申艷軍 魏 欣 張 蕾 張玉璽 李雪婷 陳 興

(①西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054，中國)(②陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國)(③西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國)(④中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043，中國)

0 引 言

隨著中尼鐵路、中巴喀喇昆侖公路等寒區(qū)重大工程建設(shè)的推進(jìn)，因沿線復(fù)雜的地形地貌、全球氣候變暖的微環(huán)境放大效應(yīng)及人類工程活動(dòng)擾動(dòng)影響，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)且呈現(xiàn)加劇特征。冰磧土作為第四紀(jì)大冰川消融運(yùn)移后的堆積物，主要分布在環(huán)青藏高原邊緣高寒山地區(qū)，在季節(jié)性凍融及人類工程耦合作用下極易引起冰磧型滑坡、碎屑泥流等地質(zhì)災(zāi)害，成為上述工程建設(shè)面臨的重要地質(zhì)災(zāi)害類型。因此，探究高寒山環(huán)境下冰磧土的凍脹特征及孕災(zāi)機(jī)制對于后續(xù)開展針對性科學(xué)防控現(xiàn)實(shí)意義重大。

冰磧土是由冰川運(yùn)動(dòng)過程中攜帶大量礫石、碎石、細(xì)粒土及粉土等快速混合搬運(yùn)的一種冰水堆積體，與常規(guī)的均質(zhì)凍土相比，具有高滲透性、強(qiáng)承載力和低壓縮性等特殊性，且因其顆粒級配分布較廣，呈現(xiàn)明顯的尺度效應(yīng)(袁廣祥等，2009；袁濤等，2019)。在高寒山地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境條件下，冰磧土邊坡內(nèi)部會(huì)發(fā)生復(fù)雜的水熱交換而引起凍脹失穩(wěn)；且冰磧土凍脹特征與其組構(gòu)參數(shù)、凍融環(huán)境等因素密切相關(guān)。因反復(fù)凍結(jié)和融水作用影響，內(nèi)部存在未凍水、相變潛熱及細(xì)顆粒遷移等動(dòng)態(tài)演化，具有明顯的多相多場耦合特征(陳濤，2019)。目前，關(guān)于凍融作用引起的土體凍脹特征機(jī)制，主要包括兩大觀點(diǎn)：(1)原位凍脹；即，因溫度梯度過大時(shí)，土體內(nèi)部孔隙未凍水來不及向冰鋒面遷移而在所處位置發(fā)生的原位凍脹，并將產(chǎn)生9%的體積膨脹；(2)分凝凍脹；即，在凍結(jié)過程中由于水分的吸力導(dǎo)致其不斷向冰峰面遷移形成的分凝冰現(xiàn)象(呂長霖等，2018)。以上均系水冰相變及傳熱作用導(dǎo)致冰磧土內(nèi)部產(chǎn)生的局部性聚冰凍脹效應(yīng)。且由于其內(nèi)部顆粒的非均質(zhì)性及凍融界面存在，將產(chǎn)生復(fù)雜的界面型聚冰凍脹災(zāi)變特征。

目前，冰磧土凍脹特性研究主要包括2個(gè)方面：(1)不同因素影響下的冰磧土凍脹特性研究；如：Ye et al.(2016)分析了粗粒土中細(xì)粒含量、滲透性及保水性對凍脹性能的影響，并探討了粗粒土的凍脹發(fā)展機(jī)理。Gao et al.(2018)開展了不同細(xì)粒含量、含水率下的粗粒土凍脹特性，研究表明細(xì)粒含量和含水率是影響凍脹率和凍脹量的主要因素，且凍脹力隨細(xì)粒含量的增加而顯著增加，而內(nèi)部水-氣運(yùn)移速率也決定了粗粒土中水分遷移量大小。此外，劉建坤等(2017)、卜建清等(2015)分別對不同細(xì)粒含量下的粗粒土進(jìn)行凍融循環(huán)及三軸剪切試驗(yàn)，結(jié)果均表明隨著粗粒土中細(xì)粒含量的增加，剪切屈服強(qiáng)度越大，而在凍融后剪切強(qiáng)度因細(xì)粒含量的增加而減小。(2)凍融條件下粗粒土的水-熱-汽遷移研究；如：Teng et al.(2020)考慮了粗粒土中水汽遷移規(guī)律，并基于凍結(jié)冰緣附近的相變傳熱問題，提出了考慮水汽運(yùn)移及對成冰作用的凍脹理論模型。Wang et al.(2019)對粗粒土的液態(tài)水遷移及水汽遷移耦合特征進(jìn)行分析，表明粗粒土中氣態(tài)水運(yùn)移是凍結(jié)緣形成的主要方式，且液態(tài)水遷移對凍土區(qū)的凍脹作用小于非凍土區(qū)。以上研究均表明，冰磧土含有的細(xì)粒含量聚集是誘發(fā)局部性凍脹的主要原因，而凍融風(fēng)化作用下冰磧土內(nèi)部氣態(tài)水遷移是誘發(fā)細(xì)粒含量局部凍脹的主要驅(qū)動(dòng)力。其中，影響氣態(tài)水遷移的主要影響因素包括：初始含水量、干密度、邊界溫度和供水模式等。

此外，目前大量學(xué)者圍繞凍融作用下冰磧土邊坡的凍脹變形失穩(wěn)問題開展了系統(tǒng)研究。如：耿波濤(2018)對藏東南地區(qū)的冰磧物滑坡失穩(wěn)機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，在不同降雨作用下冰磧土滑坡的最大位移為17.18m，且冰磧土的強(qiáng)滲透性和下覆滯水效應(yīng)是誘發(fā)滑坡的內(nèi)在原因；張彥峰等(2020)研究了凍融循環(huán)作用下墨西河流域附近冰磧土邊坡凍脹碎化機(jī)制，指出：在水分遷移和滲透作用下，冰磧土內(nèi)部存在富水區(qū)，且在滯水潤滑作用下引起坡體失穩(wěn)。但客觀而言，現(xiàn)階段立足于冰磧土自身組構(gòu)特征及水熱遷移規(guī)律，探究高寒區(qū)冰磧土邊坡聚冰凍脹及孕災(zāi)機(jī)制尚不夠系統(tǒng)。

據(jù)此，本文首先針對高寒山地區(qū)冰磧土的特殊組構(gòu)特征進(jìn)行深入剖析；在此基礎(chǔ)上，全面探究冰磧土邊坡內(nèi)部發(fā)生的水-熱-質(zhì)遷移及凍脹損傷演化規(guī)律，進(jìn)而明確其凍脹損傷機(jī)制及理論模型；最后，圍繞高寒山典型冰磧土邊坡災(zāi)變演化規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制開展系統(tǒng)剖析。研究以期為我國高寒山地區(qū)冰磧土邊坡防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)性研究支撐。

1 冰磧土的粒度組成及結(jié)構(gòu)特征

冰磧物作為高寒山地區(qū)典型的第四紀(jì)冰川遺跡物，其形成過程主要是由于冰川在刨蝕堆積作用下，冰川表面及底床不斷產(chǎn)生松散巖塊碎屑，在搬運(yùn)過程中沿程夾帶大量巖屑物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，并在冰雪消融后，通過不同搬運(yùn)形式在冰川末端逐漸堆積形成的松散碎屑物質(zhì)，包括：冰川凍融風(fēng)化侵蝕、冰川冰包巖運(yùn)移、冰川消融堆積等3個(gè)過程。因劇烈的運(yùn)動(dòng)過程及快速沉積作用影響，冰磧物的粒徑分布及組構(gòu)特征差異較大，體現(xiàn)為以粗顆粒為主的非均質(zhì)堆積現(xiàn)象。筆者對青藏高原地區(qū)典型冰磧物粒度組成及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表 1)，并結(jié)合相關(guān)學(xué)者對我國冰磧物粒徑分布(袁廣祥等，2009；王獻(xiàn)禮，2009；涂國祥等，2010；方學(xué)東等，2013；呂士展等，2014；祁昊等，2017)研究結(jié)果，歸納發(fā)現(xiàn)冰磧土具有以下特征：(1)冰磧土主要是由大塊巨石、礫石、碎石、細(xì)粒及黏粒等不同大小的顆粒粒徑混合組成，粒度分布范圍廣泛。且以粗粒組(0.075～60mm)和巨粒組(d>60mm)顆粒為主，細(xì)粒及黏粒含量較少；(2)受劇烈的構(gòu)造地質(zhì)與地貌演化過程影響，冰磧土的級配范圍變化大，呈現(xiàn)明顯的級配不良現(xiàn)象；(3)冰磧土中粗、細(xì)骨料間混雜且無序，分選性差，膠結(jié)程度差異大。概而言之，高寒山地區(qū)冰磧土普遍呈現(xiàn)“二粒組”的組構(gòu)特征，其中：粗粒組(砂、礫粒組)含量>50%，按照傳統(tǒng)土粒組分類方法，可歸為粗粒土范圍。

不同時(shí)期冰川沉積作用形成的冰磧土存在不同的結(jié)構(gòu)特征，比如：冰磧年代較早(倒二次冰磧)形成冰磧物大多已完成固結(jié)，具有強(qiáng)膠結(jié)、高密實(shí)度等特征，但年代較晚冰期(末次冰磧、新冰期等)形成的冰磧物較為松散，多為欠固結(jié)狀態(tài)，極易發(fā)生失穩(wěn)變形。因此，不同沉積作用影響內(nèi)部顆粒膠結(jié)及密實(shí)程度。如：張永雙等(2007，2009)、王獻(xiàn)禮(2009)較早地將存在一定膠結(jié)性的冰磧土分為鈣質(zhì)膠結(jié)和泥質(zhì)膠結(jié)兩種，對于弱膠結(jié)性或無膠結(jié)性的冰磧土可分為骨架結(jié)構(gòu)、懸浮結(jié)構(gòu)和過渡結(jié)構(gòu)3種，如圖1所示(王獻(xiàn)禮(2009))。其中：冰磧物中含水量和礦物含量可影響顆粒間的膠結(jié)性。程強(qiáng)等(2019)根據(jù)冰磧土骨架風(fēng)化程度，將其劃分骨架懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、軟化骨架懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、砂礫土富集結(jié)構(gòu)、大塊石包繞結(jié)構(gòu)等4種類型。以上冰磧土的結(jié)構(gòu)類型均與塊石骨架及砂礫雜基間的填充密實(shí)程度有關(guān)，不同顆粒大小混雜堆積形成各向異性結(jié)構(gòu)。

表 1 青藏高原地區(qū)典型冰磧物粒度組成及結(jié)構(gòu)特征Table1 Grain size composition and structure characteristics of typical moraine soil in Qinghai-Tibet Plateau

圖1 冰磧土的典型結(jié)構(gòu)類型(王獻(xiàn)禮，2009)Fig.1 Three typical structures of moraine soil(Wang，2009)a.骨架結(jié)構(gòu)；b.過渡結(jié)構(gòu)；c.懸浮結(jié)構(gòu)

綜上所述，因高寒山區(qū)冰磧土特殊的粒徑分布和結(jié)構(gòu)特征，可為其內(nèi)部水分富集提供了良好的儲(chǔ)存空間。同時(shí)，由于冰磧土中粗粒組的含量最高，顆粒間的水動(dòng)力和熱傳遞作用劇烈，可誘導(dǎo)引起冰磧土發(fā)生顯著的凍脹破壞。因此，關(guān)注冰磧土邊坡的凍脹破壞孕災(zāi)機(jī)制，需重點(diǎn)關(guān)注冰磧土特殊組構(gòu)條件下的水熱遷移及聚冰演化特性。

2 冰磧土的水熱遷移規(guī)律及演化機(jī)制

2.1 凍融作用下冰磧土水熱遷移規(guī)律

凍融過程中冰磧土內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜水熱運(yùn)移，將導(dǎo)致土體內(nèi)部的水熱動(dòng)態(tài)失衡與土壤基質(zhì)擴(kuò)散遷移。而該過程是引起冰磧土產(chǎn)生凍脹變形的核心原因。因冰磧土具有典型的“二粒組”組構(gòu)特征，內(nèi)部水分往往會(huì)存在液態(tài)水、氣態(tài)水兩種形式，同時(shí)，土體內(nèi)部熱傳導(dǎo)及相變作用過程會(huì)引起混態(tài)水分的重分布，將極大影響水分基質(zhì)含量和傳遞特征。

目前，關(guān)于冰磧土的水熱遷移研究多基于室內(nèi)單向凍結(jié)循環(huán)試驗(yàn)展開，其中：多數(shù)按照粗粒土的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行針對性分析。如：學(xué)者研究表明(高建強(qiáng)等，2018；蔣言佳，2020)，在自上而下的凍結(jié)過程中，隨著深度的增加，粗粒土的凍結(jié)溫度逐漸升高，含水率也逐漸趨于飽和，且距離冷端越遠(yuǎn)其降溫速率越慢。同時(shí)，由于表層的凍結(jié)溫度最低，粗粒土內(nèi)部水分不斷向上遷移并產(chǎn)生凍結(jié)帶，并隨著凍結(jié)溫度的降低凍結(jié)封面逐漸下降，導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)厚度增加。因此，凍結(jié)溫度梯度的變化是粗粒土發(fā)生水分遷移現(xiàn)象的首要條件，而水分遷移量及遷移速率與環(huán)境條件及細(xì)粒含量有直接關(guān)系。在細(xì)粒含量較低時(shí)不產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，無水分遷移作用，但隨著細(xì)粒含量的增加，內(nèi)部水分遷移速率及分離冰透鏡體作用加強(qiáng)，并隨著時(shí)間的增長，內(nèi)部水分以原位凍脹逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐员哥R體生長為主的方式(Li et al.，2017)。Hou et al.(2020)對砂壤土在不同含水率、凍結(jié)溫度及土壤容重條件下水熱分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，土體的凍結(jié)深度隨著含水率的增大而減小，但凍結(jié)區(qū)的水分遷移補(bǔ)給作用增強(qiáng)，并表明凍結(jié)溫度降低和土體容重增大均能抑制水分的傳遞作用，導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)水分遷移量減少。袁濤等(2017)亦指出水分遷移會(huì)影響粗粒土在不同位置的凍結(jié)溫度，并認(rèn)為含水量越大，凍結(jié)溫度越低，越不利于水分的遷移，但會(huì)加速土體的原位凍脹現(xiàn)象。此外，不同外界補(bǔ)水條件對粗粒土的水分遷移具有很大影響(Konrad et al.，2005；李安原等，2015)，普遍認(rèn)為在有外界補(bǔ)水條件下的水分遷移量和凍脹性明顯相比無補(bǔ)水條件下的凍脹性較大，外界補(bǔ)水作用加劇了粗粒土內(nèi)部凍脹聚冰效果。

以上的試驗(yàn)研究多關(guān)注于液態(tài)水遷移，而針對長期處于非飽和狀態(tài)且地溫較高的地區(qū)，其粗粒土內(nèi)部存在氣態(tài)水遷移現(xiàn)象，在表層結(jié)構(gòu)的阻隔作用下產(chǎn)生“鍋蓋效應(yīng)”，加劇了表層土體的凍脹性(張升等，2017)。滕繼東等(2016)基于非飽和粗粒土的水氣運(yùn)移過程，最先提出了兩種“鍋蓋效應(yīng)”原理。第1種“鍋蓋效應(yīng)”是在土體內(nèi)部未達(dá)到凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，土體內(nèi)部主要以毛細(xì)水的形式進(jìn)行的水氣冷凝現(xiàn)象。第2種“鍋蓋效應(yīng)”是土體達(dá)到凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部大量氣態(tài)水向淺層土體遷移聚集成冰，使得淺層土體含水率大幅度增加現(xiàn)象，該現(xiàn)象是造成粗粒土邊坡凍脹破壞的主要原因，并基于第2種“鍋蓋效應(yīng)”提出了水汽遷移成冰理論。張玉芝等(2020，2021)、Wang et al.(2019)學(xué)者也對非飽和粗粒土的水氣遷移規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在粗粒土的凍融過程中，外界水分主要是以水氣混合模式向土體內(nèi)遷移，而初始含水率增大可有限的抑制粗粒土中氣態(tài)水的遷移作用。氣態(tài)水遷移主要受溫度梯度、水分梯度的影響(賀佐躍等，2018)，在凍結(jié)初期，淺層土體由于溫度較低產(chǎn)生水-汽相變導(dǎo)致內(nèi)部平衡被打破，在土體內(nèi)部形成明顯的水勢梯度，加劇了深部土體水分向冰鋒面遷移和蒸發(fā)速率，而在水汽相變過程中會(huì)消耗大量的潛熱，進(jìn)而影響粗粒土中液態(tài)水和氣態(tài)水的遷移。

綜上所述，在凍融過程中粗粒土內(nèi)部均存在液態(tài)水及氣態(tài)水混合向冰鋒面遷移現(xiàn)象，其水分遷移的主控因素受細(xì)粒含量、含水率及溫度梯度等的影響。在初始含水率及細(xì)粒含量較小時(shí)，粗粒土內(nèi)部主要以氣態(tài)水遷移方式為主，并隨著溫度梯度的增加，氣態(tài)水向冰封面遷移量增多。但在含水率較大且有外界補(bǔ)水條件下以液態(tài)水遷移為主，且細(xì)粒含量與粗粒土的水分遷移速率成正比。

2.2 冰磧土的水熱遷移演化機(jī)制

圖2 凍結(jié)緣結(jié)構(gòu)示意圖(王丹等，2019；Liu et al.，2020)Fig.2 Schematic diagram of frozen edge structure(Wang et al.，2019；Liu W et al.，2020)

關(guān)于寒區(qū)土體的水分遷移凍脹機(jī)制研究，前期多關(guān)注均質(zhì)凍土問題展開，Taber(1929)最早發(fā)現(xiàn)土體凍脹現(xiàn)象并不只是單純的原位凍結(jié)產(chǎn)生的，更多的是由于水分遷移過程中引起冰透鏡體的生長。隨后，Taber et al.(1930)也證實(shí)了水分遷移是誘發(fā)土體凍脹的主要原因。國內(nèi)學(xué)者程國棟(1981，1982)最早提出了季節(jié)性凍融過程中未凍水不等量遷移規(guī)律及分凝成冰機(jī)制。大量學(xué)者在此基礎(chǔ)上(Kaplar，1970；Anderson et al.，1973；Azmatch et al.，2012；周揚(yáng)等，2012；馬巍等，2012；曾桂軍等，2015；Sweidan et al.，2022)對土體凍結(jié)過程中水分遷移規(guī)律進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，分別探究了在不同溫度梯度下土體內(nèi)部冰透鏡體的形成與發(fā)展過程，并基于多孔介質(zhì)理論建立了各種水熱耦合模型。Miller et al.(1972)指出水分遷移及水冰相變過程不是在一個(gè)凍結(jié)溫度點(diǎn)發(fā)生的，而是在一個(gè)凍結(jié)溫度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的，并提出了凍結(jié)緣的概念和特征。相關(guān)研究均表明，土體在一定厚度的凍結(jié)緣內(nèi)將產(chǎn)生聚冰凍脹破壞，凍結(jié)緣是土體發(fā)生水分遷移和水冰相變的關(guān)鍵區(qū)域，其特征參數(shù)為未凍水含量、冰水相變力及凍結(jié)緣厚度(盛岱超等，2014；王丹等，2020)，如圖2所示。在凍結(jié)緣內(nèi)土體的水分遷移速率和凍脹量取決于溫度梯度和水勢梯度，若溫度梯度較大，凍結(jié)速率過快時(shí)，土體顆粒表面水膜來不及向凍結(jié)封面遷移，從而抑制了水分的遷移作用，即發(fā)生原位凍脹。否則在冷趨力下未凍水不斷向凍結(jié)封面遷移聚集形成分凝冰，后者被認(rèn)為是土體凍脹的本質(zhì)所在。其次，從熱力學(xué)角度來看，認(rèn)為凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)內(nèi)土顆粒表面因未凍水膜厚度分布不均而形成了水勢差，導(dǎo)致水分遷移作用發(fā)生。凍結(jié)緣區(qū)域內(nèi)的未凍水膜分布在顆粒外圍的不均勻性決定了水分遷移的方向和數(shù)量。從力學(xué)角度認(rèn)為，在水分遷移過程中，水冰界面處產(chǎn)生的相壓力導(dǎo)致孔隙水壓力降明顯，進(jìn)一步加快水分遷移速率。

綜上所述，水分遷移程度普遍與初始含水率和凍結(jié)溫度呈反比，且隨著水分遷移作用增強(qiáng)，在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)之間將存在一個(gè)過渡段，該過渡段深度被稱為活動(dòng)冰透鏡體厚度(周揚(yáng)等，2010)或臨界深度(Hou et al.，2020)，是水分遷移富集的最主要區(qū)域。以上關(guān)于土體的水分遷移機(jī)制多基于凍結(jié)緣理論展開的，關(guān)于誘發(fā)水分遷移驅(qū)動(dòng)力理論還有毛細(xì)管作用理論、土水勢理論、分凝勢理論等。同時(shí)，隨著對土體凍脹機(jī)理的深入研究，大量學(xué)者也針對不同凍融環(huán)境下土體的溫度場、水分場、應(yīng)力場等多場耦合規(guī)律進(jìn)行分析，并提出了多種水熱遷移耦合模型，如：水動(dòng)力模型(Harlan，1973)、剛性冰模型(二次凍脹模型)(O’Neill et al.，1985)、水熱力耦合模型(Sweidan et al.，2020；Ming et al.，2016)、預(yù)融動(dòng)力學(xué)模型(Saruya et al.，2013)、分離冰模型(周揚(yáng)等，2010)等。以上模型均旨在嘗試解答凍結(jié)過程中土體內(nèi)部水熱遷移驅(qū)動(dòng)力來源及分凝冰機(jī)制。

然而，由于粗粒土中液態(tài)水通常是不連續(xù)的，導(dǎo)致液態(tài)水無法遷移到凍結(jié)封面，進(jìn)而抑制了冰透鏡的形成。粗粒土內(nèi)部水分主要以液態(tài)水和氣態(tài)水混合形式賦存于顆?？紫秲?nèi)，存在混合態(tài)水分遷移現(xiàn)象，在“鍋蓋效應(yīng)”的作用下加劇表層土體的凍脹性，有研究表明氣態(tài)水遷移是誘發(fā)粗粒土產(chǎn)生水分聚冰凍脹的主要運(yùn)移方式(張升等，2017；劉建龍等，2021)。Liang et al.(2020)對不同因素下粗粒土中的水汽遷移規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：粗粒土在氣態(tài)水遷移作用下，內(nèi)部無層狀冰透鏡體分布，而是一條含有分凝冰和孔隙冰的凍結(jié)帶，并建立了粗粒土水汽運(yùn)移及相變的凍脹理論模型，其中：圖3為粗粒土中氣態(tài)水遷移過程及水熱瞬態(tài)分布示意圖。該模型表明由于氣態(tài)水遷移作用使得在不透水覆蓋層下形成分凝冰現(xiàn)象，在分凝區(qū)之外氣態(tài)水因水汽濃度的影響而凝結(jié)成液態(tài)水，進(jìn)而凍結(jié)形成孔隙冰，該模型較好解釋了氣態(tài)水遷移誘發(fā)分凝凍脹現(xiàn)象及孔隙冰的形成過程。

圖3 粗粒土中氣態(tài)水遷移過程及水熱瞬態(tài)分布(Liang et al.，2020)Fig.3 Water-vapor migration process and hydrothermal transient distribution in coarse grained soil(Liang et al.，2020)

圖4 不同含水率下固、液、氣分布關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of solid，liquid and vapor distribution under different water contenta.滴態(tài)；b.索態(tài)；c.氣泡孤島

在含水率較低時(shí)，由于內(nèi)部顆粒表面液體的不連續(xù)性，水分主要以表面毛細(xì)吸力、氣態(tài)水遷移為主；其中：在溫度梯度作用下產(chǎn)生表面張力梯度，而氣態(tài)水在毛細(xì)力作用下產(chǎn)生了通過彎月狀液體表面壓力差，該壓力差導(dǎo)致氣態(tài)水從高梯度向低梯度方向遷移。當(dāng)含水率逐漸增大，土體內(nèi)部液態(tài)水逐漸聚集形成連續(xù)狀態(tài)，液相體積含量增大導(dǎo)致氣體逐漸以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，其擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小。粗粒土中的氣態(tài)水傳輸主要受毛細(xì)壓力、連續(xù)擴(kuò)散作用影響，而氣態(tài)水的擴(kuò)散程度主要與粗粒土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和氣體密度有關(guān)。圖5為非飽和土體內(nèi)部典型物質(zhì)-能量傳輸路徑示意圖。

圖5 非飽和土內(nèi)部典型物質(zhì)-能量傳輸路徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of typical material-energy transport paths within unsaturated soils

此外，不同溫度梯度下粗粒土中的骨架顆粒、氣體與液態(tài)水之間具有熱傳導(dǎo)、對流換熱及相變換熱等多種熱量傳遞方式，各相間傳熱方式呈現(xiàn)極其復(fù)雜的過程，且與粗粒土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水率及溫度等有關(guān)。當(dāng)含水率較低時(shí)，骨架顆粒間的熱傳導(dǎo)為主要換熱形式，而含水率增大時(shí)，孔隙水增大了顆粒間的有效接觸面積，使得固-液間的對流換熱作用加劇，從而引起水分逐漸從暖端向低溫處遷移。同時(shí)，因顆粒間不均勻性和各相間接觸方式的不同，導(dǎo)致粗粒土內(nèi)部各熱量傳遞方式間具有強(qiáng)耦合性，尤其在凍結(jié)過程中因孔隙冰的形成而打破了原有熱量平衡，促使內(nèi)部熱量重分布。此外，溫度梯度的變化加快了內(nèi)部熱量的重分布現(xiàn)象，并通過影響粗粒土中水的黏滯性、密度及表面張力，進(jìn)而產(chǎn)生了水分遷移及凍脹現(xiàn)象加速。

基于以上對粗粒土內(nèi)部水熱遷移機(jī)制分析可知，探究冰磧土內(nèi)部水熱遷移規(guī)律應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注初始含水率及凍結(jié)溫度的影響。同時(shí)，因冰磧土內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙空間分布的不確定性，需重點(diǎn)考慮內(nèi)部各相間的局部熱力學(xué)平衡條件及熱傳遞方式對凍脹形成機(jī)制的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

圖6 粗粒土凍脹后的CT剖面圖(劉建龍等，2021)Fig.6 The CT profile of coarse-grained soil after frost heave(Liu et al.，2021)a.不含細(xì)粒含量的凍結(jié)帶分布；b.含細(xì)粒含量的凍結(jié)帶分布

3 冰磧土的聚冰凍脹演化規(guī)律及影響因素

3.1 凍融作用下冰磧土聚冰凍脹規(guī)律

前期大量學(xué)者對粗粒土水熱遷移過程已有一定研究(Li et al.，2017；Liang et al.，2020)，發(fā)現(xiàn)：粗粒土中的水熱遷移是產(chǎn)生聚冰凍脹的主要原因。同時(shí)，基于試驗(yàn)結(jié)果，粗粒土內(nèi)部的混態(tài)水分遷移作用導(dǎo)致在靠近暖端側(cè)出現(xiàn)無層狀分布的凍結(jié)帶，且該凍結(jié)帶厚度隨著凍結(jié)時(shí)間的推移逐漸增加。該凍結(jié)帶與均質(zhì)土中分凝成冰現(xiàn)象不同，呈現(xiàn)無分層性且凍脹不均勻，受細(xì)粒含量的不同其富冰層位置也有所差異，如圖6所示。劉建龍等(2021)指出該現(xiàn)象是由于氣態(tài)水可穿越冰鋒面進(jìn)入凍結(jié)區(qū)導(dǎo)致的，并認(rèn)為該凍結(jié)帶是孔隙冰和分凝冰共同存在的一種聚冰凍脹形式。Founie et al.(2007)采用X-CT定量表征了不同細(xì)粒含量下飽和粗粒土的形態(tài)及凍脹特征，發(fā)現(xiàn)在級配良好的粗粒土中細(xì)粒含量的增加會(huì)導(dǎo)致死孔的產(chǎn)生，使得孔隙冰飽和度逐漸增大，改變不透水層位置。實(shí)際在凍融過程中，受水汽遷移影響的凍結(jié)緣變化是動(dòng)態(tài)非平衡過程，粗粒土中的冰晶表面存在一層水膜，在凍結(jié)過程中冰的形成增加了土體的基質(zhì)吸力，反而降低了水汽密度，進(jìn)而不斷推動(dòng)氣態(tài)水向冰封面遷移，水汽遷移促進(jìn)了粗粒土冰透鏡體的增長。

此外，大量學(xué)者(王天亮等，2013；Zhang et al.，2021)對粗粒土的凍脹演化過程分析發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度的影響下，粗粒土內(nèi)部凍脹量隨著凍結(jié)時(shí)間的推移逐漸增大并趨于穩(wěn)定，其凍脹速率在凍結(jié)初期較快，但在凍結(jié)后期逐漸下降，根據(jù)凍結(jié)速率的不同可分為3個(gè)階段：(1)快速凍結(jié)階段，該階段由于溫度梯度較大，凍結(jié)速率較快，土中水分快速發(fā)生原位凍結(jié)，產(chǎn)生的凍脹量較大。(2)緩慢凍結(jié)階段，該階段凍結(jié)速率開始下降形成凍結(jié)封面后，未凍水不斷向冷端冰鋒面處遷移，凍結(jié)深度及凍脹量逐漸增大。(3)穩(wěn)定凍結(jié)階段，該階段凍脹速率逐漸減小，凍脹量逐漸增長緩慢并趨于穩(wěn)定，凍結(jié)深度也逐漸達(dá)到最大值，粗粒土的聚冰凍脹現(xiàn)象主要發(fā)生在第三凍結(jié)階段。受初始含水率及溫度梯度的影響，不同凍脹階段的成冰現(xiàn)象具有不同的特點(diǎn)。當(dāng)含水率較低時(shí)，氣態(tài)水作為主要的運(yùn)移方式。細(xì)顆粒表面上存在吸附水，在溫度梯度下吸附水膜會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)，冰的加入導(dǎo)致孔隙內(nèi)部尺寸減小，孔隙冰的凍結(jié)降低了粗粒土中的滲透性。加之在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，粗粒土中的氣態(tài)水逐漸向上層凍結(jié)區(qū)遷移產(chǎn)生凍結(jié)帶。而當(dāng)含水率較大，內(nèi)部細(xì)顆粒含量較多時(shí)，由于細(xì)顆粒有較大的基質(zhì)吸力引發(fā)液態(tài)水向凍結(jié)區(qū)遷移，氣態(tài)水遷移作用降低甚至消失，進(jìn)而造成凍脹量顯著增加。

3.2 不同因素下冰磧土的凍脹特性

粗粒土內(nèi)部的凍脹特性主要受細(xì)顆粒含量、含水率、干密度、溫度梯度等的影響，探究不同因素下粗粒土的凍脹性對揭示冰磧土凍脹破壞機(jī)制具有較好參考價(jià)值。

3.2.1 細(xì)粒含量對凍脹性的影響

針對細(xì)粒含量對凍脹性的影響，研究表明細(xì)粒含量和礦物含量的增加會(huì)明顯增強(qiáng)粗粒土的凍脹敏感性。對級配良好的粗粒土而言，隨著細(xì)粒含量增加，粗粒土的水分遷移作用越強(qiáng)且凍脹性越明顯，而凍結(jié)深度逐漸減小(Konrad et al.，2005；張聰穎，2018)。徐學(xué)祖等(2001)較早認(rèn)為導(dǎo)致粗粒土中發(fā)生明顯凍脹現(xiàn)象的粉質(zhì)黏土含量界限為12%，但尚未說明發(fā)生水分遷移的細(xì)顆粒含量界限。葉陽升等(2007)總結(jié)了國內(nèi)外對路基填料中凍脹不敏感性土的劃分界限，普遍認(rèn)為當(dāng)細(xì)粒含量小于15%時(shí)的碎石、砂類土均屬于凍脹非敏感性材料，只有當(dāng)細(xì)粒含量大于15%時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的凍脹率。而我國水利部將粗粒土中粒徑小于0.05mm的細(xì)粒含量凍脹性發(fā)生界限設(shè)定為6%。Li et al.(2017)同樣研究發(fā)現(xiàn)：冰透鏡體的生長和凍脹量與細(xì)粒含量有關(guān)，在細(xì)粒含量低于3%時(shí)僅發(fā)生原位凍脹，在細(xì)粒含量至少為6%時(shí)才可以觀察到冰透鏡體的生長。王天亮等(2013)提出細(xì)圓礫土填料在細(xì)粒含量為9%時(shí)的凍脹率和壓實(shí)效果最佳。此外，粗粒土的顆粒級配也會(huì)影響凍脹性，研究表明，級配良好的粗粒土隨著含量的增加將填充粗骨架間的孔隙從而形成更密集的結(jié)構(gòu)，不利于產(chǎn)生水分遷移及凍脹現(xiàn)象，而級配不良的粗粒土隨著含量的增加引起水分疏水通道增多，進(jìn)而加劇了凍脹性。

3.2.2 含水率對凍脹性的影響

粗粒土的初始含水率影響液態(tài)水和氣態(tài)水分遷移量，是產(chǎn)生聚冰凍脹現(xiàn)象的另一主要因素。通過對不同含水率的凍脹性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在有外界補(bǔ)水條件下，粗粒土中含水量越大則凍結(jié)深度越低，但凍脹量和凍脹率逐漸增大(張彥峰，2020)。不同類型的粗粒土其凍脹率相差較大，張以晨等(2007)研究了季凍區(qū)各種粗粒土的凍脹率和含水率界限值關(guān)系，表明凍脹率與含水率呈線性增長關(guān)系，并得出中砂、粗砂和細(xì)礫三者在達(dá)到相同凍脹率時(shí)的界限含水率普遍規(guī)律為：凍脹率為1%時(shí)含水率界限值為7%，凍脹率為3.5%時(shí)含水率界限值為10.6%，凍脹率為6%時(shí)含水率界限值為14%。王青志等(2015)通過凍脹正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粗粒土中含水率小于5%時(shí)產(chǎn)生的凍脹率較小，在含水率大于7%時(shí)將產(chǎn)生大于1%的凍脹率。

3.2.3 凍結(jié)溫度對凍脹性的影響

凍結(jié)溫度影響了粗粒土凍脹速率和凍結(jié)速率的大小，從而引起凍脹率發(fā)生變化。普遍認(rèn)為土體的凍結(jié)溫度越低則凍脹量越大，在反復(fù)凍融作用下，粗粒土中的水分不斷遷移發(fā)生聚冰凍脹(李魯賓，2021；劉建龍等，2021)。當(dāng)凍結(jié)初期溫度突然降低時(shí)，土體內(nèi)部各層溫度梯度增大，凍結(jié)速率加快，粗粒土內(nèi)部毛細(xì)水和薄膜水來不及向冰鋒面遷移便發(fā)生原位凍脹，堵塞了水分運(yùn)移通道，此時(shí)產(chǎn)生的凍脹率較小。而在凍結(jié)后期由于凍結(jié)速率緩慢降低，為粗粒土內(nèi)部水分向冰鋒面遷移提供了足夠的時(shí)間，使得外部水分補(bǔ)給的作用下不斷發(fā)生產(chǎn)生分凝凍脹，產(chǎn)生的凍脹率明顯增大，因此，粗粒土中的凍結(jié)速率與凍脹率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，凍結(jié)溫度下降也會(huì)延長冰鋒面的移動(dòng)速率，使得凍結(jié)區(qū)形成更寬的凍結(jié)帶。

3.2.4 壓實(shí)度對凍脹性的影響

除了上述因素外，壓實(shí)度對粗粒土凍脹性的增大具有一定抑制作用，壓實(shí)系數(shù)越大則凍脹性越小，其大小取決于細(xì)粒含量和溫度梯度(李安原等，2015；楊有海等，2018)。龍小勇等(2018)對青藏高原砂礫土進(jìn)行不同壓實(shí)度下的凍脹試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同含水率下，凍脹率隨壓實(shí)度的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。Liu et al.(2020)對粗粒土進(jìn)行不同壓實(shí)度下的凍脹試驗(yàn)，結(jié)果表明在正常壓實(shí)條件下的凍脹量最大，而在欠壓實(shí)條件下的凍脹量最小。王天亮等(2013)亦提出粗粒土的凍脹性隨干密度的增大呈先增大后降低的趨勢，并且細(xì)粒含量越多，干密度影響下的凍脹率也越大。以上試驗(yàn)均表明不同粗粒土存在一個(gè)最優(yōu)凍脹壓實(shí)度，其與最大干密度值有關(guān)，在工程實(shí)踐中，也常用最大干密度作為衡量壓實(shí)度的直接評價(jià)指標(biāo)。

綜上所述，以上各種因素對粗粒土的凍脹特性具有不同影響，影響粗粒土凍脹率的影響因素排序?yàn)椋汉?細(xì)粒含量>壓實(shí)度>冷端溫度(王青志等，2015；吳鵬等，2020)。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述因素對粗粒土凍脹性能影響并非獨(dú)立，往往存在耦合放大效應(yīng)，需重點(diǎn)關(guān)注各因素間耦合互饋影響關(guān)系。

4 高寒山地區(qū)冰磧土邊坡多相-多場孕災(zāi)演化機(jī)制

4.1 冰磧物邊坡多相-多場動(dòng)態(tài)演化機(jī)制

基于上節(jié)粗粒土的水熱遷移及聚冰凍脹演化過程分析可知：在寒區(qū)凍融循環(huán)、降雨入滲和積雪融化等外界環(huán)境下，冰磧土邊坡內(nèi)部同樣會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的溫度場、水分場變化，極易引起邊坡產(chǎn)生聚冰凍脹，進(jìn)而誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

前期學(xué)者圍繞某鐵路沿線粗粒土邊坡溫度場、水分場研究發(fā)現(xiàn)：粗粒土中含水率隨深度的增加而趨于飽和，同時(shí)由于地下水-熱對流作用的不均勻性導(dǎo)致坡腳的凍結(jié)深度反而最小，但在坡肩處的凍結(jié)深度最大。同時(shí)，積雪消融入滲會(huì)增大粗粒土邊坡的凍結(jié)深度，提高凍結(jié)速率。其次，受溫度梯度變化的影響，在坡面與最大凍結(jié)深度間存在水熱劇烈相變區(qū)，該區(qū)域可誘發(fā)凍融界面薄弱區(qū)的產(chǎn)生。此外，工程擾動(dòng)也會(huì)破壞冰磧土的結(jié)構(gòu)組成及密實(shí)度，促使地下水的快速入滲，并在一定深度處形成富水軟弱層(謝春慶等，2013)。

表 2 降雨/融雪作用下冰磧土邊坡多相-多場演化過程剖析Table2 Characteristics of multi-phase and multi-field of moraine slope under rainfall and snowmelt

趙文等(2021)對某鐵路沿線粗粒土邊坡的水熱運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，凍融作用加劇了土體內(nèi)部水分逐漸向坡體表面遷移成冰速率，細(xì)顆粒在水力推動(dòng)作用下逐漸析出，導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)松散，凍脹破壞作用劇烈。Zhao et al.(2020)開展了降雪條件下寒區(qū)粗粒土邊坡的凍脹變形試驗(yàn)，研究認(rèn)為季節(jié)性粗粒土邊坡的變形破壞是由于表層土體凍脹破壞和冰雪融水入滲引起的。基于上述研究結(jié)果，筆者歸納總結(jié)出冰磧土邊坡在凍融過程中多相-多場演化過程，詳見表 2所示。

基于表 2發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)過程中冰磧土邊坡主要經(jīng)歷3個(gè)階段：在凍結(jié)初期，邊坡表層一定深度內(nèi)的細(xì)顆粒逐漸析出，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散滲透性增大，在降雨及融雪作用下使得坡面含水率升高。在凍結(jié)后期，凍結(jié)溫度隨邊坡深度的增加逐漸降低，凍結(jié)深度逐漸增加并趨于穩(wěn)定，并形成凍融界面薄弱區(qū)；在融化期，坡體表面溫度逐漸回升，積雪融化速率加快，水分向冰鋒面遷移，導(dǎo)致冰鋒面附近含水率增大形成富水軟弱區(qū)。

因此，凍融循環(huán)過程中冰磧土邊坡產(chǎn)生聚冰凍脹的內(nèi)在機(jī)制在于持續(xù)的水熱遷移及水冰相變過程的發(fā)生，并因富冰軟弱帶的形成造成了該類邊坡失穩(wěn)。而目前該領(lǐng)域研究主要側(cè)重于寒區(qū)冰磧土邊坡水熱遷移規(guī)律分析，對于凍融條件下冰磧土邊坡內(nèi)部水-冰界面帶形成過程及其滯水潤滑效應(yīng)研究有待強(qiáng)化。

4.2 冰磧土邊坡富冰帶形成過程及滯水促滑機(jī)制

該部分側(cè)重于剖析冰磧土邊坡富冰帶形成過程及滯水促滑機(jī)制，據(jù)上節(jié)研究可知，冰磧土在外部環(huán)境和內(nèi)部應(yīng)力的雙重作用下，誘發(fā)其內(nèi)部產(chǎn)生典型“鍋蓋效應(yīng)”，進(jìn)而形成隔斷區(qū)和聚冰富水區(qū)，反復(fù)的凍融作用為寒區(qū)冰磧土邊坡災(zāi)變提供了良好的條件。其典型特點(diǎn)為：受溫度及降雨等影響下冰磧土內(nèi)部不斷發(fā)生水熱質(zhì)遷移及相變傳熱過程，使得淺層冰磧土邊坡產(chǎn)生富冰軟弱帶，探究高寒山地區(qū)冰磧土邊坡富冰帶形成過程是厘清冰磧土堆積界面型滑坡災(zāi)變機(jī)制的關(guān)鍵性科學(xué)問題之一。

目前，寒區(qū)大型冰川泥石流或滑坡災(zāi)害的形成均源于冰緣或冰磧土等物源突然發(fā)生崩落或滑塌現(xiàn)象(羅路廣等，2020)。而該現(xiàn)象是由于凍融循環(huán)過程中土體的質(zhì)點(diǎn)遷移效應(yīng)和冰-水界面的滯水潤滑效應(yīng)所產(chǎn)生(靳德武等，2005)。剖析其孕災(zāi)機(jī)制可知，其主要受兩種模式控制：(1)混態(tài)水-熱遷移聚冰效應(yīng)；(2)富冰帶界面的滯水潤滑效應(yīng)。一方面，在全球氣候變暖的客觀因素下，高山冰川和凍土消融后形成的冰磧物物源條件豐富，凍融和降雨侵蝕入滲作用強(qiáng)烈，觸發(fā)了冰磧土邊坡內(nèi)部的水熱力重分布。凍融作用引起土體內(nèi)部未凍水和細(xì)顆粒不斷向凍結(jié)區(qū)遷移，加快了冰鋒面處的凍結(jié)和遷移速度，直至在一定深度處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后停止，下覆土體處于封凍狀態(tài)形成不透水層(葛琪，2010)。另一方面，季節(jié)性凍融作用使得冰磧土邊坡水分富集且含水率增大，在持續(xù)凍結(jié)過程中內(nèi)部水熱遷移及定向化聚冰現(xiàn)象顯著(吳瑋江，1997)；而因下覆基巖或低滲透古冰磧層往往相對隔水，往往在區(qū)域附近出現(xiàn)典型富冰帶，而在水壓變化和分凝聚冰的聯(lián)合作用下，富冰帶上覆土體大面積軟化形成混合軟化區(qū)，從而在富冰帶的低摩擦性和滯水潤滑作用下，引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害鏈的發(fā)生。楊棟等(2019)也針對冰磧物邊坡不同的破壞形式提出了3種典型斜坡類型：壤化層+冰磧層、沖洪積物覆于冰磧層之上、冰磧層夾湖相沉積層。以上3種斜坡結(jié)構(gòu)內(nèi)的主要破壞方式均表現(xiàn)為沿滲透界面薄弱層運(yùn)移的淺表層滑坡。

圖7 冰磧土富冰帶滯水-促滑過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of water-retarding and slipping-promoting process in ice-rich belt of moraine soil

與均質(zhì)凍土邊坡的聚冰凍脹過程相比，冰磧土邊坡具有強(qiáng)烈的水熱質(zhì)遷移及富水聚冰現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在：(1)受冰磧土特殊的物性特征影響，不均衡水熱遷移現(xiàn)象突出，富冰帶聚冰及滯水潤滑過程明顯；(2)聚冰歷時(shí)短，往往在若干季節(jié)凍融周期完成富冰聚集；(3)富冰帶呈現(xiàn)多級分層結(jié)構(gòu)特征，并摻雜大量細(xì)粒土，存在細(xì)顆粒遷移特點(diǎn)。整體而言，冰磧土富冰帶的形成過程及促滑機(jī)制主要受內(nèi)部溫度場和水分場控制，高寒山地區(qū)冰磧土堆積型邊坡內(nèi)部存在明顯的富冰軟弱帶，在降雨融雪及凍融聯(lián)合作用下誘發(fā)冰磧粗粒土內(nèi)部產(chǎn)生水熱質(zhì)遷移及滯水促滑效應(yīng)。圖7為冰磧土富冰帶滯水-促滑過程示意圖。

因此，認(rèn)知冰磧土邊坡富冰帶滯水-促滑機(jī)制是評價(jià)該類地質(zhì)災(zāi)害臨災(zāi)判識及科學(xué)預(yù)控的另一重要問題。而目前針對界面滯水-促滑機(jī)制研究僅關(guān)注到冰磧土的水-熱-質(zhì)多相遷移現(xiàn)象，以及其導(dǎo)致富冰帶積聚過程，對于引發(fā)高寒山區(qū)冰磧土邊坡災(zāi)害的臨災(zāi)條件及針對性動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚待深入剖析。

4.3 冰磧土邊坡孕災(zāi)演化過程及災(zāi)變機(jī)制

冰磧土作為高寒山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害重要物源，在外界動(dòng)力擾動(dòng)作用下易形成大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害。具體外界動(dòng)力擾動(dòng)過程包括：土力學(xué)和水力學(xué)過程，其中：土力學(xué)過程指冰崩、滑坡等誘發(fā)泥石流災(zāi)害轉(zhuǎn)化的形成。水力學(xué)過程指由降雨作用或冰雪消融誘發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害，凍融循環(huán)作用影響冰磧物邊坡水冰相變演化及地下水滲透性能改變。

目前，學(xué)者根據(jù)流體力學(xué)原理、多維多相介質(zhì)理論等方法，嘗試提出地質(zhì)力學(xué)模型表征地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)力演化過程，如：Ouyang et al.(2015)研究了泥石流的夾帶放大效應(yīng)對動(dòng)力特性的影響，基于Coulomb理論和Voellmy摩擦定律提出了一種新的泥石流基礎(chǔ)夾帶動(dòng)力學(xué)模型，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該模型的有效性。Liu et al.(2020)考慮了降雨入滲、徑流和泥石流路徑等各個(gè)階段的運(yùn)移過程，提出了一種模擬泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)制和夾帶效應(yīng)的綜合模型，有效的實(shí)現(xiàn)了泥石流從形成到傳播的危險(xiǎn)性預(yù)測。王玉峰等(2016)基于大型三維模型試驗(yàn)研究了高位遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流的運(yùn)動(dòng)特征及堆積形態(tài)，并發(fā)現(xiàn)碎屑流的運(yùn)動(dòng)具有“X”型共軛堆積脊地貌形態(tài)。以上研究雖可對寒區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及傳播過程進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，但對災(zāi)害發(fā)生的臨界時(shí)間和位置預(yù)測尚難以把控。同時(shí)，物理模型受尺寸比例、實(shí)際物源條件復(fù)雜及環(huán)境因素不可控等影響，難以精準(zhǔn)再現(xiàn)現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育過程。因此，在高寒山特殊環(huán)境作用下，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該地區(qū)地形地貌、地質(zhì)環(huán)境對災(zāi)害發(fā)育的影響過程及臨界條件，并著力于分析冰磧土邊坡失穩(wěn)的主控因子，并基于控因定量建構(gòu)動(dòng)力學(xué)預(yù)測模型，以便明晰冰磧土邊坡孕災(zāi)機(jī)制，并有效提高精準(zhǔn)防控水平。

圖8 冰磧土邊坡內(nèi)外耦合共生災(zāi)害演化過程Fig.8 Evolution process of coupling and symbiotic disaster of moraine soil slope

由于冰磧土物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜性和多樣性，內(nèi)部往往會(huì)產(chǎn)生土力學(xué)與水力學(xué)過程耦合作用。目前，已有研究表明影響其地質(zhì)災(zāi)害鏈啟動(dòng)的主要因素有：水動(dòng)力條件(潘蕾，2017)、地形地貌、物源特征(張佳佳等，2018；Liu et al.，2020)、環(huán)境條件。冰磧土邊坡地質(zhì)災(zāi)害演化過程如圖8所示，孕災(zāi)演化過程為：在特大暴雨或冰雪消融作用下，一部分水分容易沖擊冰磧土坡面向下側(cè)匯流，一部分水分在其溝道積水沿裂隙徑流入滲至內(nèi)部，引發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害的發(fā)生，破壞邊坡的穩(wěn)定性并為災(zāi)變的發(fā)生提供充足的物源條件。此外，加之在凍融作用下，冰磧土邊坡內(nèi)部損傷及水熱交換現(xiàn)象顯著，反復(fù)凍融作用使得冰磧土產(chǎn)生富冰帶聚冰凍脹效應(yīng)，且在高寒山巨大高程下冰磧土碎屑物與洪水摻混沿著富冰帶進(jìn)行滑動(dòng)運(yùn)移，在運(yùn)動(dòng)過程中與河床兩側(cè)挾裹的冰磧土發(fā)生明顯的物質(zhì)交換和水分補(bǔ)給，進(jìn)而誘發(fā)滑坡災(zāi)害轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮突蛱卮笮湍嗍鳛?zāi)害。由于冰磧土的豐富含泥量堵隔河流形成堰塞湖，待水量達(dá)到一定程度時(shí)易引發(fā)大型潰決洪水災(zāi)害，具有典型的“內(nèi)外耦合共生孕災(zāi)”特點(diǎn)。因此，冰磧土堆積型滑坡災(zāi)害鏈主要是指由滑坡啟動(dòng)孕災(zāi)、泥石流災(zāi)變運(yùn)移、堰塞湖阻江、潰決洪水沖積等過程。該過程涉及滑坡啟動(dòng)、運(yùn)移過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)變、沿程侵蝕匯流、堵江疊加以及潰決水沙耦合等復(fù)雜動(dòng)力演化特征(楊興國等，2022)。

因此，冰磧土邊坡富冰帶形成過程及滯水潤滑機(jī)制本質(zhì)上是凍融過程中的各相物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)化，涉及復(fù)雜水力學(xué)及熱力學(xué)問題，包括：顆粒間的熱傳遞、水動(dòng)力以及細(xì)顆粒聚集效應(yīng)等。而目前針對冰磧土邊坡多相多場物質(zhì)能量交換問題尚不明確，亟待后續(xù)予以專項(xiàng)攻關(guān)研究。

5 結(jié) 論

基于本文綜述研究發(fā)現(xiàn)，目前冰磧土相關(guān)研究主要側(cè)重兩個(gè)方面：①冰磧土內(nèi)部水-熱-氣多相多場耦合問題，包括：總勢能下水熱遷移規(guī)律、多相多場耦合模型；②冰磧土邊坡凍脹變形及促滑失穩(wěn)特性問題，包括：富冰帶成因及滯水潤滑效應(yīng)機(jī)制等。據(jù)此，本文的主要研究結(jié)論如下：

(1)冰磧土水熱遷移及凍脹特性試驗(yàn)方面，目前多關(guān)注于分析各層位溫度場和水分場的變化規(guī)律，鮮有針對凍融過程中冰磧土的水-熱-質(zhì)遷移特性開展研究，尤其關(guān)于冰磧土各相界面間局部熱傳遞機(jī)制研究尚不明確，故建議開展凍融作用下冰磧土的水-熱-質(zhì)遷移規(guī)律和凍脹特性研究，從而揭示凍融誘發(fā)冰磧土的多相多場內(nèi)在耦合機(jī)制。

(2)冰磧土凍脹傳熱理論研究方面，目前針對均質(zhì)凍土的凍脹模型研究較多，而關(guān)于非飽和粗粒土的凍脹耦合模型研究較為片面，應(yīng)進(jìn)一步推導(dǎo)凍融作用下冰磧土水熱遷移及相變傳熱方程，并引入細(xì)顆粒運(yùn)移表征方式，建立冰磧土的多相多場遷移理論模型?？蔀楹笃诮沂颈兺吝吰聝雒浭Х€(wěn)機(jī)制提供理論支撐。

(3)冰磧土界面型滑坡災(zāi)變機(jī)制研究方面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在不同凍融因素下冰磧土邊坡富冰帶形成過程及滯水潤滑機(jī)制，同時(shí)，應(yīng)探究富冰帶的滯水潤滑效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的潛在影響，并基于以上機(jī)制研究，以便掌握高寒山區(qū)冰磧土滑坡失穩(wěn)的臨界條件及判據(jù)。