青藏高原工程走廊热融滑塌变形监测分析与预警研究

Thaw slump, caused by permafrost degradation, ground ice melting, and so on, affects the engineering construction and permafrost environment in the Qinghai-Tibetan Engineering Corridor. Most of the current studies investigate from the angle of thermodynamics instead of the actual deformation of thaw slump; and the understanding of the spatial and temporal characteristics of thaw slump displacement is very limited. In this study, a Wireless Sensor Networks Observation System with GNSS sensors, tilt sensors, soil temperature and moisture sensors are proposed to be deployed in a typical thaw slump of Fenghuo Mountain regions of the Qinghai-Tibetan Engineering Corridor. Visualization modeling and simulation computing are applied to address the three key questions: (1) stability analysis of Wireless Sensor Networks in thaw slump under high-cold and freezing-thawing circumstance; (2) three-dimension surface deformation and response law of thaw slump under water and heat changes of frozen soil; and (3) disaster forecast and early-warning of thaw slump considering the displacement variation. The research aims to demonstrate the importance of Wireless Sensor Networks with GNSS technology in deformation measurement of thaw slump in the Qinghai-Tibetan Engineering Corridor; and to reveal the spatial and temporal characteristics of thaw slump displacement. In this way, the research will provide an application demonstration and technical support of deployment of real-time observation system in high-cold and freezing-thawing environment. The findings of this study may have important implications for supporting the development of suitable management strategies for the slope instability theory of thaw slump in the permafrost regions of the Qinghai-Tibetan Plateau.

地下冰融化、多年冻土退化等冻土问题诱发的热融滑塌严重影响青藏高原工程走廊内的工程建设和冻土环境。目前大多数研究从冻土热力学的角度出发，而很少从热融滑塌的实际变形角度来考虑，对热融滑塌在时间和空间上的位移变化的认识非常有限。本项目以青藏高原风火山地区的热融滑塌为研究对象，通过部署GNSS、倾角和土壤温湿度传感器的无线传感器网络监测系统，结合可视化建模和模拟计算等方法，重点研究：（1）高寒和冻融环境下的无线传感器网络稳定性；（2）冻土水热变化下的热融滑塌三维形变过程及其响应规律；（3）考虑位移变化的热融滑塌灾害预测与预警。基于以上研究，探索基于GNSS技术的无线传感器网络在青藏高原工程走廊热融滑塌变形监测上的重要性，揭示热融滑塌在时间和空间上的位移变化特征，为高寒和冻融环境下的实时监测系统的部署提供应用示范和技术支撑，促进青藏高原冻土区热融滑塌型斜坡失稳理论和研究方法的发展。

以前大多数研究都聚焦于青藏高原工程走廊内气候变化影响下的热融引起的冻土斜坡失稳，而很少关注于冻结引起的冻土斜坡失稳。为了监测冻土斜坡的地貌特征的变化，本项目采用陆地激光扫描（TLS）和全球卫星导航系统（GNSS）来监测两个冻土斜坡（SlopeA & SlopeB）的表面变形特征，监测时间从2014年5月到2015年10月，共经历2次融化和1次冻结阶段。三维激光扫描仪为1套FARO Focus3D X130，GNSS为9套Trimble 5700，土壤温湿度传感器为Campbell公司的150T和CS615-L。在冻土斜坡体距离28公里处布设了2套GNSS基准点，然后在SlopeA旁边的青藏公路旁及其斜坡体上分别部署了2套GNSS，在SlopeB旁边的青藏公路旁及其斜坡体上分别部署了1和2套GNSS。而且在斜坡体内部署了11层土壤温湿度传感器，用以监测冻土的水热过程。实验表明，在融化阶段，两个斜坡体大部分区域都表现出融化沉降的特征，而在冻结阶段，两个斜坡体的大部分区域都表现出冻胀的特征。经过多次融化和一次冻胀后，两个斜坡体整体还是以冻胀为主。在两个融化阶段，斜坡SlopeA和SlopeB的变形都集中在-0.15-0.00m之间，以0.05为间隔，SlopeA变形的百分比分别为6% 和12%, 28%和36%, 62%和53%；斜坡SlopeB变形的百分比分别为7% 和23%, 10% 和 26%, 29% 和 21%。在冻结阶段，两个斜坡体的变形在0-0.25 m, 以0.05为间隔，SlopeA变形百分比分别为37%, 36%, 12%, 8%, 和 4%；SlopeB变形百分比分别为10%, 27%, 24%, 12% 和 4%。土壤温湿度在冻融循环的变化与冻土斜坡的变形存在强烈的相关性。冻土斜坡不同区域有不同的变形规律，我们将斜坡体SlopeA划分为上部、下部和基座及进行空间区域统计分析。区域变形除了沉降和冻胀之外，还因重力和降水的影响发生土壤的运移。通过统计第一融化、第二次融化和一次冻胀的变形率，上部分别为60%，64%和 86%；下部分别为13%，30%和5%；基座分别为80%，18%和89%。冻土斜坡变形监测与冻土水热过程结合将对于工程走廊内的其它冻土斜坡的灾害评估起到决策支持的作用，而且还能为未来青藏高速公路和铁路的设计和修建提供一定的参考价值。