多年冻土区斜坡稳定性研究综述

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。

中国东北兴安岭地区年冻融频次的分布规律

冻融循环是影响寒区工程和环境变化的重要因素之一,而年冻融频次(冻融循环的年累计量)是可以直接标定冻融循环对寒区工程和环境造成影响大小的物理量,对寒区环境下年冻融频次的调查有重要意义。以中国东北兴安岭地区为研究对象,选取兴安岭地区18个气象站点1990—2017年地表温度数据进行整理,得出兴安岭地区各个站点的年冻融频次,并在空间分布和时间序列上分析了年冻融频次的变化情况。结果表明:年冻融频次在中国东北兴安岭地区随着纬度增加逐渐增多,随着经度的增加逐渐减少,随着海拔升高而逐渐增多,且均具有良好的线性趋势;年冻融频次在1990—2017年呈明显的减少趋势,在2004年前后发生突变。进一步分析发现,在影响年冻融频次空间分布的3个因素中,经纬度影响较大,海拔影响相对较小;在时间上年冻融频次变化与东北地区NDVI变化情况呈现良好的负相关性,表明年冻融频次在一定程度上与当地植被覆盖度有关,且随植被覆盖度的增加而减少。

内蒙古鄂尔多斯高原古冰缘遗迹科学考察研究进展

冰缘遗迹(特别是冷生楔形构造及融冻褶皱)是重建古气候及第四纪晚期多年冻土环境的重要证据。内蒙古鄂尔多斯高原是我国北方地区冰缘现象最为发育的地区之一。为准确了解鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及其分布特征、区域冻土演化历史等,中国科学院西北生态环境资源研究院和荷兰自由大学共同组成科研小组,于2018年5—6月组织了"鄂尔多斯高原冰缘遗迹科学考察"。考察区域涉及靖边—城川—乌审旗—鄂尔多斯东胜区一带约12000km2的范围。考察内容主要包括鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及特征、分布区域、各类型冰缘遗迹所指示的气候条件的初步推断等。结果表明:冻融褶皱和冷生楔体构造是鄂尔多斯高原主要存在的两大类冰缘遗迹。基于本次考察中关于冰缘遗迹的分布与特征等新发现,并综合前人研究成果,初步推断:在气温极低、多年冻土非常发育的时段,有利于形成各类冷生楔状构造,如冰楔假形和大型原生砂楔等;在气候转暖、多年冻土退化,但还没有全部融化完阶段,可能形成融冻褶皱;区域性大面积分布和成群出现的融冻褶皱一般反映较暖气候环境下,多年冻土层上部已退化到一定程度。基于光释光(OSL)年代测试结果,结合冰缘遗迹的特征及其所指示的古气候环境,初步重建了鄂尔多斯5万年以来的冻土环境变化序列。区内多年冻土在多年冻土最大期(LPM,25~19ka BP)时最发育,以大面积连续多年冻土为主;之后,随气温转暖,总趋势呈退化状态,多年冻土分布逐渐变为片状→岛状→零星斑状,直至现今全部融完变为深季节冻土区。

1986—2020年黄河流域冻土研究中文文献计量分析

通过以中国知网内“黄河&冻土”关键词检索到的文献作为数据支撑,结合文献本身信息,运用数学和统计学的研究方法,利用Python作为数据分析及可视化工具研究在黄河流域内关于冻土方面的研究现状及热点分析。研究表明:(1)1986—2001年期间,发文量维持在每年1~2篇,从2001年以后,发文量呈上升趋势,但整体依旧较少,且有较大波动。(2)国内对于黄河流域冻土的研究单位主要分布在黄河附近省份,且以中国科学院西北生态环境资源研究院和兰州大学等西北地区单位为主要研究力量。(3)研究内容主要以黄河源区内多年冻土气候变化、生态环境等为关键研究点,其中“黄河源区”“气候变化”“多年冻土”为高频关键词。

冻融作用下砂土颗粒形态变化规律研究

土壤中的石英颗粒的表面形态不仅是该沉积物物源区沉积环境、搬运机制的信息载体,同时也会直接影响到砂土的宏观物理特性,对力学和实际工程有着重要的意义。借助显微与高精度图像处理技术,采用长径比,磨圆度两个量化指标,对经过不同次数冻融作用的两组砂土颗粒进行观察。结果表明:砂土颗粒在冻融循环过程中,由于颗粒之间的相互作用,磨圆度先增大后减小,最后趋于稳定;长径比先减小,后增加,最后趋于稳定。长径比与磨圆度的变化曲线共轭。

石冰川形成机制、运动特征及水文效应研究进展

石冰川是含冰的舌状或叶状多年冻结地质体,广泛分布于全球范围内的高海拔和高纬度冰缘区,是多年冻土边界的重要代用指标。活动型石冰川沿山谷/坡向下缓慢蠕动,其活动性在全球变暖背景下逐渐增强,成为一种日益重要的寒区地质灾害。此外,石冰川内部含有大量冰体,是干旱与半干旱地区一种重要的淡水资源。基于国内外研究进展,将石冰川分为倒石堆型、岩屑覆盖型、冰碛型、昆仑山型,并分别讨论了不同类型石冰川的形成机制。石冰川的运动主要由多年冻土蠕变、冻胀融沉、整体前进,以及岩屑与冰的补给等过程组成,其时空变化主要受到气候条件、地形环境、内部结构,以及外力作用等多种因素的共同影响。石冰川对全球变暖的响应主要表现为地温增加引起的局部区域运动加速或失稳以及多年冻土融化导致的石冰川失活。在冰川退缩及季节性积雪持续时间缩短背景下,冰碛型石冰川表面的岩屑覆盖层作为保温隔热层,可以保护下伏冰体减缓融化,延缓和降低石冰川对气候变化的响应,成为干旱与半干旱地区一种日益重要的水资源。我国目前已有超过13511条石冰川纳入编目,总面积超过945.51 km2,但仍然十分缺乏系统性的石冰川编目及长期的现场监测和模型研究。

冻融循环作用下砂土粒组变化的分形特征及其与长期强度的相关性分析

在季节冻土区施工时,冷暖交替所产生的冻融循环作用是寒区工程破坏的主要原因之一,还原土体受冻融作用时的性质和状态尤为重要。制备了不同冻融循环次数的砂土试样,使用球形模板压入仪测试冻结砂土的长期强度,利用分形理论以及显著性分析的方法研究了不同冻融循环次数下两种冻结砂土的粒组与长期强度的变化规律。结果表明:对于细砂(FS),分形维数DB与长期强度变化呈极显著正相关,其中≥0.15~0.20 mm和≥0.25~0.40 mm粒组与长期强度的拟合优度较好,为FS的优势粒级;对于中砂(MS),分形维数DB与长期强度呈微正相关,变化呈“竖向N”趋势波动,其中≥0.30~0.40 mm和≥0.40 mm粒组与长期强度的拟合优度较好,为MS的优势粒级;其他粒组含量与长期强度变化并无明显关联。冻融作用改变了土体中粗、细颗粒粒组的含量配比。同时,随着整体粒径区间的增大,优势粒级也随之增大,表现为冻结砂土的长期强度会随着某些粒级含量的增加呈现先降低后升高的趋势。研究结果可为受冻融作用地区长期强度的测定提供理论参考。

管道运行温度和埋深对北极输气管道周围温度场的影响

北极地区特殊的地质和岩土条件决定了常规的管道设计将面临巨大挑战,如,管道埋设深度和管道运行温度就没有标准规范可遵循。依托规划中的阿拉斯加天然气管道工程实际,利用管道与冻土热传导数值计算模型对不同埋深、不同运行温度下输气管道周围土体的温度场变化进行了研究。计算结果表明:5℃正温管道加剧了冻土退化,管底下方融化深度主要受管道运行温度的影响,在浅埋、中埋、深埋3种方式下30年最大融化深度分别达到4.2 m、5.5 m和6.5 m,其中管道深埋方式对融化圈的发展具有促进作用;-1℃冷输管道可以保护冻土,有效抬升人为多年冻土上限,维持管基土处于冻结状态,3种埋深方式下人为多年冻土上限分别抬升至0.38 m、1.09 m和1.55 m,其中管道浅埋方式影响最大。建议在不连续多年冻土区管道可以采取浅埋的敷设方式,同时,通过调控管道运行温度接近-1℃,既保证了管道结构安全、保护了冻土环境,同时还能减少施工作业、降低工程投资。