多年冻土区斜坡稳定性研究综述

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0031

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (1): 203-216.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0031

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

李艳¹^,²(), 金会军¹^,³(), 温智¹, 赵子龙⁴, 金晓颖³

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000
^2.中国科学院大学资源环境学院，北京 100049
^3.东北林业大学东北多年冻土区地质环境系统教育部野外科学观测研究站/土木工程学院与寒区科学与工程研究院，黑龙江哈尔滨 150040
^4.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730000

收稿日期:2021-04-28 修回日期:2021-10-15 出版日期:2022-02-28 发布日期:2022-03-28
通讯作者: 金会军 E-mail:liyan1@nieer.ac.cn;hjjin@nefu.edu.cn
作者简介:李艳，博士研究生，主要从事寒区油气管道工程冻融灾害研究. E-mail： liyan1@nieer.ac.cn
基金资助:
东北林业大学成栋领军人才科研启动项目“兴安岭-贝加尔及周边地区冻土退化及其工程与环境效应”(60201520115);国家自然基金面上项目“大兴安岭森林火灾对冻土环境的影响研究”(41871052);”中俄原油管道沿线植被灌丛化过程及其对冻土的水热影响”(42101119)

Stability of permafrost slopes： a review

Yan LI¹^,²(), Huijun JIN¹^,³(), Zhi WEN¹, Zilong ZHAO⁴, Xiaoying JIN³

^1.State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，730000，China
^2.College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China
^3.Northeast-China Observatory and Research-Station of Permafrost Geo-Environment-Ministry of Education，Institute of Cold-Regions Science and Engineering，School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China
^4.Gansu Province Transportation Planning，Survey & Design Institute Co. ，LTD，Lanzhou 730000，China

Received:2021-04-28 Revised:2021-10-15 Online:2022-02-28 Published:2022-03-28
Contact: Huijun JIN E-mail:liyan1@nieer.ac.cn;hjjin@nefu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 气候变化, 多年冻土, 斜坡稳定性

Abstract:

Geohazards induced by climate warming and extreme weather events have great impacts on the ecological environment and human community. In particular， in regions with more thaw-unstable， ice-rich， and warm （mean annual ground temperature >-1 °C） permafrost， climate warming and human activities have led to more frequent freeze-thaw geohazards. With the degradation of permafrost， the cohesion and shear strength of soil would be reduced， resulting in active layer detachment failures， rockfalls， mudflows， and frozen debris flows/lobes， and other frost-related geohazards in permafrost slopes. Slope instability may further aggravate the deterioration of the fragile ecological environment in permafrost regions， threatening the safe operation of engineered infrastructures. Compared with the unfrozen soil zone， the research on the stability of permafrost slopes mainly aims at ice-richer slopes. The main types of slope instability in permafrost regions include retrogressive thaw slump and active layer detachment. The former is caused by exposure and the melting of ground ice in the slope cut. The latter is by the excess pore water pressure in slope soils due to the thawing of frozen soil and the resultant excess pore water pressure reduces the soil strength， destabilizing permafrost slopes. In addition， slope instability modes in permafrost regions include gelifluction， frozen debris flows/lobes， rockfalls and creep landslides， among others. This paper reviews the latest progress on the studies on basic characteristics， influencing factors， instability mechanisms， stability evaluation methods， and mitigative measures of permafrost slope instability， identifies inadequacies， and prospects for future research.

Key words: climate changes, permafrost, slope stability

中图分类号:

P642.14

李艳, 金会军, 温智, 赵子龙, 金晓颖. 多年冻土区斜坡稳定性研究综述[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 203-216.

Yan LI, Huijun JIN, Zhi WEN, Zilong ZHAO, Xiaoying JIN. Stability of permafrost slopes： a review[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(1): 203-216.

图/表 5

表1

多年冻土区斜坡稳定性主要研究区域"

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
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
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

表1

图1

图2

图3

表2

极限平衡法计算多年冻土斜坡稳定性"

方法	分析原理	计算公式	优缺点
1	基于有效应力理论，认为冻结层阻碍了融水排出，形成的超孔隙水压力使得抗剪强度减小，斜坡发生失稳	$F s = 1 - γ w D w γ z t a n ϕ' t a n β + 2 c' γ z s i n 2 β$	计算采用有效摩擦力和黏聚力，较符合实际情况，但对于多年冻土区低角度滑坡不适用
2	基于总应力理论，认为活动层融化时的融化速度大于土体排水速度，土体不排水抗剪强度降低，导致活动层发生平移滑动	$F s = 2 c u z γ s i n 2 β$	计算采用有效摩擦力和黏聚力，同样对于多年冻土区低角度滑坡不适用
3	基于有效应力和固结理论，认为融化土体也存在固结，引入融化固结系数R，计算斜坡稳定系数	$F s = γ' γ 1 - 1 1 + 1 2 R 2 t a n ϕ' t a n β$	认为斜坡失稳是由超孔隙水压力引起的，不适用于热融滑塌斜坡失稳，对于冻融界面为粗颗粒土斜坡失稳不适用
4	认为计算斜坡稳定性系数时需考虑滑坡体颗粒组成和比重，采用岩土颗粒比重及超孔隙水压力表征冻融作用下的滑坡运动	$F s = (γ s - γ f) C Z γ f + (γ s - γ f) C t a n ϕ' t a n β$	需计算泥流重块体与泥流的比重和泥流比重，实际不易测算
5	考虑地下水沿坡面渗流，采用静力平衡方法计算稳定系数	$F s = c' + 1 - m γ + m γ s a t - γ w z c o s 2 α t a n ϕ' 1 - m γ + m γ s a t z s i n α c o s α$	考虑了地下冰融化产生的渗流，适用于热融滑塌计算，但冰-土剪切强度参数难测算，计算误差较大

表2

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多年冻土区斜坡稳定性研究综述

Stability of permafrost slopes： a review

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