在热液共同作用下基底冰碛坡的失效模式：实验室证据

《CATENA》：Failure modes of basal-ice moraine slopes under combined hydrothermal conditions: laboratory evidence

基岩冰碛斜坡稳定性受热-水-力耦合作用影响显著，冰土界面起关键调控作用。实验发现温度驱动下斜坡渐进式失效（从坡脚到大规模错位滑动），而强降雨引发突发性解体及表面流滑，验证了冰土界面对热传递和融水再分布的主导控制。研究结果为高寒山地地质灾害评估提供实验依据。

　　

Jingxuan Cao|Jiao Wang|Peng Cui|Zhenxing Liu|Can Yang|Hao Wang|Tao Shu

中国科学院山地灾害与环境研究所山地灾害与工程韧性重点实验室，中国成都610041

摘要

基底冰碛坡（BIMS）的稳定性日益受到气候变暖的威胁，在高海拔地区构成了严重的地质灾害。埋藏的基底冰的退化，加上强降雨，引发了复杂的热-水-力（THM）相互作用，但具体的失效机制仍不十分清楚。本研究通过使用仪器化的实验室水槽实验，提供了直接的证据来研究在受控热和降雨条件下的BIMS失效特性。通过系统分析体积含水量、土壤压力、孔隙水压力和变形，我们阐明了冰-土界面在坡体不稳定性中的调节作用。结果表明，这一界面是主要控制因素，决定了热量传递和融水的重新分布。我们识别出两种不同的失效路径：温度驱动的不稳定性是渐进的，从初始的坡脚失效发展到大规模的错位滑动，其中温度上升加速了融水的积累；而降雨引发的不稳定性则是突然的，其特征是坡体迅速解体并发生表面流动滑动，强降雨有可能触发泥石流。这些发现揭示了BIMS的耦合THM失效机制，为寒冷地区山区的基于过程的灾害评估和风险缓解提供了坚实的科学基础。

引言

青藏高原东南部海洋性冰川以每年0.51 ± 0.09%的速度加速退缩（Zhao等人，2024年），暴露出了大面积的基底冰碛坡（BIMS）（Guo等人，2023年；Wang等人，2024a年；Yao等人，2012年）。BIMS是在冰川退缩或停滞期间形成的冰碛坡沉积物，其中冰碛沉积物覆盖在基底或残余冰层上，为冰川提供临时的内部支撑（Ewertowski和Tomczyk，2015年；?strem，1964年）。这些坡体由于热液耦合而容易发生不稳定，可能引发一系列灾害，包括冰川湖溃决洪水、泥石流等，从而直接威胁铁路、周边城镇和当地居民的安全（Cui等人，2022年；Wang等人，2024a年；Wang等人，2022年；Wei等人，2024年）。因此，研究青藏高原东南部在气候变暖和极端降雨共同作用下的BIMS失效模式和机制已成为一个关键的科学课题，这与西部发展战略密切相关。

由反复的冰川前进和退缩形成的冰碛滑坡是高山地区最突出的地质灾害之一（Bernard，1979年；Shulmeister等人，2009年）。近年来，在冰碛坡稳定性研究方面取得了显著进展，特别是在地质建模（Anderson，2000年）、材料成分分析（Bièvre和Crouzet，2021年；Boulton，2006年）以及稳定性评估方法（Ahmad等人，2024年；Springman等人，2003年；Tunini等人，2024年）方面。Springman等人（2003年）通过结合野外调查和物理建模实验的方法，系统研究了降雨引发的高山冰碛坡浅层滑坡的触发机制。Wang等人（2023年）进行了一系列温度控制和振动台测试，阐明了冰川冻融循环下冰碛坡的地震响应特性和失效机制，明确了地震强度对冰碛坡动态行为的影响。

然而，现有的研究主要集中在小冰期或更早时期形成的无冰冰碛坡上，这些坡体通常处于相对稳定的环境条件下，其力学行为和失效模式与富含冰的坡体有显著差异（Wei等人，2024年）。尽管一些研究人员开始研究富含冰的坡体的稳定性，但大多数现有研究关注的是活动层的浅层冻结或融化（Jiang等人，2024年；Wei等人，2024年；Zhang等人，2018年），这与BIMS的失效模式和机制有很大不同。因此，现有的坡体稳定性理论在解释BIMS的变形和失效行为方面存在明显的局限性。需要针对性的研究来加深我们对它们在热-水-力耦合条件下的不稳定过程的理解。

坡体稳定性对热场变化的响应是岩土工程中的一个关键问题（Loche和Scaringi，2025年；Qu等人，2020年）。现有研究表明，温度变化主要通过三种相互关联的机制影响坡体稳定性：冻融循环（Guo和Shan，2011年；Liu等人，2024年）、融化沉降（Li等人，2024年）以及热-水-力（THM）耦合（Chen等人，2025年；Marmoni和Martino，2025年）。例如，Anand等人（2025年）使用有限元数值建模系统评估了降雨水渗透、雨雪融水渗透以及由于土壤温度梯度引起的水迁移对坡体稳定性、水渗透和坡地径流动态的影响。Chen等人（2025年）开发了一个完全耦合的THM模型，并通过土壤柱实验进行了验证，系统阐明了季节性冻结坡体在冻融循环下的变形机制和失效模式。升高的水分和冰含量使得冰碛的岩土性质容易受到温度变化的影响（Duan等人，2025年；Rasmussen等人，2018年）。尽管如此，大多数当前的研究强调的是表面冰碛层的热行为，而具有基底冰的坡体在温度作用下的失效机制仍然了解不足。此外，降雨作为另一个影响坡体稳定性的关键因素（Ghani等人，2020年；Wang等人，2024b年；Wang等人，2025年），不仅降低了坡体的有效应力和剪切强度（Song和Tan，2020年），还加剧了冰川末端和沟壑内冰碛沉积物的侵蚀（Feng等人，2024年）。在温度和降水的共同影响下，BIMS的失效行为变得更加复杂，表现为更强的耦合和更突然的失效动态。

为了解决上述局限性，本研究主要旨在阐明在降雨和温度共同影响下BIMS的失效模式和不稳定机制。利用专门设计的水槽模型，本研究有效地模拟了热场和人工降雨之间的动态相互作用，再现了西藏东南部典型的夏季高温和季风降雨的双重影响。为了系统实现这一目标，研究将重点关注以下具体目标：（1）研究BIMS失效过程中体积含水量、土壤压力和孔隙水压力的变化；（2）通过3D激光扫描描绘基底冰融化和降雨渗透引起的渐进变形特性和失效阶段；（3）评估温度在冰-土界面引起的变化如何影响坡体应力和位移场，从而阐明基底冰界面在坡体稳定性中的调节作用。本研究的结果将为高海拔冰缘环境中的地质灾害预防和缓解提供坚实的实验证据和科学基础。

基底冰碛坡模型

图1(a)所示的帕隆藏布盆地是雅鲁藏布河下游大弯处的一个主要支流。该盆地具有温带半湿润高原季风气候，是水分从外围向青藏高原内部输送的重要通道（Hou和Yu，2023年）。此外，该地区拥有中国最广泛的季风海洋性冰川，使其极易受到气候变化的影响。

温度影响下的变形和失效演变

测试0-2代表了不同温度条件对BIMS的影响，测试温度分别设定为5°C、10°C和20°C。由于测试0仅导致局部软化和轻微的坡脚失效，因此仅对测试1和测试2进行了3D激光扫描。图5显示了测试1和测试2的变形云图。在测试1中，分别在36分钟、85分钟、384分钟和521分钟时对坡体失效特征进行了扫描。

在热液耦合条件下由基底冰驱动的失效机制

进行了一系列物理建模实验，以阐明在综合热液条件下的BIMS独特失效机制。与在稳定边界条件下制定的传统研究不同，这些研究考虑了基底冰存在所带来的基本THM相互作用（Altmann等人，2024年；Jia等人，2022年；Rootes和Clark，2022年；Springman等人，2003年；Tseung，2008年），本研究明确纳入了这些关键过程。

结论

本研究通过结合天莫沟案例研究和物理建模，提供了关于BIMS不稳定性的关键见解。BIMS的稳定性从根本上受到冰-土界面热状态的控制。冻结条件增强了坡体稳定性，而融化则导致快速削弱并促进渐进性失效。失效从坡脚不稳定发展到大规模滑动，表面侵蚀促进了类似流动的运动。关键的是，温度驱动的失效...

CRediT作者贡献声明

Jingxuan Cao：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，数据管理。 Jiao Wang：撰写——审阅与编辑，方法学，资金获取，概念化。 Peng Cui：撰写——审阅与编辑，方法学，概念化。 Zhenxing Liu：撰写——审阅与编辑。 Can Yang：撰写——审阅与编辑。 Hao Wang：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。 Tao Shu：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本文所述工作得到了国家重点研发计划（编号：2024YFE0104200）、国家重点研发计划（编号：2023YFC3008301）以及国际合作局（中国科学院）（编号：2024JRU0019）和电力中国科技项目（编号：DJ-HXGG-2022-02）的资助。特别感谢中国科学院山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室的Haihua Gu和Tao Wei的支持。