海底滑坡链式灾害研究进展*

2022-01-22年廷凯沈月强郑德凤雷得浴

工程地质学报 2021年6期

年廷凯沈月强郑德凤雷得浴

(①大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024，中国) (②辽宁师范大学，地理科学学院，大连 116029，中国)

0 引言

随着“海洋强国”建设和“海上丝绸之路”倡议的深入推进，我国海洋资源开发和工程建设正快速步入深远海，同时也面临着各类海洋地质灾害的威胁，尤以海底滑坡最为典型。作为一种常见的海洋地质灾害，海底滑坡是指海床岩土体或浅表层沉积物在内外动力地质作用下发生的局部或大范围滑动、长距离运移演化的灾害地质现象，主要发生在大陆架坡折带、深水大陆坡及近海三角洲地带(Hampton et al.， 1996； Locat et al.， 2002；孙运宝等， 2008；马云， 2014；贾永刚等， 2017)。一旦发生，往往会危害深水基础设施(如海底基础、油气开采井、管缆系统等)的安全(Vanneste et al.，2014；郑德凤等， 2021)，甚至带来一系列链式灾害效应(图 1)，从而阻碍深海能源的开发进程(孙启良等， 2021；吴时国等， 2021)。以往发生的严重灾害事件，如：渤海浅海层发生的大规模海床滑塌事件，致使临近的多处输油管道被切断(吴时国等， 2019)； “渤海湾二号”钻井平台因海底滑坡发生1次倾斜下沉、9次滑倒，造成了严重的经济损失(杨启伦， 1994)；台湾西南海域屏东地震引发的海底滑坡，更是切断了数条国际通讯光缆，造成我国与东南亚国家之间的通讯中断(Hsu et al.，2008)。

图 1 海底滑坡链式灾害示意图(改自Vanneste et al.，2014)Fig. 1 Schematic diagram of submarine landslide chain hazard(modified from Vanneste et al.，2014)

总体上看，我国四大海域海底滑坡较为发育。位于浅水区的渤海与黄海海域，发育有黄河口海底滑坡群(杨作升等， 1994；贾永刚等， 2000)和南黄海海底滑坡群(戴晨等， 2015)；深水区的东海至南海海域，由北向南依次发育有冲绳海槽西部海底滑坡群(刘保华等， 2005)、台湾西南部海底滑坡群(Hsu et al.，2008)、流花深水区海底滑坡群(年永吉等， 2014)、白云大型海底滑坡群(孙运宝等， 2008)、琼东南盆地海底滑坡群(王俊勤等， 2019)等。分析南海北部深水大陆坡，可见其发育有多个海底古滑坡和现代海底滑坡；由于这里油气资源丰富，是当前开发的热点，一旦发生新的滑坡，其运动演化过程(包括运动速度、运移距离和影响范围等)及其对海底结构物的冲击破坏将是关注的重点。特别地，海底滑坡在全球各海域均广泛分布，如挪威西部海域Storegga大滑坡，文莱婆罗洲西北陆缘海底滑坡，墨西哥湾Sigsbee陡坡附近海底滑坡群，太平洋西南Hikurangi陆缘海底滑坡群，澳大利亚东部大陆边缘海底滑坡群等(Locat et al.， 2002；马云， 2014)。因此，理清海底滑坡的触发形成机制，揭示海底滑坡的运动演化规律，有效预测海底滑坡及其链式灾害已变得刻不容缓。

海底滑坡是一种极具破坏力的海洋地质灾害(李家钢等， 2012)，由于分布海域广、水深大、地形多样、地质构造发育、地震活动性及水动力条件复杂等因素，在形成环境、发育规模、发生机制、运动方式、堆积特征等方面与陆地滑坡差异较大(马云， 2014；朱超祁等， 2015)，其呈现出坡度缓、规模大、速度快、运移路径长且演化过程复杂等显著特征，加之现场调查取证困难与特征识别手段匮乏，造成海底滑坡的研究进展缓慢(殷坤龙等， 2000)。但由于海底滑坡极大地影响了深海能源的安全开发和海洋地质灾害的风险防控，故其研究一直方兴未艾。郑德凤等(2021)基于文献计量方法对近20年来海底滑坡的研究趋势进行了统计分析，结果表明海底滑坡的研究热度呈逐年提高之势，其研究热点聚焦于触发形成机制、运动演化过程和冲击海底基础设施等3个方面。而目前针对这3个方面的研究，主要是通过海洋工程地质调查、数值模拟与室内试验等常规技术进行；随着研究的不断深入，先进技术与常规技术的有机融合(图 2)已成为海底滑坡精细化研究的迫切要求。

图 2 研究技术手段Fig. 2 Research technology tools

为揭示海底斜坡的失稳演化规律与致灾效应，国内外学者分别针对滑坡触发形成机制、运动演化过程、冲击水下设施等3个方面开展了不少研究工作。对于触发形成机制的研究，一方面基于统计分析原理，定性评价不同诱发因素对海底斜坡稳定的影响(Hance， 2003)；另一方面，通过原位观测、室内试验和数值模拟技术等定量评价不同诱发因素对海底斜坡稳定性的影响(刘敏等， 2015；刘涛等， 2018； Chen et al.，2020； Nian et al.，2020； Wang Z H et al.，2020； Mi et al.，2021; 赵亚鹏等， 2021)，但上述两类方法较难于定量评价多因素耦合作用对海底斜坡稳定性的影响。相较于触发形成机制的研究，海底滑坡运动演化过程的研究则相对薄弱，且存在以下问题：现有的原位观测技术难以捕获海底滑坡的长距离运动演化过程并获得有效监测数据，导致数值模拟研究缺少详实的对比验证资料(余和雨等， 2019；司少文等， 2021)；现有的研究尚未明确“滑水效应”、水侵软化等水-土耦合作用机制对滑坡运动行为的影响；现有的模型试验、数值模拟多针对运动演化过程中的某一阶段进行模拟再现，无法反映真实的海底滑坡运动演化过程(马林伟等， 2019)。特别是海底滑坡的运动过程研究深度直接影响其冲击效应的准确评估，这是因为目前海底滑坡冲击效应的量化方案与运动演化过程中的滑体速度、厚度和距离等因素相关(Zakeri et al.，2008； Li et al.，2021)。因此，开展海底滑坡运动演化过程的深入研究，既是认识灾害的复杂演化机理等前沿科学问题，也是优化水下基础设施设计、制定海洋工程防灾减灾策略的基本要求，对海底滑坡学研究体系的建立和发展也具有重要意义。

为深刻认识海底滑坡的触发形成机制和运动演化过程，准确评估海底滑坡对水下基础设施的冲击效应，本文基于“滑坡形成→运动演化→冲击设施”链式灾害研究思路，围绕海底滑坡的触发形成机制、运动演化过程及链式灾害效应，全面梳理近年来国内外相关研究进展，深入评述滑坡运动演化过程中的阶段判识、水-土耦合作用及相关研究手段，提出适用于海底滑坡运动演化过程的流固耦合分析方法；结合海底滑坡冲击管线问题，系统分析滑坡冲击效应的量化评价方法。最后指出海底滑坡研究中存在的若干问题和未来的发展方向，以期为海底滑坡的深入研究提供助力。

1 海底滑坡触发形成机制

海底滑坡的触发形成机制研究，最早可追溯至1897年Milne出版的专著(Milne， 1897)。文中通过对1616～1886年333次海底地震与火山活动的深入分析，得出海底地震可能会导致海底斜坡失稳这一认知。Piror et al.(1982)系统总结了海底斜坡失稳的诱发因素，并进一步解释了成灾机理。随着研究的逐步深入(Lee et al.，1993；Schwab et al.，1996； Locat et al.， 2002)，海底斜坡失稳的诱发因素被不断完善，逐渐形成了以火山喷发、地震活动、风暴潮、天然气水合物分解、削峭作用、孔隙气作用、波浪流、潮汐、海平面上升、卸载作用、人类工程活动等诱发因素构成的单项或复合触发机制。Hance(2003)对发生在世界各大海域534处海底滑坡的诱发因素进行了统计分析，排除触发机制不明的滑坡事件， 42%的海底滑坡事件和地震活动与断层作用直接相关，表明此类因素是造成海底斜坡失稳的最主要因素；快速沉积、水合物分解作为触发海底斜坡失稳的主要因素，分别占比25%和11%，其余因素如侵蚀过程、水动力作用(波浪流、潮汐等)、底辟作用、岩浆火山等占比依次减小。上述诱发因素中地震、水合物分解、波浪流和人类工程活动等受到了更多关注，诸多学者开展了相应条件下的海底斜坡稳定性分析，目前多以极限平衡法(少数为极限分析法)为主流(顾小芸， 2000；褚宏宪等， 2016；霍沿东等， 2019；Zheng et al.，2019； Tan et al.，2021)，强度折减有限元法及大变形数值方法也显示了较好的发展前景(刘敏等， 2015； Chen et al.，2020； Mi et al.，2021；赵亚鹏等， 2021)，特别是考虑多种诱发因素共同作用的结果(Jiang et al.，2018)。

1.1 地震与断层活动

地震引发的海底滑坡已屡见不鲜，如： 1929年11月发生在纽芬兰以南280 km处的7.2级强震，引发Grand Bank海底滑坡，形成体积近200 km3大型海底滑坡，并伴有海啸灾害(Heezen et al.，1952)； 1986年11月，台湾花莲地震致使台东龟山岛附近海域发生海底滑坡，切断了琉球群岛与关岛间的海底电缆，造成大面积断电； 2006年12月我国台湾西南海域的地震滑坡切断了数十条海底光缆，造成国际通讯中断；此外，我国南海北部海域处于地震活动区，海底滑坡频发(李伟， 2013)，这是由于地震增加了海底斜坡的下滑力，同时土体内部孔隙水压力增大，形成流体超压，从而降低斜坡土体的抗剪强度，致使海底斜坡发生失稳破坏。断层活动会引起板块运动并触发地震，同时导致海底斜坡角增大，进一步促进斜坡失稳，如Moore(1992)基于印度洋东北部大断层侧壁的调查研究，发现特大滑坡的发生会受到斜坡陡化的影响。因此，在进行地震与断层多发海域的斜坡稳定性评价时，应将其列为首选触发机制进行考虑；同时，在地震触发海底斜坡失稳的稳定性评价中，除关注海底单一斜坡的稳定性外，也需要考虑区域尺度的海底斜坡稳定性问题(Nian et al.，2019)，这是由于地震波及范围广、影响范围大，考虑区域尺度可以为深海资源开发规划、海底设施合理布设及防灾减灾救灾等提供参考依据。

1.2 沉积物快速沉积

海底沉积物在正常的沉积-固结过程中，静水压力作用于沉积物颗粒孔隙之间；当进入快速沉积状态时，正常固结过程受阻，孔隙中的部分流体不能自由排出，形成流体超压，造成沉积物抗剪强度降低。一旦孔隙水压力达到极限值，其瞬间释放将会导致海床表面出现塌陷、冲沟甚至是海底滑坡(Coleman et al.，1993)。Stigall et al.(2010)通过对密西西比河三角洲沉积物的现场观测和数值模拟发现，经历快速沉积过程的土体，由于其内部的流体超压接近于上覆土层压力，将显著降低土体的抗剪强度，使斜坡处于临界失稳状态。同时，沉积物的沉积过程还会受到前一滑坡后壁圈定作用的影响，致使沉积速率加快，使得滑坡失稳概率增大，这也解释了为什么在同一陆坡区发育有多次海底滑坡，而邻近区域却没有。如加那利群岛的特纳利夫岛北侧发生过5次海底滑坡，而在其邻近区域则没有发现滑坡运动的踪迹(李伟， 2013)。在我国南海，由于珠江、红河和湄公河等大型河流的汇入，为泥沙的快速沉积提供了物质基础(吴时国等， 2021)，在未来的研究中应予以关注。

1.3 天然气水合物分解

天然气水合物是一种赋存于高压低温条件下、由气体分子与水分子结合形成的笼状晶体物质(Moridis et al.，2011)。由于自身物理性质极不稳定，当遇到外界的温度与压力条件改变时(如全球变暖、海平面变化、构造活动等)，或遭受外力剧烈扰动时(水合物开采等)，极易发生分解(Bouriak et al.，2000； Weaver et al.，2000)。水合物分解会产生大于自身体积数倍的游离气体，当大量游离气体进入斜坡土体内部时，会导致孔隙压力上升，有效应力减少，同时土体内部颗粒间的黏聚力与胶结强度也随之降低，进而导致海底斜坡发生失稳破坏(Jiang et al.，2018； Nian et al.，2020)。在全球各海域，由于天然气水合物分解诱发的海底滑坡数量众多(倪玉根等， 2013)，如挪威西部海域Storegga滑坡、巴西东北部大陆边缘亚马逊扇、美国阿拉斯加北部Beaufort Sea滑坡等。此外，相关证据表明我国南海神狐海域的海底滑坡，也与水合物分解密切相关(孙运宝等， 2008；唐常锐等， 2021)。因此，对天然气水合物富集海域的海底斜坡，应重点关注水合物分解触发海底滑坡问题。

1.4 水动力触发机制

除上述引发海底斜坡失稳的3个主要因素外，浅海区的海底斜坡常会受到波浪、潮汐、洪水等水动力触发作用，特别是在河流三角洲与入海口地区，波浪通常被认为是引起海底斜坡失稳的主控因素(张琦等， 1992；年廷凯等， 2016)。其原因在于：该区域沉积了大量的欠固结土体，为滑坡提供了良好的物源条件；同时在风暴潮等自然因素下所引发的波浪，会对海底斜坡表层的欠固结土体施加动力荷载，随着波浪的传播，动力荷载会改变土体内部应力状态，当改变值超过土体强度阈值时，将引发斜坡失稳(Prior et al., 1989; 孙永福等， 2006)。如1969年卡米尔飓风事件，当时飓风侵袭密西西比河三角洲引发巨浪，导致大规模的海底滑坡发生，并造成3处海洋平台损毁(Bea， 1971)。值得注意的是，与波浪对海底斜坡的触滑机理相似，但当洋流的方向与波浪一致时，会加剧海底斜坡失稳的可能性，反之亦然(文峰等， 2014)。有别于上述因素的触滑机理，潮汐对海底斜坡稳定性的影响体现在潮位的变化，其一方面会产生波动荷载，引起斜坡土体内部的应力状态变化；另一方面在潮水回落时会导致土体内部出现压力差，从而引发渗流，增大斜坡失稳概率(常方强， 2009)。除上述两类水动力因素外，近海岸区域的洪水事件会导致沉积物的快速搬运与沉积，产生超孔隙水压力，进而导致海底滑坡发生(Hance， 2003；朱超祁等， 2015)。特别地，在上述水动力触发机制的作用过程中，常伴随着水体对海床的侵蚀与冲刷，在反复侵蚀与冲刷的过程中可能导致坡脚附近原始坡形发生改变(Zheng et al.，2019)，进而加剧了海底斜坡失稳的可能。

1.5 人类工程活动

除上述4个主要触发因素外，人类工程活动也是诱发海底滑坡的重要因素(Hance， 2003)。如沿岸的港口码头建设，岛礁工程建设，海上风电深基础施工、油气钻采、海底管缆铺设等人工扰动，都可能触发高灵敏度的斜坡海床土体发生失稳，造成海底滑坡事件。

2 海底滑坡运动演化过程

海底滑坡的运动过程，是一个涉及土力学、流体力学、工程地质学、泥沙动力学、环境地质学等多学科交叉的复杂问题，且在海底滑坡长距离运移中，受复杂的水土交换作用影响，常伴随着滑坡体的阶段性演化(Guo et al.，2021)，如图 3所示。不同的演化阶段也涉及不同学科及其交叉，这为海底滑坡运动过程的研究增加了难度。可喜的是，随着深海探测技术和现代量测手段的快速发展，诸多学者对海底滑坡的运动过程形成了新的认识；特别是在高性能计算、物理试验技术和原位监测手段快速更新的当下，深入理解海底滑坡的运动演化过程及内在机制成为可能。以下就海底滑坡运动演化过程中涉及的5个热点问题分别进行评述。

2.1 运动演化阶段判识

受海洋环境与监测技术水平的限制，目前还难以直接观测到真实海底斜坡的失稳破坏过程及滑坡长距离运动演变路径。现有研究多从已知的典型滑坡入手，探究海底斜坡破坏及土体的运移演化机制，最直接的手段是通过开展海洋工程地质调查与地球物理探测，以获取典型海底滑坡的形态特征、沉积物分布、土层组构和土力学特性等，这为后续深入开展海底滑坡运动演化过程的阶段判识与机理分析提供了可能。

由于海底滑坡运动演化过程的复杂性及涉及学科的宽泛性，导致多年来国内外学界对海底滑坡运动演化阶段的判识存在不同的认识和分类标准，详见表 1。分析可见，现有海底滑坡运动演化阶段的判识具有以下3个特点：(1)分类方法依据不同原则：海底地形勘测资料分类(Dott， 1963；寇养琦， 1990)，沉积学块体搬运理论体系分类(Weimer et al.，2007；Shanmugam et al.，2015)，海底滑坡土性或运动特征分类(贾永刚等， 2000； Boylan et al.，2009； Boukpeti et al.，2012； Dong， 2016；范宁， 2019；郭兴森， 2021)和特殊工程分类(张丙坤等， 2014)等，体现了不同的行业特点； (2)各阶段分类方案内涵基本相同：涵盖了斜坡失稳后的初期阶段(塌陷、滑动)、滑移发展阶段(滑塌、碎屑流)和滑坡体渐停沉积阶段(浊流、重水流)3大类； (3)海底滑坡运动演变过程具有阶段性，但各阶段滑坡体土性和运动特征并不清晰，缺乏相对明确的界定标准，研究成果也很有限，当前更多关注于碎屑流到浊流的演化过程。因此，海底滑坡运动演化阶段的划分，应结合自身学科领域与行业标准进行合理判识，并随着运动过程研究的逐渐深入而不断更新。

表 1 海底滑坡运动演化阶段分类与命名Table 1 Classification and naming of evolutionary stages of submarine landslide movement

2.2 运动演化过程中土-水耦合作用

海底滑坡运动演化的不同阶段，总体上是一种自固态向流态呈阶段式发展演变的海洋地质灾害过程(图 3)，土-水耦合作用贯穿其中。当前受水下监测技术和海洋环境的制约，各国学者对海底滑坡发展各阶段的演变机制仅提出了比较宏观的认识(Boylan et al.，2009；李家钢等， 2012； Boukpeti et al.，2012； Dong， 2016)，即海底滑坡的运动演化主要源自于滑坡土体与其周围水环境间的复杂相互作用。事实上，这种复杂的水(水环境)-土(滑坡土体)耦合作用不仅关乎上述海底滑坡的物理状态转变、水侵软化机制，也直接影响着海底滑坡的运动特征，如：滑动速度、运移距离、影响范围等，因此具有重要的研究意义。

图 3 海底滑坡运动演化过程示意图Fig. 3 Schematic diagram of the evolution of submarine landslide movement

以往研究中，学者们聚焦海底滑坡从碎屑流(泥流)阶段向浊流阶段演变过程中的水-土耦合作用(Felix et al.， 2006； Talling et al.，2007; 操应长等， 2017)，主要是考虑这两个阶段滑坡往往运移路径长，更容易冲击到海底管线等水下基础设施并造成严重破坏，其他阶段关注较少。Felix et al.(2006)系统总结了上述演变过程中涉及的6种水-土耦合作用模式，列于表 2。分析可见，碎屑流(泥流)向浊流转化的内在机理可归纳为两个方面：一是宏观层面上，海底滑坡端部产生“滑水效应”，主要是由于滑坡体密度与水相近，滑坡体端部将在动水阻力的作用下抬升，周围水层挤入滑坡体与海床之间，于是在滑坡体前缘底部形成了薄层润滑的“水垫”；二是细观层面上，海底滑坡与水环境接触界面的质量输运作用，由于海底滑坡体与水环境密度间存在差异，致使滑坡土体与水环境接触界面处发生质量传递，即土颗粒受水流剪切而脱离滑坡体进入水中；对于坚硬或硬塑状态黏土质滑坡，除了滑体外围界面处的水土交换外，滑移块体裂解形成若干小块体，海水挤入裂缝、微裂纹加速了水土界面交换导致小块体进一步开裂以及水侵软化，最终形成碎屑流或泥流(李家钢等， 2012)。

表 2 碎屑流(泥流)—浊流阶段土水相互作用模式(Felix et al.， 2006)Table 2 Debris flow(mud flow)-turbidity flow phase soil-water interaction model(Felix et al.， 2006)

受深海复杂多变的恶劣环境和当前监测手段的限制，海底滑坡运动过程中土-水耦合作用的研究，多以水槽模型试验与数值模拟为主。对于模型试验，学者们大多采用水槽实验来探究滑坡运动演化过程中的水-土耦合作用。如Mohrig et al. (1998)利用玻璃水槽、采用重力投料的方式模拟了海底滑坡的运动轨迹，试验中辅以外置摄像头记录流滑体的速度和厚度变化，通过布设虹吸管监测水环境浓度的改变，观测到“滑水效应”及其对海底滑坡运动过程的影响； Mohrig et al.(2003)进一步采用声像探测技术，对海底碎屑流向浊流的转变过程开展了深入的试验研究，发展了碎屑流端部流体对沉积层的侵蚀率框架。Ilstad et al. (2004a)在前人研究基础上，开展了不同砂与黏土配比下的海底泥流试验，并利用高速相机进行颗粒追踪分析，获取了海底泥流的运动数据。Lee et al. (2018)通过水下土柱坍塌试验，观察到水与颗粒相互作用形成的涡旋，并通过数值模拟发现在颗粒柱坍塌后期，形成的涡旋会对滑体前端的运动造成较大影响。Fan et al. (2020)利用研制的水槽试验系统，基于相对运动原理，对滑坡土体与环境水界面处的质量输运过程进行了初步试验研究，提出了土-水界面质量输运通量预测模型，为量化滑坡运动演化过程中的水-土耦合作用效应提供了新思路。

为弥补上述试验在模拟尺度、精度方面的不足，学者们将滑坡土体视为流态化物质，采用流体动力学方法模拟土-水间的耦合作用。如采用多相流模型(Lee et al.，2018；Si et al.，2018；Yu et al.，2018)，成功再现了水下土柱的坍塌过程，根据模拟结果进一步分析了土-水耦合作用对滑体运动性态的影响。Liu et al. (2020)通过Fluent软件内置的多相流模块，模拟了滑体运动过程中的滑水现象。Zhao et al. (2021)采用CFD方法模拟了海底滑坡的运动演化过程，由于上覆水体的剪切作用，导致开尔文-亥姆霍兹(KH)涡出现，并随着滑体速度的增加使得相邻两个KH涡融合成具有更大湍流动能的混合涡，进一步加剧了滑体与水体间的能量交换，最终导致滑体前端湍流的出现。尽管以上方法很好地模拟了海底滑坡运动演化过程中的滑水现象及环境水对滑体上表面的侵蚀效应，但仍无法模拟环境水侵入土体内部引起的滑体崩解现象。

2.3 运动演化过程的数值模拟研究

海底斜坡失稳后滑坡体的运动演化过程及计算方法问题，目前进展则不尽人意，这严重影响了滑坡体运动速度、影响范围和滑移距离等的求解(李家钢等， 2012)，也影响到滑坡冲击力的准确评估。因此，海底滑坡运动学和形态学特征的科学预测已成为当今国际上的研究热点与难点问题。

实际上海底斜坡失稳后，有的只发生有限变形的滑动和滑塌，而有的逐渐崩解演变为流动，目前还很难有一种模型或理论能够表征海底滑坡的完整发展运移过程。对于前者，主要采用大变形有限元法(LDFE)求解海底滑坡前期的土体变形运动情况(Wang et al.，2013)，或考虑滑体的应变软化特性模拟海底滑坡软弱层中剪切带的发生、扩展、滑动破坏以及停止过程(Zhang et al.，2019b)，以上研究属于土力学范畴；但对于滑坡中后期，土体演变为碎屑流或泥流时则不再适用，此时滑坡体流动速度相对较快，流动沉积物保持不排水状态，呈流态特性，可视为一种塑性非牛顿流体，如剪切应力与应变率服从Herschel-Bulkley(H-B)流变关系。主流的数值模拟方法包括有限差分法(FDM)、计算流体动力学(CFD)、光滑粒子动力学(SPH)、物质点法(MPM)、耦合欧拉-拉格朗日法(CEL)等，如Imran et al. (2001)开发了具有显式有限差分格式的一维数值分析软件BING，内置Bingham、H-B和双线性流变模型，成功实现了海底滑坡滑动距离、滑层厚度和滑动速度的预测； Gauer et al. (2005)基于CFD方法，采用Bingham流变模型，反演了世界上已知规模最大的Storegga海底滑坡的运动过程，并通过实测滑坡沉积剖面进行了比较验证；国内学者解秋红等(2016)也基于CFD方法，对苏门答腊岛西北海域的大型海底滑坡运动过程开展了模拟分析，获得了与实际相近的沉积形态和滑动距离；陶言祺(2015)采用SPH深度积分法，模拟了在不同水深、坡度、接触摩擦系数和侵蚀率工况下三维海底滑坡的运动情况，认为坡度和接触摩擦系数对滑动距离和滑动速度影响显著； Dong et al. (2017a)采用MPM方法分析了海底滑坡的运动状态，并与LDFE法进行了对比研究；Stoecklin et al. (2021)利用CEL方法模拟了瑞士卢塞恩湖的St Niklausen滑坡失稳过程，并深入分析了不同强度参数、地层条件与水体对滑坡体运动演化过程的影响。

上述数值方法，大多假定滑坡体为单相连续介质，忽略了海底滑坡运动过程中海水与滑坡体间的水-土耦合交换作用、水侵软化特性及土性参数的动态变化，也未考虑运动滑坡体对底部的侵蚀现象，难以还原海底滑坡在水环境影响下的真实演进过程，使得当前基于连续介质理论的数值方法在海底滑坡运动状态的预测评价方面不够可靠，难以在实际工程中推广应用。而近些年兴起的基于非连续介质理论的离散单元法(DEM)，为实现海底滑坡演变过程模拟提供了富有前景的数值分析工具。该方法从颗粒尺度对土体进行建模，可以反映真实土颗粒之间的相互作用，颗粒单元的运动满足牛顿运动定律，即颗粒单元之间允许发生相互错动、滚动以及分离；离散元不依赖于宏观连续介质假设和本构关系，它不仅在模拟土体的非连续变形和大变形流动方面具有优势，更重要的是离散元法可以从颗粒尺度认识土体发生非连续变形与流动的细观机理(周健等， 2010；Shire et al.，2013)。

采用离散元法对海底滑坡运动过程进行模拟时，需耦合其他数值方法(如CFD方法)，以实现水环境与土颗粒的相互作用，为海底滑坡演变过程中水-土耦合作用研究提供了可能性。关于DEM与CFD耦合方法及其应用，不少学者率先做了研究(El Shamy et al.，2005；周健等， 2010；Zhao et al.， 2013；彭恺然等， 2021)，代表性工作是将CFD-DEM耦合方法应用于渗流和固结等岩土工程经典问题，亦或模拟水库滑坡、滑坡堵江的运动及其涌浪过程(周健等， 2010；Zhao et al.，2016； Nian et al.，2021)；景路等(2019)用CFD-DEM耦合方法模拟了颗粒堆积体的水下坍落过程，对滑坡运动过程进行了简化分析； Jiang et al. (2015， 2018)改进了CFD-DEM耦合数值程序，实现了海底斜坡在水合物分解和地震荷载下的失稳破坏过程模拟，尽管只模拟了海底滑坡的触发启动阶段，但为该方法应用于海底滑坡的水下全过程模拟提供了重要参考。

为进一步发展CFD-DEM耦合方法，并应用于海底滑坡运动演化过程的模拟，笔者将JKR-Cohesion模型引入CFD-DEM的理论框架中，探究海底黏性滑坡体的运动过程、演变机理及黏性特征对其运动形态的影响，对不同初始条件(黏聚能密度、初始速度)下滑坡运动过程进行模拟，分析不同工况下海底滑坡的运动学和形态学特征，结果如图 4所示(俯视图)。对不同工况依次编号i～v，其中(i)～(iii)代表相同初速度、黏聚能密度依次增大各工况，(iii)～(v)代表黏聚能密度不变、初速度依次增大工况。结合图 4a和图4b中工况(i)～(iii)分析可知，随着黏聚力增大，滑坡体运移距离变小、侧向扩展收窄，且滑坡体两侧的颈缩现象逐渐消失，滑体平均速度降低；通过对工况(iii)～(v)分析可知，随着滑体初始速度增大，运移距离呈增长之势，滑坡体的前端颗粒逐渐向两侧扩散。总体来说，改进的CFD-DEM耦合模型能够较好地模拟海底黏性滑坡体的中小尺度运动演化行为，具有很好的开发前景和潜在的应用价值。

图 4 海底黏性滑坡体运动演化过程(俯视图)Fig. 4 The evolution process of submarine cohesive landslide movementa. 滑坡体运动形态演变； b. 滑坡体运动速度演进

目前CFD-DEM耦合数值方法仍处于发展阶段，尤其是在海洋岩土工程与地质灾害模拟领域还很少报道，采用CFD-DEM流固耦合方法对海底滑坡开展大尺度的运动演变全过程模拟仍属空白。未来基于高性能计算技术，考虑滑坡运动演化不同阶段的水-土耦合作用(水土界面交换作用、水侵软化效应)和土性参数动态变化特性，发展海底滑坡运动演变全过程的CFD-DEM流固耦合数值分析方法，将为海底滑坡运动行为预测及灾害评估提供重要的科学工具。

2.4 运动演化过程的模型试验研究

物理模型试验仍是海底滑坡运动演变过程研究及数值计算结果验证的有效手段，国内外针对海底滑坡现象已开展了一些物理实验探索(Mohrig et al.，1998；范宁， 2019)，总体上可分为常规重力模型试验、离心机模拟试验以及旋转水槽试验。

常规重力模型试验多数以水槽试验为主，除了前述研究之外，Vendeville et al.(2003)采用高孔隙度砂土、黏土及黏性硅聚合物模拟滑坡土层，考察孔隙压力与斜坡角度等触发条件对海底滑坡的影响机制，试验发现流体压力可以有效触发海底滑坡； Ilstad et al. (2004b)基于水槽试验，探讨了滑坡模拟材料对海底流滑体运动特征的影响，模拟结果表明黏粒含量高的流滑体更容易产生滑水效应。水槽试验虽能直观反映海底滑坡的运动学特性，但易受到试验设备尺寸的限制，较难反映海底滑坡的长距离运动演化过程。

与常规重力模型试验相比，海底滑坡的离心模拟试验可通过改变原有应力场以减小试验设备尺寸带来的缺陷，但由于试验成本高、方案设计难度大，已有研究成果还不多。在无黏性土海底滑坡的离心机试验方面，Coulter et al.(2003)采用离心振动台试验研究了地震作用下海底砂质土斜坡的动力响应，Takahashi et al. (2020)开展了地震诱发海底砂土层滑坡的离心振动台试验，发现超孔隙水压力累积增长和液化初期均发生于斜坡底部，而Zhang et al.(2019a)则重点研究了海底砂土层滑坡的静态液化问题。有关黏土质海底滑坡的离心模拟试验，目前研究较少，如Gue et al. (2010)研究了碎屑流海底滑坡体的加载触发和量测问题，Acosta et al. (2017)模拟了海底碎屑流产生的滑水现象。

上述两类试验都较难再现海底滑坡在低视摩擦角下的长距离运动演化过程，而旋转水槽试验可通过水槽的不断旋转，引起槽内水下滑体的相对运动，来实现低视摩擦角下滑体的远距离滑移，且试验操作难度较小，一般通过调节水槽转速与槽内土体组成即可完成不同条件下海底滑坡运动演化规律的研究(Wang et al.，2018a；邓检良等， 2019)。如Deng et al. (2018)基于旋转水槽试验，再现了水下泥石流的低摩擦角运动，进一步分析发现，滑体冲击海床所产生的动水压力可能是造成滑体发生低摩擦角运动的原因。进一步，邓检良等(2020)通过改进试验装置，实现了旋转水槽试验中滑体底部动水压力的量测，并揭示了动水压力对海底滑坡运动性态的影响。Wang et al. (2018a)通过调节水槽转速来研究不同速度条件下海底滑坡的运动行为，在试验中观测到滑体由碎屑流向浊流的演化过程，并提出了不同演化阶段转变的临界速度。通过上述研究可以看出，旋转水槽试验在研究低视摩擦角下海底滑坡运动演化过程方面具有优势，但却较难再现复杂地形下的海底滑坡运动，且试验设备运行中所产生的震动可能会对试验结果造成影响。因此，该试验方法未来仍有较大的改进空间，是一种具有潜力的模型试验方法。

2.5 斜坡海床变形运动的原位监测技术

海底滑坡的现场调查以海洋地质调查与物理勘探技术为主，以此获取海底地形地貌与沉积物物理力学性质，进而分析海底滑坡的成因机理与运动演化过程。但上述方式仅适用于已发生的滑坡，且对海底滑坡速率的估计与成因机理的判断通常是粗略的(贾永刚等， 2017)，因此需要结合原位监测技术，来获取滑坡启动前后海床土体的变形运动特征，以深入理解海底滑坡的运动演化过程。这类原位监测技术，主要以孔压监测和海床变形监测为主。

海底沉积物的孔压变化是驱动斜坡海床失稳运动的关键因素，这方面的监测研究已取得了诸多成果(Sultan et al.，2010； Vanneste et al.，2014；刘涛等， 2015)。Sultan et al. (2009)利用法国海洋开发研究院研发的孔压监测装置(Piezometer)对苏门答腊岛水下三角洲震后孔压的变化进行了监测，根据监测数据推断土体内部超孔隙压力的产生可能与地震引发的上覆沉积物变形相关。Stegmann et al. (2012)利用Piezometer对法国尼斯水下斜坡进行了长期的孔压监测，并在此基础上引入其他监测装置(如水下倾斜仪、孔隙流体取样器)形成监测阵列，完成了对斜坡土体的内部孔压、变形等参数的观测。季春生等(2021)为实现深海内波与海底边界层参数(如压力、温度、浊度、水体流速等)的协同观测，自主研发了深海海底边界层原位观测系统——ABBLOS，并通过该设备完成了神狐海域的海底边界层观测，分析了内波与边界层参数对沉积物搬运过程的影响。

斜坡海床的变形监测是反映海床失稳的最直观指标，一方面可为滑坡前期失稳过程的研究提供可靠依据(如滑动速度、滑动模式、滑移距离等)；另一方面可为海洋油气资源开采所引发的海床失稳问题提供有效预警(贾永刚等， 2017)。对于前者，Prior et al. (1989)早在20世纪80年代中美联合海洋地质调查中，根据海床位移监测装置所记录海床倾角与加速度数据，发现了失稳斜坡在风暴潮期间的复滑现象； Wallace et al. (2016)利用高精度压力计成功捕捉到由构造运动引发的海床慢速滑移事件； Wang Z H et al. (2018， 2020)通过SLM监测系统观测到黄河水下三角洲区域海底滑坡的变形过程，并结合水槽试验，深入探究了波浪作用对海底滑坡触发机制及运动演化过程的影响。对于后者，一般以水合物开采过程中海床沉降变化作为判断海床失稳的重要依据(Saito et al.，2006)。

以上分析可以看出，海底原位监测技术是探究海底滑坡运动演化机制的极为重要的一环，但受限于监测设备的高昂成本和低回收率，目前在海底滑坡的调查研究中并不多见，未来亟需开发低成本、自供电、高精度的原位监测装备，并辅以人工智能、物联网技术及大数据分析手段，实现海底滑坡的全天候智能化监测。此外，当前海底滑坡的原位观测多为单点观测，这对于大面积、大尺度运移特性的海底滑坡而言具有局限性，未来需进一步开展多设备联合组网观测，形成大区域的海洋观测网，为海底滑坡运动演化过程研究提供技术支持。

3 海底滑坡冲击水下设施

海底滑坡作为一种破坏力极强的海洋地质灾害，其巨大的冲击力常会造成水下基础设施破坏，甚至引发灾难性海啸(图 1)，导致近岸设施的损毁以及人员伤亡(贾永刚等， 2017；马林伟等， 2019)，形成一个更大规模的链式灾害。近年来，国内外学者主要聚焦于海底滑坡冲击水下管缆系统(含油气管道、海底光缆、电缆等)的研究，究其原因：一方面是由于海底管缆布设的地形地貌复杂、空间范围较大，且缺少充分的锚固措施，极易在具有长距离运移特征、较高运动速度的海底滑坡冲击下发生破坏；另一方面，海底管线作为海洋电力输送与油气开发的“生命线”，当被海底滑坡冲击切断时，将造成电力通讯设备的中断与油气泄漏等难以估量的损失(Piper et al.，1999； Hsu et al.，2008；范宁， 2019)。随着国内外学者对海底滑坡冲击管线研究的不断深入，已初步形成了系统性理论框架，且已经开始关注海底滑坡冲击其他水下基础设施问题，但尚未有关于链式灾害方面的研究报道。

3.1 滑坡冲击管线的数值模拟研究

滑坡冲击管线的数值模拟研究不受空间的限制，且可获取计算域内的全部变量信息，因而逐渐受到众多研究者的青睐。目前，模拟海底滑坡冲击管线问题常用的数值方法有：有限元法(FEM)、粒子有限元法(PFEM)、计算流体动力学方法(CFD)以及物质点法(MPM)等。在滑坡冲击管线的FEM模拟中，一般将管线受到的冲击力视为均布荷载，通过考虑不同的冲击荷载、冲击宽度、滑体性质及管线材料等来评估滑坡冲击作用下管道的安全性(Yuan et al.，2012； Chatzidakis et al.，2019； Qian et al.，2020； Fu et al.，2021)。PFEM方法是一种模拟海底滑坡冲击管线行为的新兴方法，其在FEM基础上发展而来，弥补了传统FEM方法模拟大变形岩土体运动的困难，Zhang et al. (2019)采用该方法模拟了斜坡失稳运动至冲击管线的全过程。CFD方法是模拟海底滑坡冲击管线问题的经典方法，多集中于解决海底滑坡在流滑阶段对管线的冲击行为，众多学者采用CFD方法模拟海底滑坡对管线的冲击作用，并考虑不同初始速度、滑体厚度及管线埋深等复杂工况，从而丰富和发展了滑坡冲击下管线受力的预测模型(Zakeri et al.，2009； Liu et al.，2015； Nian et al.，2018； Fan et al.，2021)；在此基础上，范宁等(2019)、Guo et al. (2019)利用CFD方法对海底管线进行了优化设计，提出了可有效降低滑坡冲击效应的管线优化设计方案，为深海能源的安全输送提供了助力。MPM方法区别于以上3种方法，是一种无网格方法，在模拟自由表面问题上具有较大优势，Dong et al. (2017b)采用该方法模拟了滑坡运动初期的管土相互作用问题，完善了混合土力学-流体动力学的管线冲击评价公式。

3.2 滑坡冲击管线的模型试验研究

海底滑坡冲击管线的物理试验模拟多以水槽试验与离心模型试验为主。近年来，许多学者通过改进原有水槽试验装置，成功实现了海底滑坡对管线冲击效应的量化研究，并建立了预测管线受力的计算公式。如王立忠等(2008)利用流滑海床模型槽与PVC管，模拟慢速滑动泥流对管线冲击，并结合数值手段进一步分析了管线受力与埋深间的关系；Zakeri et al. (2008)以上部重力投料的方式来模拟海底碎屑流对管线冲击作用，并通过水槽中管线两侧的传感器对其受力进行实时监测，以获取海底滑坡冲击管线过程中的受力变化； Haza et al. (2013)采用与Zakeri不同的投料方式，对滑坡冲击管线问题开展试验研究，结果表明泥浆内部高岭土含量对泥浆的运动特性及冲击强弱起主要作用。

在海底滑坡冲击管线的离心试验研究中，以滑坡初始滑塌变形阶段的管土相互作用研究为主。如Zakeri et al. (2012)通过离心试验模拟了触发启动阶段滑坡体对静止管线的冲击作用，并提出了相应的滑坡法向作用力预测模型；与前者的管土作用形式不同，Sahdi et al. (2014)采用管线以水平方向主动压入静止滑坡体的方式来间接获取滑坡对管线的冲击过程，完善了基于土力学与流体力学框架下的管线受力评价模型； Wang Z T et al. (2020)在Sahdi试验基础上，通过研发的新型测力装置，开展了滑坡体以不同角度冲击管线的离心试验研究。

海底滑坡冲击管线的旋转水槽试验方面，可利用水槽旋转来实现滑体在空间上的长距离运移。Wang et al. (2018b)通过控制旋转水槽的转速与试验土体组分配比，模拟不同工况下滑体对管线的冲击作用，并提出了冲击力的经验公式。模型试验虽可直观地反映海底滑坡对管线的冲击效应，但受实验室空间和试验成本的限制，往往不比数值模拟具有优势。

3.3 海底滑坡冲击其他水下设施

除对管线的冲击作用外，海底滑坡还会冲击毁坏防沉板、海洋桩基等水下结构物，目前已有学者对此开展了初步研究。如Dong et al. (2020)采用物质点法，将防沉板简化刚性体，分析了不同工况下海底滑坡冲击固定式防沉板的动力过程，并基于模拟结果提出了滑坡冲击力预测方程。李东黎等(2019)、冯斌等(2019)利用自制的海底滑坡模型试验槽，模拟了不同黏度、初速度与坡度条件下滑坡对海洋桩基的冲击，并基于试验结果得到了冲击作用下桩身弯矩的分布规律，获取了管桩阻力系数与雷诺数间的拟合公式，为海洋桩基础的工程设计提供了参考。随后，Li et al. (2021)采用CFD方法模拟了海底滑坡对海洋桩基的冲击作用，并分析了滑坡体厚度、运动速度对滑坡冲击力大小的影响机制。随着海洋能源开发的加快，未来将面临更多、更复杂的海底滑坡冲击水下设施等链式灾害问题，这方面的研究将不断深入。

4 存在问题以及进一步研究方向

综上所述，国内外学者利用现场调查、原位监测、理论分析、模型试验和数值模拟等不同方法，对海底滑坡的触发形成机制、运动演化过程和冲击水下基础设施这三个方面进行了深入研究，取得了丰富的成果。通过全面梳理和系统总结海底滑坡的相关研究，指出当前存在的主要问题及未来的发展方向。

4.1 海底滑坡的复合多重触发机制问题

当前的研究主要聚焦地震、水合物分解、波浪流等单一因素触发海底滑坡问题，且对于宏观触发机制和细观响应机理研究仍不充分，需进一步深入探索。值得注意的是，海底滑坡的形成通常是由多种诱发因素共同作用的结果，如我国南海的白云滑坡(群)就是在地震、水合物分解、快速沉积等耦合因素作用下发生多期次滑动，以单一诱发因素研究海底滑坡问题，较难反映真实情况下海底滑坡的复合触发(形成)机制。因此，在未来的研究中可通过室内离心试验和多场多相耦合数值模拟，探索多因素作用下海底滑坡的复合触发机制或复合多重触发机制，以建立复杂环境下海底斜坡的失稳评价体系并揭示滑坡的深层次形成演化机制。

4.2 海底滑坡运动演化过程中水-土耦合作用机制问题

水-土耦合作用贯穿于整个海底滑坡运动演化历程。在滑坡发生前，这种相互作用主要体现在斜坡土体内部的孔隙水压力变化对土体抗剪强度的影响，这方面研究已相对成熟，形成了诸多研究成果。在滑坡发生(斜坡失稳)后，这种相互作用逐渐向滑坡体外部扩展，体现在滑坡体外围水-土界面的物质交换、前端滑水、水侵软化、块体解离作用等，但在运动演化的不同阶段(图 3)，其水-土耦合作用机制应有所不同，甚至极其复杂多变。对于此类水-土耦合作用机制问题，多以水槽试验或利用连续介质数值方法再现土-水界面间的物质交换与“滑水”效应，但都难以量化因环境水侵入引起的滑坡体内部的变形破裂行为，这与实际情况存在较大出入。因此，应着重发展土-水界面监测技术来实现对土水界面物质交换与前端滑水现象的定量化分析，并以此提出相应的理论公式或经验性预测模型。鉴于目前的试验技术仍较难实现运动过程中滑坡体的内部变形监测与取样分析，可优先开发基于连续-离散的水-土耦合数值方法，实现由环境水侵入导致的滑体变形破裂过程的模拟，从而深刻揭示海底滑坡运动过程中的水-土耦合作用机制问题。

4.3 海底滑坡运动演化过程的多尺度模拟方法

小比尺水槽试验是模拟海底滑坡演化过程的常见方法，虽然可以模拟水下滑体的运动，但受限于试验场地，无法再现长距离的运动演化场景，与真实海底滑坡运动存在差距；与水槽试验相比，鼓式离心试验与旋转水槽试验能够摆脱试验场地的限制，可作为较大尺度海底滑坡运动演化过程研究的重要手段，但受试验监测技术的限制，仍无法获取满意的结果。为破解海底滑坡全过程运动演化模拟难题，尤其是再现滑坡形成→块体运动→碎屑流(泥流)这一跨尺度问题，揭示其转化的临界条件与宏细观机制，仍需发展多尺度的数值方法。在数值模拟方法方面，对于较大尺度的海底滑坡运动模拟，可采用CFD方法，但该方法将滑坡运动视为单一的流态运动，难以考虑滑坡运动过程中的微细观演化问题。而相较于前者，LDFE、PFEM与MPM等方法，虽然考虑了滑坡体的土力学特性，再现了斜坡体由失稳至渐进式滑动破坏的演变过程，但计算成本较高，多用于中小尺度下滑坡体早期的失稳变形模拟。值得注意的是，上述数值方法皆属于宏观层面上的滑体运动模拟，忽略了微细观层面上滑体内部颗粒的变形特征。因此，在未来的数值模拟研究中，应考虑滑坡运动演化过程中的宏-细-微观互联效应，发展多尺度的耦合数值计算方法，如CFD-DEM、SPH-DDA、LBM-DEM等，以实现对海底滑坡运动演化过程的精细化模拟。此外，为提高多尺度耦合算法的计算效率，可通过引入并行计算架构或GPU加速技术来解决这一大规模计算问题。

4.4 海底滑坡冲击水下设施及链式灾害问题

由于海底滑坡链式灾害是一个涉及多学科、多领域的复杂科学难题，故对于此类难题多采用“断链”的形式展开研究，即对海底滑坡地质灾害链中的触发形成机制、运动演化过程、冲击水下设施3个环节进行独立分析。虽然在上述各个环节中已取得了诸多进展，但不同环节间关联性较差，尤其是对于海底滑坡冲击水下设施的分析，现有研究多分析不同工况下碎屑流体对水下设施的直接冲击作用，忽略了海底滑坡运动演化过程中任一阶段或物理状态对冲击效应的影响以及水下设施灾变级联效应(如管道破坏油气泄露、海洋污染等)，因此未来应开展链式灾害的全过程(滑坡形成→运动演化→冲击设施→级联效应)研究，发展大规模高性能计算方法和计算机仿真模拟系统。此外，目前海底滑坡冲击效应的研究仍聚焦于管线问题，对其他水下设施(如海底隧道、海底核设施、水下数据中心等)冲击效应的研究则相对薄弱，建议未来跟进其他水下设施的冲击效应研究，并提出相应的冲击力评价公式；在此基础上，开发减阻设计方案和防护技术，为水下基础设施的安全运营提供保障。

4.5 海底滑坡启动及运动演化过程的原位监测技术

受限于海底滑坡发生的不确定性和水下监测的高昂成本，目前对其运动过程的研究仍以地球物理勘探技术追踪滑后的运动痕迹和堆积特征为主，而对海底滑坡运动演化过程的实时监测仍属空白。因此，亟需发展可长期服役、多参数协同观测的海底滑坡原位监测系统，并辅以全海深浅表层沉积物不排水剪切强度的多探头智能施测技术(谷忠德等， 2021)，以实现海床沉积物各项指标的长期观测；考虑到单点观测的局限性，未来还应推进多设备联合组网观测，并发展深海水声通信技术，以形成区域性的海底观测网，搭建滑坡监测预警平台，为海底滑坡运动学与形态学特征监测以及精准预测预警提供技术支持。此外，受海底原位监测系统与海洋观测网有效监测范围的限制，可充分利用机器学习、大数据融合技术等先进手段对已获取的多源数据进行深度分析，从而实现对目标海域海底滑坡的危险性评价，以评价结果为导向，可有针对性地开展目标区域的长期原位监测。