冻结滞水效应及其促滑机理——以甘肃黑方台地区为例

冻融期地质灾害的不断发生,愈来愈引起社会关注并被更多的学者所重视,甘肃黑方台地区冬春交接时期滑坡频发,是研究季节性冻融作用的首选之地。为了探索是否存在冻结滞水效应,揭示冻融作用诱发滑坡灾害机理,建立了气温、地温和地下水位动态等协同观测网。监测数据显示:黑方台地区存在季节性冻融现象,可划分为冻结期(秋冬)、完全冻结期(冬)、冻融期(春夏)、融化期(夏秋)的年季循环过程,也存在昼夜气温变化引起的循环冻融过程;斜坡中段冻结引起的地下水位上升了1.0m,证实了冻结滞水效应的存在。地下水模拟结果表明,冻结滞水引起斜坡坡脚水位壅高幅度超过3m,水平影响距离达到30m以上。冻结前坡体稳定系数为1.19;冻结后仅考虑冻结滞水效应引起的地下水位上升,稳定系数减小到1.09;反复冻融后,考虑黄土强度降低因素,坡体稳定系数降至0.97,说明冻结滞水效应和循环冻融的双重作用是滑坡在春季频发的根本原因。

试论冻结滞水

冻结滞水指因冬季的冻结作用在包气带冻土层内形成的季节性固态地下水。在冻结期间包气带水具有明显的倒置分带性：（１）冻结滞水带；（２）过渡水分带；（３）支持毛管水汽化输水带。冻结滞水含水率比冻结前一般增加２０％～３０％，相当于给水度为０．０６的含水层中潜水位下降２．５４～３．７４ｍ时给出的水量。冻结滞水是干旱、半干旱地区农、林、牧业生产持续发展的可贵的水资源之一。

冻结滞水形成机制的探讨

资料表明，冻结滞水形成机制是在冬季的冻结作用下，包气带冻土层内产生氢键吸附能、饱和水汽压差和毛管薄膜等机制构成冻结势（热力学势）。它具有很强的吸附能凝聚水分，使包气带水和潜水从液态、汽态向冻结层迁移富集，形成季节性固态地下水。在冻结期间包气带水盐具有明显倒置分带性：冻结滞水带；过渡水分带；支持毛管水汽化输水带。冻结滞水的形成机制，富水性深受潜水埋深、土质。

中国三北地区冻结滞水资源对生态环境建设的效应研究

依据野外观测和室内模拟实验研究资料分析冻结滞水对西北地区生态环境建设的效应,冻结滞水是指冬季冻结作用在包气带冻土层内形成的固态地下水,具有形成机制独特、富水性倒置和独立的水盐动态特征,对生态环境建设产生双重效应。冻结滞水量比冻结前土壤含水量一般增加8％～25％,最高可达39.51％,冻胀区可达300％。在三北地区冻结滞水是天然和人工树木等植被越冬、春季繁衍期间水分代谢均衡的主要水资源,甚至是唯一水资源,是三北地区生态环境建设成败的主导因素之一。当冻结滞水量平均<5％时,天然林和人工林等植被衰亡,可加速荒漠化,当冻结滞水量达过饱和状态时,则易形成沼泽化、盐渍化等不良地质现象,导致生态环境恶化。控制冻结滞水量对西北地区建设林业工程、优化生态环境和可持续发展至关重要。

季节冻结滞水富水性与植物生长的相关性

在冻结势作用下,包气带水重新分配,以液态和气态向冻土层迁移富集并冻结成冰。在富水带,水量比冻结前增加8％～40％;过度贫水带,比冻结前水量减少15％～30％;汽化输水带,比冻结前减少了6％～20％。春季土壤开始解冻,冻结滞水首先转化为土壤水,冻结滞水含水量为20％～40％。要把握适时造林深度、密度,树种选择要适宜,才能充分利用冻结滞水资源。

季节性冻结滞水促滑效应——滑坡发育的一种新因素

在综合分析西北季节性冻土地区滑坡发生时间规律和危险斜坡变形动态规律的基础上，提出季节性冻融作用产生的冻结滞水效应可使斜坡区地下水富集、土体软化范围扩大和静、动水压力增大，是本区滑坡发育的一种重要外动力因素，并对其作用机理和发生条件进行了论述。

论三北地区冻结滞水的生态环境效益

本文依据野外观测和室内模拟实验初步资料分析 ,冻结滞水是冬季冻结作用在包气带内形成的季节性固态地下水 ,具有独特的形成机制和倒置富水性及独立的水盐动态特征 ,对生态环境具有双重效应。冻结滞水比冻结前水量一般增加 8%～ 2 5 % ,最高增加 39.5 1% ,是天然和人工植物越冬、春季繁衍的水分代谢均衡不可缺少的 ,甚至是唯一水资源 ,是保持生态平衡的主导因子。当水量达到过饱和状态时 ,易形成冻胀、热融、滑塌、沉陷、盐渍化、沼泽化等不良地质现象 ,造成生态环境恶化 ;在水量 <5 %时造成天然和人工植被衰亡 ,加速荒漠化。这一课题属于跨学部多学科交叉应用基础研究 ,将为可持续发展农林牧业工程、环境水文地质、工程地质、荒漠化防治等提供科学的理论依据和技术方法 ,开拓国际前沿研究领域。

关于冻结滞水的探讨

本文经野外调查试验结果表明，冻结滞水是由冻结作用，在包气带冻土层内产生热力学势（冻结势）、饱和水汽压差等，使包气带水和潜水以液态向冻层运移富集，形成季节性固态地下水。在冻结期内包气带水有明显的反重大异常分带性，极积参加水盐运动，到六月份随冻层融化而消失。它具有独立的水循环系统和特征，对国民经济具有重要意义。

采煤沉陷区冻结滞水消融过程中土壤水分变化规律

冻结滞水的倒置富水性和双向融化特性,使其消融过程中土壤水分迁移动向发生变化。采用烘干法,对采煤沉陷区不同立地类型冻结滞水消融过程中的土壤含水率进行了测定。结果表明:(1)随着融化时间的延长,采煤沉陷区阴坡土壤含水率峰值沿着垂直方向逐渐向下推移。冻结滞水融化第2天和第5天,土壤含水率峰值出现在0~10 cm土层;融化第8天土壤含水率最大值出现在20~30 cm土层;融化第11、14和17天土壤含水率最大值均出现在50~60 cm土层;(2)采煤沉陷区沟坡地冻结滞水融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20~30 cm土层;融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30~40 cm土层;(3)采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值在冻土层之下。

树木根系分布与季节冻结滞水关系探讨

采用造林技术于冻结滞水理论技术相结合的方法,研究树木根系发育分布与冻结滞水的相关性,为防治荒漠,提高造林成活率提供理论技术依据,研究结果表明,苗木和高秆造林树木根系主要分布在地表以下20 cm^75 cm深度内,即冻结滞水富水带内,含水量达40%~50%,春季冻融水满足苗木生根成活的要求.80 cm^160 cm深度分贫水带,含水量〉5%,高杆造林树木根系极少.到160 cm^200 cm含水量增加,发育,第二层根系。冻结滞水资源是提高苗木成活率,生存繁的重要水资源。

甘肃黑方台坡面冻融特征及冻结滞水效应分析

灌溉与冻融作用诱发黄土滑坡是西北地区常见的滑坡灾害类型,该类滑坡形成过程不易察觉,危害巨大。以甘肃永靖黑方台滑坡区季节冻土层水热变化和地下水位监测数据为基础,分析灌溉诱发滑坡区土体冻融特征和地下水位的季节变化特征,讨论土体冻结过程与地下水位波动和坡体稳定性的关系。结果表明:1)坡面非饱和区域土体从11月上旬开始冻结,2月初开始融化,而地下水溢出带土体从11月中旬发生第一次冻结,1月末开始融化。2)地下水位从11月份开始上升,2月初达到峰值,坡体滑移带的冻结滞水效应显著。3)相对于未滑移区域和滑带边缘,黑方台滑坡区地下水溢出带植被丰茂、土体含盐量大,冻结持续时间短、冻结深度浅,冻结滞水引起的水分聚集诱发坡体再次失稳。

地面裂缝对季节冻土中冻结滞水的影响

采用现场取样、实验室测定含水率的方法,观测了土壤冻结阶段、稳定冻结阶段和融解阶段地面裂缝垂直方向上的冻土深度和土壤含水率,并与邻近无裂缝区的冻土做了比较,以研究裂缝对季节冻土区土壤冻结滞水的影响。结果表明:地面裂缝作为土体与外界水、热交换的通道,改变了裂缝两侧的水热状况,增大了冻土厚度,加剧了土壤冻结、融化过程;在冻结阶段使土壤水分向裂缝附近迁移,融解阶段使水分散失加剧。总的看,裂缝使土壤含水率较无裂缝区多散失30%左右,这种现象在裂缝密集的采煤沉陷区表现的更为典型。

土壤冻结过程中水分迁移动向的研究

In the areas of seasonal and perennial frozen soil, soil layers always contain different exent free stagnant water and frozen stagnant water, which may save the pressing need of water for spring plants. The paper, according to the laboratory stimulation of water movement in soils during freezing, analyzed formation and affecting factors for frozen stagnant water. In light of the fact that water content obviously increased after freeze. The authors advanced technical measures for afforestation in arid regions, aiming to using this part of water to assure plant’s survival and growth.

伊犁地区冻融黄土滑坡形成机理研究

伊犁地区属典型季节性冻土区,冻融黄土滑坡发育强烈,对人民生命财产安全造成巨大隐患。本文以伊宁县喀拉亚尕奇乡冻融黄土滑坡作为研究对象,采用现场实地调查、原位地温监测、室内试验和数值模拟方法等手段,开展冻融黄土滑坡形成机理研究。通过分析研究区内冻融黄土滑坡的发育特征及影响因素,证实了黄土滑坡表层土体受冻融循环作用的长期影响,并且将研究区内的季节冻融循环总结为未冻期、交替冻结期、冻结期、融解期4个阶段。结果表明,原状黄土的黏聚力受冻融循环次数的影响较大,在冻融循环4次时降低幅度达到最大,最后黏聚力有趋于水平的趋势;随着冻融循环次数的加大,内摩擦角呈现下降的趋势,但下降幅度较小,影响的度数为3°~5°。模拟结果显示冻融黄土滑坡的冻结滞水效应显著,冻结期由于冻结层强度较大,滑坡稳定性不降反增,初始融化阶段,斜坡稳定性骤降,处于整个冻融过程中最不稳定阶段。研究表明冻融黄土滑坡的形成受冻融循环作用和冻结滞水作用的双重影响。

祁连山滑坡灾害初步研究

祁连山地处青藏高原北部边缘的甘肃、青海两省交界处,是我国西北地区的重要生态屏障和水源涵养地。祁连山山高谷深、地质构造发育,新构造运动强烈,地震频繁且强度大,再加上高寒低温的恶劣气候条件,滑坡、崩塌等地质灾害较为发育,长期破坏森林、草地,也威胁道路、矿山等安全,对祁连山生态屏障和水源涵养地产生危害和不利影响,近年来有进一步发展趋势。本文根据遥感解译和调查的280余处滑坡,对祁连山甘肃境内滑坡灾害类型、发育分布特征、影响因素和成因进行了初步研究。祁连山滑坡类型主要为岩质滑坡和堆积层滑坡。岩质滑坡规模较大,发育多处巨型滑坡;堆积层滑坡规模较小,其稳定性较差,长期缓慢蠕动。特殊的地质环境孕育了一些形态特殊的碎屑流型滑坡、冻融泥流型滑坡和堰塞湖等典型地貌景观。祁连山滑坡发育分布主要受地形和地质构造控制,总体呈NW—SE向展布,空间分布不均匀且差异较大。滑坡发育主要与石炭系、白垩系、新近系等软岩和第四系堆积层有关。地震、地下水和季节性冻结滞水促滑效应是祁连山滑坡发育的重要动力因素。