多年凍土區斜坡穩定性研究綜述

李 艷， 金會軍， 溫 智， 趙子龍， 金曉穎

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000； 2.中國科學院大學資源環境學院，北京 100049；3.東北林業大學東北多年凍土區地質環境系統教育部野外科學觀測研究站/土木工程學院與寒區科學與工程研究院，黑龍江哈爾濱 150040； 4.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

凍土是由巖土顆粒、未凍水、冰以及空氣（水汽）組成的四相混合多孔介質，是寒冷環境和氣候的綜合產物；它是巖土的一種熱狀態[1］，負溫狀態持續時間不少于兩年的稱為多年凍土[2］。由于冰的存在，凍土的力學、理化性質會隨外界溫壓條件的變化而變化，導致其性質的不穩定[3］。隨著氣候變暖，多年凍土退化[4］，地下冰融化、凍土活動層增厚[5］，融化層土的孔隙水壓力、黏聚力發生變化，影響了斜坡土體的抗剪強度，降低了斜坡穩定性。如果存在外部干擾，如強降雨、地震或其他人為擾動等，斜坡失穩概率將大大增加。多年凍土區的斜坡失穩災害與氣候變化密切相關，是過去和現代氣候波動的重要指標之一[6］。隨著多年凍土區基礎建設的逐漸增多（鐵路、公路、管道、大壩等），斜坡失穩對多年凍土區脆弱的生態環境以及工程建筑物的安全造成了嚴重影響，引起了學者、工程師和社會公眾的廣泛關注[7］。

目前，國內外學者對多年凍土區斜坡穩定性問題已經進行了大量的研究，包括對斜坡失穩機理、引起的冷生地貌、地質條件變化、災害評價、滑坡區域內植物-土壤-凍土[8］之間的關系開展了很多的工作。國外研究區域主要集中在北美、加拿大、西伯利亞、歐洲等地。這些地區多年凍土廣布廣泛、凍土對溫度變化敏感（如美國阿拉斯加地區），有很多重要交通運輸工程穿越（如美國阿拉斯加地區，加拿大北部，西伯利亞地區）。國內研究區域主要集中在青藏高原以及東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等地，在這些地區青藏鐵路、青藏公路、新藏公路、川藏公路和川藏鐵路、中俄原油管道、中俄天然氣管道、伊哈高鐵（在建）等國家重大工程項目建成運營。線性工程穿越凍土區的施工和運營擾動改變了沿線斜坡的水熱狀態，易引起斜坡或邊坡失穩[9］，對工程的安全運營產生威脅。在青藏鐵路建設存在的問題中，程國棟等[10］提出凍融次生災害，如融凍泥流、熱融滑塌以及路基邊坡滑塌等，會影響鐵路的運行安全，需要引起足夠的重視。姚檀棟等[11］也關注了由于氣候變暖、凍土退化引起的不同程度的熱喀斯特災害，以熱融滑塌、融凍泥流和熱融湖塘為主，對我國青藏高原的生態環境造成了一定的影響。東北大、小興安嶺多年凍土區同樣存在由于氣候變暖、工程擾動以及森林火災等引起凍土退化導致的斜坡失穩災害問題[12］。

相比于非多年凍土區，多年凍土區斜坡失穩機理復雜且影響因素眾多。因此，正確認識多年凍土區斜坡失穩類型、特征、機理及影響因素，提出合理的、有針對性的防治措施，對多年凍土區生態環境保護和工程運營安全十分必要。本文在國內外研究工作基礎上進行歸納總結，提出未來多年凍土區斜坡穩定性研究中需要關注的問題，希望為多年凍土區斜坡穩定性研究提供參考。

1 多年凍土區斜坡失穩模式、特征、機理及影響因素

由于凍土的特殊性質以及多年凍土區的復雜氣候環境，與非凍土區相比，多年凍土區的斜坡失穩具有獨特性，主要表現在：（1）誘發因素不同：多年凍土區斜坡失穩主要是由高含冰量凍土融化引起，而非凍土區滑坡是由突發的地震、降水及水文地質條件變化等引起[13］；（2）滑坡發生坡度不同：多年凍土區斜坡失穩可以在很緩的坡面上發生，滑坡發生的角度范圍較大，但速度和規模相對較小，分布廣泛[14］；（3）滑坡發展規律不同：多年凍土區滑坡的發展速度和規模隨氣溫地溫發生變化，而非凍土區是瞬時滑坡；（4）陰陽坡效應：多年凍土區斜坡陰坡和陽坡的滑坡規模和速度不同，陰坡的滑動速率、規模遠小于陽坡[15］；（5）滑動面明確：多年凍土區斜坡失穩具有明確的滑動界面[16］。

國內外研究學者對多年凍土區斜坡的研究主要集中在表1 總結的區域內，不同區域多年凍土斜坡發生滑坡的模式、特征、機理以及影響因素不盡相同，因此要研究多年凍土區斜坡穩定性，就需要對不同斜坡失穩模式分別進行討論。由于多年凍土區斜坡失穩特征和非凍土區存在差異，不能沿用非凍土區滑坡分類標準，需要對多年凍土區斜坡失穩模式進行重新定義和劃分。國外學者McRoberts and Morgenstern[17］按照失穩特征將多年凍土區的斜坡失穩模式劃分泥流、滑塌和崩塌三類；國內學者牛富俊等[18］從凍土性質角度出發，劃分為正凍土斜坡失穩（崩塌型滑坡和蠕變型滑坡）和正融土斜坡失穩（熱融滑塌和融凍泥流）。目前，關于多年凍土區斜坡失穩模式還沒有統一的分類標準[19］，主要研究的對象為熱融滑塌和活動層滑脫；其次還包括融凍泥流、崩塌以及蠕變滑坡。

表1 多年凍土區斜坡穩定性主要研究區域Table 1 Summary of the major terrain of landslide in permafrost

1.1 熱融滑塌（retrogressive thaw slump）

（1）特征

熱融滑塌是一種典型的熱喀斯特地貌。自然作用或人為擾動破壞了斜坡處地下冰的熱平衡狀態，冰層融化，上覆土體在重力作用下發生連續滑塌的現象。熱融滑塌是多年凍土區廣泛發育的地質災害之一，通常呈馬蹄形、舌型、長條型和圈椅型，如圖1 所示。熱融滑塌一般發生在暖季高溫時期，到冷季停止；暖季重新活動，直至達到平衡狀態或到達坡頂后停止滑動；滑塌穩定一般需要數十年時間[16］。隨著氣候變暖，地下冰的融化加快，熱融滑塌的數量和規模不斷擴大[43］。如俄羅斯西伯利亞維科揚斯克地區形成的巨型熱融滑塌，長1.6 km，深100 m 左右[圖1（a）］，每年以20~30 m 的速度不斷向外擴大，在此滑塌圈內還發現了大量的古生物遺骸；加拿大育空地區波弗特海海岸由于凍土退化和海水侵蝕作用導致地下冰融化，海岸發生侵蝕滑塌，如圖1（c）所示；青藏高原多年凍土區也出現了大量的熱融滑塌[18，44］，主要有整體式滑塌和牽引式滑塌兩類[45］。在3°~8°的坡面上一般發生的是整體式滑塌，橫縱向的坍塌速度近似，呈現整體向外塌落和蠕滑的現象，滑塌端面呈圈椅型；而牽引式滑塌一般發生在6°~16°的斜坡上，上覆飽和物質沿著滑動界面滑動后，滑壁處地下冰暴露融化，滑塌端面持續后移，形成了舌型或馬蹄型滑塌斷面。

圖1 熱融滑塌現象：俄羅斯西伯利亞維科揚斯克地區巨型熱融滑塌（來源：https：//spookygeology.com/the-hellmouthbatagaika-crater/）（a）；俄羅斯西伯利亞森林中熱融滑塌（b）；加拿大育空地區波弗特海岸線熱融滑塌[31］（c）；青藏高原腹地北麓河地區熱融滑塌（d）Fig. 1 Retrogressive thaw slumps：retrogressive thaw slump in Yakutia，Siberia（Source：https：//spookygeology.com/thehellmouth-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）失穩機理

熱融滑塌易發生在厚層地下冰發育的高溫（年平均地溫＞-1°C）多年凍土斜坡處；外界擾動使得斜坡段的地下冰暴露融化形成初次坍塌滑動；此后滑壁處的地下冰持續融化，導致斜坡上方連續發生溯源侵蝕。滑塌壁的后退速度在每年幾米到幾十米范圍變化[39］，熱融滑塌的形成和發展是地下冰不斷融化的結果[46］。

（3）影響因素

由于多年凍土區氣候和地質環境的復雜性，影響熱融滑塌形成和發展的因素眾多，主要的因素有：內因（巖性、含冰量、地下冰狀態、地溫、植被覆蓋度和地表水文地質條件等）和外因（氣候變化、人為擾動、地震以及河流侵蝕等）。研究發現，熱融滑塌更易發生在細顆粒的粉黏土斜坡上[47］；熱融滑塌通常是地下冰融化引起的，因此斜坡含冰量越高，發生熱融滑塌的可能性就越大；多年凍土區的滑坡發育與地下冰的分布及厚度密切相關，地下冰分布廣泛且厚度較厚的斜坡發生滑坡的概率較大[48］；地表植被發育情況也會影響熱融滑塌，植被對斜坡內部水分的吸收和蒸發以及對斜坡的固土作用對斜坡穩定性有很大的影響[45］；地溫高的多年凍土斜坡對氣候變化更為敏感，因此地溫對熱融滑塌影響重大；多年凍土區滑坡過程與氣候變化密切相關[49］，在考慮氣候變化引起的多年凍土區地質災害時，需要同時考慮長期變化和極端天氣：長期變化是指氣候變暖，多年凍土退化，地下冰融化引發熱融滑塌。極端天氣指出現的極端炎熱或降水天氣引起凍土快速融化，斜坡失穩；人為擾動主要包括隨意的取土挖土等工程活動，青藏高原五道梁的一處熱融滑塌就是不合理開挖坡腳造成的[15］。地震引起多年凍土區地表形變，土體開裂地下冰融化引發斜坡失穩；對于河岸或海岸斜坡而言，水流對坡腳的侵蝕作用使得地下冰暴露融化引發熱融滑塌。

1.2 活動層滑脫（active layer detachment）

（1）特征

活動層滑脫（又稱凍土滑坡）是多年凍土區常見的一種淺層滑坡，一般發生在夏季高溫或強降雨時期[50］。高溫及降水作用下，活動層內冰的快速融化導致孔隙水壓力升高，形成超孔隙水壓力；同時，凍融界面的抗剪強度降低，活動層作為整體發生快速滑動；活動層滑脫后，坡面上形成一個裸露區，易遭受水流沖刷侵蝕作用，加劇了破壞作用[51］。一般活動層滑脫的破壞規模較小，且持續時間較短（幾天~幾周）。活動層滑脫的失穩特征因植被覆蓋、坡度和凍土條件等不同有差異，但共同特點是具有高度擾動的坡面和側向剪切帶，以及活動層滑脫后形成的斷裂帶[32］，如圖2所示。野外調查發現，多年凍土區活動層滑脫多呈現群體分布，認為與土壤成分、地形、誘發因素有關[52］。活動層滑脫的主要誘發因素有夏季極端高溫、強降水，以及苔原或森林火災[53］。

圖2 活動層失穩破壞[52］Fig. 2 Active-layer detachment failure[52］

（2）失穩機理

在暖季，氣溫升高，活動層的土體融化水分下滲，由于凍結層的阻斷，導致凍融界面未凍水含量增加，活動層土體達到（超）飽和；孔隙水壓力增大，土體的抗剪強度降低，導致活動層沿著凍融界面向下滑動[46］。如果有外界干擾（如工程人為擾動、地震和強降雨等），滑脫速度會更快，活動層滑脫一般發生在富冰且顆粒較細的斜坡段。對于活動層滑脫的失穩機理，學者提出了“滯水促滑”[54］理論進行分析，認為活動層融水垂直下滲，凍融交界面作為隔水層改變了水分滲流方向，水分滯留并沿凍融界面向下運動，減小了土體的靜水壓力；同時，融水使得滑動面以上的土體處于飽和狀態，抗剪強度降低，在重力作用下活動層土體沿著凍融界面向下滑動發生滑脫。總體來說，多年凍土區斜坡穩定性主要是由斜坡土體的水熱穩定性決定的，斜坡水熱狀態的改變是失穩的主要原因。

（3）影響因素

活動層滑脫災害主要的影響因素有內因（巖性、含冰量、地下冰狀態、地溫、植被覆蓋度、地表水文地質條件）和外因（極端天氣、人為擾動、火災等）。其他影響因素與熱融滑塌影響原理相同，但火災是活動層滑脫災害的一個重要因素。森林或苔原火災減弱了地表植被對凍土的保溫隔熱作用，導致地溫升高，活動層厚度增大，引發活動層滑脫和泥流災害[55-56］。例如，Huscroft[57］調查發現Yukon地區發生森林火災后引發了大量的活動層剝離滑坡災害；在加拿大Inuvik地區森林火災發生一年后，Lewkowicz 等[58］調查發現了大量的活動層失穩的泥流災害。

1.3 其他斜坡失穩模式

多年凍土區其他斜坡失穩模式包括融凍泥流、崩塌和蠕變滑坡等，其滑坡特征如圖3所示。

圖3 其他斜坡失穩模式：祁連山地區黑河流域融凍泥流現象[72］（a）；阿拉斯加北坡海岸線崩塌現象[23］（b）；哥倫比亞巖石崩塌現象[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）融凍泥流

融凍泥流，通常是指在凍融循環和降水作用下，表層飽和融土在重力作用下，順著凍融界面向下蠕滑的現象，屬于低角度淺層滑坡[59］，在富冰凍土斜坡上易發生。融凍泥流具有間歇性，暖季活動，冷季停止，它是多年凍土區特有的冷生地貌[60-61］。根據形成的地貌劃分為泥流階地、泥流坡坎、魚鱗狀草皮等[46］。泥流由巖屑和泥砂混合，夾有表層草皮，向下蠕滑時在坡度較緩的臺階上堆積形成階地，階地面平緩且向滑動方向傾斜；前端突出為泥流舌，受凍融影響植被分布呈魚鱗狀，如圖3（a）所示。

（2）崩塌

崩塌常發生在多年凍土區的海岸或是巖石陡坡；海岸由于水流侵蝕導致岸坡下切或冰楔體融化發生崩塌[62］，如圖3（b）所示。在高陡斜坡段，巖石斜坡在反復凍融作用下裂隙節理發育，冰雪融水滲入裂縫且向巖土深部發展，導致巖土軟化，強度降低；同時，裂縫的發展引起巖石側向應力的釋放[63-65］，導致崩塌發生，如圖3（c）所示。崩塌的特點是發展速度快、沒有明顯征兆、產生的危害較大。

（3）蠕變滑坡

由于冰的存在，在很低應力下，凍土斜坡也可能發生蠕變[66-67］，因此，多年凍土區斜坡另外一個失穩模式是蠕變滑坡[68］。由于凍土蠕變可能出現在很低的應力下，因此蠕變滑坡除了在高陡坡發生，在坡度和應力很小的坡面也可能發生。試驗研究表明，溫度和含冰量是影響凍土蠕變的關鍵因素[69］。隨著凍土退化，高含冰量斜坡段發生蠕變滑坡的數量和規模不斷擴大。如阿拉斯加布魯克斯山脈南部山坡出現的蠕變滑坡，稱為凍結巖屑蠕變滑坡（frozen debris lobes，FDLs），如圖3（d）所示，坡體包裹著土石碎屑、有機物碎屑以及大量的滲流冰向下緩慢發展[70］。Darrow 等[22］監 測到其中一處FDL 最大下滑速度為1 cm·d-1，嚴重威脅了斜坡下的公路和管道的安全，預測將于2023年影響道爾頓公路路基。蠕變滑坡在青藏高原多年凍土區也普遍存在，如風火山地區一處斜坡由于工程擾動出現了蠕滑張拉裂縫，隨后異常降水引發熱融滑塌，滑坡體深入青藏鐵路涵洞中，對青藏鐵路的安全運營造成了威脅[71］。

多年凍土區斜坡的失穩模式并不是一成不變的，滑坡的發展過程可能經歷幾種失穩模式。如在夏季高溫季節，多年凍土區斜坡發生活動層滑脫，導致滑壁處的地下冰暴露引發熱融滑塌，熱融滑塌形成的泥流形成坡面融凍泥流等。以上幾種多年凍土區斜坡失穩模式的共同特征是都發生在活動層上，其中熱融滑塌和活動層滑脫對周圍環境和工程造成的影響較大，需要對其進行必要的防護措施，以免對工程安全、自然環境以及人類生產生活造成危害[21］。

2 多年凍土區斜坡失穩評價

斜坡失穩評價是研究多年凍土斜坡穩定性的重要目標和任務，可為多年凍土區滑坡防護和工程選線選址提供重要的決策依據[74］。斜坡失穩評價可以分為兩類：單體斜坡穩定性評價和區域斜坡失穩易發性評價[75］。單體斜坡穩定性評價是通過極限平衡法和數值模擬法，利用實測的斜坡物理力學參數計算單體斜坡的穩定性；區域滑坡易發性評價是基于遙感和GIS 技術，結合統計概率學和機器學習算法等對區域滑坡發生的空間概率進行預測。

2.1 單體斜坡穩定性評價

目前針對多年凍土區的斜坡單體穩定計算分析方法主要有兩種[76］：一種是基于剛性假設的極限平衡分析法[77-78］，一種是基于彈塑性理論的數值分析法[79-81］（有限元法、有限差分法、離散元法）。極限平衡法基于Mohr-Coulomb 準則和靜力平衡條件，假定滑坡巖土體是剛性的且將巖土體假定為條狀結構，通過滑坡發生時的靜力平衡條件來求解斜坡穩定性問題，物理意義明確，因此在斜坡穩定性分析計算中應用廣泛。數值分析法基于材料彈-塑性理論通過計算有限單元體的應力應變發展來評價斜坡的穩定性，根據材料假定條件分為基于連續介質的分析方法（有限元法、邊界元法等）和基于非連續介質的分析方法（如離散元法、界面法等）。

2.1.1 極限平衡分析法

研究學者基于Mohr-Coulomb 準則和無限斜坡理論，假定滑動面為凍融界面，提出了五種計算多年凍土區斜坡穩定系數的方法[29，82］，如表2 所示，在計算凍土斜坡穩定性時表現出各自的優缺點，在計算時需要按照斜坡失穩特征合理選用。

表2 極限平衡法計算多年凍土斜坡穩定性Table 2 Limit equilibrium method to calculate the stability of frozen soil slopes

2.1.2 數值分析法

數值分析法在計算時考慮了材料的非線性，滿足基本平衡條件和變形協調條件，能夠模擬計算復雜的斜坡穩定性。基于彈塑性的有限元數值計算方法應用廣泛，學者利用現有的有限元軟件（AN?SYS、ABAQUS、ANDIA、FLAC 等）考慮凍土的水熱耦合來進行多年凍土區斜坡穩定性計算，根據預先設定的斜坡失穩判據來判斷斜坡的穩定性。常用的判據主要有三種[83］：①數值計算不收斂；②位移發生突變；③塑性區貫通。褚志成等[84］基于有限元理論和軟件分析了多年凍土邊坡熱力耦合穩定性問題。張媛等[85］利用ANDIA 軟件中的流-固-熱耦合模塊建立了凍土區土釘邊坡支護結構的有限元模型，并驗證了該方法的正確性。王文麗等[86］基于FLAC 軟件在熱學模塊中考慮凍土相變熱進行了凍融循環和地震條件下的邊坡穩定性分析。基于有限元軟件計算斜坡穩定性需要根據計算出的應力分布再利用極限平衡法計算穩定系數作為評價指標，往往結果難以解釋。因此，劉明維等[87］、林鴻州等[88］、鄭穎人等[89］提出強度折減法，通過折減后的強度參數進行有限元分析，達到破壞時的強度折減系數就是斜坡的穩定系數。這種計算方法使得有限元斜坡分析中概念明確、結果直觀，得到了學者的廣泛認可。雖然在有限元分析在多年凍土斜坡穩定性分析有了很好的發展，但是由于對物理機制的認識尚且不足，且影響因素難以確定，利用有限元軟件中計算斜坡熱融穩定性還需要深入研究。

2.2 區域斜坡失穩易發性評價

區域滑坡易發性評價是根據區域的地質條件和滑坡歷史數據，預測區域滑坡的空間分布概率，主要有定性分析和定量分析兩種方法[90］。定性分析法是由專家學者通過自身經驗分析致災因子的權重，然后疊加得到滑坡敏感性區劃，主觀性強，可靠度不高；定量分析法是通過統計模型（層次分析法、證據權法等）來分析區域地質環境和致災因子的相關性，疊加得到敏感性區劃。隨著計算機數據挖掘技術的發展，機器學習算法（人工神經網絡、支持向量機、決策樹、隨機森林等模型）也廣泛應用到定性分析中，機器學習算法相比于傳統統計模型計算效率和精確性更高。目前，區域滑坡易發性評價法主要是基于已發生滑坡的歷史數據和GIS 技術，構建區域滑坡的空間預測模型進行災害敏感性區劃[91］。

2.2.1 基于GIS技術的區域斜坡失穩易發性評價

地理信息系統（GIS）擁有強大的數據處理能力和可視化界面，使其在災害區域評價領域得到了快速發展。將GIS技術和數據統計模型相結合進行區域滑坡易發性評價，即利用統計模型或機器學習算法計算致災因子權重，再通過GIS 疊加分析模塊進行疊加即可獲得滑坡敏感性區劃圖[92］。Liu 等[93］利用歷史資料構建了中國東北多年凍土區某處區域內的滑坡清單，然后選取十個滑坡致災因子，采用基于頻率比、邏輯回歸和人工神經網絡的模型分別獲得該區域的滑坡敏感性區劃圖，然后進行比較分析，發現年溫差和凍結深度是評價多年凍土區斜坡失穩區域敏感性區劃不可或缺的因素。國外研究學者也提出了完善的針對多年凍土區滑坡災害的系統評估方法[94］：首先選擇合理的模型確定致災因子的分布圖以及影響權重，通過GIS 疊加模塊得到區域災害分布圖；然后開展實地調查，通過地質調查確定區域內的地溫、含冰量等分布，完善分布圖；最后通過布設監測系統監測區域內凍土的變化，實時更新，為災害預測提供有力支撐。因此基于遙感技術的凍土形變監測應用到區域斜坡監測中，目前較為廣泛應用的是基于InSAR 技術的多年凍土區形變監測。

2.2.2 基于InSAR技術的斜坡形變監測

InSAR技術，即合成孔徑雷達干涉測量技術，將遙感和大地測量結合，通過測量兩個合成孔徑之間的相位差來進行地表形變探測，在多年凍土區凍融災害監測中應用廣泛[95］。InSAR 技術在地表形變、滑坡早期識別與形變監測方面表現突出，研究學者利用該技術對多年凍土區地表和斜坡形變進行了監測[96-99］，Singhroy 等[100］利用InSAR 技術對加拿大北部一處遭受森林火災的凍土斜坡進行位移監測，發現其位移形變是相鄰未受火災影響斜坡位移的3倍多；Liu 等[101-102］將InSAR 技術與考慮凍土融化指數的地表形變觀測反演模型相結合，監測阿拉斯加南部山坡由于地下冰融化導致蠕變滑坡，得到的監測數據對原位監測進行了驗證和補充；謝酬等[103］通過PS-InSAR 技術監測到青藏高原北麓河地區的地表凍脹融沉變形數據，與現場實測數據十分接近。InSAR技術在多年凍土區地表變形監測方面取得了很好的結果，但是由于InSAR 技術主要應用于地表升降監測，能很好地監測凍土區地表凍脹融沉變形，但對于滑坡監測存在一定的局限性，且監測精度受坡度、坡向、地表植被覆蓋度等影響，因此未來需要進一步地優化完善InSAR 在多年凍土區滑坡方面的監測分析。

3 多年凍土區斜坡失穩影響及防治措施

3.1 影響

隨著氣候變暖，斜坡失穩災害不僅改變了多年凍土區的地表景觀，而且對多年凍土區工程建筑安全、生態環境以及全球碳氮循環有重大影響。

（1）對工程建筑物的影響

多年凍土區斜坡失穩是氣候變暖條件下凍土退化導致的凍融災害之一。在工程活動影響下，此類地質災害進一步加劇，反過來影響工程建筑物的安全。多年凍土區斜坡失穩易引起臨近鐵路和公路路基損毀、橋梁涵洞填堵等工程災害。尤其對于高含冰量和高溫多年凍土而言，氣候變暖和工程擾動加快了多年凍土的退化速度，加劇了斜坡失穩對工程的災害程度。

（2）對生態環境的影響

斜坡失穩造成坡面植被破壞，地表裸露，導致斜坡處水熱侵蝕加重[104］。同時滑坡對地表的剝蝕也阻礙了土壤有機質的積累，不利于植被的恢復和生長[8，105］。研究發現，滑坡區域內的土壤中的碳、氮、磷含量降低[106］，土壤PH 值和理化性質改變[107］，導致土體中的細菌群落結構發生變化，影響土體的碳氮循環[108］。同時，大量的土壤和有機質以泥沙的形式流入湖泊河流，導致水質惡化[109］。

（3）對碳氮循環的影響

多年凍土中存儲著大量的有機碳，斜坡失穩影響區域內碳循環。斜坡失穩過程中土體溫度升高，土壤微生物活動增強，加快了分解有機質的速率[110］。同時，斜坡失穩導致凍土中的有機質暴露，一部分土壤有機質被光降解成二氧化碳和甲烷等溫室氣體排放到大氣中，另外一部分則以溶解有機碳的形式進入河流或湖泊中，改變了地表徑流的溶解有機碳濃度。同時，土壤裸露后呼吸作用加強，加速了二氧化碳的釋放。斜坡失穩還造成斜坡內的水分、礦物質發生轉移，產甲烷和反硝化能力增強，加劇了溫室氣體的排放，進而改變了該區域內的碳收支平衡[111-112］。通過對比研究發現，未發生滑坡地區植被完好，二氧化碳和甲烷釋放量高，表現為碳吸收；發生滑坡地區的植被破壞，土壤含水率低，二氧化碳和甲烷的釋放量降低；已經發生滑坡地區地表裸露，表現為碳釋放，匯水區域由于土壤含水率高，二氧化碳和甲烷釋放量高[113］。

3.2 防護措施

隨著氣候變暖以及工程擾動等的影響，多年凍土區斜坡失穩數量和規模不斷擴大，對脆弱的生態環境和工程建筑物安全造成了嚴重影響，因此要采取必要的措施對多年凍土區的斜坡進行防治。對于多年凍土區斜坡而言，要從保護凍土和生態環境的角度出發進行防護[15］，主要措施有：

（1）盡量避免對發育厚層地下冰的斜坡進行擾動，嚴禁對厚層地下冰斜坡坡腳進行挖土取土等工程活動。對工程有較大影響的斜坡進行必要的保溫材料、植被等護坡措施，并在坡腳設置抗滑樁、抗滑墻等防滑措施。

（2）對于出現裂縫但未滑動的斜坡，要對斜坡下部進行壓實，做好坡面排水，同時要避免對斜坡有較大的擾動。

（3）對于已經發生滑塌的斜坡，為防止其繼續溯源發展，對斜坡后緣土體進行粗顆粒石塊換填、覆蓋等措施，防止其進一步發展；對坡面采用保溫材料鋪設或采用碎石填埋滑坡段等措施[114］。對滑坡前緣采用擋墻等措施減緩滑移速度或阻止滑移，保護下部凍土免受干擾，同時保護工程建筑物[115］。

（4）對重要工程建筑物有威脅的斜坡，要進行實時監測和定期觀測分析，一旦位移變形過大，及時采取防護措施，減輕負面后果，避免災難性事件發生。

4 未來研究的重點

多年凍土區的熱融地質災害頻發，尤其以熱融滑塌和活動層滑脫為主的斜坡失穩對多年凍土的生態環境和工程安全運營造成了嚴重影響，研究人員開展了許多的工作，為多年凍土區斜坡失穩災害的認識和防護提供了很好的支撐，但是未來多年凍土斜坡穩定性研究還需要在以下幾個方面進行重點研究，主要有：

（1）多年凍土區斜坡單體穩定性計算。在斜坡穩定性計算中多利用穩定系數作為單一評價標準，但多年凍土區斜坡失穩影響因素多且是隨機變量，穩定系數計算時沒有考慮因素的不確定性和因素間的相關性，如土體物理力學參數的變異性、外界因素的疊加性等，未來研究中應將數值計算和概率分析相結合對多年凍土區斜坡進行穩定性評價，可能更為準確合理。

（2）多年凍土區區域滑坡易發性評價。利用統計分析法和機器學習算法等進行多年凍土區滑坡易發性評價得到的結果能為工程選址和環境保護起到一定的指導作用，但多年凍土區斜坡失穩的影響因素多，導致區域滑坡易發性評價中涉及的致災因子較多，且因子間的關聯性較強，現有的模型對致災因子的相互關系的挖掘結果不太理想，因此對于分析模型挖掘能力需要進一步的研究。

（3）多年凍土區斜坡失穩對生態環境影響研究資料和數據的擴展。目前關于由斜坡失穩引起的多年凍土區碳氮通量、化學成分變化等資料和觀測數據較少，需要進一步將研究資料進行擴展，明晰斜坡失穩對多年凍土區碳氮循環的影響程度。

（4）多年凍土區斜坡失穩防護措施的有效性。多年凍土區斜坡失穩的防護措施有效性并未得到相應的驗證，未來應對特定防護措施進行定期調查、監測、評估，建立科學合理的防護體系，以取得合理、經濟的效果。

5 結論

在全球氣候變暖的背景下，多年凍土區凍土加速退化，引起了大規模的熱融滑坡地質災害。國內外學者對多年凍土區的斜坡失穩災害開展了大量的研究工作，包括斜坡失穩模式的特征描述、斜坡穩定性計算、區域滑坡易發性評價、滑坡對生態環境和區域碳循環的影響等，這些工作對多年凍土區斜坡穩定性研究具有重大的貢獻。隨著凍土條件的改變，多年凍土區斜坡失穩災害范圍可能進一步擴大，加劇對工程和生態環境的影響，治理措施可能面臨失效等問題。因此，未來應繼續加強多年凍土區斜坡失穩災害的研究分析，開展以熱融滑塌和活動層滑脫為主的熱融滑坡災害野外調查，明晰斜坡失穩機制和臨界條件，對重點滑坡和區域災害監測進行加強，深入研究多年凍土區滑坡易發性評價，量化斜坡失穩對多年凍土區碳循環的影響，推動多年凍土區失穩研究進一步深入。