三江源区岩体冻融风化特征及影响主因分析

卢　阳，邬爱清，徐　平

(长江科学院 a.重庆分院，重庆　400026；b.水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉　430010；c.院长办公室，武汉　430010)



三江源区岩体冻融风化特征及影响主因分析

卢阳a，邬爱清b，徐平c

(长江科学院 a.重庆分院，重庆400026；b.水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430010；c.院长办公室，武汉430010)

摘要：为探索三江源区岩体冻融风化特征及规律，明确主控因子对岩体冻融损伤裂化过程的影响，在野外科学考察基础上，结合航拍影像，通过开展岩石切片观察和岩石物理指标测试，总结了源区岩体冻融风化特征，归纳了岩体冻融破坏过程，分析了主控因子对岩体冻融损伤劣化过程的影响，得出以下结论：①岩体冻融风化强度具有垂直分带性、纬度坡降性和水平方向性3个基本特征；②岩体呈明显的“立体状”冻融风化特点，且不同岩性岩体冻融风化所产生的碎屑坡形态和碎屑形态差异明显；③岩性对岩体抗冻融风化性起着至关重要的作用，孔隙和孔隙水是影响岩体冻融风化过程的2个基本条件，而冻融循环次数则对岩体冻融损伤劣化过程起着决定性作用。

关键词：岩土工程；岩体；冻融风化；主因分析；三江源区

1研究背景

岩体是地球在物理及化学作用下，经过漫长的地质历史形成的具有一定强度和结构的矿物集合体。在三江源区紫外线辐射强烈、温差波动大的独特气候条件下，裸露岩体普遍遭受到频繁的冻融作用。一方面，冻融风化会对岩体工程活动造成极为不利影响，如影响基础的稳定和边坡的稳定。另一方面，冻融风化形成的砂土颗粒，在重力作用下沿坡面向坡脚产生运动与堆积，会产生溜砂灾害，破坏地表生态系统。此外，由岩体冻融风化产生的不稳定岩质边坡和土质边坡，还会引发崩塌、滑坡、泥石流等一系列地质灾害。很显然，岩体冻融风化问题严重威胁和破坏着源区的基础设施和生态系统。

目前，针对岩石(体)冻融风化问题，研究成果较多，主要集中在冻结温度下岩石(体)的物理力学性质、冻融损伤破坏机理、水热迁移、多场耦合理论及其数值分析等几个方面[1]。关于岩石(体)冻融风化特征的探索，现有的研究多偏向于开展室内冻融模拟试验，以观测冻融条件下岩石物理特性的变化过程[2-3]。本文以当前人迹罕至、研究成果较少的三江源区为研究区域，从冻融岩体的基本物理性质出发，分析天然状态下岩体的冻融风化特征(特别是区域特征及规律)，总结岩体冻融破坏过程，归纳影响岩体冻融损伤劣化的主要因素。成果对今后开展岩体冻融研究、指导源区基础设施建设和生态系统保护具有重要意义。

2调查区域概况和研究方法

三江源区地处青藏高原腹地(位于我国青海省境内，包括玉树州、果洛州、海南州的兴海县和同德县、黄南州的河南县和泽库县以及海西州的格尔木市唐古拉山镇)，总面积31.6×104km2，占整个青海省面积的43.8%，是长江、黄河和澜沧江的发源地，是世界上海拔最高、面积最大的自然保护区和湿地生态区。

源区属典型的高原大陆性气候，冷热两季交替、干湿两季分明。区内各地年均气温为-5.3～4.3 ℃，年内最暖月和最冷月分别为7月份和1月份，月均气温分别为5.7～13.4 ℃和-6.1～-16.7 ℃；年均降水量为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别为72.0～142.8 mm和1.0～6.3 mm；年蒸发量730～1 700 mm；因海拔高、云雾天气相对较少，太阳辐射受云雾、大气层的影响较小，年日照时数和年总辐射量均比我国东部同纬度地区要高，年日照时数2 300.0～2 900.0 h，年总辐射量为6 000.0～6 600.0 MJ/m2。总体而言，由东南向西北，年均气温和年均降水随着纬度和海拔的升高逐渐下降。与之相反，年日照数则由源区的东南方向西北方逐渐递增。另外，源区风速大，风能丰富，如五道梁年平均风速达4.5 m/s，沱沱河达4.1 m/s，这些地区年有效风能时数(3.0～25.0 m/s)在5 000.0 h以上，其余地区一般在3 000.0～4 000.0 h。

本文在2014年长江科学院长江源科学考察基础上，借助源区典型岩体的Google航拍影像，分析岩体的冻融风化特征，归纳和总结岩体的冻融破坏过程及其力学机理。对科学考察取回的典型岩石进行制样并开展岩石薄片光学显微镜下观察和岩石物理指标的测试，分析岩体的组成结构特征和孔隙率、含水率等物理指标对岩体冻融风化作用的影响。结合源区气候特征，分析冻融循环次数与冻融频率对岩体冻融损伤劣化过程的影响。

3岩体冻融风化特征

从区域尺度上看，三江源区大面积裸露的基岩在平面上呈“岛状”分布，而“岩岛”与“岩岛”之间则被岩体风化产生的碎屑堆积物或扎根于碎屑堆积物上的高寒植被所分隔开。这类“岩岛”的表面往往节理裂隙发育，破裂面密度高，表现出显著的冻融风化特征。

图1　岩体冻融风化特征遥感影像

由遥感影像图(图1)不难看出，源区岩体出露具有明显的垂直分带性。海拔5 000 m是大体的垂直分带分界线，即海拔高度>5 000 m的地方，岩体大面积出露，而海拔高度<5 000 m的地方，岩体出露面积则明显减少。其主要原因为：一是源区海拔高度介于3 335～6 564 m之间，平均海拔4 400 m左右，海拔4 000～5 800 m的高山是该区地貌的主体骨架;二是在重力作用下，岩体风化崩解产生的岩屑脱离母岩体，以溜动、滚动、跳跃及复合运动方式(如跳滚式、溜滚式)堆积于斜坡下部坡度较缓的部位[4-5]，结果是下部基岩体由于被上部剥落的岩屑所覆盖，岩体风化速率变慢，使5 000 m成为岩屑堆积区的上限。据崔之久[6]的研究成果，属冻融风化产物的石海(岩体原地风化的产物)分布下限在昆仑山为4 900 m，代表冻融蠕流作用产物的石河石条分布下界在昆仑山与唐古拉山分别为4 650～4 700 m和5 200 m。三江源区属冰缘地貌，岩体冻融风化作用强烈。由岩体出露的垂直分带性推测，海拔5 000 m为岩体冻融风化作用强弱的分界线。

气温是岩体发生冻融风化过程的驱动因子，而0 ℃则为冻融风化的温度“基准线”。源区年平均气温在±5 ℃左右范围内变化，为频繁发生的岩体冻融过程提供了常年的气温保障。然而，由东南向西北，区内年均气温随着纬度的升高逐渐下降。这意味着，随着纬度升高或降低，年均气温会偏离冻融“基准线”。由此可以合理推测，岩体冻融风化作用带所发育的海拔高度还应随纬度作规则变化，表现为“纬度坡降性”，即随着纬度的升高或降低，岩体冻融风化作用强度呈现降低趋势。如平均纬度每降低1°，石海下限高度升高约130 m，石河石条下界升高约110 m，多年冻土带下界升高约110 m[6]。

另外，除具垂直分带性和纬度坡降性外，岩体的冻融风化作用还具有水平方向性。山体北面(阴面)岩体的冻融风化作用要明显弱于南面(阳面)。由图1可以看出，除因图1(c)的拍摄时间为夏季，山坡上无积雪外，图1中的(a)、(b)、(d)均显示山体北坡积雪量要大于南坡。抛开降水量差异，南坡岩体的冻融循环条件要明显好于北坡，即受差异性太阳辐射量的影响，南坡季节温差及昼夜温差都要比北坡大。大的温差环境造成岩体表面热胀冷缩循环交替频繁，胀缩效应导致南坡岩体表面产生比北坡岩体更加剧烈的裂隙扩展及崩解现象。

除上述特征外，岩体冻融风化在大比例尺度上也表现出某些明显的特征。在反复的冻融作用下，岩体冻融风化过程特征主要表现为微裂纹的萌生以及微裂纹、节理裂隙面的扩张、扩展与贯通[7]，直至岩屑呈表面剥落。在理想的冻融条件下，源区岩体呈现出“立体状”的冻融风化特点，即凡是暴露于地表的岩体，都存在着不同强度的冻融风化作用，如图2所示，岩体表面高度破碎。具体到不同岩性，岩体的冻融风化特点差异明显。以本次重点考察区为例，灰岩和板岩常形成高陡甚至直立的边坡，而砂泥岩边坡则相对较为平缓。另外，冻融风化产生的岩屑形态也大相径庭，如灰岩、板岩、砂岩和泥岩的碎屑分别呈块状、较规则的块状、碎粒状和碎片状(具体特征如图2所示)。很显然，以灰岩为代表的结晶岩的冻融风化强度普遍弱于以砂泥岩为代表的沉积岩，也弱于以板岩为代表的变质岩。

图2　岩体冻融风化特征

4岩体冻融破坏过程

源区岩体的冻融破坏主要包括以下2个过程：

(1) 在冷热交替环境下，岩石内部矿物颗粒出现热胀冷缩效应。由于不同矿物颗粒的热胀冷缩系数不同，岩石的颗粒骨架出现收缩膨胀不均匀现象。反复的冷热交替，将使矿物颗粒间的联结强度逐渐减弱，最终结果是岩石内部出现微裂纹或岩石表面矿物颗粒脱离母岩。

(2) 水的冻结成冰、冰的融化成水对岩体造成的损伤破坏过程[8]。当环境温度下降至0 ℃以下时，岩体结构面中的水开始冻结成冰，其体积发生膨胀(体积膨胀率约9%)，使得冰体在限制其膨胀的裂缝壁面上施加巨大的冻胀力。这种冻胀力产生的拉应力值一旦超过裂缝的极限抗拉强度，岩体裂缝就会扩展；当环境温度升高至0 ℃以上时，岩体内部冰体发生融化。伴随这一过程，先前的冻胀力得以释放，水分顺着裂缝发生迁移；随着冻融循环次数的增加，水频繁结冰，冰又频繁融化，裂缝会不断地扩展、连接，并形成新裂缝，以致发展成大规模的宏观裂缝。最终，岩体强度指数不断降低，造成块体断裂、剥落。

岩体冻融破坏过程的最终结果是破碎基岩原地裸露，而冻融风化产生的岩屑，主要在重力作用下顺坡面滚落，停留在坡脚处形成碎屑裙。在后续水的侵蚀作用下，岩屑裙中的细颗粒流入河流，剩下未被带走的岩屑则在原地形成碎石土(图3)。

图3　岩体冻融风化流程

5岩体冻融损伤劣化的主因分析

迄今为止，人们虽然对岩体冻融损伤劣化的“冰劈”过程早已有了比较一致的认识[9]，但对影响岩体冻融破坏的因素缺乏系统、深入的认知。从已有的研究成果来看，影响岩体冻融损伤劣化的因素主要包括3类[10]，分别是岩性、初始损伤、含水状态等内部因素，冻融条件、水化环境、应力状态等外部因素和地震等偶然因素。鉴于问题的复杂性，本文在野外地质调查和室内岩石理化分析成果的基础上，结合源区地质环境和气候环境特征，从主控因素出发，对影响源区岩体冻融损伤劣化过程的岩性、孔隙率、含水率、冻融频率等因素进行了分析。

5.1岩性

图4　玉树地区典型地质剖面图(据玉树幅1∶250 000地质图修改)

岩性对岩体冻融损伤劣化的影响源于岩体的形成环境及形成过程。以玉树地区典型地质剖面为例(如图4所示)，该剖面上主要出露砂岩、泥岩、灰岩、凝灰岩、凝灰熔岩、石英闪长岩、板岩等岩体[11]。其中，砂岩和泥岩是由地表碎屑物质经过搬运作用、沉积作用和固结成岩作用形成的沉积岩，其物质组成分为碎屑物和填隙物2个部分，结构中普遍存在未被固体物质占据的各种孔隙；灰岩则主要是在海洋环境中，重碳酸钙溶液发生过饱和，方解石、白云石等碳酸盐矿物从水体中沉淀形成的[12]。凝灰岩、凝灰熔岩、石英闪长岩是由地下深处炽热的岩浆(熔融或部分熔融物质)在地下或在地表冷凝形成的岩浆岩[12]。在高温环境下，岩浆中的矿物发生剧烈的化学反应，大多数重新结晶，形成比一般沉积岩结构更加致密坚硬的岩体；板岩是变质岩，其特征构造是板状构造，其形成机理是在应力作用下，岩石中出现密集的间隔平面(即劈理面)。

以上述玉树县城-直门达(通天河)地区为重点考察区，笔者根据岩性的不同分别采取了岩样。挑选其中的砂岩、泥岩、灰岩、板岩等4类岩样，委托实验工作人员先进行了切片，而后将薄片置于透射-反射光学显微镜(Olympus BX51)下进行了观察。观察结果显示(图5)，砂岩的碎屑组份为粉砂石英，基质组份为泥质，胶结类型为微孔隙式，结构构造为基质具泥状结构的粉砂结构；泥岩的物质组份为零散均匀分布的石英细粉砂和均匀分布的泥质，为基质具泥状结构的粉砂结构；灰岩生物组份包括介形虫、有孔虫、刺毛藻屑、绿藻碎片和腕足碎片，基质组份为微晶方解石，为基质具微晶结构的生物碎屑结构；板岩的矿物组份为微细鳞片状绢云母、细晶方解石和粉砂石英，为含细晶及粉砂细层的微细鳞片结构，板理化构造。

由此看来，在物质组成和结构构造上，不同岩性的岩体往往表现为矿物颗粒成分、大小和组成、胶结物成分和强度、节理裂隙发育情况、节理分布特征等细微观层次的显著差异。反映在宏观尺度上，这类差异则为岩体孔隙率、密度、强度和刚度等物理力学参数的不同。已有的研究发现，岩石矿物颗粒越致密，胶结物强度越高，节理裂隙越不发育，孔隙度越小，岩体强度和刚度越大，其受冻融损伤劣化的影响越小；反之，其受冻融的影响越大。因此，岩性对岩体冻融损伤劣化影响最显著。袁广祥等[13]认为，岩石的岩性对岩石的抗冻融风化性能起着至关重要的作用，且在相同的外界条件下，不同特征的岩石，其风化特征不同。又如张信宝等[14-15]在研究川西北高原地貌后认为，该区的地貌演化与地层岩性关系密切，即川西北高原广泛分布抗冻融风化能力差的砂板岩，由于其剥蚀夷平速率极限值一般远高于高原构造隆升速率，这类砂板岩演化为如今的川西北高原面；而花岗岩和石灰岩等结晶岩抗寒冻风化能力强，其剥蚀夷平速率极限值多低于高原构造隆升速率，这类结晶岩体则形成为现在耸立的冰川雪山。

图5　光学显微镜下的岩样薄片

岩石名称块体密度/(g·cm-3)烘干自然饱和颗粒密度/(g·cm-3)含水率/%吸水率/%饱水率/%孔隙率/%含细粉砂的泥岩2.692.702.712.750.240.700.731.96生物碎屑微晶灰岩2.702.702.702.710.030.120.150.40夹粉砂细层的绢云母板岩2.672.682.702.750.390.981.062.84

5.2岩石的孔隙率与含水率

岩体的冻融破坏实质上是由岩体中孔隙水的反复冻结和融化造成。因此，孔隙及孔隙水是影响岩体冻融破坏过程的2个基本条件，孔隙率和含水率则是控制岩体“冻融劈裂”过程的2个主要参数。一般而言，岩块中孔隙率越大，含水率越高，岩体受冻融破坏的潜在威胁越大。对处于同一地区的岩体来说，孔隙率和含水率2个参数一般密切相关，即高的孔隙率往往意味着大的储水空间和高的含水率，反之亦然。以三江源玉树地区的岩体为例，岩石的室内物理实验结果显示(见表1)，生物碎屑微晶灰岩(含量为0.40%，下同)的孔隙率低于含细粉砂的泥岩(1.96%)和夹粉砂细层的绢云母板岩(2.84%)，其含水率(0.03%)同样低于含细粉砂的泥岩(0.24%)和夹粉砂细层的绢云母板岩(0.39%)。如果除开岩体自身强度的差异，冻融循环应对灰岩这类孔隙率低且含水率小的岩石损伤劣化影响较小，对泥岩、板岩等孔隙率高且含水率大的岩石损伤劣化影响大。事实上，这样的推断与现场实地考察的结果一致(图2)，即泥板岩的冻融风化强度明显高于灰岩等结晶岩体。

5.3冻融循环次数与冻融频率

岩体中的水冻融循环一次，就相当于水在岩体内部的“冰劈力”加载和卸载一次。类似于岩体的疲劳破坏，反复的冰劈作用将一步一步对岩体造成损伤，直至岩体彻底的崩解破坏。正因为如此，冻融循环次数与冻融频率对岩体的冻融损伤劣化影响明显，冻融循环次数愈多，冻融频率愈高，岩体受冻融循环的影响则愈明显，岩体接近破坏状态的时间愈短。

三江源区内各地年均气温为-5.3～4.3 ℃，常年徘徊在温度基准线0℃附近，这显然为岩体冻融风化提供了极为有利的温度条件。如果以0 ℃作为冻融风化的界限，那么区内年均0 ℃等温线所处的海拔可以作为冻融风化强度峰值线所处的位置，即冻融作用在这个海拔高度表现得最为强烈，随着海拔的升高或降低，冻融作用均有所减弱。

6结论

(1) 从区域尺度上看，源区岩体冻融风化具有垂直分带性、纬度坡降性和水平方向性3个基本特征。垂直分带性是指岩体冻融风化作用在海拔高度上存在强弱分界线；纬度坡降性指随着纬度升高或降低，岩体冻融风化强度降低；水平方向性指岩体冻融风化强度表现出水平方向上的差异性。

(2) 源区裸露于地表的岩体，其表面普遍极度破碎，呈现出明显的“立体状”冻融风化特点。在相同的外界条件下，不同岩性岩体的冻融风化特征往往差别较大，如灰岩和板岩常形成高陡边坡，而砂泥岩边坡则相对较为平缓。此外，冻融风化产生的岩屑形态也大相径庭，如灰岩碎屑呈块状，而砂岩和泥岩的碎屑则分别呈碎粒状和碎片状。

(3) 岩性对岩体抗冻融风化起着至关重要的作用。例如，以灰岩为代表的结晶岩的冻融风化强度普遍弱于以砂泥岩为代表的沉积岩；孔隙和孔隙水是影响岩体“冻融劈裂”过程的2个基本条件。孔隙率越大，含水率越高，岩体受冻融破坏的潜在威胁越大；冻融循环次数(或冻融频率)对岩体冻融损伤劣化过程起着决定性作用。冻融循环次数愈多(或冻融频率愈高)，岩体受冻融循环的影响则愈明显，其接近破坏状态的时间愈短。

致谢：感谢参加2014年长江水利委员会长江科学院长江源(当曲)科学考察的全体成员。特别感谢长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室的张利洁博士和潘家军博士对本论文室内试验给予的支持和帮助。

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(编辑：占学军)

收稿日期：2015-08-05；修回日期： 2016-02-28

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目(201301059)

作者简介：卢阳(1982-)，男，湖北汉川人，工程师，博士，主要从事岩石力学特性与工程应用方面的研究工作，(电话) 023-88192714 (电子信箱)crsrily@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150645

中图分类号：TU451

文献标志码：A

文章编号：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