高速远程滑坡动力学研究进展

王玉峰，林棋文，李 坤，史安文，李天话，程谦恭*

(1. 西南交通大学 地质工程系,四川 成都 611756; 2. 西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室,四川 成都 611756)

0 引 言

高速远程滑坡动力学机理研究一直是国际地质灾害领域研究的热点与前沿性科学[1-5]。自1881年瑞士Elm高速远程滑坡发生以来的百余年时间里，国内外许多学者已在高速远程滑坡的几何学、运动学、动力学过程与特征等方面进行了长期深入持久的科学研究。目前，基于高速远程滑坡典型实例特征的详细地质调查和分析，前人已提出了剧动式高速启程与低摩阻远程运动等一系列物理力学机理，丰富和发展了滑坡动力学理论，为重大地质灾害的预测预报和防灾减灾提供了翔实的科学依据。基于对该研究领域已有研究成果的系统性梳理，首先厘定了本文所讨论的高速远程滑坡的定义，阐述了高速远程滑坡的典型沉积学特征；其次，将国内外学者提出的最有影响、最有地质证据支持的高速远程滑坡运动机理归纳为6种类型，包括摩擦生热减阻、滑带液化减阻、动力破碎减阻、底部裹挟减阻、剪切振动减阻、动量传递远程，并对其进行了概略性述评；最后，分析与讨论了高速远程滑坡动力学研究的发展趋势，提出今后应进一步重点研究的关键科学问题。

1 高速远程滑坡的定义及主要特征

1.1 基本概念与运动特征

本文所讨论的高速远程滑坡(Rock Avalanche，Sturzstorm)是指高陡斜坡上大规模基岩岩体失稳后以快速或者极快速的速度，以岩屑流的形式似流体状态长距离的运动过程。其典型的运动特征是：滑坡源区斜坡岩体初始破坏表现为大型的岩崩(Rockfall)或者岩滑(Rockslide)，在失稳后沿运动路径的后续运动过程中岩体经过强烈的碎屑化作用而逐渐解体为颗粒尺寸范围通常跨越几个数量级的碎屑颗粒，以类似流体的形式(Flow-like Form)长距离大范围的运移或扩散[3,6]，属于一种非常快速至极快速的岩质碎屑流运动(Very to Extremely Rapid Flows of Dry Debris)。这类高速远程滑坡在物质组成和运动过程上具有独特的显著特征，与以下3个广义的高速远程滑坡(High-velocity and Long Run-out Landslides)类型不同。

(1)不同于流滑(Flowslides)类型的滑坡。流滑是超孔隙水(气)压力作用诱发的土体液化滑动(Liquefaction Slides)或者流态化滑动(Fluidization Slides)，滑体运动具有半流体性状(Semi-fluid Character)，主要有两种类型：第一种出现在松散、无黏性的碎屑物质中。例如，无黏性工业废料(煤矿废渣或者粉煤灰)松散堆放场失稳后形成的滑动，2015年深圳市光明新区人工弃渣体失稳发生的滑坡是此类滑坡的典型实例[7]。第二种出现在轻微胶结、高孔隙的粉土层中。例如，黄土地区由于降雨与农田灌溉作用诱发的黄土流滑滑坡(Loess Flowslides)[8-10]，以及1920年海源大地震在黄土地区地层中所触发的大规模地震液化滑移[11-12]和大面积黄土流滑、粉尘状黄土流(Loess Flow)，黄土流的流态地貌宛如“黄土瀑布”、“滑坡旋涡像瀑布似的”、“宛如急泄的土流或瀑布”[13]。

(2)不同于在降雨或者地震作用下，在陡峭斜坡上诱发的坡面型浅层松散堆积层失稳(Debris Slides)所形成的极快速运动的碎屑流(Debris Avalanches)。这种松散堆积层主要是基岩风化以后形成的覆盖层，滑坡沿着基岩和覆盖层的接触界面失稳滑动形成。例如，1998年发生于意大利的Siano滑坡[14]。

(3)不同于在地震液化作用下，在第四纪纹泥和松散堆积层中出现的大面积侧向扩离(Lateral Spreading，Sudden Spreading Failure)运动形式的滑坡。后者发生在非常平坦的斜坡上，滑坡运动后呈现非常壮观的“地堑和地垒”相间出现的地貌形态。例如，2018年9月28日印度尼西亚地震诱发的帕鲁滑坡[15]。

作为一种具有极端破坏力的地质灾害事件，高速远程滑坡往往表现出巨大的体积(一般在数百万方以上，可达几千万方、几亿方、十几亿方，甚至几十亿方、百亿方)、超常的高速度(迄今为止，已知两个高速远程滑坡的最大速度分别达213和278 m·s-1)、难以预料的超常滑距(最大水平滑距(Lmax)是最大垂直落差(Hmax)的30倍，甚至更大；滑程可达几千米、十几千米甚至几十千米)、巨大的能量(在运动过程中往往能仰冲上爬并翻越相当高的山坡，最大爬越高度可达640 m)、异常高的流动性(碎屑流可以绕过障碍物运动，具流动特点)等许多“令人惊异”和“迷惑不解”的现象[3,16]。

高速远程滑坡多发生于世界各地的高山峡谷地区，包括欧洲阿尔卑斯山脉，北美洲落基山脉，南美洲安第斯山脉，亚洲喜马拉雅山脉、喀喇昆仑山脉及天山山脉，大洋洲新西兰南阿尔卑斯山脉，日本阿尔卑斯山脉，以及中国西南和西北高山峡谷、台湾省中央山脉等，常常给山区居民的生命和财产造成严重灾难及重大损失[17-26]。例如，1881年9月11日发生于瑞士的Elm高速远程滑坡事件，10×106m3的岩体自斜坡上高速下滑，运动距离达1.5 km之远，碎屑流运动速度为50～100 m·s-1；高速运动的碎屑流几乎将整个Elm镇摧毁，造成严重人员伤亡和财产损失，死亡人数达115人[16]。1965年11月22日发生于中国云南省禄劝县的普渡河高速远程滑坡事件，2×108方岩体垂向下滑约1 800 m，冲毁多处山嘴，切削坡脚，投射的飞石将基岩磨成新鲜光滑、擦痕累累的磨光面；崩滑碎屑掩埋5个村庄，导致444人丧生[27]。1970年5月31日发生于秘鲁安第斯山脉最高峰的Nevados Huascaran高速远程滑坡事件，(50～100)×106m3岩体与冰川物质自5 400～6 500 m高的斜坡上骤然失稳，向下运动达16 km之远，垂直落差达4 km，覆盖面积达22.5 km2，碎屑流平均运动速度约为280 km·h-1；高速运动的碎屑流掩埋了山下的数个村庄与城市，造成严重人员伤亡和财产损失，死亡人数达18 000人[28]。2000年4月9日发生于中国西藏自治区波密县的易贡高速远程滑坡事件，滑体自源区失稳后，垂直下落高度为2 580 m，冲击裹挟沟谷中原有的松散堆积物，形成碎屑流，水平运动约7 km，最后堆积于易贡藏布；堆积体前缘最大宽度约3 km，纵向最大长度为4.6 km，最大厚度约80 m，滑坡体总面积为8.69 km2，体积为3×108m3[29]。2008年5月12日，中国四川省汶川地震触发的青川县东河口高速远程滑坡，将东河口村184户房屋和村民、过往行人、东河口小学师生等共计780余人掩埋，造成400余人死亡，给东河口村带来了毁灭性的灾难[30-31]。2017年8月28日发生于中国贵州省纳雍县的张家湾高速远程滑坡，造成500余人受灾，27人死亡，8人失踪，8人受伤[32]。

1.2 流态化地貌与堆积特征

大量高速远程滑坡典型实例调查表明，高速远程滑坡在运动过程中常常表现出非常显著的流动性特征，沿其运动路径可见一系列流态化地貌形态的规律性分布，表现出典型的平面分区和竖向分带特征[5,33-43]。根据其地表地貌特征的空间分布形式，可将高速远程滑坡沿运动路径自后向前依次划分为源区(Source Zone)、流通区(Transition Zone)和堆积区(Accumulation Zone)(图1)[34]等3个区。源区是滑坡启动的区域，平面形态多呈圈椅状，由陡倾的后缘基岩岩壁和坡度相对较缓的少量滑坡堆积物覆盖的平台组成；流通区是滑坡快速通过的区域，平面上常呈狭长形态，可见大型堆积平台及各种纵向脊等滑坡快速运动形成的流线构造；堆积区是滑坡物质的主要堆积区域。

在平面上，高速远程滑坡堆积体形态常常呈现舌形或扇形(Lobate Form or Fan Form)；堆积体边缘有突起的裙边(Raised Rims)，或称边缘堤(Levees)、侧向脊(Lateral Ridges)、终端脊(Distal Rims)；前缘边界往往具有指状分叉式堆积(Fingering Deposit；Digitate Front)；堆积体表面具有非常清楚的纵向脊(Longitudinal Ridges)和伴生的纵向沟状槽(Groove-like Trough)，或波状横向脊(Transverse Wave-like Ridges)、锥状丘(Hummocks or Debris Cones)、雁列形裂隙状脊(En Echelon Crevasse-like Ridges)及沟脊相间的X型(鱼鳞状)堆积等微地貌[33-37]。

Ⅰ为源区;Ⅱ为流通区;Ⅲ为堆积区，其中Ⅲ-1为横向脊发育区，Ⅲ-2为X型共轭脊发育区，Ⅲ-3为堆积丘发育区；图中为四川省理塘县乱石包滑坡图1 高速远程滑坡平面分区特征Fig.1 Plane Zonation Characteristics of Rock Avalanche

图2 高速远程滑坡堆积体竖向分带特征Fig.2 Vertical Grading Characteristics of Accumulation Body of Rock Avalanche

在剖面上，高速远程滑坡堆积体呈现出典型的反粒序堆积特征(Reverse/Inverse Grading)[44]，根据滑坡物质的竖向分布特征，自上而下可划分为硬壳层(Carapace Facies)、主体层(Body Facies)和基底层(Basal Facies)(图2)[33,35-36,38-41,44]。3个相带间最为显著的差异主要体现在碎屑颗粒的粒径组成上。其中，硬壳层主要以粗大的块石、碎石等粗颗粒为主，基质颗粒含量较少，颗粒间主要为骨架支撑；主体层是高速远程滑坡碎屑堆积的主要分布层位，粒径分布范围极广，从毫米级细颗粒至数十厘米的碎石颗粒均有分布，有时甚至可见大于1 m的块石，粗颗粒主体散布于细颗粒中，以基质支撑为主；基底层作为滑体最底部的分布层，内部剪切作用最为强烈，颗粒碎屑化程度最高，主要以毫米级及以下颗粒为主，是3个相带中平均粒径最小的一层。除此之外，在高速远程滑坡堆积体的表面或者剖面上常常可见保留源区层序的堆积结构分布，以及堆积体内部拼贴构造(Jigsaw Fracture)、多层内部剪切带(Internal Shear Zone)等一系列运动学组构特征展布；在滑坡底部常可见滑体与下伏层之间强烈相互作用形成的基底剪切带(Basal Shear Zone)以及伴生褶皱(Fold)、断层(Fault)、底辟构造(Diapiric Structure)、楔形体(Intrusion)、挤入砂脉(Sand Dyke)等一系列基底变形构造特征。高速远程滑坡堆积体自上而下所呈现出来的不同相带间的颗粒组成与堆积结构，一方面反映了滑坡运动过程中沿深度方向颗粒相互作用及运动过程的不同，另一方面还说明不同深度滑体变形特征及动力破碎程度的差异，是揭示滑坡运动过程中运动学、动力学行为的重要地质证据。

2 动力学机理研究现状

在百余年的高速远程滑坡研究历程中，揭秘其运动过程中所表现出来的超常运动学与动力学本质一直是国际上不同学者研究的热点科学问题和不懈追求的终极目标，也是高速远程滑坡动力学机理研究中的核心问题和“难解之谜”。为探究这一关键科学问题，国内外许多学者已进行了大量研究工作，先后提出多种机理假说，成果显著。根据各种机理假说所基于的滑坡动力学效应的不同，可将其归纳概括为6种类型,包括摩擦生热减阻、滑带液化减阻、动力破碎减阻、底部裹挟减阻、剪切振动减阻、动量传递远程(表1)。

2.1 摩擦生热减阻机理

摩擦生热减阻机理认为，高速远程滑坡运动过程中基底层由摩擦生热而产生的热效应是其远程运动的主要原因。根据摩擦热效应的差异，不同学者基于现场地质调查、室内物理力学试验等研究成果，提出了热熔融减阻、热孔压减阻、热分解减阻等相应的机理假说[45-55]。

热熔融减阻机理由Erismann最早提出，认为碎屑流底部的高压环境及摩擦生热效应会导致滑坡与下伏层接触面之间产生薄层的岩熔带，从而减小滑坡与底部的摩擦系数，促进滑坡的远程运动[45]。滑坡底部发生熔融的产物通常以玻璃质摩擦岩(Pseudotachylite；Frictionite)的形式出现于滑坡堆积体中。目前，在奥地利Kofels滑坡、尼泊尔蓝塘谷滑坡、秘鲁Arequipa火山碎屑流等滑坡中均发现了基底层热熔融的地质证据[45-47]。然而，对于绝大多数的高速远程滑坡，目前并未发现其堆积体底部存在热熔融减阻效应的相关证据，因此，该观点对于解释高速远程滑坡的运动机理不存在普适性。

1975年，Habib在研究中提出：大规模失稳滑体在运动过程中，与下伏运动路径之间因摩擦力做功产生大量热能，当剪切速率足够大时，释放的热量可将基底层中的水分汽化，形成气垫层，对滑坡运动起到减阻的作用[48]。Goguel基于摩擦生热减阻效应也提出了类似的观点，认为摩擦生热会导致孔隙水发生汽化，形成的高压蒸汽会在一定程度上减小上覆荷载，产生减阻效应，并从能量消耗的角度对该理论进行了定量化分析[49]。刘雄在中国湖北省秭归县新滩滑坡的研究中提出：滑体基底层中的摩擦力做功会引起水的高温汽化现象，使水蒸气与空气混合，在滑体底部形成气垫层，从而促进滑坡的远程运动[50]。然而，由于地质证据不足以及缺乏试验验证，这种摩擦生热减阻效应长期停滞在定性假说的阶段。近年来，随着高速远程滑坡实例调查研究的不断深入，高速远程滑坡运动过程中基底层的摩擦生热减阻效应逐渐引起了国内外学者的高度关注。Wang等以中国西藏自治区波密县易贡高速远程滑坡基底层为试验材料，进行了不同剪切速率及不同正应力条件下基底层的高速旋转剪切试验，揭示了基底层等效摩擦系数随剪切速率和正应力增加而弱化的现象，首次提出热孔压减阻效应与热润滑减阻效应，并对滑坡基底层试样产生明显弱化现象的原因进行分析。结果表明：在高速剪切作用下，摩擦力做功导致试样内部温度迅速升高，试样内部液态水发生快速汽化现象，大量水蒸气在试样内部快速聚集，产生超孔隙气压力，抵消部分上覆荷载，从而导致等效摩擦系数降低；另一方面，由于试样温度的快速升高，试样内部水分子和细颗粒会吸收部分热能，发生分子热活化现象，产生热分子流润滑效应，进一步促进试样内部等效摩擦系数降低[51-52]。在一些滑体岩性为碳酸盐岩的高速远程滑坡中，滑体与下伏运动路径间相对滑动，因摩擦产生大量热能，导致碳酸盐岩分解，产生CO2，亦可能对滑坡的运动起到减阻作用[53]。Hu等以中国重庆市鸡尾山滑坡和四川省安县大光包滑坡为研究对象，发现高速远程滑坡基底层高温热分解的现场地质证据，并发现CO2与水蒸气逸散气孔的分布；借助动态旋转剪切试验，监测到试样的快速升温现象，并发现了气孔的产生；并基于现场地质证据和室内试验成果，从热分解减阻的角度解释了高速远程滑坡的远程运动机理，即摩擦力做功所引起的快速升温过程中的矿物热分解与重结晶过程中导致CO2与水蒸气的产生，是促进滑体高速远程运动的关键原因[54-55]。

He等通过数值分析认为：滑坡运动过程中摩擦生热会引起基底层温度的升高；伴随着温度的升高，基底层中的水发生体积膨胀，产生超孔隙水压力，对滑体的运动产生促滑效应[56]。Pinyol等以意大利瓦伊昂滑坡为研究对象，借助热-水-力学模型，探讨了摩擦生热所引起的超孔隙水压力对滑坡超常运动特性的影响[57-59]。基于国内外学者所开展的高速旋转剪切试验数据，Deng等建立了考虑热孔压、热熔融、热分解等多种热效应的滑坡运动理论公式，探讨了不同热效应对滑坡摩擦系数的影响，提出了基于能量转化效率的滑坡体积效应模型，并利用功率密度函数表示了滑动面的温度升高速率[60-61]；朱晨光等借助MatDEM软件进行了高速远程滑坡启动、高速运动与堆积全过程中摩擦热量演化规律的模拟分析[62]。

2.2 滑带液化减阻机理

Hutchinson等最早在研究中发现并提出不排水荷载效应是流动型滑坡的滑动机制[63]。这一重要观点被认为是一个里程碑的研究，并被作为高速远程滑坡的重要动力学机理。Seed等针对高速远程滑坡的远程运动特征先后提出滑动液化减阻的观点，认为当高速远程滑坡在冲积层、淤积层或者冰川等富水基底上运动时，在振动、剪切等作用下，会在滑体底部形成趋近饱和的液化层，产生超孔隙水压力，从而导致滑坡的低摩阻远程运动[64-65]。成都地质学院工程地质研究室对黄河上游龙羊峡水电站库岸一系列大型滑坡的研究发现，非地震导致的饱水砂土是滑坡高速滑动的地质证据[66]；Xu等在对西藏自治区波密县易贡高速远程滑坡的现场调查中，在流态化碎屑堆积体的表面发现了滑坡高速运动过程中由于振动液化引起的碟形小洼地、岩屑锥状丘等喷水冒砂现象的地质证据[29,67]。

Iverson等通过对碎屑流运动过程中孔隙水压力和颗粒温度变化特征的观察，运用一维无限边坡模型定量化解释了孔隙水压力和颗粒温度是如何诱发土体库伦失稳乃至液化，并最终影响滑坡运动的原因；并在此基础上，借助两相深度滑坡模型，探讨与分析了剪切液化在2014年美国华盛顿州Oso滑坡运动过程中的重要作用[68-69]。Sassa等运用自主设计与研制的环剪仪进行了滑坡试样在无水、饱和不排水等条件下的环剪试验，研究了滑带土试样内部剪切层的形成与演化规律、剪切层内孔隙水压力变化规律等，并提出不排水剪切过程中产生的超孔隙水压力是导致滑坡高速运动的重要原因[70-73]。胡明鉴等通过系列环剪试验，分别探讨了剪切液化在西藏自治区波密县易贡高速远程滑坡和四川省青川县东河口滑坡低摩阻远程运动中的作用机制[74-75]。Hu等借助室内斜槽试验，研究了富水松散颗粒流启动与运动过程中超孔隙水压力的产生及其对碎屑流运动特性的影响，并指出碎屑流的水力传导系数是控制其是否会发生快速失稳的重要参数[76]。通过大型高速环剪试验，Scaringi等发现大型滑坡滑带土的强度在高压和高速剪切作用下会突然大幅降低，甚至接近于0，表现出通常认为流体才具备的“触变性”，这一发现有助于深刻认识和理解某些大型滑坡能够远程运动的原因[77]。Strom等在对中亚地区的大量高速远程滑坡堆积体进行野外地质调查及遥感解译分析后，发现高速远程滑坡运动导致的饱水下伏层液化是其侧向扩离运动及覆盖范围增大的重要原因[33]。

2.3 动力破碎减阻机理

高速远程滑坡的动力破碎是指滑坡在高速运动过程中，由于滑体本身的自重应力作用、滑体与运动路径之间的碰撞、滑体内部各块体之间的相互撞击、滑体基底层与滑体主体层内部差异性剪切作用等，使组成滑体的岩体持续产生动态断裂破碎的现象。众多典型高速远程滑坡的实例调查表明：动力破碎导致的碎屑化过程是高速远程滑坡运动过程中普遍存在的现象。在滑坡运动过程中，沿整个运动路径岩体连续渐进地解体破碎，内部岩石块体粒径不断减小，滑体体积不断膨胀，流态化程度迅速增加[78]。相对于源区岩体结构的尺寸，经过强烈的碎屑化作用后岩屑粒径减小程度最大可达15～18个数量级[79-80]。Davies等认为滑坡高速运动过程中，岩石块体在高加载速率下出现了强烈的动力破碎，破碎后残余应变能转化为岩屑动能，形成弥散应力，可以维持滑体体积的不断膨胀，从而形成低摩阻远程运动[81]；该碎屑化过程中，仅有一小部分能量消耗于碎屑化过程引起的比表面能的增加，大部分能量均转化为弹性应变能，用于滑体的高速运动[81-83]。De Blasio基于冰川区高速远程滑坡碎屑化过程研究，提出颗粒力链破碎模型，并对含水滑坡的运动机理开展了相关研究，提出滑体运动过程中，高应力状态下的碎屑化过程可引起滑体内部颗粒的密实化，导致粒间孔隙水压力增大，有效应力降低，摩阻力降低，从而实现滑体的低摩阻远程运动[84-85]。

近年来，国内学者在块体动力破碎对滑坡运动过程造成的影响作用方面，开展了系列原创性工作。Zhang等对四川省汶川地震触发的锦竹市文家沟高速远程滑坡反粒序现象进行了详细调查，并通过滑带土环剪试验，提出颗粒动力破碎导致的剪切阻力降低是文家沟滑坡实现高速远程运动的原因[86-87]。Zhao等借助三维离散元数值模拟软件，再现了岩块沿斜坡下滑并撞击水平面时的动力破碎过程和碎屑化颗粒的运动堆积过程，认为碎屑流的堆积距离与破碎程度无明显相关关系，滑体碎屑化程度的增加会引起更多能量的消耗，同时以四川省北川县唐家山滑坡为例进行了真实滑坡碎屑化过程的数值分析[88-90]。通过在斜槽试验装置中增设陡坎地形，周月等研究了下伏运动路径起伏对碎屑流碎屑化过程的影响，探讨了该过程中的能量耗散规律，提出冲击破碎是岩质滑坡运动过程中能量耗散的重要因素，控制滑体的运动特性和能量耗散形式[91]。Lin等通过块体破碎物理模型试验，提出动力破碎过程显著抑制滑坡整体的运动性，但可以有效促进滑体前缘的运动，认为这一现象是块体破碎的弹性应变能释放效应所致，并建立了基于动力破碎过程的崩滑碎屑流运动距离预测数学模型[92]。Hu等通过不同强度颗粒的高速旋剪试验，研究了脆性颗粒破碎相关的密集颗粒流运动现象，并认为潜在的颗粒破碎机制以及破碎引起的特殊碎屑结构可能是导致颗粒流剪切阻力降低、流动性增强的原因[93]。

目前，学者们一致认为动力破碎是高速远程滑坡运动过程中重要的动力学作用过程，并从统计分析、室内试验、数值模拟等方面入手，普遍认为这种碎屑化过程与滑坡的远程运动密切相关[81-94]。

2.4 底部裹挟减阻机理

高速远程滑坡底部裹挟减阻机理研究是近年来高速远程滑坡动力学研究的热点之一。2011年，《Nature Geoscience》杂志连续刊登2篇论文对高速远程滑坡底部裹挟减阻机理进行了讨论和分析[95-96]。此后，Iverson运用库伦滑块模型，对高速远程滑坡运动过程中碎屑流与下伏层间的裹挟减阻效应进行了理论分析[97]。针对高速远程滑坡的裹挟减阻效应，国内外学者通过不同工况下颗粒流与下伏层相互作用的物理模型试验研究，探讨了碎屑流运动过程中对下伏层的犁铲和裹挟作用，初步分析了物质裹挟对碎屑流运动特性的影响[98-104]。Egashira等通过物理模型试验，模拟分析了碎屑流犁铲滑面、裹挟底层物质的运动过程，首次在物理模型试验中实现了滑体质量变化对碎屑流运动特性影响的分析[98]；Dufresne等基于对新西兰Round Top滑坡和Tschirgant滑坡的地质调查，论述了运动路径上下伏层物质对高速远程滑坡运动特性的影响，并通过大量物理模型试验，研究了下伏层物质组成对裹挟减阻效应及碎屑流运动的影响[99-101]。Mangeney等通过斜槽试验，研究了下伏层为干碎屑条件下的碎屑流运动特征，验证了干下伏层对碎屑流运动的促进作用[102-103]。在数值模拟方面，Hungr等采用拉格朗日模型对DAN软件进行改进，初步实现了碎屑流运动过程中质量变化对碎屑流运动特性影响的研究[105]；在此基础上，Hungr等从物质裹挟的角度出发，论述了滑坡的远程运动机理，并探讨了运动路径上物质组成对滑体失稳后运动特性的影响[106-108]。Crosta等以瑞士Arvel滑坡为研究对象，运用有限元模拟分析了该滑坡运动过程中主体层与下伏层之间的相互作用[109]。李祥龙等借助PFC2D数值模拟方法，分析了碎屑流运移堆积过程的特征以及基底犁铲效应对碎屑流停积过程的影响[110]。Zhou等分别以中国西藏自治区波密县易贡高速远程滑坡和甘肃省天水市大沟滑坡为研究对象，通过在基于能量法的滑体运动模型中植入改进的物质裹挟模型，实现了对滑坡运动过程中物质裹挟作用的进一步研究，讨论了物质裹挟过程对滑坡运动的影响[111-113]。沈月强等基于动量守恒原理建立了考虑基底侵蚀效应的滑坡运动模型，对中国陕西省泾阳县西苗店滑坡运动裹挟过程进行了数值模拟[114]。殷跃平等基于滑块-弹簧模型和犁耕阻力模型，提出一种适用于滑坡动力侵蚀过程计算的犁切模型，使用该模型可定量计算动力侵蚀过程中滑坡体积增量[115]。

高速远程滑坡剖面堆积特征的揭露，指示着滑体运动过程中主体层与下伏层之间存在着强烈的相互作用，但是关于物质裹挟过程究竟如何影响着高速远程滑坡的运动，其物理力学模型的建立还需进一步研究。

2.5 剪切振动减阻机理

由于滑体与下伏运动路径的相互作用以及滑体内部颗粒间的挤压、碰撞、剪切等相互作用，在滑体内部产生独立于自重应力的波动应力场，所以一些学者认为，这种波动应力场可能导致滑坡的远程运动。其中，最具代表性的观点为Melosh于1978年提出的声波流态化机理[116]。该机理认为：在滑体的高速运动过程中，底部颗粒间的动态剪切将引起声波的产生，其本质上是一种具有一定频率的应力波，该瞬时强大声波场可使颗粒体在某一远低于上覆荷载的应力作用下发生屈服，形成牛顿流体，实现滑体的低摩阻远程运动[116-119]。Davies提出的底部高剪切速率导致流态化观点认为：滑体底部高能的输入会增加颗粒间的相互碰撞频率，引起底部颗粒间胀离，摩阻力减小，实现滑体的远程运动；而滑体运动过程中底部剪切高能的来源，可能为势能和动能的转化，也可能为地震能[120]。受声波流态化观点启发，Foda等提出基底压力波导致流态化观点，认为视滑体由上部刚性主滑体和下部剪切层两部分组成，运动过程中上部整体保持不变，当颗粒运动速度超过某一临界值时，滑体动能将转变为基底压力波，下部剪切层颗粒发生胀离，内部抗剪阻力降低，使滑体得以在重力作用下发生远程运动[121-122]。Preuth等视随机振动能为滑体得以实现低摩阻远程运动的一个原因[123]。

上述观点均从不同角度论述了滑体高速运动过程中“声波”、“基底压力波”、“随机振动波”的存在，认为该能量来源于滑体基底层内颗粒间的强烈剪切破碎过程；然而，对于滑体如何实现高速运动的强烈剪切作用，以及如何保持高强度剪切实现振动减阻则未明确阐述。与前人所提观点不同，Wang等提出自激振动能观点，认为高速运动的滑体与下伏高低起伏且颠簸不平的运动路径地形强烈碰撞，可引发大量滑体势能和动能向振动能转化，出现振动波强度明显增加的现象，伴随着振动波强度的增加，距离下伏运动路径最近的基底层内颗粒将吸收大量振动能，使颗粒波动性增加，粒间间距增大，颗粒堆积密度明显减小，造成滑面附近上方颗粒物质出现悬浮现象，促进了滑体的低摩阻远程运动[124]。

2.6 动量传递远程机理

Heim最早在调查瑞士Elm滑坡时，就提出滑体的运动类似于“接力赛”，后部滑体的动能通过挤压撞击不断传递给前部滑体，使得前部滑体获得能量后继续向前运动。由于这种动量传递现象，后部滑体始终没有超过前部滑体[16]。Eisbacher提出滑体高速运动过程中，前、后颗粒间频繁碰撞所引起的动量传递作用是实现滑体远程运动的重要原因[125]。成都地质学院工程地质研究室提出碎屑流化滑坡高速远程运动的原因是碎屑间相互碰撞引起动量传递，并建立了这类滑坡的滑程预测公式[66]。Van Gassen等认为滑坡的远程运动取决于滑体内部的动量传递，并用动量传递观点解释了瑞士Elm滑坡和加拿大Frank滑坡的超级流动性[126]。刘忠玉等提出高速滑坡远程预测的块体运动模型，基于“峰残强降”和“动量势动转化”原理，对高速滑坡的危害范围预测进行了初步分析[127]；Miao等基于土体的极限平衡和动量传递机理，提出了滑动块体模型预测高速远程滑坡的运动[128]。赵晓彦等通过大型高速滑坡运动过程中碰撞特性试验，研究了滑体碰撞解体后不同速度段岩体体积的分布规律，以及颗粒碰撞对碎屑流总运动距离的影响[129-130]。Pollet等基于瑞士Flims岩滑的现场调查结果，对其运动特征进行了分析，并用“书斜式叠加板(Slab-on-slab)”模型来解释碎屑堆积物的形成机理[131]。Wang等通过物理模型试验对碎屑流表面示踪粒子进行跟踪测量，发现在理想弹性碰撞下，滑体前、后颗粒间因动量传递作用所产生的能量交换可达颗粒初始机械能的13%；该计算结果表明，在滑体的运动过程中动量传递发挥着不可忽视的远程作用[132]。Strom等认为滑体不同部位之间的动量传递特征显著影响着滑坡前缘的运动距离及整体影响范围[33]，并且近期在对高速远程滑坡进行类型划分时，提出的“跳跃式”滑坡(Jumping Rock Avalanche)和“瓶颈型滑坡的次生滑动”滑坡(Secondary Rock Avalanche of the “Bottleneck” Subtype)就蕴含了典型的动量传递特征。葛云峰等从能量传递的角度出发，通过系列室内斜槽物理模型试验，探讨了碎屑流运动过程中动量传递的演化规律[133]。

表1 主要高速远程滑坡动力学机理分类

3 动力学机理研究发展趋势

国内外学者经过近百年的研究，从现场调查、室内试验、理论分析、数值模拟等角度出发，已在高速远程滑坡动力学机理方面开展了大量研究工作，取得了具有重要意义的科学成果。然而，由于高速远程滑坡地质灾害所具有的事件突发性、运动特征复杂性、时间不可重复性、灾害链巨大危害性等，使得人类在目前还未完全掌握和全面准确地理解高速远程滑坡的运动学、动力学行为和特征，现阶段已提出的绝大多数高速远程滑坡运动学、动力学机理尚未得到科学家的普遍认可，还需要进一步完善。因此，高速远程滑坡动力学机理的研究任重而道远，在国际地球科学暨工程地质领域还需要走很长的路才能完成。另一方面，根据近30多年来国际工程地质和岩土工程领域对流态化滑坡类型划分的研究[14,134-136]及近20年来国内外学者关于高速远程滑坡机理研究的述评[3-5,14,137-146]等，可以看出高速远程滑坡研究无论是在过去、现今，还是在将来，一直是且仍然是国际地球科学暨工程地质领域研究的热点和前沿性科学。

从目前国际上研究现状及发展动态来看，高速远程滑坡动力学机理研究及未来发展趋势包括：从科学问题的解决思路上来看，应该是地貌学、工程地质学、岩土力学、颗粒流力学、流体力学、物理学、地球物理学等多种不同学科的交叉和融合；从研究方法和手段上来看，应该采用野外地质调查、室内大型物理模型试验、先进数值模拟技术、数学力学分析等四位一体相结合的方法；从研究目的来看，应该解决以下这些重大而又关键的问题，即对于一次单一的高速远程滑坡事件，其运动最高速度有多快？运动的最大距离有多远？碎屑流堆积体的覆盖面积和影响范围有多大？其冲击力和破坏程度有多巨大？

为达到以上目标，当前对高速远程滑坡动力学机理的研究将进一步不可避免地涉及到如下一些深层次的科学问题。①高速远程滑坡为何可以获得极高的运动速度并表现出极强的流动性？在滑体的运动过程中，地形条件对其有何影响？运动路径凹凸起伏颠簸不平对碎屑流的运动有何影响？运动路径上松散堆积层又与滑体有何种相互作用过程？②高速远程滑坡堆积体表层所呈现出来的大量流态化堆积地貌有着何种成因？高速远程滑坡堆积体竖向分带结构和特征有着何种成因？它们如何揭示着碎屑流的运动与停积过程？这种流变转化与停积就位过程，对于探究高速远程滑坡运动过程中能量的传播、转换和耗散有何指示意义？③能否得到本构关系并完整地描述滑坡颗粒流和不同流变域(密集颗粒流与稀疏颗粒流)的相变？如何从理论上量化和描述颗粒尺寸分布(分选与动力破碎过程)在空间和时间上的演变及其与流动的耦合？

为了准确回答上述深层次的科学问题，未来必须开展以下3个关键科学问题的研究。①速率相依摩阻弱化机理研究。高速远程滑坡基底层作为高速远程滑坡运动过程中与下伏运动路径间的强相互作用层，近年来一直是国际学者研究的关键带。随着在多起高速远程滑坡基底层中一些重要地质证据的发现，滑坡基底层摩擦生热减阻机理引起了学者的高度关注和认可[55-56]，被视为可能揭示高速远程滑坡低摩阻远程运动特性的重要内在物理力学机理。高速远程滑坡基底层土体的动态摩擦系数明显受控于剪切速率、剪切位移以及正向应力等因素；在滑体上覆荷载作用下，当基底层试样所受剪切速率足够高时，其动力学特性表现出明显的弱化现象[51,147]。Lucas等认为高速远程滑坡等效摩擦系数的弱化与其运动速度有着极大相关性[148]。然而，目前这方面的研究尚处于起步阶段。关于基底层高速剪切过程中矿物相变、组分迁移、动态破碎、物理化学反应、温度变化、应力-应变演化等及其所导致的动态摩擦系数演化研究，从试验与理论结果，到实际高速远程滑坡低摩阻远程运动的最终机理解释，仍需要大量深入的研究。②破碎渐进相变耗能机理研究。高速远程滑坡形成的碎屑流一个重要特征在于，由于源区岩体结构物质的初始组成不同以及失稳后岩体在运动过程中的动力破碎作用，它们的颗粒尺寸范围跨越几个数量级。其运动过程包括启动、扩展和堆积3个阶段，通常涉及不同程度的破碎过程。在这些过程中，滑坡不断解体破碎，由固态逐渐地相变为颗粒状态。尽管滑坡动力破碎已经成为滑坡动力学机理研究的热点问题[80,83,88-93]，动力破碎过程所引起的滑体相变转化亦已从颗粒流角度开展了丰富的研究工作[149-150]，但是由于动力破碎现象随着滑坡运动的产生而进行、停止而消失，其对滑坡运动过程的直接影响无法直接观测到，所以对于滑坡动力破碎过程是促进滑坡运动还是阻碍滑坡运动，仍存在极大的争议[118]。动力破碎导致高速远程滑坡运动最大的疑惑在于，破碎是一个耗能过程，既然是总能量的损失，如何能促进滑坡的远程运动？从这个角度而言，对于滑坡破碎能量的计算，以及滑坡运动全过程中总能量的转换与耗散研究，是未来最终厘清高速远程滑坡破碎效应的必经之路。③过程相依波动减阻机理。关于高速远程滑坡运动过程中振动波的产生及影响机制，学者们从不同角度进行了研究与论述，其中包括振动能-声波、基底压力波、随机振动波、自激振动波等观点。Davies在与声波流态化观点流派的争论中，提出块体动力破碎产生的应力波可能是引起滑体流态化的主要原因[120]。在地震学领域，声波流态化观点在经受了大量学者的检验后，仍然具有蓬勃生命力，而其在滑坡领域的应用与研究十分有限[151-155]。目前，振动波机制研究存在两个方面难题：一是滑体内部波场的主要来源问题，即振动波场是以何种机制产生并对滑体运动造成影响的；二是如何定量分析与验证高速远程滑坡运动过程中振动波场的频率、振幅、波长以及能量产生和耗散信息。

4 结 语

一百多年来，国内外学者已在高速远程滑坡的几何学、运动学、动力学特征及机理方面开展了大量研究工作，取得了丰富的研究成果。除工程地质领域的学者之外，地球物理学、物理学、力学等相邻研究领域的学者亦投身于高速远程滑坡的研究之中，通过学科交叉与融合，共同促进了高速远程滑坡动力学研究的发展，完善了地质灾害科学的理论，为重大地质灾害的预测预报与防灾减灾提供了科学依据。高速远程滑坡研究无论是在过去、现今，还是在将来，一直是且仍然是国际地球科学暨工程地质领域研究的热点和前沿性科学。然而，需要指出的是，鉴于高速远程滑坡这一地表地质过程的复杂性，翔实的野外地质证据调查是高速远程滑坡研究的重要前提和地质基础，任何高速远程滑坡动力学机理假说的提出都应该以野外地质证据为坚实依据，脱离了野外地质特征的任何成果(尤其是数值模拟和理论模型)都缺乏一定的说服力。寄希望于从事该研究领域的学者在未来的研究中能够以野外地质事实为依据，开展相应研究工作，共同推进高速远程滑坡动力学机理研究，掌握高速远程滑坡的低摩阻远程运动机理，实现高速远程滑坡运动速度、运动距离、覆盖面积的有效预测，为山区建设不断发展过程中高速远程滑坡地质灾害的防灾减灾提供重要的科学依据。

程谦恭：谨以此文纪念长安大学七十周年华诞，祝愿母校未来更加辉煌！1979年9月至1998年3月，我在西安地质学院(现长安大学)学习和生活长达二十年，各位老师曾给予我终生难忘的教育、鼓励和帮助。饮水思源，永难忘怀！在此，特别诚挚地感谢我的恩师胡广韬教授、宫同伦教授、彭建兵院士对我的培养、教导和帮助。在大学本科、硕士、博士的学习阶段，我先后师从于彭建兵、宫同伦、胡广韬三位恩师。彭老师是我上大学求学的第一位恩师，大学入学的第一天，就有幸得到他的帮助。我依然清晰记得，1979年9月12日西安瓢泼大雨的那个下午，彭老师穿着一身洗得发白的中山装，站在地勘楼迎新队伍的前面，热情地帮我拿行李。他既是我大学期间的首任班主任老师，又是我攻读博士学位期间真正意义上的副导师。他对我的言传身教、耳提面命，让我受益终生，在我每一个人生和事业转折的关键节点，他都给予了不可或缺的帮助。宫老师是我硕士阶段的恩师，他引领我进入地质灾害研究领域的大门，为我打下了坚实的构造地质学基础，使我顺利跨入工程地质学的研究领域。胡老师是我博士阶段的恩师，也是我学术生涯真正开始的领路人和教导者，他引领我跨入滑坡动力学这个地质灾害研究的国际前沿领域。作为国内工程地质学领域的一代开山祖师，他倡导了“滑坡动力学”这一门工程地质分支学科。1995年，他在《滑坡动力学》一书中，提出、阐述、论证的有关滑坡动力学的二十余项关键性理论、观点和问题影响深远，成为后来学者进一步研究的学术思想出发点和基础；时至今日，在国内外发表的高速远程滑坡动力学机理研究文献中，他的学说得到后人的广泛认可和进一步发展。胡广韬先生虽然已经离开我们四年多时间，但他的音容笑貌却经常浮现在我的眼前。他在滑坡动力学理论方面取得的丰硕成果以及对长安大学工程地质学科的巨大贡献，将永远被铭记！