶地是一种新的、在青藏高原多年冻土区发育的滑坡类型，其形态类似 与高差变化不大的河流阶地( 并由此而得名) 。发育于青藏高原风火山地区一缓 坡开阔冲沟中的泥流阶地其斜坡整体坡度l o 。4 - ，共发育1 0 级“阶地”，每级宽 5 1 0 m ，植被十分发育，并存在大量由于水流作用形成的网状沟槽，深度l o - 3 0 c m 不等。其形成机理为：由于斜坡表层冻土的融化，产生的泥流滑塌土体沿坡面移 动，良好的植被妨碍土体沿坡面流动，土体无法得以自由地滑动。与此同时，融 化后的土体开始排水固结，并逐渐稳定于斜坡上。先期围结稳定的土体在后期滑 动土体的推动下形成“阶地”前缘，并整体上呈现出类似于河流多级阶地的形态。 鱼鳞状草皮为该类型斜坡失稳造成的典型地貌景观即斜坡表面的植被层在 土体冻融作用影响下，形成大小不一的块状体，并沿斜坡表面下滑形成由块状草 皮组合而成的鱼鳞形态。该类斜坡在青藏高原普遍发育，斜坡坡度大多在1 5 c 以 上，其对工程影响不大，但在环境方面有一定影响，可导致植被退化，在较陡的 斜坡上造成水土流失。 ( 2 ) 热融滑塌型 该类滑坡在冻土地区广泛发育，主要是由于斜坡坡脚遭到破坏而形成临空 9 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融滑塌敷其工程危害性舶研究 面，多年冻土暴露于地表，临空面及斜坡表层的冻土由于夏季吸热产生融化，在 高含冰量条件下，滑动土体表现为坚硬的岩土块体和液状泥浆组成的混合物，这 种物质抗剪强度很低或无抗剪强度，因此很容易产生大致平行于坡面的滑动面。 由于融化土体的深度有限，正融土的滑体厚度不大。另一方面，由于滑体为融流 体，因而可发育于坡度很缓的斜坡上。这种情况在高原自然斜坡、尤其是工程影 响下的自然斜坡上易于见到，虽然其厚度有限，但因发育范围较大，且发展速度 快，极易造成滑坡后缘的不断侵蚀、植被破坏和水土流失，加之治理难度大、破 坏后的地质环境不易恢复，因此其具有更大的破坏性。 2 2 多年冻土地区热融滑塌的分布特征 膏藏高原热发育的热融滑塌主要分布在多年冻土区腹部地带的低山丘陵区 “，这一地区坡度大于3 。，区内地形起伏，气候寒冷，多年冻土和地下冰发育， 坡积和泥流堆积物厚，在夏季活动层吸热升温固过程中，表层土体融化，极有可 能形成热融滑塌。据王绍令调查研究“，坍塌沉陷式热融滑塌主要发育在地形平 缓地段，地面坡度3 8 。地表植被覆盖完整，岩性单一，滑塌体发展速度较慢， 运动方式咀整块塌落沉陷和蠕动位移为主；牵引滑动式热融滑塌主要发育在地面 坡度6 一1 6 。地段，地下冰分布面积大，岩性较复杂。文献”中提到：融冻滑塌 以风火山地区最为发育，活动也最强烈，多集中在公路边坡、平缓山坡、阶她边 缘地带及阴坡和半阴坡地带；此外，在西大滩、五道梁、沱沱河、温泉和唐古拉 山地区，亦有零星分布。综合来看，热融滑塌主要发育在坡度较为平缓( 3 。) 低凹的地形中，这样的地形有利于地表水及地下水的富集；气候寒冷、气温年较 差大、地表植被发育良好、水分补给充分且表层热交换条件好的缓坡地段。 o 第3 翥热融滑塌形成的丁程地质条件成滑坡过程分析 第3 童热融滑塌形成的工程地质条件及滑坡过程分析 青减公路k 3 0 3 5 处热融滑塌体是上世纪9 0 年代初形成的并且目前正处于发 展阶段的不稳定性冻土斜坡，是由于热融滑塌而造成斜坡失稳的典型代表。青藏 公路k 3 0 3 5 热融滑体位于青藏公路3 0 3 5 早程碑附近，血道梁和沱沱河之间，风 火山d a - i l4 0 公里，海拔4 5 7 8 m ，如图3 1 。风火山位丁 青藏高原连续多年冻 土分布的腹部地区，区内地形起伏，属山地丘陵区。该区6 9 月份月平均气温为 正值，是多年冻土区季节融化层发育形成时期，年降水量9 0 左右集中在此时。 以固体降水为主，年降水量在2 5 0 3 0 0 m m ，年蒸发量大于1 3 0 0 m m ，风速大且风向 多变，具有半干旱大陆性气候的特征。气候寒冷，年平均气温一6 2 4 c ，气温年较 差2 6 2 c ，每年1 0 月至翌年5 月份长达8 个月为负温月份，多具有寒冻荒漠和高 山草甸景观，山坡平缓，植被覆盖良好，为多年冻土的生存和发育提供了良好的 自然条件，多年冻土和地下冰发育，地下冰厚度从十几厘米至几米，最大厚度可 达4 m ，是厚层地下冰分布的代表性区域，最大季节融化深度在o 9 - 2 2 m 之间， 对气候变化的响应敏感，热稳定性较差，在热融作用下坡地上热融滑塌广泛分布。 图3 - l 葡目凇路l ( 3 0 3 5 滑塌冈铡 ：7 置图 3 1 青藏公路k 3 0 3 5 处斜坡工程地质特征 风火山地区多年冻土主要为大片连续多年冻土，同时也是青减公路沿线地下 冰最发育的地段之。根据2 0 0 1 年6 月在青藏公路k 3 0 3 5 滑塌体斜坡上的钻孔 中国科学院 萌士学位论史：多年；身= 卜地区热融滑塌度其t 程危害性的赴玎究 和探槽勘察揭露( 如图3 - 2 ) ，该处地层主要为上第三系湖相沉积及第四系全新 统冲洪积层。自地表而下土层剖面为：0 o - 1 1 m ，为红褐色潮湿松散的细砂层， 局部为红褐色粉质粘土央层( 塑限1 1 4 一1 6 8 ，液限1 8 9 2 6 9 ) ；i 1 0 i 3 m ， 为灰白色松散的粉砂、细砂层：1 3 2 0 m ，为红色粉质粘土层( 塑限1 4 5 6 ， 液限2 5 4 8 7 ) ，该层下部2 0 c m 范围内含有块状冰包裹体；2 0 - 4 o m ，为厚层地 下冰( 指厚度大于0 3 ，n 的纯冰或含土冰层) 。 o o 10 捧度f m ) ，： 毒亭缸幅色鲴砧 i 证拴敲 疆定啻幢翻 柜幕 ， 也牺土咒坷 鬟白色蛔砂- 证拴砬， 黝 色拈土： 古球块 心& 0 & t 球屠：毫也 甘尊母奇挚 i 毒拳毒拳毒毒毒 型咪中音9 i 搿删 轱土 乜麓- 麓 图3 2 斜坡届缘地质剖面矧 对该层曾经进行地质雷达勘探。表明在未滑动的原斜坡体中，厚层地下冰表 面平整，埋深2 0 m 以下，厚度2 3 m ，而在滑塌体中，雷达图象波形紊乱，地下冰 表面不规整，说明该层在滑塌影响下受到了极大的扰动( 图3 3 ) ，表面滑动是 以地下冰融化为前提条件的。 按照冻土含冰量、冻土构造特征，该处冻土类型自上而下划分为：0 0 n 2 o m 为季节融化层；2 o 4 o m 为含土冰层：4 o r n 以下为多冰冻土。冻土上限为厚层 地下冰的表面发育深度，即2 0 m 左右。该处年平均地温根据实测资料为一1 7 5 ，属低温冻土( 年平均地温低于一j 5 6 c ) 。 第3 章热融滑塌形成的工程地质条件及滑坡过程分析 ( a ) a - 剖面 ( b ) b - b 剖面 图3 - 3 斜坡厚层地下冰她质雷达波形图 3 2 热融滑塌形成的工程地质条件 根据上述青藏公路k 3 0 3 5 典型热融滑塌斜坡的工程地质特征，下面对热融 滑塌工程地质条件归纳为： ( 1 ) 热融滑塌形成的地形、土层条件 热融滑塌属于低角度滑坡灾害，进行青藏高原斜坡稳定性野外调查发现，热 融滑塌多发育在青藏高原多年冻土区腹部地带的低山丘陵区及平缓( 3 。) 低 凹的地形中，这地区为坡度较为平缓、植被发育良好、富含粉土及亚粘土，这 样的地形条件有利于斜坡水分补给和储存；土层以细颗粒土为主，尤其靠近冰层 的土体，不利于冰融化后水分的排泄，导致土体孔隙水压力升高、强度降低，易 于产生破坏。 ( 2 ) 热融滑塌形成的冻土含冰量条件 热融滑塌的形成多发生在高含冰量的地区，一般多年冻土为饱冰冻土、含土 冰层。热融滑塌具有先塌后滑的特征，即斜坡坡脚先发生坍塌引起上部土体的滑 塌，滑塌体稳定后会继续发生溯源坍塌。丰富的地下冰条件为滑塌提供了良好的 滑动面。 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融橱塌及其工程危害性的研究 3 3 多年冻土地区热融滑塌滑坡过程分析 深入调查研究k 3 0 3 5 热融滑塌的形成过程有助于理解青藏高原热融滑塌的 形成机理和发展过程。青藏公路k 3 0 3 5 处热融滑塌体近s n 向宽最大7 2 m ，近e - w 纵向长约9 5 m 。滑塌体厚度约1 5 2 o m ，体积约1 0 ，0 0 0 m 3 。滑塌范围呈弧形( 图 3 1 ) ，坡度低缓，整体坡度为7 0 左右。 图3 - 1k 3 0 3 5 斜坡地形及滑坡分布范围 青藏公路k 3 0 3 5 热融滑塌是青藏高原典型的热融滑塌，其显著特点是滑坡不 是整体一次性滑坡，而是从后缘原坡体融化、坍塌并沿地下冰面滑动。该斜坡发 育于上世纪九十年代，当时因青藏公路整修，开挖了斜坡坡脚部位，使得活动层 下冻土直接裸露于地表，冻土层融化，从而导致在坡脚发育了热融滑塌而且滑塌 体隧气温周期变化不断扩展。 热融滑塌产生的原因和过程与冻土条件、滑塌诱发因素密切相关。冻土是一 种温度极为敏感性的土体，随着温度的升高，其强度显著降低，士体融化后的强 度相对与冻结时的强度以几何数量级的尺度降低。因此，对于热融滑塌型滑坡成 因可以理解为：当斜坡体开挖或受如河流侵蚀后融化土体将在临空面产生坍塌， 土体坍塌后厚层地下冰处于半暴露状态或其覆盖层减薄，使得地下冰融化，融化 第3 章热融滑塌形成的工程地质条件及滑坡过程分析 水使塌落土体处于饱和、过饱和状态，而地下冰面又提供了良好的滑动面，饱和、 过饱和的土体在聚集在冰面与土层间水的润滑作用下形成滑坡。滑坡进一步引起 斜坡土体的开裂、坍塌和滑动，随着气温的波动，这种坍塌一滑动、再坍塌一再 滑动周而复始地持续下去，但滑坡前缘的土体随着排水、固结及地下冰融化面的 加深将逐渐趋于稳定。 根据热融滑塌产生原因和影响因素，其自然消亡需要存在以下几种条件之 一：滑塌范围已经到达斜坡坡顶，活动层的坍塌失去了滑动面；斜坡多年冻土厚 层地下冰尖灭或土体含冰量显著降低，活动层即使坍塌后没有地下冰融化产生的 大量水分；早期坍塌的土体覆盖了暴露的地下冰面，或滑塌体土层经排水、固结 后阻碍了后期滑塌体的滑动。 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融滑塌及其t 程危害性的研究 第4 章典型热融滑塌温度场数值分析 4 1 典型热融滑塌温度场的数值计算分析 冻土地区斜坡的稳定性有别于融土地区，很大程度上取决于坡体内温度场的 分布情况，在野外观测数据无法完整的反应出热融滑塌温度场分布的情况下，本 文结合青藏公路k 3 0 3 5 热融滑塌的气候及工程地质条件，应用有限元方法进行了 温度场的数值模拟，并与实际观测资料进行了对比，模拟出了热融滑塌形成后不 同时刻温度场的分布状况，并计算讨论了在滑坎位置填埋碎石的工程效果。 4 1 1 控制微分方程及其有限元公式 热融滑塌的突出特点是士体滑塌后结构发生了变化，土体变得更为松散而引 起导热系数的降低，因此热融滑塌温度场分布与稳定的冻土斜坡温度场分布有着 很大的区别。在计算过程中，认为未冻结水含量仅是温度的函数，热融滑塌温度 场的分布可以用下面的二维热传导微分方程描述： 夏a 【t 面a t ) + aq 丽0 t ) + q = 五罾 ( 4 m 其中t 为士体温度( ) ，t 为时间变量( d ) ，引k j ( m 3 k ) 】为体积热融量， q 为边界热量条件( k j ) ，k 为土体的导热系数 i u ( m d k ) 】，t 、k y 分别为x 、 y 方向的导热系数，考虑土体冻结状态和融化状态下导热系数的变化，式( 4 2 ) 列出了k 的具体表达式； 七：十挣 ( r - 瓦) ( 瓦t 瓦) ( 4 - 2 ) 【k s ( 孔瓦) f 、u 分布表示土体处于冻结状态和融化状态，l ，瓦分别为冻土剧烈相变 区上、下界温度( ) 。 五：c + la w 一 ( 4 3 ) a r c 为士体的体积热融量【k j ( m 3 k ) ，l 为水的相变潜热( 3 3 4 x 1 0 5 k j m 3 ) 第4 章典型热融滑塌温度场数值分析 呒为未冻水含量( ) ，呒可以根据未冻水含量随温度变化的关系由式( 4 - 5 ) 来实现，由( 4 3 ) 式，得到五： f e ( r 卜0 ) 见剖c ，+ 翳弘驴三器 ( 抖钏 。， ic ， ( r 瓦) 未冻水含量k 表达式为 呒= w x e ， ( 4 - 5 ) 其中为土层体积含水量，见为不同温度下孔隙水的冻结率 根据式( 4 3 ) 和( 4 5 ) ，式( 4 1 ) 可以表达为： 昙( 以警) + 万8c 可a t ) + q = ( c + 上缈面a e , 、百a t c 。勘 4 1 2 计算物理模型 冻土斜坡沿深度方向是无限延伸的，所以将热融滑塌温度场计算问题简化为 二维问题来处理。 根据k 3 0 3 5 热融滑塌的她质条件设计了数值计算物理模型，如图4 - - i ；将 滑坎取在x 方向的中间，横向上取1 0 0 米，即滑坎两侧各取5 0 米；y 方向上取 2 8 米；滑坎右侧为未滑区，左侧为滑塌区，两侧土层结构不同，左侧为2 米厚 的粉土，粉土以下为l 米厚的冰层、冰层下为风化泥岩：右侧由上向下依次为 0 5 米的草炭亚粘土层、l 米的砂土层、i 米的粘土层、3 0 米的冰层和风化泥岩。 各个土层的具体热力参数见表4 一1 士层孔隙水中未冻水含量随温度变化而变 化，根据文献资料“删各土层未冻水在孔隙水中的比重随温度变化曲线见图4 2 。 根据气温变化特征，将地面年平均温度即下附面层底的温度变化简化成如下 三角函数形式。1 。 中国科学院硕士学位论文：多年冻土地区热融滑塌及其工程危害性的研究 釜! 童苎型垫堂堂堡塑堕堑墼堕坌堑 一一一