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1、 水热变化对季节冻土区牵引式滑坡变形的作用机制以8月11日西和县大型滑坡为例 梁小鹏， 陈虹举， 燕强珍， 杨佳亮， 马敏(1. 甘肃工程地质研究院， 兰州 730030； 2. 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室， 兰州 730000; 3. 东北林业大学寒区科学与工程研究院， 哈尔滨 150040)冻融引发的滑坡是季节冻土区滑坡的一种主要形式，该类型滑坡的主要特点是滑动速率较小且变形具有季节特性1-3。其主要变形机制是季节性冻融引发的水分迁移导致边坡下部产生了水分集聚，从而在集聚区附近形成软弱层4-5。在外部荷载或者土体自重作用下，软弱层可能会演化成滑动面，并最终产生
2、滑坡6-7，这是目前季节冻土区滑坡发生机制的主要理论成果。然而，该理论仅仅来自定性分析8，并无定量的解释和说明，因此难以指导工程实践。要对该类型滑坡进行定量分析，必须要建立相应的水热力耦合数值模型9-11。目前，饱和状态下冻融土的水热耦合、水热力耦合模型已经取得了一定的成果，并且主要用于各种工程建设的工后评价，如青藏公路和青藏铁路多年冻土融化后的路基沉降问题等12-16。其中，Zhang等8运用饱和状态下冻土的水热模型计算了滑坡发生过程中的水热变化，然后运用单独的本构模型对该滑坡变形进行了模拟，进而对该类型滑坡的变形机制做了初步解释。然而，该模型假定土体饱和，并且运用两个单独的模型分别模拟了水
3、热和变形过程，因此无法反映水热变化对变形的作用机制。即便如此，也极少有研究运用该饱和土模型对冻融引发的滑坡进行数值分析4,6,17-18。主要原因在于饱和状态的假设太过于绝对，不符合冻土中水分迁移的实际情况19-22。另外，目前对各类型的滑坡来说，数值研究的主要作用都是对滑坡灾害的评价，极少研究其诱发机制，这也源于理论模型的欠缺9,23-24。由于缺少完整的适用于滑坡变形的非饱和冻融土的水热力耦合数值模型，结果导致该类型滑坡的变形机制只能停留在定性分析层面。比如，一种解释认为季节冻融作用会导致边坡产生季节性冻结滞水促滑效应，这种作用会从3个方面影响边坡稳定性：一是冻结会导致边坡下部水分集聚；二
4、是水分增加会降低土体强度；三是水分集聚还会增大边坡的静、动水压力25。上述分析从概念模型的角度解释了季节冻土区滑坡产生的原因，具有一定的合理性。但是，水分如何作用于滑体、水分的来源和消散过程并不清楚26-27。此外，水分富集的位置及其原因，水分迁移如何影响变形等原因尚不清楚，这也导致现有的边坡处置措施一直未能起到良好的效果26,28-31。如果能够建立一种符合季节冻土区边坡水热和变形相互作用过程的理论模型，并结合上述定性分析结果，对冻融作用引发滑坡的过程、变形特点和机制进行定量研究，那么可以对定性分析的结果进行验证和补充，从而为该类型滑坡处置措施的探索提供更加充分的理论指导。为此，现从微观角度
5、首次基于热力学观点，建立季节冻土区非饱和土水分、温度和变形相互耦合的数值模型，阐述水分对边坡变形的作用机制。该模型的优点是能够反映冻土边坡中冻融作用引发的水分迁移过程和水分不均匀分布对土体强度的影响，以此来分析边坡的变形特性。并以2020年8月11日甘肃陇南市白冯村发生的大型滑坡H3为例，分析水热变化对季节冻土区牵引式滑坡的作用机制。对滑坡处置前、后边坡的温度场、水分场和变形场进行计算，并对滑坡产生的原因和处置前后边坡的变形特点进行分析。最后讨论目前滑坡治理存在的问题，并结合研究结果给出该类型滑坡可能的治理方式。1 模型与方法水分作为滑坡产生的主要原因，水分的来源和去向至关重要。季节冻结会导致
6、水分向冻结锋面迁移从而形成水分聚集。当冰透镜体融化后水分液态水增加必然导致活动层土体强度大幅降低，从而产生蠕动。由此，基于质能平衡的非等温水热气耦合模型，建立了季节冻土区边坡的水分迁移方程如下。(1)式(1)中：w、v和i分别为液态水、气态水和冰体积含量，如无特殊标注，下标w、i、v和s分别指的是液态水、冰、气态水和土的性质；w、v和i分别为液态水、气态水和冰的密度；h为水头高度；Kwh和KwT分别为基质势和温度梯度引起的等温和非等温水力传导率；Kvh和KvT分别为等温和非等温气态水传导率。根据Van Genuchten模型，非饱和土的土水特征曲线表达式为=1+(-h)n-m(2)式(2)中：
7、为有效饱和度；、n和m为拟合参数。等温条件下，非饱和土渗透系数32为Kwh=10-iKsl1-(1-1/m)m2(3)式(3)中：为量纲为1的经验参数；l为Mualem模型调整参数；Ks为饱和渗透系数。非等温液态水渗透系数、温度梯度引起的气态水渗透系数和基质势梯度引起的气态水渗透系数分别为KwT、KvT和Kvh，表达式分别为(4)式(4)中：GwT为评价土水特征曲线受温度影响的经验参数；为表面张力，0为25时的表面张力；M和g分别为水的摩尔质量和重力加速度；R为气体常数；Hr为相对湿度；为水气扩散增强因子；D为水气在土中的扩散度。温度梯度作为水分迁移的另一个主要驱动力，冻融产生的温度梯度会导致
8、水分向活动层迁移，从而产生水分聚集。根据能量守恒，传热方程32-33为(5)式(5)中：C为土体的等效比热；为土体等效导热系数；Lv为水的蒸发潜热。其余模型参数表达式见表1。表1 模型相关参数表达式Table 1 Expression of relevant parameters of the model牵引式滑坡的变形主要为蠕变变形，本构方程必须考虑水分变化的影响，这也是本模型的一个主要创新点。基于黏塑性理论，建立季节冻土区边坡的本构方程为=DT(-vp-v)(6)(7)式中：DT为与温度和含水量相关的弹性矩阵；为总应变增量矢量；vp为黏塑性应变增量矢量；v为水分相变引起的应变增量矢量；ET
9、为弹性模量；vT为泊松比。其他主要力学参数表达式如下。(8)(9)(10)(11)式中：Tp为土体冻结温度，273.15 K；其余参数均为试验拟合结果。式(1)式(11)组成了非饱和冻土水-热-力耦合数值模型。2 案例分析以2020年8月11日西和县大型滑坡为例2.1 研究区地质概况研究区位于陇南市西和县，该地区处于两组大断裂带的交汇处，其中一组断裂带经过成县-西和-礼县，横穿西礼盆地南部，呈北西走向，另一组断裂带走向北东，即为西礼断陷的东缘主断裂，该断裂带向南西方向延伸，与武都化马一带的北东向断裂相接。从这两组大断裂对新生代地层的控制和对现代地形地貌的影响可以推断，它们均属于活动性断裂构造。
10、主要地貌有构造侵蚀低中山地貌和侵蚀堆积河谷地貌。该区域受温带大陆性季风气候影响，年平均气温为8.4 ，标准冻深0.42 m，最大冻深约为1.0 m。2.2 滑坡介绍滑坡发生后，甘肃工程地质研究院立即对该滑坡进行全面勘测，查明了新老滑坡周界(图1)，钻探确定了滑动面深度，对岩土体结构特性进行了实验分析。经研究发现，H3为老滑坡，该滑坡自2019年8月2日以来一直处于极慢速滑动状态。本次因连续强降雨影响，于2020年8月11日在H3滑坡体上又发育1处次级滑坡H3-1，该滑坡截止到2020年8月26日一直处于蠕变滑动状态(表2)。表2 模型相关参数表达式Table 2 Expression of r
11、elevant parameters of the model图1 白冯村滑坡全貌图Fig.1 Overall view of Baifeng Village landslideH3老滑坡(东经10516501051744，北纬335954340021)长约390 m，宽约320 m，滑坡前缘高程为1 604 m，滑坡后缘高程为1 729 m，相对高差为125 m，滑向为140，钻孔显示滑体平均厚度为11.5 m，滑坡体积143.52104m3，属于大型滑坡。H3-1滑坡长约132 m，宽约125 m，滑坡前缘高程为1 603 m，滑坡后缘高程为1 646 m，相对高差为43 m，滑向为139
12、，根据钻孔显示滑体平均厚度为9.2 m，滑坡体积15.18104m3，属于小型滑坡。2019年8月2日2020年8月11日期间该边坡一直处于蠕变滑动状态，H3-1滑坡中部发育多条横向张拉裂缝，截止到2020年8月26日，H3滑坡导致白冯村三社9户居民75间房屋倒塌，136间房屋出现不同程度竖向裂缝，通村硬化道路中断损坏约240 m，经济损失约460万元，灾情等级为中型。H3滑坡威胁西和县白村民三社69户村民361人的生命财产安全，同时威胁十天高速西和隧道。2020年10月28日，甘肃省自然资源厅立项对该滑坡进行治理，具体措施包括：在H3滑坡前部布设29根2 m3 m的C30砼抗滑桩，中心间距5
13、 m，抗滑桩走向垂直于滑坡滑动方向，局部根据地形调整，同时辅已截排水和局部挡墙加固措施。2.3 几何模型为了分析滑坡治理前后边坡的稳定性，选择1-1断面进行分析(图2)，该断面的几何尺寸如图3所示。钻孔数据显示，边坡浅层为厚度变化较大的马兰黄土层，土质疏松、颗粒较均匀，以粉砂为主，呈块状，大孔隙显著，垂直节理发育，一般具有湿陷性。马兰黄土下部为弱风化泥岩层，岩芯呈短柱状，采取率高，干钻困难，遇水易软化，风干易崩解。根据现场勘查和钻孔取样分析结果，勘察单位给出了滑移线的大体位置(图3)。图2 滑坡平面布置图Fig.2 Landslide layout planAB和BC边界为绝热、不可渗透边界；
14、AED为水分可渗透边界图3 1-1断面几何模型及计算域划分Fig.3 Geometric model of the section 1-1 and division of calculation domain2.4 土层参数根据原位检测和室内试验结果，土层的物理参数见表334-36，力学参数见表437-39。表3 土层物理参数Table 3 Physical parameters of the soil layers表4 土层力学参数Table 4 Mechanical parameters of the soil layers2.5 边界条件和初始条件边坡温度边界条件表达式为T=T0+Asi
15、n(2t+0)(12)式(12)中：0为初始相位角，由滑坡开始滑动时间决定。年平均地温T0为10.5 ，年平均气温变化幅度为14.7 。AED边界的水平位移和竖向位移均不受限制，AB和CD边界的竖向位移不受限制，其他边界及其位移均受限制。假设2019年8月2日之前边坡的水、热和变形状况稳定，根据边坡初始边界条件对边坡进行稳定性计算，当水热和变形不再发生变化，此时边坡的水热状况将作为模型起算的初始条件。3 结果和讨论由于新滑坡是在老滑坡的基础上继续滑动的结果，因此必须对两者同时进行稳定性分析。根据分析结果选择在滑坡前缘布设抗滑桩的方式来控制边坡的变形。3.1 滑坡处理前边坡稳定性分析2019年8月2日2020年8月11日期间该边坡一直处于极慢速滑动状态。图4(a)图4(d)为2020年8月11日该边坡的温度、水分和变形状况。由图4(a)可见，推测滑移线以上温度梯度较大，推测滑移线以下温度梯度快速减小，温度梯度突变位置与推测滑移线位置接近。这是因为温度梯度作为水分迁移的主要驱动力，其突变位置的水分含量必然会产生明显变化。图4(b)中推测滑移线附近的含水率最大值约为0.37，大于周围土体的含水率，这说明水分在此处发生了集聚(滞水
