冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想

杨兴国，曹志翔，邢会歌，金建立，李海波，范 刚，叶 飞，闫旭峰

(1.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；3.西藏农牧学院，西藏自治区 林芝 860000；4.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害是指分布在高寒山区的冰碛土受到降雨、冰雪消融等因素诱发滑坡，在重力作用下，迅速碎裂解体并与水流掺混形成泥石流，进而铲刮侵蚀沿程碎屑物质堵塞河道形成堰塞坝，最终在坝体溃决后产生洪水灾害的链式过程。

青藏高原冰碛土广泛分布，为滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链的衍生提供了充分的物源。数十年来，受青藏高原气温上升和降水增加影响，冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害频繁发生，对人民群众的生命财产安全造成了严重的威胁。例如：位于雅鲁藏布江左岸的色东普沟在40年内冰川面积退缩了46%，自2014年起，共发生8次冰崩碎屑流事件，并导致雅鲁藏布江4次大规模堵塞，对沿线的基础设施和居民安全造成了严重的威胁，同时对流域范围内的生态环境造成了严重的破坏（图1）。

图1 雅鲁藏布江加拉冰碛土—泥石流—堰塞湖灾害Fig. 1 Moraine landslide—debris flow—dammed lake disaster in Gala of Yarlung Zangbo River

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝由于独特的物质组成和结构特征，其稳定性和抗冲刷性能一般较差；从滑坡泥石流启动运移，到堵江筑坝，再到溃坝和溃决洪水演进链式过程，也较传统堰塞坝更加复杂。尤其是复杂气象条件下冰碛土滑坡—泥石流形成演化机理、多期滑坡碎屑流对堵江筑坝的动力响应、冰碛土堰塞坝冲刷溃决机制等方面的研究仍是一片空白。因此，系统研究复杂气象条件下冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝形成机理，探明其坝体结构形态与物质组成，揭示水沙耦合下冰碛土堰塞坝冲刷溃决模式与流道演变过程，建立冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成过程与冰碛土堰塞坝溃坝洪水演进过程的数值模拟技术，对于提升中国青藏高原地区滑坡—泥石流—堵溃链式灾害的风险评价和应急处置决策具有重要指导意义。

1 国内外研究现状

1.1 复杂气象条件下冰碛土力学性能演化研究

冰碛土由于其独特的地质形成历史和物质结构特性，在冻融循环、降雨、冰雪消融等影响因素的作用下，其物理力学特性发生着周期性持续劣化，进而影响斜坡稳定及后续灾害链发展过程。国内外学者通过大量的压缩试验研究了冻融循环、干湿交替条件下的土体变形、强度等参数的变化过程。曹玲等对三峡库区千将坪滑坡滑带土进行干湿循环试验，发现试样的固结不排水抗剪强度劣化明显。Sayem等发现原状残积土的饱和抗剪强度试验随着干湿交替次数增加，土体黏聚力和内摩擦角均减小，且与干湿循环次数满足指数关系。这些研究有助于提升对土体力学性能演化的认识，但考虑到冰碛土物质组成的独特性和复杂性，其物理力学性能演化仍值得探索。此外，还需关注滑坡运动过程冰碛土的性能演化，特别是冰屑的影响。Schneider等通过转筒试验研究了含冰量及冰体消融过程对冰-岩混合物摩擦系数的影响。杨情情等利用斜槽试验研究了冰-岩碎屑运动距离与含冰量及冰-屑粒径比的关系。受模型试验条件现状的影响，实际的滑坡中冰屑的相变过程和滑坡物质的力学性能演化还未得到很好的揭示。

1.2 冰碛土滑坡—泥石流动力灾变机理与运移模型

在冰碛土滑坡—泥石流的物源形成与动力灾变过程方面，目前一般认为流域内的松散固体物质和陡峻地形是滑坡—泥石流形成的物质条件（内因），而一定强度的降雨、冰川融雪等水文条件是其产生的触发因素（外因）。近年来，全球气候变暖、冰川消融及冻土退化等现象加重，岩土体内孔隙水处于低温冻结和暖温融解的循环过程，微缺陷逐渐萌生、扩展和贯通，冻融损伤累积，岩土体强度持续降低，为滑坡—泥石流的形成提供有利的固体物源条件，山区泥石流灾害的现实危害和潜在风险日渐凸显。已揭示的滑坡—泥石流启动的影响因素包括孔隙水压力、地表径流流速（剪应力）、物源特征、斜坡地貌等。在滑坡—泥石流动态运移模型研究方面，吴玮江分析了季节性冻结滞水的促滑效应，提出伴随冻结滞水效应的滑坡—泥石流运移模型。Leibman等提出强降雨诱发冻融层饱和冰融化及高温诱发地下冰融化条件下的低温泥流运移模型。Liu等综合考虑降雨入渗、沟道侵蚀与物源运移等过程，提出一种模拟山区泥石流从产生到传播的综合运动模型。然而，冰碛物成因的滑坡—泥石流形成过程特殊，在物源分布与汇集方式、水动力来源和颗粒启动顺序方面与其他类型的泥石流表现出明显不同的物理力学机制，其固体颗粒、间隙流体及固-液两相间均具有复杂的相互作用。Iverson等将S-H模型的单相颗粒流模型拓展为3维固液模型，即库仑混合流模型，应用库伦摩擦准则和深度平均积分模拟干颗粒材料的运动，并考虑了剪涨和孔隙压力之间的相互影响；随着含水率的增加，运动状态可自然向流态化转变。针对冰碛土泥石流中的固体颗粒物质与液体相互交互的复杂过程，Zhang等运用粒子有限元法研究冰碛土土体流动和流态滑坡问题，通过离散元法进行模拟，流体部分采用连续介质的计算方法，符合泥石流问题的自然属性；并基于 Lagrange 框架，描述连续介质运动的混合计算方法，分析了岩土体材料流固转换演变过程。

然而，以冰碛土为物源的滑坡—泥石流形成过程特殊，在泥石流分布、物源汇集方式、水动力来源和颗粒启动顺序方面与其他类型一般的泥石流表现出明显不同的物理力学机制。因此，明确冰碛土滑坡—泥石流动力灾变机理，建立其动力运移模型，是未来研究的重点方向。

1.3 冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖的形成机制

大体积滑坡—泥石流汇入河道后极易堵塞河道，并蓄积河水形成堰塞湖。堰塞坝的形成过程很大程度上受到滑坡—泥石流运动特征、河道沟谷地形和水流条件等影响，同时决定了坝体的几何形态、物质结构、力学特性等重要特征参数。Zhou等开展碎屑流堵江试验，揭示了材料组成和滑坡坡度对堆积体几何形态和物质结构的影响。王玉峰等通过分析文家沟滑坡等堰塞坝的物质结构组成，揭示了堆积体内部颗粒反序的物质结构特征。Liao等通过多期滑坡堵江试验，揭示了初始堆积体的阻滞效应，大大减弱了后续滑坡运动的动能。Wu等结合试验运动与恢复结构算法（SFM），揭示了河道的地形约束对堰塞体几何形态的影响，并构建了预测堰塞体几何形态的经验公式。Chen等通过考虑河流支流泥石流淤积量与最小淤积量之间的关系，提出一种评价河流淤积形态的无量纲体积指数（DVI）。现有的研究聚焦于坝体的形态结构特征和堵江判据等问题。然而，冰碛物独特的材料组成和力学性能，以及冰川作用下特殊的水动力条件，再加之灾害的频发性导致的多期堵江效应等因素，导致了滑坡—泥石流—堰塞湖的形成机制与其他滑坡堵江灾害有很大区别。

目前，对冰土混合物运动堵江机理尚不清晰，对于滑坡—泥石流运动特性与堰塞体结构形态之间的物理关系有待进一步揭示，对灾害形成机制与监测预警技术的研究较少，防治对策仍缺少科学有效的理论基础。

1.4 冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与数值模拟

堰塞坝的冲刷溃决是复杂的水土耦合过程，涉及溢流水力学、土壤侵蚀、边坡稳定性等多种学科，受坝体形态及物质结构组成、河道地形与水流条件等多种因素的影响。目前，已有大量学者对堰塞体溃决的影响因素进行研究。Jiang等通过设置不同级配的溃坝试验，发现随着细粒含量的增加，溃坝的溯源侵蚀作用越强，溃决持续时间变得更短，导致更大的洪峰流量。Zhou等通过试验研究不同入库流量对溃坝的影响，发现入库流量越大，峰值流量变得越大，并且到达时间会提前，流量曲线整体变得“尖瘦”。Zhu等开展了12组水槽试验，研究了不同坝体形态对堰塞坝溃决机理的影响，发现当堰塞坝的下游边坡越缓时，溃决过程将越缓慢，洪峰流量也将越低。虽然已有的物理模型试验较完善地阐释了宽级配土石体的漫顶溃决机制，但尚未有研究探讨冰屑成分对堰塞体漫顶溃决过程的影响，且多期次冰碛土碎屑流堵江条件下的堰塞体溃坝过程与机制亦未见研究报道。

数值模拟是研究堰塞坝复杂溃决过程机制的有效手段，许多数值模拟方法被相继提出。模拟堰塞坝溃决过程的经典模型包括参数模型和基于溃决机理的简化数学模型，这两类模型预测的溃口发展与溃坝泄流过程线可为下游洪水演进计算提供必要的边界条件。参数模型大多通过统计溃坝案例分析提出最终溃口尺寸和洪峰流量等溃坝特征参数的经验公式，但未考虑溃坝过程的物理机制，无法反映溃口的渐进演化过程。基于溃决机理的简化数学模型一般通过建立水量平衡方程，利用宽顶堰流公式计算溃口流量；同时，通过假设初始溃口形态、溃口下蚀和侧蚀速率关系及坝体形态演变方式，使用土体冲蚀公式及基于极限平衡的斜坡稳定性分析计算溃口和坝体的侵蚀发展过程。然而，该类模型一般需要引入若干不符合真实情况的简化处理，或对初始溃口位置和残余坝高等无法预知的坝体参数进行事先假设。

近些年来，有关溃坝过程的精细数学模型快速发展，该类模型可完整地考虑水流变化、泥沙输移及坝体与河床侵蚀沉积过程三者之间的相互耦合作用，且不需要对初始溃口的位置和形态、溃口下蚀和侧蚀的速率关系、坝体形态的演变方式，以及残余坝高等进行特定的假设，在同一模型中即可以实现计算不规则坝体的溃口发展、下泄出流及洪水演进全过程。

然而，上述堰塞坝溃坝的精细数学模型均只考虑了以推移质运动为主的输沙过程，大多未考虑天然宽级配堰塞坝溃坝过程中的非均匀泥沙输移过程，且未考虑冰屑成分对溃坝过程的影响，因此，冰碛土堰塞坝溃决过程与洪水演进的精细数值模拟技术尚有待进一步研究。

2 研究内容

2.1 关键科学问题

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害是一个从滑坡孕育→泥石流启动运移→堵江筑坝→溃坝和溃决洪水演进的复杂链式过程，如图2所示。一方面，受冻融循环、暴雨等极端气候影响，岩土体劣化作用显著（强度降低、松散破碎），易发生崩塌、滑坡，滑坡运动体携带坡面上的堆积物补给沟道，为泥石流的形成提供了有利的固体物源条件；另一方面，降雨、冰川融雪在沟道中上部汇聚成洪水，洪水与松散固体物源掺混，从而形成泥石流，泥石流在向下游运动时会侵蚀铲刮沟床及两侧的堆积物，从而导致泥石流运动方量的增大，且运动性态不断发生改变。大量泥石流物质汇入河道后极易造成堵塞并形成堰塞坝，这个过程涉及复杂的物质分选与重构过程；由于冰碛土堰塞坝物质含泥量高、颗粒大小混杂，与常见滑坡堰塞坝物质组成及其成生结构差异较大，自身稳定性较差，随着蓄水量的增加，堰塞坝较易因逐渐渗流侵蚀或溢顶冲蚀作用而溃决破坏，形成的溃决洪水冲蚀河床，并对下游村庄和城镇造成威胁。

图2 冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链动力演化过程Fig. 2 Dynamic evolution of the disaster chain of moraine landslide—debris flow—dammed lake

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖是一个级联放大的链式灾害过程，涉及滑坡起动、运动性态转变、沿程侵蚀放大、多期堵江叠加、溃坝水沙耦合等复杂动力演化机制。因此，实现冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害的有效防控需要解决以下两个方面的难题：

1）冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝的链生放大机制。冰碛土滑坡—泥石流运动性态转变与流态化运移过程的动力学机理，特别是沿程侵蚀铲刮与多期堵江叠加等导致堰塞坝规模的链生放大机制。

2）冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理。冰碛土堰塞坝物质含泥量高、颗粒大小混杂、分选性差、碎屑磨圆度差、无定向排列、自身稳定性较差，冲刷溃决及洪水演进过程中水沙耦合作用机制极其复杂。探明非连续宽级配冰碛土堰塞坝重构、流道再选，拓展与冲刷溃决过程的动力灾变机理，尤其是冰碛土堰塞湖溃决洪水演进过程再次水沙掺混的淤抬冲刷机制对揭示冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害的致灾机理至关重要。

2.2 重点研究方向

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害演化过程非常复杂，涉及众多的物理力学机制和学科理论，其中，滑坡—泥石流—堰塞坝形成过程和坝体溃决冲刷及下游洪水下游演进是灾变过程的两个关键问题。为此，可从以下几个方面展开重点研究。

1）复杂气象条件下冰碛土力学性能演化研究

冰碛土是由冰蚀作用产生的碎屑物质的堆积土或是在冰川产生以前就已存在的岩屑、碎石等松散堆积物，后被冰川搬运并在冰川融化时沉积下来而形成的碎石类土。冰碛土由于其独特的地质形成历史和物质结构特征，其物理力学特性较常规岩土体有很大不同，具有无分选、无层理、无胶结或泥质半胶结、遇水易软化崩解等特点，在冻融循环、降雨、冰雪消融等因素的影响下，极易发生强度劣化和性态改变，从而导致岩土体崩解或斜坡失稳，如图3所示。此外，冰碛土的渗透、抗冲刷等特性也较常规岩土体存在很大的差异性，导致冰碛土堰塞坝的渗透稳定、过流冲刷等情况比常规堰塞坝复杂得多。开展冰碛土物质结构特性研究，探索降雨/冰川融雪等多因素作用下冰碛土物理力学演化规律特性，可为滑坡—泥石流启动运移动力过程机制、堵江物质重构特性、堰塞湖冲刷溃决物理模型试验和数值模拟等研究提供基础数据。

图3 西藏波密县则普冰川内冰碛土Fig. 3 Moraine soil in Zepu Glacier, Bomi County, Tibet

2）冰碛土滑坡—泥石流动力灾变过程与运移模型

图4为冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝形成动力过程机理。在强降雨、冻融循环等复杂气候条件下，冰碛土斜坡强度劣化明显，极易发生崩塌、滑坡等灾害，为泥石流的形成提供了有利的固体物源条件，泥石流的运动过程与沟床和两侧山体不断发生物质和能量的交换，运动性态和规模不断发生变化，大体积泥石流入河后，运动速度和状态发生瞬时变化，固体物质快速重构、分选，并停积成坝。因此，冰碛土滑坡—泥石流的动力运移过程很大程度上决定了冰碛土堰塞坝的规模、堆积性态和物质结构特性，深入探究冰碛土滑坡—泥石流的动力运移过程特性对揭示冰碛土堰塞坝物质分布、架构特性和开展堰塞坝稳定性评价具有重要现实意义。

图4 冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝形成动力过程机理Fig. 4 Dynamic process mechanism of moraine landslide—debris flow—dammed lake

在掌握冰碛土力学性能演化的基础上，采用3维激光扫描、无人机对典型灾害区进行精细扫描建模，调查滑坡痕迹、表层物质、可视结构等信息，定量检测滑坡—泥石流启动运移各分区（滑源区、侵蚀铲刮区、运移区、流通区、堆积区等），推测分析滑坡—泥石流启动机制，沿程物质汇集、侵蚀铲刮、运移、堆积等动力过程特性；并结合室内滑坡—泥石流物理模型试验，研究不同滑坡物质结构与水流条件下的滑坡启动—泥石流形成及运移过程特征，重点关注泥石流运动过程中与沟床及两侧山体的物质交换过程及河道地貌和泥沙补给条件变化下的泥石流运移动力过程响应特征。基于灾害现场定量检测结果及滑坡—泥石流形成运动过程物理模型试验所观测到的现象和科学数据，分析滑坡失稳、运动破碎和降雨汇流作用下固体物源、汇水、空气三相交融等动力灾变过程机制，构建泥石流运动过程中沿程侵蚀铲刮、暴雨山洪泥沙补给和灾害放大效应的动力运移模型。

3）冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成机理与仿真模拟

冰碛土滑坡—泥石流入河堵江是堰塞坝形成的关键环节，不仅涉及到滑坡—泥石流碎屑物与水流的相互作用过程，还涉及到滑坡—泥石流物质入河后的快速堆积重构等复杂过程，直接影响堵江堰塞体的几何形态和坝体物质架构特征。此外，冰碛土滑坡—泥石流还存在多期叠加堵江的显著特征。受冻融循环、冰川退缩等因素影响，在同一条泥石流沟内可能会发生多期冰碛土滑坡（冰崩）事件，形成的滑坡—泥石流物质最终都在沟口汇入到河道中，形成多次堵江的特殊景象。后期形成的堵江物质会堆积在前期的残留堰塞体之上，多期叠加形成的堰塞坝较常规堰塞坝的3维几何性态、物质分布等特征存在显著差异性（图4）。因此，研究多期堵江叠加效应对冰碛土堰塞坝3维形态、物质结构及过流冲刷等特性的影响具有重要科学和现实意义。

通过滑坡—泥石流—堰塞坝形成过程物理模型试验，研究滑坡体物质结构特征、滑坡体积、滑床与河谷地貌、河道水流等条件变化下对堰塞坝形态和颗粒分布的影响，构建堰塞坝形态与物质分区预测的经验判据。在单次滑坡—泥石流堵江模型试验研究的基础上，开展不同滑体性质、不同滑动次数的多期滑坡—泥石流—堰塞坝形成的模型试验，分析堰塞坝坝高、坝宽、坡比、垭口位置等关键参数的演变规律，重点关注天然流道再选机制。开发滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链过程数值计算软件，实现强降雨作用下冰碛土滑坡启动→泥石流运移→堵江筑坝的灾害链全过程模拟，研究原生地质特性、运动过程中滑体解构、颗粒分散-聚合、沿程侵蚀及轨迹演变过程对堰塞坝堆积和物质分选的影响，揭示堰塞坝体的形成机制和推演坝体内部结构特征，为溃决流道演化与溃口拓展研究提供基础科学数据。

4）冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程研究

冲刷溃决是堰塞坝最主要的溃决模式，在漫顶水流冲刷和内部渗流共同作用下，堰塞坝的溢流道不断拓宽深切，泄水量也随之增加，不断增大的挟沙水流反过来又加速流道演变，这种高含沙水流较清水流具有更大的能量和冲击力，也更容易改变下游河道物理环境和损害既有构筑物，如图5所示。由于冰碛土物质材料特性与常规岩土体存在较大差异性，导致冰碛土堰塞坝的冲刷溃决特性与常规堰塞坝存在较大差异。因此，探究冰碛土堰塞坝溃决过程的水沙互馈作用机制和下游河道冲刷/淤抬响应机制，对于预测溃决洪峰流量和构建合理的堰塞坝泄流稳定控制措施具有重要意义。

图5 冰碛土堰塞坝冲刷溃决水沙耦合作用机理Fig. 5 Mechanism of coupling action of water and sediment on scouring and breaking of moraine landslide dam

利用物理模型试验研究坝体几何形态、物质结构、天然流道和人工引流槽等条件变化下，溃坝过程的流道拓展和泄水流量随时间的演变规律。在此基础上，采用离散单元（DEM）和计算流体力学理论（CFD）方法对冰碛土堰塞坝溃决的水沙耦合作用机制和流道拓展演变过程开展分析，研究坝体溃决不同阶段的水沙耦合作用机制，分析流道3维形态演变过程。在模型试验与理论研究的基础上，分析堰塞坝特征参数与流道拓展及溃决历时之间的内在联系，构建流道拓展演化模型，并结合大量天然溃坝数据的统计分析，建立一个半经验、半理论计算模型用于预测溃决洪峰流量。

5）下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟

在堰塞坝溃决水沙耦合作用机理和溃决洪水预测模型分析的基础上，采用卫星遥感、无人机、3维激光扫描等手段，获取加拉、白格等典型堰塞湖溃决后坝址区及下游河道不同时期的3维地形数据，定量分析检测下游河道演变过程。采用溃坝洪水演进及河床响应物理模型试验研究坝址溃决水流的流量与含沙浓度、下游河床堆积物结构特性等条件变化对下游演进洪水特性的影响。同时，利用计算流体力学方法对溃坝挟沙水流在下游河道的演进过程进行数值模拟，研究溃坝过程中下游洪水特性和河床地貌演变过程。

3 研究方法与技术路线

综合采用现场调查、室内试验、大型物理模型试验、数值分析、理论分析等方法对冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链的动力学演变机制与模拟方法开展研究。研究技术路线如图6所示。

图6 技术路线Fig. 6 Technical route

1）现场调查及多源数据获取。针对典型冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害点（加拉、白格、易贡等），通过现场调查获取典型灾害点的地形地貌特征，并对典型冰碛土进行取样，收集典型灾害点的气象信息和降雨资料。同时，通过遥感卫星、3维激光扫描、无人机等获取滑坡—泥石流残留体的3维形貌信息，溃决前后堰塞坝和下游河床的几何形态、尺寸等的3维演化信息，以及残留坝体物质分区和颗粒信息。

2）冰碛土物理力学试验。选取滑坡—泥石流—堰塞湖典型灾害区内不同高程处和潜在灾害路径上不同点位的岩土样进行取样。整理流域内的降雨、气温资料、空气干湿变化规律等，明确冻融循环的周期和单次冻融时间，确定流域内干湿环境赋存特征，制定针对性的室内岩土样物理力学试验方案。拟开展直剪试验、冻融循环试验、单轴压缩试验、SEM分析、X射线衍射、渗透性试验等。直剪试验获取冰碛土的剪切强度，冻融循环试验用于揭示冻融循环对冰碛土强度的劣化作用，单轴压缩试验用于获取冰碛土的应力应变特征，SEM分析可探究冰碛土材料微观结构的变化，X射线衍射试验可获得复杂气象条件下冰碛土材料化学成分的变化，渗透性试验可获取冰碛土内部的渗流特性。

3）大型物理模型试验。主要用于揭示降雨入渗影响下，力学参数劣化后的冰碛土滑坡的启滑及失稳机理，探究冰碛土滑坡的沿程铲刮效应，并研究冰碛土滑坡向泥石流灾害转变的动力灾变过程；同时，可探究冰碛土泥石流运动过程中暴雨山洪泥沙补给特征，以及水沙互馈作用机制。此外，可以利用大型物理模型试验揭示冰碛土堰塞坝的溃决特征，为模拟下游溃决洪水的演进过程提供初始条件参数。

4）数值分析。数值模拟分为滑坡—泥石流的动力灾变过程模拟、冰碛土堰塞坝成生过程反演、堰塞坝溃决冲刷过程模拟、溃坝洪水演进过程模拟4个方面。主要采用离散单元理论（DEM）和计算流体力学理论（CFD）相结合的方法实现水沙耦合作用的模拟。

5）理论分析。对于滑坡—泥石流的动力灾变过程、堰塞坝溃决冲刷过程及溃决洪水演进过程等问题，采用理论分析的手段进行研究。

4 研究进展

面向中国高原地区防灾减灾的实际需求，围绕冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链生动力演化机制与水沙耦合作用下堰塞坝冲刷溃决演进模拟预测等关键科学问题，目前已开展了冰碛土滑坡—泥石流动力灾变机制与运移模型的建立、滑坡—泥石流运动与堵江仿真模拟、堰塞坝冲刷溃决演进模拟等方面的前期探索和研究工作，并取得了一定成果。

4.1 冰碛土滑坡—泥石流运移与多期堵江机制

为揭示冰碛土滑坡—泥石流复杂的运动、堵江动力过程机制，开展了大量冰碛土滑坡—泥石流运移堆积或堵江成坝的现场勘测和大型物理模型试验。研究结果表明：受冰碛土细粒“土”和粗粒“石”二元结构特征影响，加之受融冰、融雪等复杂的气候条件作用，导致冰碛土滑坡在运动过程中兼具明显的离散性和流动性；冰碛物在运动过程中，基底物质在固相剪切力的作用下发生侵蚀效应，并在运动过程中逐渐与冰碛物发生掺混，造成冰碛土滑坡方量沿程逐步增加，同时内部固体冰雪逐渐碰撞融化为液相水，导致滑坡体的运动性进一步增加，对表层基底物质造成更严重的冲刷侵蚀，并形成超静孔隙水压，增大了冰碛土滑坡与基底物质接触表面形成表面润滑层的可能性，进一步扩大了冰碛土滑坡泥石流高速远程运动性，大致滑坡—泥石流堵江的概率及规模大大增加。

滑坡—泥石流堵江堆积形成堰塞坝的3维形态、内部物质结构特性与原始斜坡地质结构、动力运移过程及堆积河道地形均有很大关系，这方面的研究尚有欠缺。通过更加科学精细的现场调查、室内物理模型试验，揭示了冰碛土特殊的物质结构和动力运移过程，对堰塞坝堆积物质重构和形态响应的影响机制是未来的研究重点。

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝的另一个显著特点是具有显著的多期堵江叠加效应，冰碛土滑坡多发的河谷区域往往是形成多期堵江的摇篮。目前，针对滑坡多期堵江叠加效应已经开展了大量的现场调查和试验研究，如图7所示，结果表明，前（若干）期滑坡堵江事件对后续堰塞坝的几何形态与溃决洪水下游演进具有显著影响。一方面，前期形成的堰塞坝或其溃决残余堆积体在不同程度上改变了坝址河谷地貌和河床基质。被束窄、抬高的河谷缩减了后续滑坡物质的堵江堆积体空间，而覆盖着滑坡物质的河床、岸坡表面也通常变得更松散柔软，可成为后续滑坡入河堆积时的“软垫层”，吸收部分滑体能量，限制滑体快速向四周延展。该认识通过多次滑坡堵江模型试验得到了初步证实，揭示了前期滑坡堵江对后续堵江堆积体几何形态的影响规律。在总滑坡体积相同的条件下，滑坡堵江期数越多，堆积体形态越瘦高，即越容易形成高陡的堰塞坝（图7（b））。另一方面，若前期形成的堰塞坝已发生溃决，则被水流冲蚀并挟带的坝料会在一定距离的下游淤积、抬高河床，从而改变后续溃坝洪水对下游区域的洪水频率，增大后续溃坝洪水的灾害风险和破坏能力。

图7 滑坡多期堵江叠加效应Fig. 7 Superposition effect of multi-stage landslide blocking

由于冰碛土滑坡堆积物通常比普通土石滑坡堆积物更松散、细碎、易侵蚀，因此，冰碛土滑坡—泥石流多期堵江体系中的前期堰塞坝及其溃坝物质对后续堰塞坝的形成与溃决洪水演进很可能具有不同的影响机制。未来可通过开展更为精细的物理模型试验、数值模拟分析，更加深入地探讨冰碛土滑坡—泥石流多期堵江形成特性及其对溃决风险的影响机制。

4.2 冰碛土堰塞坝溃决机理

由于堰塞坝是由滑坡体自然堆积而成，没有人工土坝的规整几何形态和经机械碾压后的物质结构，因此其溃决过程具有独有的特征，与人工土石坝相比，冲刷溃决机制及下游洪水演进过程更为复杂多变。为更好地揭示滑坡堰塞坝的溃决演化规律，在天然河道开展了大尺度堰塞坝溃决试验，如图8（a）所示；并监测了溃决过程中溃口3维形貌演化情况，如图8（b）所示。研究发现，表面渐进侵蚀是溃决的主要侵蚀模式，根据不同的冲刷侵蚀特征，溃决过程可分为溯源侵蚀、溃口快速侵蚀、侵蚀衰减与河床再平衡3个阶段。溃口的横向拓展的模式受溃口形态与材料参数的影响。在溃决早期，溃口边坡的失稳模式为水流冲蚀坡脚导致的倾倒破坏；而到了中后期，边坡横向扩大是水流侵蚀与间歇性的边坡剪切破坏叠加作用的结果。通过总结堰塞坝的溃决演化模型，结合溢流水力学、边坡稳定性等多学科的理论方法和数学模型，提出适用于滑坡堰塞坝溃决的计算模型。

图8 大尺度堰塞坝溃决模型试验与溃口冲刷淤积监测Fig. 8 Large-scale field experiment of landslide dam breaching and monitoring of erosion and sedimentation for breach channel

然而，现有的大量试验和分析证明，堰塞体的形态结构、物质组成等因素对溃决过程与破坏机理有较大影响。尽管常规滑坡堰塞坝的溃决机理已经被充分研究，但由于冰碛土堰塞坝其材料结构的特殊性，以往对常规堰塞体或土石坝溃决的研究成果并不能直接应用于冰碛土堰塞坝的溃决。后续对冰碛土堰塞坝溃决的研究应该重点聚焦冰碛土材料的冲刷侵蚀与水流条件的关系，揭示冰碛堰塞坝与漫顶水流的水沙耦合作用机制。以多种比尺的溃决模型试验为方法，研究坝体内部冰雪消融与冲刷侵蚀的叠加作用机理，分析溃口的冲刷侵蚀放大机制。此外，还需关注冰碛土堰塞坝溃决的理论模型，通过试验结合现场监测，总结出溃决过程中的溃口演化规律，以冰碛土冲蚀特性和水沙耦合机制为基础，结合水力学和土力学等多学科的理论方法和数学模型，开发适用于冰碛土堰塞坝溃决的数值模拟方法，为冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害的应急抢险和防灾减灾工作提供科学参考与重要保障。

4.3 冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝灾害链全过程模拟

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成全过程涉及非常复杂的动力演化过程，包括降雨、冰川消融等条件下产生高速运动的山体滑坡；由于冰碛土特殊的组成构造使其具有致密性、弱透水性及遇水软化性等特点，使得冰碛土滑坡具有复杂的固相与液相的物料结构，同时，形成的泥石流及堰塞坝各阶段遵循着不同的物理演化机制、不同的初始条件与边界约束情况，各阶段之间的有机结合会在很大程度上扩大灾害链的影响范围、增大致灾损失。冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链各阶段的转化关系、相互影响情况及冰碛土在运移过程中复杂的水土耦合过程机理尚不明确。

在后续研究中，拟基于流体力学、土力学、弹塑性力学等基础理论，开展冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成全过程的物理力学机理研究。结合室内物理模型试验，研发基于离散单元法与计算流体力学法相结合的流固耦合数值模型，如图9所示，揭示冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝的孕育—运移—停积过程中冰碛物与岩土体之间物质迁移、性态转变、能量转换等力学相互作用机理。同时，基于堰塞坝冲刷溃决经验模型与浅水方程建立冰碛土滑坡孕育与破坏物理力学模型、泥石流产生与演进传播物理力学模型与堰塞坝冲刷溃决和洪水演进物理力学模型，分别描述灾害链各阶段时空演化规律中灾害链间链生机理，确定灾害链过程中灾害效应放大等过程的关键控制因素，实现各灾害物理力学模型无缝连接，构建冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝形成与溃决演化全过程模拟的数值仿真平台。为山区灾害防治、灾害范围定量预测、灾害应急处置等工作提供重要支撑。

图9 水土耦合模拟算法Fig. 9 Water-soil coupling simulation algorithm

5 结 论

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖是一个级联放大的链式灾害过程，涉及滑坡起动、运动性态转变、沿程侵蚀放大、多期堵江叠加、溃坝水沙耦合等复杂动力演化机制。中国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验，但是针对复杂气象条件下冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。其中，揭示冰碛土滑坡—泥石流—堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害有效防控的关键。本文结合国内外冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖形成与溃决的相关研究现状，提出冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害需要关注的若干重要研究方面，并开展了大量探索和前期研究工作，初步揭示了冰碛土滑坡—泥石流运移与多期堵江机制，构建了能考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型，并探讨了冰碛土—滑坡—泥石流—堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制，构建灾害链过程的控制性理论模型，开发全过程数值模拟系统奠定了基础。