三江源區(qū)巖體凍融風(fēng)化特征及影響主因分析

盧　陽(yáng)，鄔愛(ài)清，徐　平

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.重慶分院，重慶　400026；b.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430010；c.院長(zhǎng)辦公室，武漢　430010)

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三江源區(qū)巖體凍融風(fēng)化特征及影響主因分析

盧陽(yáng)a，鄔愛(ài)清b，徐平c

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.重慶分院，重慶400026；b.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430010；c.院長(zhǎng)辦公室，武漢430010)

摘要：為探索三江源區(qū)巖體凍融風(fēng)化特征及規(guī)律，明確主控因子對(duì)巖體凍融損傷裂化過(guò)程的影響，在野外科學(xué)考察基礎(chǔ)上，結(jié)合航拍影像，通過(guò)開(kāi)展巖石切片觀察和巖石物理指標(biāo)測(cè)試，總結(jié)了源區(qū)巖體凍融風(fēng)化特征，歸納了巖體凍融破壞過(guò)程，分析了主控因子對(duì)巖體凍融損傷劣化過(guò)程的影響，得出以下結(jié)論：①巖體凍融風(fēng)化強(qiáng)度具有垂直分帶性、緯度坡降性和水平方向性3個(gè)基本特征；②巖體呈明顯的“立體狀”凍融風(fēng)化特點(diǎn)，且不同巖性巖體凍融風(fēng)化所產(chǎn)生的碎屑坡形態(tài)和碎屑形態(tài)差異明顯；③巖性對(duì)巖體抗凍融風(fēng)化性起著至關(guān)重要的作用，孔隙和孔隙水是影響巖體凍融風(fēng)化過(guò)程的2個(gè)基本條件，而凍融循環(huán)次數(shù)則對(duì)巖體凍融損傷劣化過(guò)程起著決定性作用。

關(guān)鍵詞：巖土工程；巖體；凍融風(fēng)化；主因分析；三江源區(qū)

1研究背景

巖體是地球在物理及化學(xué)作用下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史形成的具有一定強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的礦物集合體。在三江源區(qū)紫外線輻射強(qiáng)烈、溫差波動(dòng)大的獨(dú)特氣候條件下，裸露巖體普遍遭受到頻繁的凍融作用。一方面，凍融風(fēng)化會(huì)對(duì)巖體工程活動(dòng)造成極為不利影響，如影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定和邊坡的穩(wěn)定。另一方面，凍融風(fēng)化形成的砂土顆粒，在重力作用下沿坡面向坡腳產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)與堆積，會(huì)產(chǎn)生溜砂災(zāi)害，破壞地表生態(tài)系統(tǒng)。此外，由巖體凍融風(fēng)化產(chǎn)生的不穩(wěn)定巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡，還會(huì)引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等一系列地質(zhì)災(zāi)害。很顯然，巖體凍融風(fēng)化問(wèn)題嚴(yán)重威脅和破壞著源區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)。

目前，針對(duì)巖石(體)凍融風(fēng)化問(wèn)題，研究成果較多，主要集中在凍結(jié)溫度下巖石(體)的物理力學(xué)性質(zhì)、凍融損傷破壞機(jī)理、水熱遷移、多場(chǎng)耦合理論及其數(shù)值分析等幾個(gè)方面[1]。關(guān)于巖石(體)凍融風(fēng)化特征的探索，現(xiàn)有的研究多偏向于開(kāi)展室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)，以觀測(cè)凍融條件下巖石物理特性的變化過(guò)程[2-3]。本文以當(dāng)前人跡罕至、研究成果較少的三江源區(qū)為研究區(qū)域，從凍融巖體的基本物理性質(zhì)出發(fā)，分析天然狀態(tài)下巖體的凍融風(fēng)化特征(特別是區(qū)域特征及規(guī)律)，總結(jié)巖體凍融破壞過(guò)程，歸納影響巖體凍融損傷劣化的主要因素。成果對(duì)今后開(kāi)展巖體凍融研究、指導(dǎo)源區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義。

2調(diào)查區(qū)域概況和研究方法

三江源區(qū)地處青藏高原腹地(位于我國(guó)青海省境內(nèi)，包括玉樹(shù)州、果洛州、海南州的興?？h和同德縣、黃南州的河南縣和澤庫(kù)縣以及海西州的格爾木市唐古拉山鎮(zhèn))，總面積31.6×104km2，占整個(gè)青海省面積的43.8%，是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，是世界上海拔最高、面積最大的自然保護(hù)區(qū)和濕地生態(tài)區(qū)。

源區(qū)屬典型的高原大陸性氣候，冷熱兩季交替、干濕兩季分明。區(qū)內(nèi)各地年均氣溫為-5.3～4.3 ℃，年內(nèi)最暖月和最冷月分別為7月份和1月份，月均氣溫分別為5.7～13.4 ℃和-6.1～-16.7 ℃；年均降水量為262.2～772.8 mm，一般7月份降水量最多，1月份降水量最少，各地7月份和1月份的月均降水量分別為72.0～142.8 mm和1.0～6.3 mm；年蒸發(fā)量730～1 700 mm；因海拔高、云霧天氣相對(duì)較少，太陽(yáng)輻射受云霧、大氣層的影響較小，年日照時(shí)數(shù)和年總輻射量均比我國(guó)東部同緯度地區(qū)要高，年日照時(shí)數(shù)2 300.0～2 900.0 h，年總輻射量為6 000.0～6 600.0 MJ/m2?？傮w而言，由東南向西北，年均氣溫和年均降水隨著緯度和海拔的升高逐漸下降。與之相反，年日照數(shù)則由源區(qū)的東南方向西北方逐漸遞增。另外，源區(qū)風(fēng)速大，風(fēng)能豐富，如五道梁年平均風(fēng)速達(dá)4.5 m/s，沱沱河達(dá)4.1 m/s，這些地區(qū)年有效風(fēng)能時(shí)數(shù)(3.0～25.0 m/s)在5 000.0 h以上，其余地區(qū)一般在3 000.0～4 000.0 h。

本文在2014年長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江源科學(xué)考察基礎(chǔ)上，借助源區(qū)典型巖體的Google航拍影像，分析巖體的凍融風(fēng)化特征，歸納和總結(jié)巖體的凍融破壞過(guò)程及其力學(xué)機(jī)理。對(duì)科學(xué)考察取回的典型巖石進(jìn)行制樣并開(kāi)展巖石薄片光學(xué)顯微鏡下觀察和巖石物理指標(biāo)的測(cè)試，分析巖體的組成結(jié)構(gòu)特征和孔隙率、含水率等物理指標(biāo)對(duì)巖體凍融風(fēng)化作用的影響。結(jié)合源區(qū)氣候特征，分析凍融循環(huán)次數(shù)與凍融頻率對(duì)巖體凍融損傷劣化過(guò)程的影響。

3巖體凍融風(fēng)化特征

從區(qū)域尺度上看，三江源區(qū)大面積裸露的基巖在平面上呈“島狀”分布，而“巖島”與“巖島”之間則被巖體風(fēng)化產(chǎn)生的碎屑堆積物或扎根于碎屑堆積物上的高寒植被所分隔開(kāi)。這類“巖島”的表面往往節(jié)理裂隙發(fā)育，破裂面密度高，表現(xiàn)出顯著的凍融風(fēng)化特征。

圖1　巖體凍融風(fēng)化特征遙感影像

由遙感影像圖(圖1)不難看出，源區(qū)巖體出露具有明顯的垂直分帶性。海拔5 000 m是大體的垂直分帶分界線，即海拔高度>5 000 m的地方，巖體大面積出露，而海拔高度<5 000 m的地方，巖體出露面積則明顯減少。其主要原因?yàn)椋阂皇窃磪^(qū)海拔高度介于3 335～6 564 m之間，平均海拔4 400 m左右，海拔4 000～5 800 m的高山是該區(qū)地貌的主體骨架;二是在重力作用下，巖體風(fēng)化崩解產(chǎn)生的巖屑脫離母巖體，以溜動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍及復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式(如跳滾式、溜滾式)堆積于斜坡下部坡度較緩的部位[4-5]，結(jié)果是下部基巖體由于被上部剝落的巖屑所覆蓋，巖體風(fēng)化速率變慢，使5 000 m成為巖屑堆積區(qū)的上限。據(jù)崔之久[6]的研究成果，屬凍融風(fēng)化產(chǎn)物的石海(巖體原地風(fēng)化的產(chǎn)物)分布下限在昆侖山為4 900 m，代表凍融蠕流作用產(chǎn)物的石河石條分布下界在昆侖山與唐古拉山分別為4 650～4 700 m和5 200 m。三江源區(qū)屬冰緣地貌，巖體凍融風(fēng)化作用強(qiáng)烈。由巖體出露的垂直分帶性推測(cè)，海拔5 000 m為巖體凍融風(fēng)化作用強(qiáng)弱的分界線。

氣溫是巖體發(fā)生凍融風(fēng)化過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因子，而0 ℃則為凍融風(fēng)化的溫度“基準(zhǔn)線”。源區(qū)年平均氣溫在±5 ℃左右范圍內(nèi)變化，為頻繁發(fā)生的巖體凍融過(guò)程提供了常年的氣溫保障。然而，由東南向西北，區(qū)內(nèi)年均氣溫隨著緯度的升高逐漸下降。這意味著，隨著緯度升高或降低，年均氣溫會(huì)偏離凍融“基準(zhǔn)線”。由此可以合理推測(cè)，巖體凍融風(fēng)化作用帶所發(fā)育的海拔高度還應(yīng)隨緯度作規(guī)則變化，表現(xiàn)為“緯度坡降性”，即隨著緯度的升高或降低，巖體凍融風(fēng)化作用強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。如平均緯度每降低1°，石海下限高度升高約130 m，石河石條下界升高約110 m，多年凍土帶下界升高約110 m[6]。

另外，除具垂直分帶性和緯度坡降性外，巖體的凍融風(fēng)化作用還具有水平方向性。山體北面(陰面)巖體的凍融風(fēng)化作用要明顯弱于南面(陽(yáng)面)。由圖1可以看出，除因圖1(c)的拍攝時(shí)間為夏季，山坡上無(wú)積雪外，圖1中的(a)、(b)、(d)均顯示山體北坡積雪量要大于南坡。拋開(kāi)降水量差異，南坡巖體的凍融循環(huán)條件要明顯好于北坡，即受差異性太陽(yáng)輻射量的影響，南坡季節(jié)溫差及晝夜溫差都要比北坡大。大的溫差環(huán)境造成巖體表面熱脹冷縮循環(huán)交替頻繁，脹縮效應(yīng)導(dǎo)致南坡巖體表面產(chǎn)生比北坡巖體更加劇烈的裂隙擴(kuò)展及崩解現(xiàn)象。

除上述特征外，巖體凍融風(fēng)化在大比例尺度上也表現(xiàn)出某些明顯的特征。在反復(fù)的凍融作用下，巖體凍融風(fēng)化過(guò)程特征主要表現(xiàn)為微裂紋的萌生以及微裂紋、節(jié)理裂隙面的擴(kuò)張、擴(kuò)展與貫通[7]，直至巖屑呈表面剝落。在理想的凍融條件下，源區(qū)巖體呈現(xiàn)出“立體狀”的凍融風(fēng)化特點(diǎn)，即凡是暴露于地表的巖體，都存在著不同強(qiáng)度的凍融風(fēng)化作用，如圖2所示，巖體表面高度破碎。具體到不同巖性，巖體的凍融風(fēng)化特點(diǎn)差異明顯。以本次重點(diǎn)考察區(qū)為例，灰?guī)r和板巖常形成高陡甚至直立的邊坡，而砂泥巖邊坡則相對(duì)較為平緩。另外，凍融風(fēng)化產(chǎn)生的巖屑形態(tài)也大相徑庭，如灰?guī)r、板巖、砂巖和泥巖的碎屑分別呈塊狀、較規(guī)則的塊狀、碎粒狀和碎片狀(具體特征如圖2所示)。很顯然，以灰?guī)r為代表的結(jié)晶巖的凍融風(fēng)化強(qiáng)度普遍弱于以砂泥巖為代表的沉積巖，也弱于以板巖為代表的變質(zhì)巖。

圖2　巖體凍融風(fēng)化特征

4巖體凍融破壞過(guò)程

源區(qū)巖體的凍融破壞主要包括以下2個(gè)過(guò)程：

(1) 在冷熱交替環(huán)境下，巖石內(nèi)部礦物顆粒出現(xiàn)熱脹冷縮效應(yīng)。由于不同礦物顆粒的熱脹冷縮系數(shù)不同，巖石的顆粒骨架出現(xiàn)收縮膨脹不均勻現(xiàn)象。反復(fù)的冷熱交替，將使礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度逐漸減弱，最終結(jié)果是巖石內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋或巖石表面礦物顆粒脫離母巖。

(2) 水的凍結(jié)成冰、冰的融化成水對(duì)巖體造成的損傷破壞過(guò)程[8]。當(dāng)環(huán)境溫度下降至0 ℃以下時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)面中的水開(kāi)始凍結(jié)成冰，其體積發(fā)生膨脹(體積膨脹率約9%)，使得冰體在限制其膨脹的裂縫壁面上施加巨大的凍脹力。這種凍脹力產(chǎn)生的拉應(yīng)力值一旦超過(guò)裂縫的極限抗拉強(qiáng)度，巖體裂縫就會(huì)擴(kuò)展；當(dāng)環(huán)境溫度升高至0 ℃以上時(shí)，巖體內(nèi)部冰體發(fā)生融化。伴隨這一過(guò)程，先前的凍脹力得以釋放，水分順著裂縫發(fā)生遷移；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水頻繁結(jié)冰，冰又頻繁融化，裂縫會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展、連接，并形成新裂縫，以致發(fā)展成大規(guī)模的宏觀裂縫。最終，巖體強(qiáng)度指數(shù)不斷降低，造成塊體斷裂、剝落。

巖體凍融破壞過(guò)程的最終結(jié)果是破碎基巖原地裸露，而凍融風(fēng)化產(chǎn)生的巖屑，主要在重力作用下順坡面滾落，停留在坡腳處形成碎屑裙。在后續(xù)水的侵蝕作用下，巖屑裙中的細(xì)顆粒流入河流，剩下未被帶走的巖屑則在原地形成碎石土(圖3)。

圖3　巖體凍融風(fēng)化流程

5巖體凍融損傷劣化的主因分析

迄今為止，人們雖然對(duì)巖體凍融損傷劣化的“冰劈”過(guò)程早已有了比較一致的認(rèn)識(shí)[9]，但對(duì)影響巖體凍融破壞的因素缺乏系統(tǒng)、深入的認(rèn)知。從已有的研究成果來(lái)看，影響巖體凍融損傷劣化的因素主要包括3類[10]，分別是巖性、初始損傷、含水狀態(tài)等內(nèi)部因素，凍融條件、水化環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等外部因素和地震等偶然因素。鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性，本文在野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)巖石理化分析成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合源區(qū)地質(zhì)環(huán)境和氣候環(huán)境特征，從主控因素出發(fā)，對(duì)影響源區(qū)巖體凍融損傷劣化過(guò)程的巖性、孔隙率、含水率、凍融頻率等因素進(jìn)行了分析。

5.1巖性

圖4　玉樹(shù)地區(qū)典型地質(zhì)剖面圖(據(jù)玉樹(shù)幅1∶250 000地質(zhì)圖修改)

巖性對(duì)巖體凍融損傷劣化的影響源于巖體的形成環(huán)境及形成過(guò)程。以玉樹(shù)地區(qū)典型地質(zhì)剖面為例(如圖4所示)，該剖面上主要出露砂巖、泥巖、灰?guī)r、凝灰?guī)r、凝灰熔巖、石英閃長(zhǎng)巖、板巖等巖體[11]。其中，砂巖和泥巖是由地表碎屑物質(zhì)經(jīng)過(guò)搬運(yùn)作用、沉積作用和固結(jié)成巖作用形成的沉積巖，其物質(zhì)組成分為碎屑物和填隙物2個(gè)部分，結(jié)構(gòu)中普遍存在未被固體物質(zhì)占據(jù)的各種孔隙；灰?guī)r則主要是在海洋環(huán)境中，重碳酸鈣溶液發(fā)生過(guò)飽和，方解石、白云石等碳酸鹽礦物從水體中沉淀形成的[12]。凝灰?guī)r、凝灰熔巖、石英閃長(zhǎng)巖是由地下深處熾熱的巖漿(熔融或部分熔融物質(zhì))在地下或在地表冷凝形成的巖漿巖[12]。在高溫環(huán)境下，巖漿中的礦物發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，大多數(shù)重新結(jié)晶，形成比一般沉積巖結(jié)構(gòu)更加致密堅(jiān)硬的巖體；板巖是變質(zhì)巖，其特征構(gòu)造是板狀構(gòu)造，其形成機(jī)理是在應(yīng)力作用下，巖石中出現(xiàn)密集的間隔平面(即劈理面)。

以上述玉樹(shù)縣城-直門達(dá)(通天河)地區(qū)為重點(diǎn)考察區(qū)，筆者根據(jù)巖性的不同分別采取了巖樣。挑選其中的砂巖、泥巖、灰?guī)r、板巖等4類巖樣，委托實(shí)驗(yàn)工作人員先進(jìn)行了切片，而后將薄片置于透射-反射光學(xué)顯微鏡(Olympus BX51)下進(jìn)行了觀察。觀察結(jié)果顯示(圖5)，砂巖的碎屑組份為粉砂石英，基質(zhì)組份為泥質(zhì)，膠結(jié)類型為微孔隙式，結(jié)構(gòu)構(gòu)造為基質(zhì)具泥狀結(jié)構(gòu)的粉砂結(jié)構(gòu)；泥巖的物質(zhì)組份為零散均勻分布的石英細(xì)粉砂和均勻分布的泥質(zhì)，為基質(zhì)具泥狀結(jié)構(gòu)的粉砂結(jié)構(gòu)；灰?guī)r生物組份包括介形蟲(chóng)、有孔蟲(chóng)、刺毛藻屑、綠藻碎片和腕足碎片，基質(zhì)組份為微晶方解石，為基質(zhì)具微晶結(jié)構(gòu)的生物碎屑結(jié)構(gòu)；板巖的礦物組份為微細(xì)鱗片狀絹云母、細(xì)晶方解石和粉砂石英，為含細(xì)晶及粉砂細(xì)層的微細(xì)鱗片結(jié)構(gòu)，板理化構(gòu)造。

由此看來(lái)，在物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，不同巖性的巖體往往表現(xiàn)為礦物顆粒成分、大小和組成、膠結(jié)物成分和強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、節(jié)理分布特征等細(xì)微觀層次的顯著差異。反映在宏觀尺度上，這類差異則為巖體孔隙率、密度、強(qiáng)度和剛度等物理力學(xué)參數(shù)的不同。已有的研究發(fā)現(xiàn)，巖石礦物顆粒越致密，膠結(jié)物強(qiáng)度越高，節(jié)理裂隙越不發(fā)育，孔隙度越小，巖體強(qiáng)度和剛度越大，其受凍融損傷劣化的影響越?。环粗?，其受凍融的影響越大。因此，巖性對(duì)巖體凍融損傷劣化影響最顯著。袁廣祥等[13]認(rèn)為，巖石的巖性對(duì)巖石的抗凍融風(fēng)化性能起著至關(guān)重要的作用，且在相同的外界條件下，不同特征的巖石，其風(fēng)化特征不同。又如張信寶等[14-15]在研究川西北高原地貌后認(rèn)為，該區(qū)的地貌演化與地層巖性關(guān)系密切，即川西北高原廣泛分布抗凍融風(fēng)化能力差的砂板巖，由于其剝蝕夷平速率極限值一般遠(yuǎn)高于高原構(gòu)造隆升速率，這類砂板巖演化為如今的川西北高原面；而花崗巖和石灰?guī)r等結(jié)晶巖抗寒凍風(fēng)化能力強(qiáng)，其剝蝕夷平速率極限值多低于高原構(gòu)造隆升速率，這類結(jié)晶巖體則形成為現(xiàn)在聳立的冰川雪山。

圖5　光學(xué)顯微鏡下的巖樣薄片

巖石名稱塊體密度/(g·cm-3)烘干自然飽和顆粒密度/(g·cm-3)含水率/%吸水率/%飽水率/%孔隙率/%含細(xì)粉砂的泥巖2.692.702.712.750.240.700.731.96生物碎屑微晶灰?guī)r2.702.702.702.710.030.120.150.40夾粉砂細(xì)層的絹云母板巖2.672.682.702.750.390.981.062.84

5.2巖石的孔隙率與含水率

巖體的凍融破壞實(shí)質(zhì)上是由巖體中孔隙水的反復(fù)凍結(jié)和融化造成。因此，孔隙及孔隙水是影響巖體凍融破壞過(guò)程的2個(gè)基本條件，孔隙率和含水率則是控制巖體“凍融劈裂”過(guò)程的2個(gè)主要參數(shù)。一般而言，巖塊中孔隙率越大，含水率越高，巖體受凍融破壞的潛在威脅越大。對(duì)處于同一地區(qū)的巖體來(lái)說(shuō)，孔隙率和含水率2個(gè)參數(shù)一般密切相關(guān)，即高的孔隙率往往意味著大的儲(chǔ)水空間和高的含水率，反之亦然。以三江源玉樹(shù)地區(qū)的巖體為例，巖石的室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)表1)，生物碎屑微晶灰?guī)r(含量為0.40%，下同)的孔隙率低于含細(xì)粉砂的泥巖(1.96%)和夾粉砂細(xì)層的絹云母板巖(2.84%)，其含水率(0.03%)同樣低于含細(xì)粉砂的泥巖(0.24%)和夾粉砂細(xì)層的絹云母板巖(0.39%)。如果除開(kāi)巖體自身強(qiáng)度的差異，凍融循環(huán)應(yīng)對(duì)灰?guī)r這類孔隙率低且含水率小的巖石損傷劣化影響較小，對(duì)泥巖、板巖等孔隙率高且含水率大的巖石損傷劣化影響大。事實(shí)上，這樣的推斷與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察的結(jié)果一致(圖2)，即泥板巖的凍融風(fēng)化強(qiáng)度明顯高于灰?guī)r等結(jié)晶巖體。

5.3凍融循環(huán)次數(shù)與凍融頻率

巖體中的水凍融循環(huán)一次，就相當(dāng)于水在巖體內(nèi)部的“冰劈力”加載和卸載一次。類似于巖體的疲勞破壞，反復(fù)的冰劈作用將一步一步對(duì)巖體造成損傷，直至巖體徹底的崩解破壞。正因?yàn)槿绱?，凍融循環(huán)次數(shù)與凍融頻率對(duì)巖體的凍融損傷劣化影響明顯，凍融循環(huán)次數(shù)愈多，凍融頻率愈高，巖體受凍融循環(huán)的影響則愈明顯，巖體接近破壞狀態(tài)的時(shí)間愈短。

三江源區(qū)內(nèi)各地年均氣溫為-5.3～4.3 ℃，常年徘徊在溫度基準(zhǔn)線0℃附近，這顯然為巖體凍融風(fēng)化提供了極為有利的溫度條件。如果以0 ℃作為凍融風(fēng)化的界限，那么區(qū)內(nèi)年均0 ℃等溫線所處的海拔可以作為凍融風(fēng)化強(qiáng)度峰值線所處的位置，即凍融作用在這個(gè)海拔高度表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈，隨著海拔的升高或降低，凍融作用均有所減弱。

6結(jié)論

(1) 從區(qū)域尺度上看，源區(qū)巖體凍融風(fēng)化具有垂直分帶性、緯度坡降性和水平方向性3個(gè)基本特征。垂直分帶性是指巖體凍融風(fēng)化作用在海拔高度上存在強(qiáng)弱分界線；緯度坡降性指隨著緯度升高或降低，巖體凍融風(fēng)化強(qiáng)度降低；水平方向性指巖體凍融風(fēng)化強(qiáng)度表現(xiàn)出水平方向上的差異性。

(2) 源區(qū)裸露于地表的巖體，其表面普遍極度破碎，呈現(xiàn)出明顯的“立體狀”凍融風(fēng)化特點(diǎn)。在相同的外界條件下，不同巖性巖體的凍融風(fēng)化特征往往差別較大，如灰?guī)r和板巖常形成高陡邊坡，而砂泥巖邊坡則相對(duì)較為平緩。此外，凍融風(fēng)化產(chǎn)生的巖屑形態(tài)也大相徑庭，如灰?guī)r碎屑呈塊狀，而砂巖和泥巖的碎屑則分別呈碎粒狀和碎片狀。

(3) 巖性對(duì)巖體抗凍融風(fēng)化起著至關(guān)重要的作用。例如，以灰?guī)r為代表的結(jié)晶巖的凍融風(fēng)化強(qiáng)度普遍弱于以砂泥巖為代表的沉積巖；孔隙和孔隙水是影響巖體“凍融劈裂”過(guò)程的2個(gè)基本條件?？紫堵试酱螅试礁?，巖體受凍融破壞的潛在威脅越大；凍融循環(huán)次數(shù)(或凍融頻率)對(duì)巖體凍融損傷劣化過(guò)程起著決定性作用。凍融循環(huán)次數(shù)愈多(或凍融頻率愈高)，巖體受凍融循環(huán)的影響則愈明顯，其接近破壞狀態(tài)的時(shí)間愈短。

致謝：感謝參加2014年長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江源(當(dāng)曲)科學(xué)考察的全體成員。特別感謝長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張利潔博士和潘家軍博士對(duì)本論文室內(nèi)試驗(yàn)給予的支持和幫助。

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(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-08-05；修回日期： 2016-02-28

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301059)

作者簡(jiǎn)介：盧陽(yáng)(1982-)，男，湖北漢川人，工程師，博士，主要從事巖石力學(xué)特性與工程應(yīng)用方面的研究工作，(電話) 023-88192714 (電子信箱)crsrily@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150645

中圖分類號(hào)：TU451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)04-0039-07

Characteristics and Dominant Factors of Freeze-thaw Weathering ofRock Mass in the Headwaters Region of Three Rivers

LU Yang1, WU Ai-qing2, XU Ping3

(1.Chongqing Branch, Yangtze River Scientific Research Institute, Chongqing400026, China;2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 3.Administration Office,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:To explore the characteristics and regularity of freeze-thaw weathering of rock mass in the headwaters region of three rivers (Yangtze River, Yellow River, and Lantsang River), we conducted rock slice observation and physical property test. On this basis and in association with scientific field investigation and aerial images, we summarized the characteristics of freeze-thaw weathering, concluded the process of freeze-thaw damage of rock mass, and analyzed the influences of key factors on the freeze-thaw damage process. Here we present the conclusions as follows: 1)the intensity of freeze-thaw weathering declines with the increase or decrease of latitude, weathered rock exposure is more severe with the increase of altitude (with altitude 5000m as an obvious dividing line), rock mass weathering in the north slope (dark side) is weaker than that in the south side (sunny side); 2) the intensity of freeze-thaw weathering of exposed rock mass is different, and the slope form and clastics induced by freeze-thaw weathering differ greatly as for rock mass of different lithological characters; 3)the lithology of rock mass plays an important role in the freeze-thaw weathering. Porosity and pore water are two basic conditions affecting the freeze-thaw weathering process, and the number of freeze-thaw cycles plays a decisive role in the freeze-thaw damage process.

Key words:geotechnical engineering; rock mass; freeze-thaw weathering; key-factor analysis; headwaters region of three rivers

2016,33(04):39-45