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

寒区工程与灾害

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

Stability of permafrost slopes： a review

LI Yan,1,2, JIN Huijun,1,3, WEN Zhi1, ZHAO Zilong4, JIN Xiaoying3

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

通讯作者: 金会军，教授，主要从事冻土学与寒区工程研究. E-mail： hjjin@nefu.edu.cn

收稿日期: 2021-04-28   修回日期: 2021-10-15  

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

Received: 2021-04-28   Revised: 2021-10-15  

作者简介 About authors

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 , E-mail：liyan1@nieer.ac.cn

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.

Keywords： climate changes ; permafrost ; slope stability

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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 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0031

LI Yan, JIN Huijun, WEN Zhi, ZHAO Zilong, JIN Xiaoying. Stability of permafrost slopes： a review[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(1): 203-216 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0031

0 引言

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
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

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1.1　热融滑塌（retrogressive thaw slump）

（1） 特征

热融滑塌是一种典型的热喀斯特地貌。自然作用或人为扰动破坏了斜坡处地下冰的热平衡状态，冰层融化，上覆土体在重力作用下发生连续滑塌的现象。热融滑塌是多年冻土区广泛发育的地质灾害之一，通常呈马蹄形、舌型、长条型和圈椅型，如图1所示。热融滑塌一般发生在暖季高温时期，到冷季停止；暖季重新活动，直至达到平衡状态或到达坡顶后停止滑动；滑塌稳定一般需要数十年时间［16］。随着气候变暖，地下冰的融化加快，热融滑塌的数量和规模不断扩大［43］。如俄罗斯西伯利亚维科扬斯克地区形成的巨型热融滑塌，长1.6 km，深100 m左右［图1（a）］，每年以20~30 m的速度不断向外扩大，在此滑塌圈内还发现了大量的古生物遗骸；加拿大育空地区波弗特海海岸由于冻土退化和海水侵蚀作用导致地下冰融化，海岸发生侵蚀滑塌，如图1（c）所示；青藏高原多年冻土区也出现了大量的热融滑塌［18，44］，主要有整体式滑塌和牵引式滑塌两类［45］。在3°~8°的坡面上一般发生的是整体式滑塌，横纵向的坍塌速度近似，呈现整体向外塌落和蠕滑的现象，滑塌端面呈圈椅型；而牵引式滑塌一般发生在6°~16°的斜坡上，上覆饱和物质沿着滑动界面滑动后，滑壁处地下冰暴露融化，滑塌端面持续后移，形成了舌型或马蹄型滑塌断面。

图1

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图1   热融滑塌现象：俄罗斯西伯利亚维科扬斯克地区巨型热融滑塌（来源：https：//spookygeology.com/the-hellmouth-batagaika-crater/）（a）；俄罗斯西伯利亚森林中热融滑塌（b）；加拿大育空地区波弗特海岸线热融滑塌［31］（c）；青藏高原腹地北麓河地区热融滑塌（d）

Fig. 1   Retrogressive thaw slumps： retrogressive thaw slump in Yakutia， Siberia （Source：https：//spookygeology.com/the-hellmouth-batagaika-crater/） （a）； retrogressive thaw slump in Russia （b）； retrogressive thaw slump on southern Beaufort Sea， Yukon Territory， Canada［31］ （c）； retrogressive thaw slumps in the Beiluhe region of interior Qinghai-Tibet Plateau， China （d）


（2） 失稳机理

热融滑塌易发生在厚层地下冰发育的高温（年平均地温>-1 °C）多年冻土斜坡处；外界扰动使得斜坡段的地下冰暴露融化形成初次坍塌滑动；此后滑壁处的地下冰持续融化，导致斜坡上方连续发生溯源侵蚀。滑塌壁的后退速度在每年几米到几十米范围变化［39］，热融滑塌的形成和发展是地下冰不断融化的结果［46］。

（3） 影响因素

由于多年冻土区气候和地质环境的复杂性，影响热融滑塌形成和发展的因素众多，主要的因素有：内因（岩性、含冰量、地下冰状态、地温、植被覆盖度和地表水文地质条件等）和外因（气候变化、人为扰动、地震以及河流侵蚀等）。研究发现，热融滑塌更易发生在细颗粒的粉黏土斜坡上［47］；热融滑塌通常是地下冰融化引起的，因此斜坡含冰量越高，发生热融滑塌的可能性就越大；多年冻土区的滑坡发育与地下冰的分布及厚度密切相关，地下冰分布广泛且厚度较厚的斜坡发生滑坡的概率较大［48］；地表植被发育情况也会影响热融滑塌，植被对斜坡内部水分的吸收和蒸发以及对斜坡的固土作用对斜坡稳定性有很大的影响［45］；地温高的多年冻土斜坡对气候变化更为敏感，因此地温对热融滑塌影响重大；多年冻土区滑坡过程与气候变化密切相关［49］，在考虑气候变化引起的多年冻土区地质灾害时，需要同时考虑长期变化和极端天气：长期变化是指气候变暖，多年冻土退化，地下冰融化引发热融滑塌。极端天气指出现的极端炎热或降水天气引起冻土快速融化，斜坡失稳；人为扰动主要包括随意的取土挖土等工程活动，青藏高原五道梁的一处热融滑塌就是不合理开挖坡脚造成的［15］。地震引起多年冻土区地表形变，土体开裂地下冰融化引发斜坡失稳；对于河岸或海岸斜坡而言，水流对坡脚的侵蚀作用使得地下冰暴露融化引发热融滑塌。

1.2　活动层滑脱（active layer detachment）
（1） 特征

活动层滑脱（又称冻土滑坡）是多年冻土区常见的一种浅层滑坡，一般发生在夏季高温或强降雨时期［50］。高温及降水作用下，活动层内冰的快速融化导致孔隙水压力升高，形成超孔隙水压力；同时，冻融界面的抗剪强度降低，活动层作为整体发生快速滑动；活动层滑脱后，坡面上形成一个裸露区，易遭受水流冲刷侵蚀作用，加剧了破坏作用［51］。一般活动层滑脱的破坏规模较小，且持续时间较短（几天~几周）。活动层滑脱的失稳特征因植被覆盖、坡度和冻土条件等不同有差异，但共同特点是具有高度扰动的坡面和侧向剪切带，以及活动层滑脱后形成的断裂带［32］，如图2所示。野外调查发现，多年冻土区活动层滑脱多呈现群体分布，认为与土壤成分、地形、诱发因素有关［52］。活动层滑脱的主要诱发因素有夏季极端高温、强降水，以及苔原或森林火灾［53］。

图2

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图2   活动层失稳破坏［52］

Fig. 2   Active-layer detachment failure［52］


（2） 失稳机理

在暖季，气温升高，活动层的土体融化水分下渗，由于冻结层的阻断，导致冻融界面未冻水含量增加，活动层土体达到（超）饱和；孔隙水压力增大，土体的抗剪强度降低，导致活动层沿着冻融界面向下滑动［46］。如果有外界干扰（如工程人为扰动、地震和强降雨等），滑脱速度会更快，活动层滑脱一般发生在富冰且颗粒较细的斜坡段。对于活动层滑脱的失稳机理，学者提出了“滞水促滑”［54］理论进行分析，认为活动层融水垂直下渗，冻融交界面作为隔水层改变了水分渗流方向，水分滞留并沿冻融界面向下运动，减小了土体的静水压力；同时，融水使得滑动面以上的土体处于饱和状态，抗剪强度降低，在重力作用下活动层土体沿着冻融界面向下滑动发生滑脱。总体来说，多年冻土区斜坡稳定性主要是由斜坡土体的水热稳定性决定的，斜坡水热状态的改变是失稳的主要原因。

（3） 影响因素

活动层滑脱灾害主要的影响因素有内因（岩性、含冰量、地下冰状态、地温、植被覆盖度、地表水文地质条件）和外因（极端天气、人为扰动、火灾等）。其他影响因素与热融滑塌影响原理相同，但火灾是活动层滑脱灾害的一个重要因素。森林或苔原火灾减弱了地表植被对冻土的保温隔热作用，导致地温升高，活动层厚度增大，引发活动层滑脱和泥流灾害［55-56］。例如，Huscroft［57］调查发现Yukon地区发生森林火灾后引发了大量的活动层剥离滑坡灾害；在加拿大Inuvik地区森林火灾发生一年后，Lewkowicz等［58］调查发现了大量的活动层失稳的泥流灾害。

1.3　其他斜坡失稳模式

多年冻土区其他斜坡失稳模式包括融冻泥流、崩塌和蠕变滑坡等，其滑坡特征如图3所示。

图3

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图3   其他斜坡失稳模式：祁连山地区黑河流域融冻泥流现象［72］（a）；阿拉斯加北坡海岸线崩塌现象［23］（b）；哥伦比亚岩石崩塌现象［73］（c）；阿拉斯加南部山坡FDLs滑坡［21］（d）

Fig. 3   Other landslide modes in permafrost region： gelifluctions in Heihe River Basin， Qilian Mountains［72］ （a）； coastal collapse on the North Slope， northern Alaska［23］ （b）； rock collapse in northern British Columbia， western Canada［73］ （c）； frozen debris lobes （FDLs） on the North Slope in northern Alaska［21］ （d）


（1） 融冻泥流

融冻泥流，通常是指在冻融循环和降水作用下，表层饱和融土在重力作用下，顺着冻融界面向下蠕滑的现象，属于低角度浅层滑坡［59］，在富冰冻土斜坡上易发生。融冻泥流具有间歇性，暖季活动，冷季停止，它是多年冻土区特有的冷生地貌［60-61］。根据形成的地貌划分为泥流阶地、泥流坡坎、鱼鳞状草皮等［46］。泥流由岩屑和泥砂混合，夹有表层草皮，向下蠕滑时在坡度较缓的台阶上堆积形成阶地，阶地面平缓且向滑动方向倾斜；前端突出为泥流舌，受冻融影响植被分布呈鱼鳞状，如图3（a）所示。

（2） 崩塌

崩塌常发生在多年冻土区的海岸或是岩石陡坡；海岸由于水流侵蚀导致岸坡下切或冰楔体融化发生崩塌［62］，如图3（b）所示。在高陡斜坡段，岩石斜坡在反复冻融作用下裂隙节理发育，冰雪融水渗入裂缝且向岩土深部发展，导致岩土软化，强度降低；同时，裂缝的发展引起岩石侧向应力的释放［63-65］，导致崩塌发生，如图3（c）所示。崩塌的特点是发展速度快、没有明显征兆、产生的危害较大。

（3） 蠕变滑坡

由于冰的存在，在很低应力下，冻土斜坡也可能发生蠕变［66-67］，因此，多年冻土区斜坡另外一个失稳模式是蠕变滑坡［68］。由于冻土蠕变可能出现在很低的应力下，因此蠕变滑坡除了在高陡坡发生，在坡度和应力很小的坡面也可能发生。试验研究表明，温度和含冰量是影响冻土蠕变的关键因素［69］。随着冻土退化，高含冰量斜坡段发生蠕变滑坡的数量和规模不断扩大。如阿拉斯加布鲁克斯山脉南部山坡出现的蠕变滑坡，称为冻结岩屑蠕变滑坡（frozen debris lobes， FDLs），如图3（d）所示，坡体包裹着土石碎屑、有机物碎屑以及大量的渗流冰向下缓慢发展［70］。Darrow等［22］监测到其中一处FDL最大下滑速度为1 cm·d-1，严重威胁了斜坡下的公路和管道的安全，预测将于2023年影响道尔顿公路路基。蠕变滑坡在青藏高原多年冻土区也普遍存在，如风火山地区一处斜坡由于工程扰动出现了蠕滑张拉裂缝，随后异常降水引发热融滑塌，滑坡体深入青藏铁路涵洞中，对青藏铁路的安全运营造成了威胁［71］。

多年冻土区斜坡的失稳模式并不是一成不变的，滑坡的发展过程可能经历几种失稳模式。如在夏季高温季节，多年冻土区斜坡发生活动层滑脱，导致滑壁处的地下冰暴露引发热融滑塌，热融滑塌形成的泥流形成坡面融冻泥流等。以上几种多年冻土区斜坡失稳模式的共同特征是都发生在活动层上，其中热融滑塌和活动层滑脱对周围环境和工程造成的影响较大，需要对其进行必要的防护措施，以免对工程安全、自然环境以及人类生产生活造成危害［21］。

2 多年冻土区斜坡失稳评价

斜坡失稳评价是研究多年冻土斜坡稳定性的重要目标和任务，可为多年冻土区滑坡防护和工程选线选址提供重要的决策依据［74］。斜坡失稳评价可以分为两类：单体斜坡稳定性评价和区域斜坡失稳易发性评价［75］。单体斜坡稳定性评价是通过极限平衡法和数值模拟法，利用实测的斜坡物理力学参数计算单体斜坡的稳定性；区域滑坡易发性评价是基于遥感和GIS技术，结合统计概率学和机器学习算法等对区域滑坡发生的空间概率进行预测。

2.1　单体斜坡稳定性评价

目前针对多年冻土区的斜坡单体稳定计算分析方法主要有两种［76］：一种是基于刚性假设的极限平衡分析法［77-78］，一种是基于弹塑性理论的数值分析法［79-81］（有限元法、有限差分法、离散元法）。极限平衡法基于Mohr-Coulomb准则和静力平衡条件，假定滑坡岩土体是刚性的且将岩土体假定为条状结构，通过滑坡发生时的静力平衡条件来求解斜坡稳定性问题，物理意义明确，因此在斜坡稳定性分析计算中应用广泛。数值分析法基于材料弹-塑性理论通过计算有限单元体的应力应变发展来评价斜坡的稳定性，根据材料假定条件分为基于连续介质的分析方法（有限元法、边界元法等）和基于非连续介质的分析方法（如离散元法、界面法等）。

2.1.1　极限平衡分析法

研究学者基于Mohr-Coulomb准则和无限斜坡理论，假定滑动面为冻融界面，提出了五种计算多年冻土区斜坡稳定系数的方法［29，82］，如表2所示，在计算冻土斜坡稳定性时表现出各自的优缺点，在计算时需要按照斜坡失稳特征合理选用。

表2   极限平衡法计算多年冻土斜坡稳定性

Table 2  Limit equilibrium method to calculate the stability of frozen soil slopes

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Fs=1-γwDwγztanϕ'tanβ+2c'γzsin2β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Fs=2cuzγsin2β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Fs=γ'γ1-11+12R2tanϕ'tanβ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Fs=(γs-γf)CZγf+(γs-γf)Ctanϕ'tanβ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Fs=c'+1-mγ+mγsat-γwzcos2αtanϕ'1-mγ+mγsatzsinαcosα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

注：表2中，Fs表示斜坡稳定系数；γw表示水容重；Dw表示滑动面以上水头高度；γ表示土容重；z表示融化深度；ϕ'表示有效内摩擦角；β表示坡度；c'表示有效黏聚力；cu表示不排水抗剪强度；γ'γ表示滑坡体单位有效重量和总重量之比；R表示融化固结系数，R=α2cv；α=dt，cv表示固结系数，d是t时刻的融化深度；γs表示块体的重度；γf表示泥流的重度；C表示块体体积占比；Z表示块体厚度；γsat表示土的饱和容重；m表示滑体的饱和度，m=dwz，dw表示地下水埋深，z表示地下冰埋深。

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2.1.2　数值分析法

数值分析法在计算时考虑了材料的非线性，满足基本平衡条件和变形协调条件，能够模拟计算复杂的斜坡稳定性。基于弹塑性的有限元数值计算方法应用广泛，学者利用现有的有限元软件（ANSYS、ABAQUS、ANDIA、FLAC等）考虑冻土的水热耦合来进行多年冻土区斜坡稳定性计算，根据预先设定的斜坡失稳判据来判断斜坡的稳定性。常用的判据主要有三种［83］：①数值计算不收敛；②位移发生突变；③塑性区贯通。褚志成等［84］基于有限元理论和软件分析了多年冻土边坡热力耦合稳定性问题。张媛等［85］利用ANDIA软件中的流-固-热耦合模块建立了冻土区土钉边坡支护结构的有限元模型，并验证了该方法的正确性。王文丽等［86］基于FLAC软件在热学模块中考虑冻土相变热进行了冻融循环和地震条件下的边坡稳定性分析。基于有限元软件计算斜坡稳定性需要根据计算出的应力分布再利用极限平衡法计算稳定系数作为评价指标，往往结果难以解释。因此，刘明维等［87］、林鸿州等［88］、郑颖人等［89］提出强度折减法，通过折减后的强度参数进行有限元分析，达到破坏时的强度折减系数就是斜坡的稳定系数。这种计算方法使得有限元斜坡分析中概念明确、结果直观，得到了学者的广泛认可。虽然在有限元分析在多年冻土斜坡稳定性分析有了很好的发展，但是由于对物理机制的认识尚且不足，且影响因素难以确定，利用有限元软件中计算斜坡热融稳定性还需要深入研究。

2.2　区域斜坡失稳易发性评价

区域滑坡易发性评价是根据区域的地质条件和滑坡历史数据，预测区域滑坡的空间分布概率，主要有定性分析和定量分析两种方法［90］。定性分析法是由专家学者通过自身经验分析致灾因子的权重，然后叠加得到滑坡敏感性区划，主观性强，可靠度不高；定量分析法是通过统计模型（层次分析法、证据权法等）来分析区域地质环境和致灾因子的相关性，叠加得到敏感性区划。随着计算机数据挖掘技术的发展，机器学习算法（人工神经网络、支持向量机、决策树、随机森林等模型）也广泛应用到定性分析中，机器学习算法相比于传统统计模型计算效率和精确性更高。目前，区域滑坡易发性评价法主要是基于已发生滑坡的历史数据和GIS技术，构建区域滑坡的空间预测模型进行灾害敏感性区划［91］。

2.2.1　基于GIS技术的区域斜坡失稳易发性评价

地理信息系统（GIS）拥有强大的数据处理能力和可视化界面，使其在灾害区域评价领域得到了快速发展。将GIS技术和数据统计模型相结合进行区域滑坡易发性评价，即利用统计模型或机器学习算法计算致灾因子权重，再通过GIS叠加分析模块进行叠加即可获得滑坡敏感性区划图［92］。Liu等［93］利用历史资料构建了中国东北多年冻土区某处区域内的滑坡清单，然后选取十个滑坡致灾因子，采用基于频率比、逻辑回归和人工神经网络的模型分别获得该区域的滑坡敏感性区划图，然后进行比较分析，发现年温差和冻结深度是评价多年冻土区斜坡失稳区域敏感性区划不可或缺的因素。国外研究学者也提出了完善的针对多年冻土区滑坡灾害的系统评估方法［94］：首先选择合理的模型确定致灾因子的分布图以及影响权重，通过GIS叠加模块得到区域灾害分布图；然后开展实地调查，通过地质调查确定区域内的地温、含冰量等分布，完善分布图；最后通过布设监测系统监测区域内冻土的变化，实时更新，为灾害预测提供有力支撑。因此基于遥感技术的冻土形变监测应用到区域斜坡监测中，目前较为广泛应用的是基于InSAR技术的多年冻土区形变监测。

2.2.2　基于InSAR技术的斜坡形变监测

InSAR技术，即合成孔径雷达干涉测量技术，将遥感和大地测量结合，通过测量两个合成孔径之间的相位差来进行地表形变探测，在多年冻土区冻融灾害监测中应用广泛［95］。InSAR技术在地表形变、滑坡早期识别与形变监测方面表现突出，研究学者利用该技术对多年冻土区地表和斜坡形变进行了监测［96-99］，Singhroy等［100］利用InSAR技术对加拿大北部一处遭受森林火灾的冻土斜坡进行位移监测，发现其位移形变是相邻未受火灾影响斜坡位移的3倍多；Liu等［101-102］将InSAR技术与考虑冻土融化指数的地表形变观测反演模型相结合，监测阿拉斯加南部山坡由于地下冰融化导致蠕变滑坡，得到的监测数据对原位监测进行了验证和补充；谢酬等［103］通过PS-InSAR技术监测到青藏高原北麓河地区的地表冻胀融沉变形数据，与现场实测数据十分接近。InSAR技术在多年冻土区地表变形监测方面取得了很好的结果，但是由于InSAR技术主要应用于地表升降监测，能很好地监测冻土区地表冻胀融沉变形，但对于滑坡监测存在一定的局限性，且监测精度受坡度、坡向、地表植被覆盖度等影响，因此未来需要进一步地优化完善InSAR在多年冻土区滑坡方面的监测分析。

3 多年冻土区斜坡失稳影响及防治措施

3.1　影响

随着气候变暖，斜坡失稳灾害不仅改变了多年冻土区的地表景观，而且对多年冻土区工程建筑安全、生态环境以及全球碳氮循环有重大影响。

（1） 对工程建筑物的影响

多年冻土区斜坡失稳是气候变暖条件下冻土退化导致的冻融灾害之一。在工程活动影响下，此类地质灾害进一步加剧，反过来影响工程建筑物的安全。多年冻土区斜坡失稳易引起临近铁路和公路路基损毁、桥梁涵洞填堵等工程灾害。尤其对于高含冰量和高温多年冻土而言，气候变暖和工程扰动加快了多年冻土的退化速度，加剧了斜坡失稳对工程的灾害程度。

（2） 对生态环境的影响

斜坡失稳造成坡面植被破坏，地表裸露，导致斜坡处水热侵蚀加重［104］。同时滑坡对地表的剥蚀也阻碍了土壤有机质的积累，不利于植被的恢复和生长［8，105］。研究发现，滑坡区域内的土壤中的碳、氮、磷含量降低［106］，土壤PH值和理化性质改变［107］，导致土体中的细菌群落结构发生变化，影响土体的碳氮循环［108］。同时，大量的土壤和有机质以泥沙的形式流入湖泊河流，导致水质恶化［109］。

（3） 对碳氮循环的影响

多年冻土中存储着大量的有机碳，斜坡失稳影响区域内碳循环。斜坡失稳过程中土体温度升高，土壤微生物活动增强，加快了分解有机质的速率［110］。同时，斜坡失稳导致冻土中的有机质暴露，一部分土壤有机质被光降解成二氧化碳和甲烷等温室气体排放到大气中，另外一部分则以溶解有机碳的形式进入河流或湖泊中，改变了地表径流的溶解有机碳浓度。同时，土壤裸露后呼吸作用加强，加速了二氧化碳的释放。斜坡失稳还造成斜坡内的水分、矿物质发生转移，产甲烷和反硝化能力增强，加剧了温室气体的排放，进而改变了该区域内的碳收支平衡［111-112］。通过对比研究发现，未发生滑坡地区植被完好，二氧化碳和甲烷释放量高，表现为碳吸收；发生滑坡地区的植被破坏，土壤含水率低，二氧化碳和甲烷的释放量降低；已经发生滑坡地区地表裸露，表现为碳释放，汇水区域由于土壤含水率高，二氧化碳和甲烷释放量高［113］。

3.2　防护措施

随着气候变暖以及工程扰动等的影响，多年冻土区斜坡失稳数量和规模不断扩大，对脆弱的生态环境和工程建筑物安全造成了严重影响，因此要采取必要的措施对多年冻土区的斜坡进行防治。对于多年冻土区斜坡而言，要从保护冻土和生态环境的角度出发进行防护［15］，主要措施有：

（1）尽量避免对发育厚层地下冰的斜坡进行扰动，严禁对厚层地下冰斜坡坡脚进行挖土取土等工程活动。对工程有较大影响的斜坡进行必要的保温材料、植被等护坡措施，并在坡脚设置抗滑桩、抗滑墙等防滑措施。

（2）对于出现裂缝但未滑动的斜坡，要对斜坡下部进行压实，做好坡面排水，同时要避免对斜坡有较大的扰动。

（3）对于已经发生滑塌的斜坡，为防止其继续溯源发展，对斜坡后缘土体进行粗颗粒石块换填、覆盖等措施，防止其进一步发展；对坡面采用保温材料铺设或采用碎石填埋滑坡段等措施［114］。对滑坡前缘采用挡墙等措施减缓滑移速度或阻止滑移，保护下部冻土免受干扰，同时保护工程建筑物［115］。

（4）对重要工程建筑物有威胁的斜坡，要进行实时监测和定期观测分析，一旦位移变形过大，及时采取防护措施，减轻负面后果，避免灾难性事件发生。

4 未来研究的重点

多年冻土区的热融地质灾害频发，尤其以热融滑塌和活动层滑脱为主的斜坡失稳对多年冻土的生态环境和工程安全运营造成了严重影响，研究人员开展了许多的工作，为多年冻土区斜坡失稳灾害的认识和防护提供了很好的支撑，但是未来多年冻土斜坡稳定性研究还需要在以下几个方面进行重点研究，主要有：

（1）多年冻土区斜坡单体稳定性计算。在斜坡稳定性计算中多利用稳定系数作为单一评价标准，但多年冻土区斜坡失稳影响因素多且是随机变量，稳定系数计算时没有考虑因素的不确定性和因素间的相关性，如土体物理力学参数的变异性、外界因素的叠加性等，未来研究中应将数值计算和概率分析相结合对多年冻土区斜坡进行稳定性评价，可能更为准确合理。

（2）多年冻土区区域滑坡易发性评价。利用统计分析法和机器学习算法等进行多年冻土区滑坡易发性评价得到的结果能为工程选址和环境保护起到一定的指导作用，但多年冻土区斜坡失稳的影响因素多，导致区域滑坡易发性评价中涉及的致灾因子较多，且因子间的关联性较强，现有的模型对致灾因子的相互关系的挖掘结果不太理想，因此对于分析模型挖掘能力需要进一步的研究。

（3）多年冻土区斜坡失稳对生态环境影响研究资料和数据的扩展。目前关于由斜坡失稳引起的多年冻土区碳氮通量、化学成分变化等资料和观测数据较少，需要进一步将研究资料进行扩展，明晰斜坡失稳对多年冻土区碳氮循环的影响程度。

（4）多年冻土区斜坡失稳防护措施的有效性。多年冻土区斜坡失稳的防护措施有效性并未得到相应的验证，未来应对特定防护措施进行定期调查、监测、评估，建立科学合理的防护体系，以取得合理、经济的效果。

5 结论

在全球气候变暖的背景下，多年冻土区冻土加速退化，引起了大规模的热融滑坡地质灾害。国内外学者对多年冻土区的斜坡失稳灾害开展了大量的研究工作，包括斜坡失稳模式的特征描述、斜坡稳定性计算、区域滑坡易发性评价、滑坡对生态环境和区域碳循环的影响等，这些工作对多年冻土区斜坡稳定性研究具有重大的贡献。随着冻土条件的改变，多年冻土区斜坡失稳灾害范围可能进一步扩大，加剧对工程和生态环境的影响，治理措施可能面临失效等问题。因此，未来应继续加强多年冻土区斜坡失稳灾害的研究分析，开展以热融滑塌和活动层滑脱为主的热融滑坡灾害野外调查，明晰斜坡失稳机制和临界条件，对重点滑坡和区域灾害监测进行加强，深入研究多年冻土区滑坡易发性评价，量化斜坡失稳对多年冻土区碳循环的影响，推动多年冻土区失稳研究进一步深入。

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