季冻区冻融型黄土滑坡特征及成灾模式分析
——以伊犁喀拉吐木苏克滑坡为例

曹小红，吴彬，尚彦军，许涛，艾比拜尔买买提

（1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆地质灾害防治重点实验室（新疆工程学院），新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）

黄土为一个特殊地质体，是记录新近纪晚期以来全球自然环境和气候变化及地表灾害演化的最好载体[1]。黄土厚度大、结构疏松、沟壑纵横、地表土体破碎、气候干燥且降雨集中、水土流失严重，为我国地质灾害发育地区之一[2]。冻土是全球高纬地区和高山垂直带上普遍存在的自然现象，为温度低于0℃，且含有冰的土岩，是一种特殊类型的土。按冻结状态持续时间，分为多年冻土和季节性冻土。温度连续3 年或3 年以上、在0℃以下的土体为多年冻土，冬季冻结、夏季融化的土层为季节性冻土[3]。冻融滑坡是指在负温度作用下，斜坡土层冻结时，上层湿度显著增加，正融期融冻层含水量超过液限，过剩水分不能及时渗透或排出，呈流体状沿尚未融化的下伏冰冻层滑下，土体强度和斜坡稳定性急剧降低，是寒冷地区一种特殊的滑坡类型[4-5]。中国西北部黄土地区，季节性冻融滑坡的发生率很高。伊犁谷地地处天山山脉西段，属典型季节性冻土区。季节性冻融作用对斜坡稳定性影响强烈[6]，黄土滑坡发生时间多集中在初春温度变化剧烈的冻融季节，广布频发的黄土滑坡严重影响伊犁地区人民的生产生活安全。伊犁谷地是季节性冻土重要分布区之一，也是新疆冻融型滑坡频发地区之一。伊犁谷地黄土滑坡灾害严重复杂，受反复冻融循环作用致灾的严重性在当今快速施工过程中还未引起足够重视。有时间记载的伊犁谷地380 处滑坡中，发生于冻融期内的有152 处，占滑坡总数的40%。冻融循环作用使土体强度降低，在降雨、地震条件下诱发滑动。2017年3 月24 日皮里青河堵溃型滑坡-泥石流灾害链就是典型的冻融型黄土滑坡[6]。

季节性冻融型黄土滑坡为一种特殊的黄土滑坡类型，该类滑坡具隐蔽性、复发性、区域差异性和不可预测性，目前对其特征及成灾模式认识尚不清楚。因此，开展季节性冻融型黄土滑坡形成机理具重要理论和实践意义[7]。笔者在前人研究与地质灾害调查基础上，结合近年研究成果，以喀拉吐木苏克滑坡为例，分析伊犁地区季节性冻融型黄土滑坡分布特征及致灾机理，为防灾减灾提供参考。

1 地质环境特征

1.1 地形地貌

喀拉吐木苏克滑坡位于巩留县小吉尔尕郎河谷东岸，西侧为小吉尔尕郎河及河谷冲积平原，东侧为冰碛冰水台地山区。区内地形起伏较大，总体东高西低、南高北低，海拔1 148～1 639 m，最低处为小吉尔尕郎河床（图1-b）。受新构造运动影响，河流两岸阶地呈不对称发育，西岸一、二级阶地发育且阶面较宽。东岸一、二、三级阶地发育，阶面较窄。喀拉吐木苏克滑坡位于小吉尔尕郎河上游山口西岸坡体上，沟谷东西两侧斜坡较陡，坡度30°～35°，坡体宽130～300 m，高约250 m，斜坡形成变形裂缝。

1.2 气象和地震

滑坡所在区域年降水量为300～450 mm，年内降水集中于春末夏初的4～6 月，3～5月为融雪季节，大量雪水渗入地下，土层饱水程度增高。春季融雪期温差从-10℃～0℃～10℃波动近一个月。2000—2014 年郝建盛等研究发现，伊犁地区冻土分布广，受气温、积雪影响，积雪覆盖历时越长，土壤冻结天数就越长。积雪最大雪深越深，土壤最大冻结深度越浅[8]。巩留县最大冻结深度约98.96 cm[7-8]。在降雨和冻融循环作用下，土体抗剪强度累积性疲劳损伤、劣化，导致斜坡蠕变、失稳、破坏，可能诱发滑坡。研究区地震动峰值加速度0.20 g，基本烈度为Ⅷ度。2003年12月1日昭苏发生里氏6.1级地震，主震位于特克斯河断裂西端，震源深度21 km，震中距勘察区200 余千米，余震分布与特克斯河断裂走向一致。特克斯河断裂呈NNE 向，从滑坡区东部恰甫其海通过，断层面倾向南。受6.1 级地震影响，断裂以南及周边地区山体顶部产生大量裂缝。在降雨、地震等因素影响下，冻融期坡体地表水不能及时排出，破坏坡体稳定性，易诱发滑坡。

1.3 地层岩性

喀拉吐木苏克滑坡周边出露地层主要为第四系，从上到下为全新统冲积堆积层，为松散砾石及亚砂土堆积、全新统风积黄土；上更新统冲积堆积层为松散砾石及亚砂土堆积。中更新统冲洪积和冲积堆积，为砾石亚砂土（图1-a）。滑坡山体斜坡顶部和坡面覆盖厚20～50 m 全新统黄土，构成滑坡的物质来源，是滑坡发生与发展的物质基础。土样分析结果表明，黄土为低液塑限粉土，成份以粉粒为主，粒度0.005～0.05 mm 的含量为54.0%～76.8%。上部发育土壤，由于土壤层透水性强，黄土持水性好，在长期春季融雪水和雨水作用下，黄土抗剪强度随含水量的增加迅速降低，形成易滑地层，因山坡较陡导致滑坡。

图1 喀拉吐木苏克滑坡及邻区遥感影像图及地质简图Fig.1 Remote sensing image map and geological map of Kalatumusuke landslide and adjacent areas

1.4 工程地质及水文地质

滑坡所在区内构造活动较微弱，地质构造条件对区内滑坡灾害的形成诱发影响微弱，主要表现在新构造运动强烈上升使第四系、新近系分布在较高位置，易滑地层具较高势能，易发生滑坡。滑坡点及周边岩土体可划分为互层状、较坚硬-软弱以砂岩、砾岩、泥岩为主的碎屑岩岩组、单层结构黄土类土体及单层结构砾质土体3类工程地质岩组。

地下水主要有第四系松散岩类孔隙水和新近系碎屑岩类孔隙裂隙水。第四系松散岩类孔隙水分布于小吉尔尕郎河谷平原内和冰水砾质台地中，具承压性、水量贫乏特点。新近系碎屑岩类孔隙裂隙水分布于小吉尔尕郎河谷东部山区新近系中，补给以山区大气降水和冰雪融水为主。

1.5 人类工程活动

研究区内人类工程活动一般，主要为山区滥挖草药、过度放牧。甘草根系发达深入地下且连片生长范围较大，掘地式乱采乱挖对坡体植被及地表土层结构破坏较严重。近年来，随着人口增长和牲畜数量增大，忽视草场的承载能力过度放牧，使草场载畜量超标，山坡土体踩踏严重，植被覆盖率降低。使本身不足的草场严重退化，地表水土流失严重，自然生态环境遭受严重破坏。

2 滑坡基本特征

喀拉吐木苏克滑坡位于伊犁巩留县小吉尔尕郎河谷西岸，坡面草、灌植被生长较好，坡体宽130～300 m，长约500 m，高约250 m，坡向35°，坡度30°～35°。近山顶处裂缝带沿SW向分布，长约100 m、宽约60 m，裂缝带由4～5 条近平行的裂缝组成（图2-a，b），裂缝宽0.2～1.5 m。受冻融作用影响，坡面土体向下蠕动变形凸起形成塔式构造（图2-b），具推移式滑坡特征。滑坡西侧为已发生滑坡（图2-c），在降雨季节发生溯源侵蚀，形成泥流或泥石流，影响过境主干道和居民区安全。

以往勘察工作在该滑坡体上布设4个钻孔（图2），5 个探井。从高到低依次为ZK15、ZK6、ZK7、ZK18（图3），深度分别为50.81 m、23.62 m、59.59 m、50.46 m。其中仅ZK6、ZK7 钻孔揭露黄土厚22.32 m、45.5 m，斜坡探井揭示15 m之内均为黄色粉土，坡体中上部钻孔61.05 m 以上均为黄土，土质疏松，上部略干燥，2～10 m范围较潮湿①新疆伊犁地区巩留县地质灾害详细调查报告（1:5万）.新疆地质环境监测院，2011。

图2 喀拉吐木苏克滑坡区地质勘察工作平面图及照片Fig.2 Plan and photos of geological survey work in Kalatumusuke landslide area

图3 喀拉吐木苏克滑坡坡面形态及推测滑动面示意图Fig.3 Schematic diagram of the slope shape and estimated slip surface of the Kalatumusuke landslide

3 地质灾害发育类型与成灾模式

与其它土体相比，黄土垂直节理较发育，结构疏松多孔，为一种易发生灾害的特殊土。黄土遇水强烈湿陷、软化和变形，水环境变化极易诱发滑坡灾害。黄土结构具疏松、大孔隙性，对人类工程扰动作用十分敏感，极易激增黄土灾害。黄土的湿陷性、大孔隙性、垂直节理发育的特性，决定了黄土灾害的孕灾机制、成灾模式、成因机理、演化过程、链生规律等明显有别与其它地区和土体的灾害[9-10]。喀拉吐木苏克滑坡上覆全新统风积黄土，具大孔隙性、垂直节理发育、湿陷性较强特性，力学性质相对较差。新疆伊犁谷地黄土与黄土高原的黄土颗粒组成、分布不同。伊犁地区黄土以粉粒为主，次为砂粒，黏粒含量最少，总体颗粒较内陆地区黄土粗。新疆伊犁谷地黄土由西向东呈条带状分布，且越来越厚。新源县境内最厚（平均厚60 m，则克台镇达80 m），往东黄土层厚减小、变薄，甚至消失[11]。黄土具特殊结构和水敏性，当天然含水率未经冻融作用，可长期保持较高强度。随着含水率的增加或经冻融循环作用，其强度则大幅度降低。季节性冻土区上部土层在周期性波动和水分变化影响下，冻结和融化后土体内部力学性质发生变化，直接影响黄土斜坡的稳定性[12]。

3.1 形成过程

冻结阶段始于每年11 月底至次年3 月初，期间地表温度为-6℃～-2℃，土层浅表冻结约30 cm，从地表向下冻结减弱。随气温降低，地表水排泄通道冻结，逐渐受阻，排泄量减弱或停滞。冻结滞水效应使地下水位从排泄口向坡体内部不断壅高（图4-a）。孔隙水压力减小，使土体软化范围扩大，强度弱化，降低了斜坡整体稳定性[13]。

融化阶段始于3月上旬至4月上旬，该时期昼夜温差较大，长期高频观测结果为，随日出气温从-6℃左右升至0℃以上。至上午12∶00 左右气温平均达5℃，土体由冻结逐渐消融，黄土中的冰粒开始融化。地下水排泄仍受阻，地下水位呈稳定上升趋势。水位上升高度受冻土深度影响，如此反复，使土体强度进一步弱化。一天中午14∶00左右气温最高，消融最显著。水在黄土孔隙中迁移，黄土湿陷性和垂直节理发育使土体结构迅速改变，斜坡开始变形，后缘出现拉裂缝。之后气温逐渐降低，日落后地温逐渐降至0℃以下，土体开始冻结，出现昼夜反复冻结融化的交替现象。从4 月上旬至月底，排泄通道及土体内冻层消失，水流恢复正常排泄。地下水位首先出现持续上升阶段，随排泄趋于正常，地下水位呈下降趋势，逐渐处于正常（图4-b）。此过程中，融化作用导致地下水突然释放，产生很高的水力梯度，从而降低斜坡的稳定性[14]。

图4 喀拉吐木苏克滑坡体变形演化示意图Fig.4 Schematic diagram of the deformation and evolution of the Kalatumusuke landslide

失稳阶段季节性冻融作用是斜坡变形破坏的重要外动力因素和触发因素之一[15]。ZK6、ZK7内水位出现上升波动，坡面局部可见塔式构造，斜坡蠕动变形，坡面向下凸起或鼓包。受外荷载或踩踏有稀泥下陷现象，冻土消融，土中水富集，推测冻土结构破坏强度降低。由于冻结期内地下水排泄受阻，土体内部自外向内产生地下水壅高，饱和黄土范围不断扩大，越来越多的黄土受水浸泡后物理力学性质发生变化，强度降低，不断降低斜坡的稳定性。斜坡土体在反复冻融作用下，冻结期土体的冻胀作用和融化期土体的融沉作用（图4-c），致其强度劣化，尤其是剪出口部位的饱和黄土冻结期强度略有提高。经历10～20 天的冻融循环作用后，强度丧失99%。相当于冻结期在剪出口部位形成的天然挡土墙经历冻融循环后突然崩溃，易引起斜坡变形、失稳[13]。

滑动阶段在年复一年的冻融过程中，土体结构发生变化，强度劣化累积，局部出现滑动。在降水量增加、融雪期昼夜温差增大等自然因素发生突变或人为因素干扰下，斜坡土体强度降低，稳定性急剧下降。在上部黄土和基岩分界面出现滑动面，诱发滑动（图4-d）。滑动速度、距离与冻土消融速度、土中水的富集相关。冻土消融速度越快，土中富集水越多则滑动速度快，滑距大。滑体规模与地形、地表覆盖物、坡度相关。地表覆盖草本植物，其根系不发达则滑体规模大、滑速快、滑距大，地表覆盖灌木植物多、根系相对发达时，滑动前期规模大、速度相对慢、滑距小，滑动后期大块土体快速、大规模滑动，滑距受滑动面影响，冻土消融速度越快、地形越陡，滑速越快、滑距越大。

3.2 形成机理

冻融作用可能产生两种效应：一是冻融作用可引起斜坡地下水的分布发生变化，造成地下水富集和疏散。地下水富集造成土体软化，地下水疏散带来静水压力和动水压力突变，影响边坡的稳定性；二是反复冻融改变黄土结构，降低土体强度。冻结土的强度远远小于天然黄土，反复冻融作用导致黄土强度显著降低[16-18]。在反复冻融循环作用下，斜坡极易失稳，在某一内因或几个因素发生变化后，诱发滑坡。在外力作用下，如地震或工程施工等因素作用下，坡体失稳滑动。

喀拉吐木苏克滑坡成灾模式为冻结弱化→冰雪消融、土体蠕变→土体强度劣化、斜坡变形、失稳→强度劣化累积、坡体滑动的过程。当年11 月底至次年3月初地表温度0℃以下，气温持续降低，地表水排泄通道冻结，孔隙水压力减小、土体软化、强度弱化，斜坡的整体稳定性变差（冻结弱化）。次年3月上旬至4月上旬，昼夜温差大、反复冻结融化的交替，使地下水排泄受阻，地下水位上升、水力梯度大，斜坡蠕变（冰雪消融、土体蠕变）。4月地表温度在0℃以上、冰雪渐融，黄土大孔隙性、湿陷性和垂直节理发育，土中水富集、土体结构改变、坡面出现塔式构造。地下水排泄受阻、土体内地下水壅高，饱和黄土范围扩大、物理力学性质变化、强度劣化、坡体变形失稳（土体强度劣化、斜坡变形失稳）。斜坡土体长期强度劣化累积，在诱发因素（降水、融雪、工程扰动）作用下，斜坡土体强度降低，诱发滑动（强度劣化累积、坡体滑动）。

4 结论

（1）伊犁谷地是典型的季节性冻土区，季节性冻融作用使土体强度劣化、地下水波动、饱和黄土的分布范围变大，导致斜坡稳定性变差，在暴雨、地震、人类工程活动作用下，易发生滑坡。

（2）喀拉吐木苏克滑坡为冻融型黄土滑坡，冻融循环作用破坏了斜坡的稳定性，是引起斜坡失稳的内因。

（3）喀拉吐木苏克滑坡成灾模式为冻结弱化→冰雪消融、土体蠕变→土体强度劣化、斜坡变形失稳→强度劣化累积、坡体滑动的过程。