羅路廣 裴向軍 黃潤秋 裴 鉆

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國)

0 引 言

“一帶一路”倡議的提出使得越來越多的大型工程在冰緣地區(qū)建設(shè)實(shí)施，而冰緣環(huán)境下的凍融侵蝕是世界上僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第三大巖土體侵蝕類型，是邊坡破壞的主要原因之一，嚴(yán)重制約著工程建設(shè)的發(fā)展。20世紀(jì)初，Lozinski在第11屆國際地質(zhì)學(xué)會(huì)上發(fā)表論文《機(jī)械風(fēng)化的冰緣相》首次提出“冰緣”和“冰緣相”，指出冰緣過程和氣候之間的密切聯(lián)系(邱國慶， 1994)。國內(nèi)外學(xué)者朱誠(1994)和Hugh(2007)對(duì)冰緣過程及地貌進(jìn)行了比較系統(tǒng)、完善的研究。凍融侵蝕是指大氣溫度正負(fù)溫頻繁交替造成巖土體中的水分發(fā)生相變，體積發(fā)生變化，以及不同的礦物顆粒差異膨脹及收縮，使巖土體機(jī)械破壞(圖1)，碎屑在重力作用下被搬運(yùn)、遷移和堆積的過程(張建國等， 2006)。

圖1 巖體凍融破壞Fig.1 Rock-mass failure due to freeze-thaw

凍融侵蝕受諸多因素影響，形成機(jī)理比較復(fù)雜且所處地區(qū)環(huán)境氣候條件惡劣，我國相關(guān)研究工作尚處于起步階段，多借助GIS手段選取氣溫、降雨量等氣候參數(shù)和坡度、坡向等地質(zhì)因子及其他因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)(李智廣等， 2012； 史展等， 2012； Guo et al.，2015； 李東等， 2015； 王莉雁等， 2017； 王轉(zhuǎn)等， 2017)。凍融侵蝕強(qiáng)度直接影響著邊坡巖體風(fēng)化速率。風(fēng)化速率的定量研究由于技術(shù)及方法的問題，是工程地質(zhì)學(xué)的一個(gè)難題(胡杰剛等， 2003； 楊志法等， 2007， 2013； 喬國文等， 2015)。Sass et al.(2007)把碎屑坡的形成演化看作冰緣地區(qū)第四紀(jì)氣候變遷的一種證據(jù)，通過GPR技術(shù)探測(cè)坡體內(nèi)部粗顆?；咏Y(jié)構(gòu)并據(jù)此推測(cè)巖體的風(fēng)化速度； 部分學(xué)者通過對(duì)中國天山(李樹德等， 1981； 劉耕年等， 1992； 裴鉆， 2016)、藏東南波密地區(qū)(袁廣祥等， 2010)、阿爾卑斯山、美國落基山、挪威北部(John， 1976； Luckman， 1972)及南極長城站(熊黑鋼等， 2001)等地區(qū)凍融侵蝕產(chǎn)生的巖石碎屑進(jìn)行野外觀測(cè)和分析，探討了不同地區(qū)、不同氣候、不同巖性山體寒凍風(fēng)化剝蝕(產(chǎn)屑)速率與影響因素之間的關(guān)系。以上研究成果初步揭示了凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)分級(jí)方法、分布特征及風(fēng)化速度量測(cè)方法，然而未能實(shí)現(xiàn)由定性評(píng)價(jià)到定量評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)變，且?guī)r體產(chǎn)屑速率與凍融侵蝕之間的定量關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究和討論。

新疆天山地區(qū)具有高緯度高山地貌特征及獨(dú)特的氣候，凍融風(fēng)化碎屑堆積于坡腳形成結(jié)構(gòu)松散、無黏聚性的溜砂坡，其性質(zhì)類似一盤“散沙”，極易失穩(wěn)或轉(zhuǎn)化為泥石流形成災(zāi)害鏈。本文以冰緣環(huán)境巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，分析天然溫度場(chǎng)和凍融侵蝕的空間分布特征及隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的多期次高精度影像疊加分析得出不同巖性斜坡凍融風(fēng)化產(chǎn)屑率，初步探討凍融侵蝕強(qiáng)度與產(chǎn)屑率之間的定量關(guān)系，對(duì)冰緣地區(qū)斜坡巖體凍融劣化理論研究及工程實(shí)踐均有極為重要的科學(xué)意義。

1 冰緣地區(qū)凍融侵蝕時(shí)空分布規(guī)律

1.1 凍融侵蝕下界海拔的確定

Washburn(1973)將冰緣地區(qū)定義為具有以強(qiáng)烈凍融作用為特征的寒冷氣候條件且凍融侵蝕在地貌形態(tài)塑造中起到?jīng)Q定性作用的區(qū)域。冰緣地區(qū)下界所處的海拔高度被稱為凍融侵蝕下界海拔(李智廣等， 2012)，與地理參數(shù)的關(guān)系式為：

(1)

式中：h為凍融侵蝕下界海拔(m)；X為緯度(°)；Y為經(jīng)度(°)。

上式表明凍融侵蝕下界海拔是由該地區(qū)緯度與經(jīng)度決定的，且緯度影響較大。在此海拔以上的區(qū)域，年平均溫度小于0℃，凍融侵蝕是最主要、最普遍的外營力。因此，凍融侵蝕具有垂直分帶性。

1.2 凍融侵蝕影響因素分析

1.2.1 環(huán)境氣候條件

1.2.1.1 氣溫

氣溫是發(fā)生凍融侵蝕的首要驅(qū)動(dòng)因子，決定著巖石凍結(jié)、融化的深度和程度。大氣溫度場(chǎng)可視作一個(gè)時(shí)間及空間坐標(biāo)的函數(shù)(Shati et al.，2017)，受緯度、經(jīng)度和海拔等宏觀地理參數(shù)的影響，隨時(shí)間呈周期性波動(dòng)。表1為天山地區(qū)6個(gè)小型氣象水文觀測(cè)站地理參數(shù)、年平均氣溫、氣溫年較差和降水量等多年平均數(shù)據(jù)。氣溫年較差是指一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差。一天內(nèi)最高溫度大于0℃且最低溫度小于0℃定義為一個(gè)凍融日循環(huán)，年凍融日循環(huán)天數(shù)則是指一年中凍融日循環(huán)發(fā)生的天數(shù)(Guo et al.，2015)。

表1 氣象水文觀測(cè)站地理和氣候參數(shù)Table1 Geographical and climatic parameters of meteorological stations

圖2 大氣溫度場(chǎng)時(shí)空分布變化曲線Fig.2 Temporal-spatial variation curves of atmospheric temperaturea.大氣溫度隨時(shí)間變化曲線； b.年平均氣溫隨海拔變化曲線； c.不同海拔地區(qū)年凍融日循環(huán)天數(shù)占全年比例

一個(gè)年凍融周期內(nèi)大氣溫度隨時(shí)間的波動(dòng)可簡化為圖3(Hewitt， 1968)。由圖3可知，年凍融日循環(huán)天數(shù)越多、氣溫年較差越大，凍融侵蝕愈強(qiáng)烈。氣溫年較差可表達(dá)為：

圖3 一個(gè)凍融周期內(nèi)溫度波動(dòng)(據(jù)Hewitt(1968)，有較大改動(dòng))Fig.3 Temperature fluctuate during freeze-thaw(Modified from Hewitt,1968)

ΔT=Tx-Tn

(2)

式中：Tx為最高月平均氣溫(℃)；Tn為最低月平均氣溫(℃)。

氣溫年較差(ΔT)與緯度(X)、經(jīng)度(Y)及海拔(H)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可以由下式表達(dá)：

ΔT=A+BX+CY+DH

(3)

式中：A、B、C、D為各地區(qū)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值(表2)。

由表2可知，氣溫年較差隨緯度增大而增大，

表2 各地區(qū)氣溫年較差系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值Table2 Empirical coefficient value of annual temperature difference in different areas

隨經(jīng)度增加而減小，同時(shí)海拔增加，氣溫年較差減小。相比我國其他地區(qū)(周幼吾等， 2000； 史展等， 2012； 王轉(zhuǎn)等， 2017)，天山地區(qū)獨(dú)特的氣候和地形造就了日、年大溫差，氣溫年較差為30～40℃，強(qiáng)烈的太陽紫外線直射到巖石表面時(shí)溫度至少比大氣溫度高15～20℃左右，晝夜循環(huán)凍融和季節(jié)性凍融作用強(qiáng)烈。

為消除不同影響因素之間的量綱對(duì)分析結(jié)果的影響和實(shí)現(xiàn)較好的可比性，本文需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。大氣溫度對(duì)凍融侵蝕的影響可以通過年凍融日循環(huán)天數(shù)占全年比例P和氣溫年較差ΔT標(biāo)準(zhǔn)化：

IT=P+(ΔT-ΔTmin)/(ΔTmax-ΔTmin)

(4)

式中：IT為大氣溫度在凍融侵蝕評(píng)價(jià)中的標(biāo)準(zhǔn)化值； ΔTmax和ΔTmin分別為研究區(qū)氣溫年較差多年平均最大值和最小值(℃)。

1.2.1.2 降水量

降水(包括降雨和降雪)主要通過改變邊坡巖體裂隙和孔隙中的含水量來影響凍融過程。在凍結(jié)過程中，巖石內(nèi)部的孔隙水產(chǎn)生大約9%的體積膨脹，在巖石內(nèi)部造成較大的凍脹力導(dǎo)致微孔隙擴(kuò)展； 而當(dāng)巖石內(nèi)部孔隙中的水融解時(shí)，水會(huì)在其內(nèi)部微孔裂隙中繼續(xù)遷移，經(jīng)過反復(fù)凍結(jié)融解作用會(huì)最終形成貫通裂縫，充填了一些細(xì)顆粒土。負(fù)溫條件下細(xì)顆粒在有水源情況下發(fā)生凍脹，致使巖體力學(xué)特性衰減，與母巖剝離形成巖屑。降水量越大，凍脹力越大，越有利于加快凍融過程的進(jìn)行。據(jù)研究區(qū)近50年(1958～2005年)降水量資料，年降水量均值介于164.8 mm和271.2 mm之間，降水量標(biāo)準(zhǔn)化值為：

IM=(M-Mmin)/(Mmax-Mmin)

(5)

式中：IM為降雨量在凍融侵蝕評(píng)價(jià)中的標(biāo)準(zhǔn)化值；M為降雨量(mm)；Mmax和Mmin分別為研究區(qū)降水量最大值和最小值(mm)。

1.2.2 地質(zhì)條件

除溫度、降水等氣候環(huán)境因素對(duì)凍融侵蝕有著重要影響外，斜坡巖體結(jié)構(gòu)、地形(坡向、坡度)和地震烈度等因素也決定了凍融侵蝕快慢。

1.2.2.1 巖體結(jié)構(gòu)類型

巖體結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)面和被結(jié)構(gòu)面切割的巖塊的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合方式、連接特性所決定的巖體內(nèi)在特征(谷德振， 1979)。孫廣忠(1993)提出的“巖體結(jié)構(gòu)控制論”認(rèn)為，巖體在變形、破壞及力學(xué)性質(zhì)上具有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度決定了巖體的破碎程度和穩(wěn)定性，按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)，將巖體結(jié)構(gòu)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和巖體完整性指數(shù)劃分為5種類型，即整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、次塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)(表3)，其力學(xué)特性和完整性依次變差。

表3 巖體結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分(據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)修改)Table3 Classification and values of rock mass structure

1.2.2.2 坡向

凍融侵蝕具有坡向效應(yīng)，因?yàn)殛柶孪啾汝幤陆邮芴栞椛淇偭亢蛷?qiáng)度大，巖體表面急劇升溫或冷卻，內(nèi)部產(chǎn)生的溫度差和熱應(yīng)力更大，巖石結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，假設(shè)坡向?yàn)槟?方位角A為180°)時(shí)，坡體接受的太陽輻射為最大值1； 坡向?yàn)楸?方位角A為360°)時(shí)，坡體接受的太陽輻射為最小值0； 方位角為其他值時(shí)，坡體接受的太陽輻射在0～1之間線性變化(圖4)。IA為太陽輻射量標(biāo)準(zhǔn)化值，A為方位角(0°～360°)。

圖4 坡體接受的太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)化值隨方位角變化關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between normalized value of solar radiation received by the slope and slope dip direction

1.2.2.3 坡度與地震烈度

坡度越大，表層巖土體失穩(wěn)的可能性越大，凍融侵蝕的物質(zhì)運(yùn)移量和距離增加。天山地區(qū)處于地震多發(fā)帶，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地震力對(duì)邊坡的破壞比較明顯，巖體質(zhì)量隨地震烈度的增加而降低，凍融侵蝕風(fēng)化加劇，依據(jù)第5代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306-2015)中的中國地震動(dòng)峰值加速度值以反映地震對(duì)斜坡凍融侵蝕的影響。

ID=D/90

(6)

IGPA=(GPA-GPAmin)/(GPAmax-GPAmin)

(7)

式中:ID為坡度在凍融侵蝕評(píng)價(jià)中的標(biāo)準(zhǔn)化值；D為坡度(°)；IGPA為地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化值；GPA為地震峰值加速度(g)；GPAmax和GPAmin分別為研究區(qū)地震動(dòng)峰值加速度最大值(0.40g)和最小值(0.20g)。

1.3 凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的確定

眾多因素對(duì)冰緣地區(qū)凍融侵蝕的重要程度不同，參照以往研究成果(史展等， 2012； 王轉(zhuǎn)等， 2017； 王莉雁等， 2017)，本文選取氣溫、降水、巖體結(jié)構(gòu)、坡向、坡度和地震烈度6項(xiàng)指標(biāo)，采用層次分析法(AHP)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值。它的基本步驟為：(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)； (2)采用1～9標(biāo)度比較每個(gè)因素并構(gòu)造判斷矩陣； (3)計(jì)算特征值和特征向量； (4)根據(jù)式(8)～式(9)對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性指標(biāo)為：

(8)

(9)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為指標(biāo)數(shù)量；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)(表4)；CR為隨機(jī)一致性之比，若CR<0.1，則矩陣滿足一致性檢驗(yàn)。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table4 Random consistency indicator

本矩陣的最大特征值λmax=6.1702，對(duì)應(yīng)的特征向量為 {0.7420， 0.3442， 0.4571， 0.1315， 0.2538， 0.2007}，各因子按照權(quán)重值由大至小排序依次為氣溫、巖體結(jié)構(gòu)、降水、坡度、地震烈度和坡向(表5)。CR=0.0277<0.1，滿足一致性要求。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣及權(quán)重值Table5 Judgment matrix and weight value of evaluation factors

1.3.2 評(píng)價(jià)模型的建立

基于前文分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)量值的大小影響了凍融過程及巖屑運(yùn)移條件，冰緣環(huán)境的凍融侵蝕表現(xiàn)出強(qiáng)烈的時(shí)空差異。目前凍融侵蝕強(qiáng)度主要采用分級(jí)評(píng)價(jià)，該方法得到的最終結(jié)果嚴(yán)重受人為干擾，具有較強(qiáng)的主觀性。本文采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行疊加計(jì)算，凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)為：

(10)

式中：FTS為凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)，值越大表示凍融侵蝕越劇烈，反之則越不顯著；ξ為各指標(biāo)權(quán)重值；n為凍融侵蝕評(píng)價(jià)影響因子數(shù)量(n=6)；Ii為各因子標(biāo)準(zhǔn)化值。

2 巖體產(chǎn)屑過程與速率計(jì)算方法

2.1 邊坡巖體產(chǎn)屑過程

溜砂坡是巖體經(jīng)受多因素組合影響作用等復(fù)雜過程的產(chǎn)物，形成過程可劃分為巖屑的形成、運(yùn)移及堆積等3個(gè)階段(圖5)。具體過程為：

圖5 巖質(zhì)邊坡凍融侵蝕產(chǎn)屑過程及地貌Fig.5 Process of talus generated from freeze-thaw erosion of rock slopea.冰緣地貌演化示意圖； b.天山哈希勒根冰達(dá)坂地形地貌

①巖體凍融風(fēng)化破碎成巖屑：以花崗巖、砂巖為代表的硬巖、中硬巖經(jīng)過反復(fù)凍融后以裂隙擴(kuò)展劣化為主，巖屑大小不一，表面粗糙不平； 以千枚巖為代表的軟巖在凍脹力的作用下，內(nèi)部膠結(jié)程度較弱的礦物顆粒剝落析出，巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“架空”，巖屑多呈平滑光整的片狀或板狀； ②巖石碎屑的運(yùn)移：脫離母巖的巖石碎屑主要在自身重力作用，并受風(fēng)載、降雨融雪、地震、滾石沖擊及人類工程活動(dòng)影響，以滾動(dòng)、溜動(dòng)、彈跳及復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式向下運(yùn)移； ③巖屑停止運(yùn)移：以自然休止角堆積成巖屑坡，具有自組織臨界性(蔣良濰等， 2004)，結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)、無黏聚力，穩(wěn)定性較差。

2.2 產(chǎn)屑率計(jì)算方法

基巖的凍融侵蝕風(fēng)化剝蝕產(chǎn)屑速率(山體后退速率)是指巖體在凍融侵蝕作用下產(chǎn)生巖屑的平均速率，即巖屑補(bǔ)給區(qū)單位面積和時(shí)間內(nèi)的基巖體積損失量。由于巖屑經(jīng)過流通區(qū)運(yùn)移形成溜砂坡，溜砂坡體積的增量即為基巖的損失量。圖6所示坡體真實(shí)暴露面積為S，經(jīng)過Δt時(shí)間前后兩次的溜砂坡體積差值即為巖屑量ΔV，產(chǎn)屑率表達(dá)式為：

圖6 產(chǎn)屑率計(jì)算模型Fig.6 Freeze-thaw rate calculation model

(11)

式中：κ為年產(chǎn)屑率((m3·m-2)·a-1)； ΔV為巖屑體積增量(m3)；S為巖屑補(bǔ)給區(qū)真實(shí)暴露面積(m2)； Δt為巖屑補(bǔ)給時(shí)間(a)。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

冰緣地區(qū)巖質(zhì)斜坡具有垂直高度大、面積廣、無植被等特點(diǎn)，依靠傳統(tǒng)測(cè)繪手段難以進(jìn)行測(cè)量。三維激光掃描儀以激光掃描的方式快速獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)細(xì)致刻畫物體的原型來反映物體表面的三維形態(tài)特征，具有精度高、速度快、逼近原形等特點(diǎn)(王梓龍等， 2016)，本文借助它獲取斜坡的基本參數(shù)。如圖7所示，數(shù)據(jù)處理流程可劃分為3個(gè)步驟：三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)獲取邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)、基于Polyworks軟件的影像拼接及信息提取和Surfer軟件下的斜坡參數(shù)獲取。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程Fig.7 Point cloud data processing flow

3 斜坡巖體凍融侵蝕產(chǎn)屑率研究

3.1 巖石凍融系數(shù)分析

(12)

式中：Kf為巖石凍融系數(shù)；Rf為25次標(biāo)準(zhǔn)凍融循環(huán)試驗(yàn)后的巖石試樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度；Ra為凍融試驗(yàn)前的巖石試樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

母劍橋等(2013)通過室內(nèi)凍融試驗(yàn)給出了天山地區(qū)代表性巖石花崗巖(硬巖)、砂巖(中硬巖)和千枚巖(軟巖)3種巖石的凍融系數(shù)(表6)。

表6 3種巖石在不同凍融循環(huán)下的凍融系數(shù)Table6 Freeze-thaw coefficient of three types of rocks under different freeze-thaw cycles

在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)時(shí)，花崗巖、砂巖和千枚巖的凍融系數(shù)依次為0.88、0.77和0.71。在經(jīng)歷相同凍融循環(huán)次數(shù)后，軟巖相比硬巖、中硬巖劣化效應(yīng)更為明顯。由于本文所選3處邊坡與母劍橋等(2013)取樣地點(diǎn)一致，因此本文不再做重復(fù)性凍融試驗(yàn)，將相關(guān)結(jié)論應(yīng)用于本文。

3.2 不同巖性斜坡凍融侵蝕強(qiáng)度和產(chǎn)屑率

選取花崗巖、砂巖和千枚巖3處巖質(zhì)斜坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取該點(diǎn)位年凍融日循環(huán)天數(shù)、氣溫年較差和降水量，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)、坡度、坡向等斜坡參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，判斷該點(diǎn)地震烈度，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)測(cè)獲取的參數(shù)代入式(4)～式(7)，得到凍融侵蝕評(píng)價(jià)各因子標(biāo)準(zhǔn)化值(表7)，然后將各標(biāo)準(zhǔn)化值代入式(10)進(jìn)行加權(quán)求和得到2013～2017年各巖質(zhì)斜坡的凍融侵蝕綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FTS(表7)。

對(duì)3處斜坡于2013～2017年的每年3月和9月份進(jìn)行野外三維激光掃描，每個(gè)斜坡共獲取到10期次的高精度點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后疊加得到疊加處理并提取斜坡參數(shù)，按照式(11)計(jì)算得出冬春季產(chǎn)屑率κ1(4月份～9月份)、夏秋季產(chǎn)屑率κ2(10月份～3月份)與年產(chǎn)屑率κ(表7)。

表7 巖質(zhì)斜坡凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)和產(chǎn)屑率Table7 Freeze-thaw erosion intensity and rate of rock slopes

圖8為3處斜坡在2013年～2017年3月和9月測(cè)得的產(chǎn)屑率柱狀圖?；◢弾r、砂巖和千枚巖年產(chǎn)屑率依次增大。凍融侵蝕的季節(jié)性特征使得3種巖性斜坡冬春季產(chǎn)屑率均大于夏秋季產(chǎn)屑率，且千枚巖表現(xiàn)的更加明顯，冬春季溫度在0℃上下波動(dòng)更為頻繁，凍融侵蝕作用更為強(qiáng)烈。巖石產(chǎn)屑率是巖體凍融侵蝕強(qiáng)度和抗凍融能力共同決定的結(jié)果。3種巖石的產(chǎn)屑率與凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)擬合曲線(圖9)表明，不同巖性斜坡產(chǎn)屑率均隨侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)的增加而增加，與巖石的凍融系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

圖8 不同巖性邊坡產(chǎn)屑率柱狀圖Fig.8 The graph of freeze-thaw rate of different lithology slopes

根據(jù)擬合曲線可歸納為以下公式：

κ=am2+bm+c

(13)

式中：κ為年產(chǎn)屑率；a、b、c為凍融侵蝕風(fēng)化影響系數(shù)；m=FTS/Kf，F(xiàn)TS為凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)；Kf為巖石凍融系數(shù)。由圖9擬合曲線結(jié)果可得到花崗巖、砂巖和千枚巖的凍融侵蝕產(chǎn)屑影響系數(shù)a、b和c(表8)。

圖9 3種巖質(zhì)邊坡產(chǎn)屑率與凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)和巖石凍融系數(shù)之比關(guān)系擬合曲線Fig.9 Fitting curve of FT erosion rate and the ratio of FT erosion assessment index and coefficient of freeze resistance of three types rock slopes

表8 3種巖石的凍融侵蝕產(chǎn)屑影響系數(shù)Table8 Effect coefficient freeze-thaw erosion rate of three types of rocks

3.3 分析與討論

巖石材料是自然條件下的非均質(zhì)體，不同種類巖石由于成因、礦物成分、膠結(jié)程度、含水率等因素存在差異，同時(shí)不可避免地存在各種形式的節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面和微小缺陷等，凍融損傷劣化過程和機(jī)理存在一定程度的差異。在氣候、地形地貌及巖體結(jié)構(gòu)等多因素綜合作用下，巖石(體)凍融侵蝕是水-熱-力耦合作用下的復(fù)雜破壞過程。本文雖然基于野外氣象監(jiān)測(cè)建立了凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)與影響因素定量關(guān)系，初步提出了巖體凍融侵蝕與產(chǎn)屑率量化方法，研究成果可以為冰緣地區(qū)氣候變化下的地貌演化、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，然而鑒于研究課題本身的復(fù)雜性，仍難以實(shí)現(xiàn)完全定量評(píng)價(jià)，且在其他地區(qū)的適用性有待驗(yàn)證。目前大多數(shù)學(xué)者通過室內(nèi)凍融實(shí)驗(yàn)對(duì)巖石(體)凍融損傷規(guī)律進(jìn)行研究，如朱立平等(1997)通過使花崗巖小塊體經(jīng)歷不同溫度變幅下的凍融過程，測(cè)定巖樣波速和質(zhì)量變化。而室內(nèi)凍融試驗(yàn)與實(shí)際工程條件存在一定的差異，如何通過室內(nèi)試驗(yàn)更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工況凍融侵蝕仍無法達(dá)成共識(shí)，后人可進(jìn)一步開展野外長期原位觀測(cè)和室內(nèi)大型物理模型試驗(yàn)等深入研究。

4 結(jié) 論

本文通過分析天山地區(qū)大氣溫度時(shí)空分布變化規(guī)律建立凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型，結(jié)合野外三維激光掃描觀測(cè)探究不同巖性巖質(zhì)邊坡產(chǎn)屑率與凍融侵蝕強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

(1)凍融侵蝕在冰緣地貌的演化過程中起決定性的作用，溜砂坡的形成過程被劃分為3個(gè)階段：凍融侵蝕區(qū)巖塊脫離母巖、巖屑在重力作用下滑動(dòng)或滾動(dòng)運(yùn)移及堆積區(qū)自然休止形成碎屑坡。

(2)選取大氣溫度(含氣溫年較差和年凍融日循環(huán)天數(shù))、降水量、巖體結(jié)構(gòu)、坡度、坡向和地震烈度等指標(biāo)建立凍融侵蝕定量評(píng)價(jià)模型，環(huán)境氣候條件主要影響了凍融侵蝕過程，其中大氣溫度權(quán)重值為0.3238，巖體結(jié)構(gòu)、降水、坡度、地震烈度和坡向?qū)鋈谇治g影響依次減小。

(3)天山地區(qū)凍融侵蝕下界海拔約為2600～2900m，凍融侵蝕的空間分布具有明顯的垂直分帶性和緯度坡降性，時(shí)間上具有明顯的季節(jié)變化特征，融化和凍結(jié)交替時(shí)大氣溫度在凍融侵蝕基準(zhǔn)線0℃上下波動(dòng)，凍融侵蝕最為強(qiáng)烈。

(4)不同性質(zhì)巖石強(qiáng)度和抗凍融風(fēng)化能力存在差異，花崗巖(硬巖)、砂巖(中硬巖)和千枚巖(軟巖)斜坡的夏秋季產(chǎn)屑率均小于冬春季產(chǎn)屑率。3種巖石產(chǎn)屑率隨凍融侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)的增加而增加，隨巖石凍融系數(shù)增加而減小。

(5)冰緣地區(qū)的巖體凍融損傷是水-熱-力耦合作用下的復(fù)雜破壞過程，主要受控于溫度、降水等氣候因素，也和斜坡巖體結(jié)構(gòu)、地形因素(坡度、坡向)、地震烈度等密不可分，可以通過長期原位觀測(cè)及室內(nèi)物理模型試驗(yàn)等對(duì)凍融侵蝕機(jī)理、過程和風(fēng)化速度開展進(jìn)一步研究工作。