冰雪型地质灾害链高位萌生、动力溃散及物相转化过程剖析

申艳军， 陈思维， 张 蕾， 马鹏辉， 田思思， 马 文

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054； 2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西西安710054；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054； 4.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054； 5.生态地质与灾害防控自然资源部重点实验室，陕西西安710054）

0 引言

高寒山地区正成为我国重大工程建设的主战场。随着川藏铁路、中尼铁路、中巴喀喇昆仑公路、天山南北公路、南水北调西线工程等重大工程持续推进，高寒山地区面临诸多冰雪型地质灾害问题。据彭建兵等［1］、薛翊国等［2］研究表明：以川藏铁路为代表的环青藏高原边缘高寒山地区山高谷深、沟壑纵横，区域断裂带发育密集，切割破碎强烈，导致高位岩崩、冰碛物堆积滑坡、冰碎屑流、冰湖溃决泥流等浅表层地质灾害广泛发育，成为我国山地灾害最活跃、类型最齐全、危害最严重的地区之一，严重威胁着上述重大工程建设与后期安全运营。此外，高寒山地区作为全球气候变暖的放大器［3］，气温升高趋势明显，导致微环境水热迁移活动加剧，与之密切关联的冰雪型地质灾害加速发生。而国内外相关高寒山地区（如：阿尔卑斯山脉、冈底斯山脉、喜马拉雅山脉等）均表现为：随着全球气候变暖，冰雪型地质灾害呈现加剧发生的趋势［4］。

冰雪型地质灾害受高位发育、势能转化、动力侵蚀作用影响，往往呈现出典型的灾害链特征。如：2021 年2 月7 日，印度查莫利北部发生高位冰岩山崩堵江溃决洪水灾害，其初始崩滑体由4 组大型结构面切割而成，体积约2.3×107m3，该高位崩滑体先后经历失稳、解体溃散后，叠加周围水分补充以碎屑流形式沿沟谷向下高速运动，并在地形急变带堆积且形成堰塞坝；而后堰塞坝体溃决后形成山洪灾害，呈现了较为完整的冰雪型地质灾害链特征［5］。再如：2000 年4 月9 日，西藏波密县易贡发生巨型高速滑坡，该滑坡先后经历了“高位滑动→碎屑流→土石水气浪→泥石流→次级滑坡”链生转化过程，自5 520 m 高程雪山产生向下高速滑动，滑程长达8 km，最终堆积于约2 190 m 高程的易贡藏布江，形成坝高54 m、长约2 500 m、体积约2.8×108～3.0×108m3的巨型堰塞湖［6］。可见，冰雪型地质灾害存在典型的链动演化特征，关注高寒山地区地质灾害需重点关注其链生特征及对应的灾害转化机制。

目前，围绕冰雪型地质灾害链生效应及机制研究已取得一定进展。如：崔鹏等［7］基于1930—2010年青藏高原区山地灾害统计实例，分析了气候变暖对青藏高原山地灾害的影响。发现：随着气候变暖，冰湖溃决、冰川泥石流等冰雪型地质灾害趋于活跃，且灾害链生特征明显，具体表现为时间和空间上的延拓性，特别是在藏东南地区表现出受雨热同期的气候特征控制的链动现象。李秀珍等［8］对川藏交通廊道康定至林芝段地质灾害空间分布特征进行归纳发现：该区域地质灾害普遍存在由滑坡、崩塌向洪水、泥石流等灾害转化的链生放大现象。黄勇等［9］将川藏铁路沿线灾害链主要类型分为：崩塌—滑坡—碎屑流—堵江堰塞坝—溃坝洪水、滑坡—碎屑流—堵江堰塞坝—溃坝洪水、泥石流—堰塞湖—溃决洪水、冰崩—冰湖溃决—泥石流—堰塞湖—溃决洪水4 类，并探讨不同类型下的针对性工程防控措施；邓建辉等［10］围绕青藏高原重大滑坡及其灾害链的动力学机制开展研究，通过建立的高速远程滑坡启动—运动—堆积全过程物理模型和数值分析平台，揭示该类滑坡堵江与溃决洪水演进机制。但总体而言，现阶段研究主要侧重于冰雪型单体地质灾害，系统开展该地质灾害链研究尚显不足，特别是围绕冰雪型地质灾害存在典型的高位萌生、动力溃散及物相转化链动过程及演化规律研究较少，对应的链生机理认知不全面、评价模型不完善；因此，立足于现阶段“单一灾种防御向综合灾种防御转变”的防灾减灾思路，亟待围绕该领域开展系统研究工作。

据此，本文首先对高寒山地区冰雪型地质灾害典型链式组合关系予以剖析，并对冰雪型地质灾害高位萌生、动力溃散及物相转化分阶段特征及内在机制进行分析，明确了冰雪型地质灾害的“高位萌生→位能转化→侵蚀铲刮→滑移堆积”累积链生放大机理。同时，对冰雪型地质灾害链各演化阶段进行评价模型梳理，以期为后续开展冰雪型地质灾害链动态演化评价提供借鉴与参考。

1 冰雪型地质灾害典型类型、特征及链式组合关系

1.1 冰雪型地质灾害典型类型及特征

环青藏高原边缘山地区是全球低纬度地区现代冰川最为发育的地区，主要集中分布在青藏高原南缘的喜马拉雅山、念青唐古拉山、喀喇昆仑山等高寒山地区［11］。据第一次、第二次冰川编目数据［12］，20 世纪60 年代以来，我国约82%的冰川处于退缩状态，面积退缩量超过10%，尤其90 年代以来退缩加剧，导致冰雪型地质灾害呈现加速发育特征。本文以环青藏高原边缘山地区为对象，对冰雪型地质灾害常见类型（图1）及典型特征梳理如下：

图1 高寒山地区冰雪型地质灾害典型类型Fig.1 Typical types of ice and snow geological hazards in the alpine regions：ice rockfall（a）；snow rockfall（b）；ice and snow debris flow（c）；moraine accumulation landslide（d）；glacial lake outburst（e）；glacier debris flow（f）

（1）冰岩崩

冰岩崩（I 类）指原位巨厚冰或岩体因冻胀、开裂等脱离母体从冰川陡峻处倾倒、崩塌、滚落、滑动的现象，多发生于冰川末端或高位陡峭岩体［13-14］。冰岩崩发生与气候变化有关，同时也与冰川跃动、冰川断裂崩解或区域地震等因素存在关联。冰岩崩体作为由冰、雪、岩、水及空气等多相物质组成的碎散物集合体，结构极为复杂，固相含冰体、冰碛、岩块等，液相主要由冰雪融水组成；在冰岩崩运动过程中，通常会夹带大量陡峭坡体裸露岩块及裹挟冰雪块体等，由于基底摩擦和内部液化等各种作用，各相态之间发生着互相转化，使得冰岩崩体的物质组成不断发生变化［15-16］。此外，冰岩崩主要发生于大量降雪的秋冬季节和春季融雪开始时期，具有暴发突然、速度快、崩塌量大、致灾效应明显等特点，且极易形成链式反应引发后续次生灾害［17］。

（2）雪岩崩

雪岩崩（II类）指高位陡峭坡体厚积雪在一定作用下产生崩裂滑动，并对山坡积雪或岩体进行切削裹挟，引起雪体或岩体快速崩塌的地质灾害［18］。雪岩崩按发生后的地貌形态和运动形式，可分为沟槽型雪岩崩和坡面型雪岩崩；而按发生气候类型及季节特征，可分为干雪岩崩和湿雪岩崩，其中，湿雪岩崩由于雪层中含水量较高，导致崩出距离大。每年春季融雪期间是雪岩崩的高发期［19］，主要致灾因子为：坡度、积雪深度（雪深＞70 cm 常伴随大型雪岩崩）、气温和风力作用。此外，雪岩崩具有突发性强、速度快、冲击力大、破坏力强、直进性强等特点，同时，雪岩崩往往还会引起山体滑坡和泥石流等次生灾害。

（3）冰雪型碎屑流

冰雪型碎屑流（III 类）指高寒山地区陡峭斜坡因冰（雪）岩崩或滑坡解体后而形成的冰屑、雪、岩土颗粒混合体而产生塑性高速流动的地质灾害［20-22］。因高位冰（雪）岩崩动力破碎而产生的碎屑化流动现象，一般而言，其初始物质主要来源于高位冰崩或岩崩，并在下滑过程中裹挟岩屑和积雪演变为冰雪型碎屑流。对应的影响因素包括：斜坡坡度、崩落高度、斜坡堆积物状态及周边融水情况；此外，其往往伴随地震、暴雨、极端天气等触发因子而发生，呈现典型的复合型地质灾害演化特点［23］。因其高速滑动及大量融水掺入，导致其存在明显的气垫效应及滑面润湿效应，可促使其产生远程滑动，具体特点为：超高速（最高可达250 km·h-1［24］）、方量大、滑距远、准周期性等。

（4）冰碛物堆积滑坡

冰碛物堆积滑坡（IV 类）指高寒山地区斜坡冰碛物堆积体在地震、强降雨、融雪冲刷及人为工程活动等影响下，沿着下覆融-冻界面富水层发生整体或分散性滑动的地质灾害［25-26］。冰碛物堆积体是由冰川搬运作用消散、停滞后而形成的一种夹带岩屑的沉积产物，因此，具有如下两大特点：①组成成分多为岩土碎屑物，颗粒分选性极差，不存在层理结构或定向排列特征；②堆积物磨圆度差，多呈现棱角状发育；因其外观形态的复杂性导致堆积物结构松散、稳定性极差。因其组成物质及结构形态的特殊性，导致该类滑坡发生形态、滑动面等与常规岩质滑坡、土质滑坡存在明显不同，具体体现为：①冰碛物堆积滑坡发生规模具有一定随机性，其受到冰碛物密度、黏聚力和内摩擦角等综合作用影响；②该类滑坡滑动面受到冻融外营力作用影响显著，多沿着下覆融-冻界面富水层发生，而该富水层空间发育与微环境气候影响深度存在较强关联；③受高寒山地区高山峡谷地貌影响，冰碛物堆积滑坡往往具有高速远程及物相转化等特点。

（5）冰湖溃决

冰湖溃决（V类）指高寒山地区冰川湖、冰碛湖、冰坝湖等在外界扰动作用下出现排水倾泻或坝体垮塌而形成的地质灾害［13］。该类地质灾害具有典型的诱生性与突发性特点，具体而言，其往往由于高位冰（雪）岩崩、冰碛物堆积滑坡等灾害发生涌入而后续产生；同时，其受到的外部冲击力大于冰湖或冰坝体自身的抗溃力时［27］，产生突发性溃决。其中，溃决山洪是冰湖溃决最直接的链生结果。崔鹏等［28］将冰碛湖溃决起因分为两类：①因堤坝破坏而溃决；②因漫顶而溃决。其中，后者是更为常见的溃决模式。据调研数据发现：随着全球气候变暖，冰湖溃决（多数为冰碛湖）发生频率明显升高。20世纪以来，我国青藏高原及周边地区发生冰湖溃决数量达到277 次，其中冰碛湖溃决113 次，冰坝湖溃决164 次，达到了近50 年最高水平［29］。该类灾害因诱发形成，往往呈现典型的链生放大效应，即由冰（雪）岩崩、冰碛物堆积滑坡等诱发而发生，而且其发生后往往转化为碎屑流或泥石流，具备形成次生地质灾害的较高风险。

（6）冰川型泥石流

冰川型泥石流（VI 类）指在冰川进退变化及积累消融引起的冰（雪）岩崩、冰雪型碎屑流等动力地质灾害后，因大量水分参与或细颗粒裹挟而产生的黏滞性泥流地质灾害［30］。按照高寒山地区冰川型泥石流初始物质来源不同，可分为冰雪融水型泥石流、冰（雪）岩崩型泥石流、冰湖溃决型泥石流等。冰川型泥石流处于冰雪型地质灾害的“下游”，发育海拔相对较低，但因物相转化影响往往灾害波及范围极大，可达数十千米外的下游开阔河谷地带。该类灾害的产生条件包括：丰富的碎屑物质、充足的补水来源、相对陡峭坡度及开阔的U 形谷地貌面。冰川型泥石流的显著特征为：首阵能量强、形成规模大、暴发突然、活动性强、流动时间长、动荷载巨大、往往表现为大冲大淤等［31］。

1.2 冰雪型地质灾害典型链式组合关系剖析

据上文冰雪型地质灾害常见类型归纳可知，该区域地质灾害往往具有链生特征。笔者基于前人相关研究及调研资料，将其主要链式组合关系分为3 种：①冰岩崩→冰湖溃决及溃决山洪→冰川型泥石流；②冰岩崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及溃决山洪；③冰碛物堆积滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流；具体剖析如下：

（1）冰岩崩（I类）→冰湖溃决及溃决山洪（V 类）→冰川型泥石流（VI类）

图2为“冰岩崩→冰湖溃决及溃决山洪→冰川型泥石流”地质灾害链演化过程示意图，具体包括：冰岩崩（I类）→冰湖溃决及溃决山洪（V 类）、冰湖溃决及溃决山洪（V 类）→冰川型泥石流（VI 类）两阶段，其演化过程详细阐述如下：①I 类→V 类演化过程为：冰岩体因高位冰川体或岩体内部主控裂隙崩裂或冻胀发生损伤贯通，进而变形失稳引发冰岩崩（I类）。冰岩崩体高位剪出后沿斜坡坠入湖内，掀起涌浪，使冰湖水面急剧上升，形成高于溢出口的溢流水头，当溢流流速大于溢出口泥沙的起动流速，溢流冲刷、下切终碛堤。若堤坝下切速率大于溢流导致的湖水水位下降速率，则溢流口水头会随下切而增加，流速进一步增大，冲刷与下切作用增强，造成冰湖在局部堤段瞬时溃决［28］。而多次局部瞬时溃决引发冰湖全面溃决，形成溃决山洪（V 类）。②V 类→VI类演化过程为：溃决山洪（V类）沿山坡、沟道下泄途中不断卷入冰雪、碎石、泥沙等松散堆积物，大量硬固体混入使得山洪运动能力倍增，逐渐由水石流转为稀性泥石流（紊流型泥石流），随着固体含量的增加，由稀状转为黏稠状，形成黏性泥石流（VI类）。此外，冰川型泥石流可能会堵塞河道形成堰塞湖，堰塞湖溃坝又形成溃决山洪，二次溃决产生“流量放大”效应，从而加剧和延长灾害的链式演进。

图2 冰岩崩→冰湖溃决及溃决山洪→冰川型泥石流链式演化过程示意图（据文献［32］修改）Fig. 2 Schematic diagram of chain evolution process of ice rock avalanche→ice lake outburst and outburst mountain flood→glacial debris flow（Modified according to reference［32］）

（2）冰岩崩（I 类）→冰雪型碎屑流（III 类）→堰塞湖及溃决山洪（V类）

图3是该类地质灾害链的演化过程，具体包括：冰岩崩（I 类）→冰雪型碎屑流（III 类）、冰雪型碎屑流（III 类）→堰塞湖及溃决山洪（V 类）两个阶段，详述如下：①I 类→III 类演化过程为：冰岩体在重力及主控裂隙卸荷作用下发生高位崩塌，引发冰岩崩（I类），在崩落过程中因碰撞、挤压、铲刮、磨损等逐渐解体破碎散落，途中裹入积雪、碎石、冰碛物等，以及周边高山融水的不断补给，最终转换为冰雪型碎屑流（III 类）；②III 类→V 类演化过程为：冰雪型碎屑流（III 类）继续沿山坡或沟道快速滑动，沿途发生铲刮与裹挟效应，导致冰雪、岩土、水多相混合碎屑体的体积增大，长距离滑动后，堵江截河形成高位堰塞湖（V 类）；而堰塞湖蓄满后瞬间外溢或堰塞坝逐渐被冲切破坏，产生堵溃放大效应并形成溃决山洪（V 类）。此外，溃决山洪可能汇入主河道形成流域性大型或特大山洪。

图3 冰岩崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及溃决山洪演化过程示意图Fig.3 Schematic diagram of evolution process of ice rock avalanche→ice and snow debris flow→barrier lake and burst mountain flood

（3）冰碛物堆积滑坡（IV 类）→冰雪型碎屑流（III类）→冰川型泥石流（VI类）

此类地质灾害链源头多发生于高寒山地区陡坡冰碛物堆积侵蚀面上，具体包括：冰碛物堆积滑坡（IV 类）→冰雪型碎屑流（III 类）、冰雪型碎屑流（III 类）→冰川型泥石流（VI 类）两个阶段（图4），详述如下：①IV 类→III 类演化过程为：冰川巨大的刨蚀和搬运作用，使得高山陡坡或深切沟谷内堆积有大量冰水沉积物、岩屑、黏土等冰碛，在冰雪融水径流、强降雨、地震等诱发因素作用下失稳滑动，形成冰碛物堆积滑坡（IV 类）。由于冰碛物组成物质及结构的复杂性，往往会在滑动过程中快速解体为散体结构，加之周边冰雪融水及降水补给，混杂转化为多相碎屑流（III类）；此外，该阶段演化尚存在类似于如上链式组合关系1（冰岩崩→冰湖溃决及溃决山洪→冰川型泥石流）的碎屑流发育特征。②III类→VI类演化过程为：随着融水、松散堆积层内潜水及降雨等持续提供水动力作用，冰雪型碎屑流（III 类）会进行瞬时高速流动，并短时间内冲出沟口，在途中夹带大量碎石、黏土及崩坡积物等固体物质，形成稀性泥石流，随着固体物质含量的增加，黏滞力和黏度增大，进而演化为黏性泥石流（VI类）。演化过程中若有支流山洪汇入或强降雨补给时，会快速演变为大型或特大型泥石流。

图4 冰碛物堆积滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流演化过程示意图Fig.4 Schematic diagram of evolution process of moraine accumulation landslide→ice and snow debris flow→glacial debris flow

2 冰雪型地质灾害链高位萌生、动力溃散及物相转化过程剖析

冰雪型地质灾害具有外营力驱动、高位萌生、高势能转化、高速运动、远程堆积等典型特征，使得该类地质灾害呈现明显的链式放大成灾特征，与低海拔区传统型地质灾害链存在显著差异。据此，笔者将冰雪型地质灾害链定义为：发育于高寒高海拔山地区，并受控于高位表岩体地质动力作用、高寒冻胀或冻融环境的内外耦合共生作用，呈现“高位萌生→动力溃散→物相转化”的链式演化过程，导致灾害体产生“连续性固相→碎散性固相→黏滞性流相”多相多级转化的特殊地质灾害链。

表1为冰雪型地质灾害链与低海拔区传统地质灾害链区别对比结果。从表1 可知，其内外耦合共生特征体现在其致灾体、致灾因子及孕灾环境受到高寒山地区内外环境作用的共同影响；而链式放大成灾特征体现在冰雪型地质灾害链呈现时间相接、空间相连、链式演进、逐渐放大等特点［32］，相较低海拔区的地质灾害链式放大作用显著，使得破坏力和波及范围远超低海拔区传统地质灾害。

表1 冰雪型地质灾害链与低海拔区传统地质灾害链评价要素及特点差异Table 1 Differences in evaluation elements and characteristics between ice snow geological disaster chain and traditional geological disaster chain in low altitude areas

基于前文的冰雪型地质灾害典型链式组合关系及链生特征分析，笔者将冰雪型地质灾害链细分为：高位萌生、动力溃散及物相转化3个阶段，其中，高位萌生为高寒高海拔区该类地质灾害初始孕灾环境条件；动力溃散进一步包括碰撞溃散与侵蚀铲刮两个阶段；而物相转化多发生于该灾害链的中后段，涵盖了侵蚀铲刮与滑移堆积两个阶段，主要体现为水分强补给而引起的灾害由固相向黏滞性流相转化。笔者详尽梳理了冰雪型地质灾害链高位萌生、动力溃散及物相转化全过程（图5），以下围绕冰雪型地质灾害链萌生、溃散及物相转化过程逐一剖析。

图5 冰雪型地质灾害链高位萌生、动力溃散及物相转化过程示意图Fig. 5 Schematic diagram of high-level initiation，dynamic collapse and phase transformation of ice and snow geological hazard chain

2.1 高位萌生过程剖析

图6为冰雪型地质灾害高位萌生诱发条件系统归纳，可见，该过程存在明显的内外耦合共生萌生特征。具体而言，高位萌生的内生动力条件包括：板块运动、构造地震、高原隆升、区域构造应力、岩体节理发育且切割破碎，可归纳为控灾构造、孕灾地层两部分。而外营力条件主要有：低温环境、结冰冻胀、卸荷拉张作用、冻融侵蚀及人类工程营力，主要体现为孕灾环境的改变。其中，主控因素为气温升高（增暖）与融水增多（变湿）；“增暖”引起了高位岩体或冰川体局部融化，导致冰岩或冰川体表面形成裂隙延伸或引起主控裂隙贯通；而“变湿”则会加剧冰川的水-热迁移，并导致局部化水分积聚，形成典型的融化软弱面，客观加快了冰川运动速度［34］，并导致了潜在高位灾害体的萌生概率［35］。

图6 冰雪型地质灾害高位萌生诱发条件总结（据文献［36］修改）Fig. 6 Summary of inducing conditions for high-level initiation of ice and snow geological disasters（Modified according to reference［36］）

气温升高导致冰川体或岩体表面挂冰消融加剧，为高位灾害体水热迁移及软弱面形成提供了初始驱动条件。具体而言，一方面，气候变暖导致冰川体局部萎缩、融冰与融雪现象加剧，并导致雪线及冰线上移，而融冰与融雪过程加剧了高位灾害体的水热活动，并最终引发冰（雪）岩崩灾害。另一方面，多年冻土区退化，冻融循环及增湿作用加剧，导致岩土体强度和稳定性降低，最终失稳引发崩塌、滑坡灾害。

冰雪融水为该类灾害萌生提供重要的水动力，主要表现为运移和侵蚀。首先，渗入雪层的融水在热力、压力及重结晶等作用下形成冰川冰，其在上覆冰雪压力作用下转为塑性体发生塑性流动，形成塑性流动层。然后，成冰型融水在冰层表面形成小量径流，当冰的纵向应变力超过临界断裂韧性时，形成冰裂缝［37］，融水对冰裂缝的侵蚀切割作用加剧，导致冰裂缝进一步扩展与贯通，致使冰雪体强度降低，进而失稳发生冰（雪）岩崩灾害。其次，覆冰表面径流不断聚集形成冰面河（湖），并以热力侵蚀为主下切冰雪岩体，致使冰内及冰下水压升高。当达到极限时，以溃决排水方式释放压力［38］。进而，表面径流型融水渗入内部使冰岩体液态水含量增大、内摩擦角和黏聚力降低、受力条件改变［39］，导致冰岩体强度和稳定性下降，引发冰（雪）岩崩灾害。另外，融水也可入渗至冰体内部原有重力裂缝，造成裂缝贯通，冰雪体进而断裂失稳。最后，内部入渗型融水渗入冰层底部形成润滑掏蚀型融水，其大大降低了冰层与冰床基岩的摩擦力，驱动冰层产生滑动，加快了冰川运动速度。因上部冰川呈刚性，遇到地形凹凸不平和折弯时，冰川上部冰层极易产生冰裂隙，导致冰岩体失稳，引发冰岩崩灾害。显然，冰雪型地质灾害的高位萌生为其动力溃散提供了必要条件。

2.2 动力溃散过程剖析

能量条件是致灾体起动和运动的重要驱动力［39］。冰雪型地质灾害启动时，致灾体具有高位能，同时，其由于内生动力及外营力作用积蓄了大量弹性应变能［40］。当致灾体高位剪出时，维持致灾体极限平衡的内应力和弹性应变能得到瞬间释放，产生应力波，使其具有瞬时高动量和初始动能，并产生启动加速度。

碰撞与破碎是致灾体链式演化的关键和普遍过程［41］。高位剪出后，在滚落和倾覆过程中80%以上的高位能转化为强动能［42］，且在坡度大的地段惯性加速（通常＞20 m·s-1），流滑加速效应明显，致灾体转为高速流滑体。首先，高速流滑体反复撞击下部山坡基底，造成山坡基底发生弹塑性及弹脆性变形破坏［22］。崩滑过程中产生气浪冲击波对周围坡体、岩体等形成连续高能碰撞，巨大的外应力作用导致高速流滑体逐渐解体为流线型结构的破裂体。其次，在动态破裂过程中，释放的弹性应变能引起各向同性分散应力，破裂后岩块的动能形成弥散应力［47］，促使底部摩擦力降低（减阻作用）。同时，摩擦力做功会产生大量热能，释放的热量将基底层中的水分汽化，也会对破裂体的运动起到减阻作用。另外，由于高速运动压缩周围空气，产生气垫效应并形成气垫层，对破裂体运动起擎托作用（空气升力作用）。简而言之，在碰撞和破碎过程中，减阻作用和擎托作用共同使下滑距离延长。

侵蚀铲刮是致灾体累积链生放大的核心阶段。破裂体继续碰撞、剐蹭，并与山坡相互掏蚀和侧蚀，使其进一步破裂解体为碎屑体。因冲蚀效应逐渐导致碎屑体运动速度适度减缓，动量和动能随之减小。之后，碎屑体对山坡产生铲刮力，当岩土体抗冲击剪切小于滑动冲击力时，产生铲刮效应，持续加载铲刮下伏和侧缘岩土体进而形成深度高达几十米的铲刮层［43］，使得碎屑体体积和流量明显增大。当体积大于一定值时（存在尺寸效应），碎屑体的运动具有明显的流态化特征，转为管柱型碎屑流［44-45］。与此同时，由于铲刮层的驱动区推挤被动区（前部堆积物），产生隆起或翻抛（即推覆），两侧和前缘会形成堆积和鼓胀凸起［43］，也会使得碎屑体体积增加，且翻抛会使得堆积物层次上下倒置，出现反粒序现象［44-45］。进一步向下铲刮斜坡表层，山坡会形成类似犁沟、犁槽形的犁切沟槽。运动到斜坡下部，沟道含水量增加，产生剪切液化效应，润滑作用使得摩擦力降低，剩余驱动力和累积冲量使得下滑距离进一步增加。且下游坡度变缓，加之地形开阔，进一步溃散使其散落化，形成扩散型碎屑流。因此，以上所述动力溃散为链式演化后期物相转化奠定了物质基础。

2.3 物相转化过程剖析

动力溃散过程形成的碎屑颗粒堆积体具有结构松散的特性。在强烈消融作用下形成大量融水，首先，融水包裹在颗粒表面形成具有润滑作用的水膜，使得抗剪强度降低［46］；其次，融水沿孔隙不断渗入堆积体内部，使得内部渗流运动加强，导致堆积体结构和受力条件改变。具体而言，一方面，内部摩擦特性改变、颗粒层间压力减小；另一方面，内部孔隙增加、骨架结构松散、稳定性降低。随着水分大量补给，堆积体内部含水量趋于饱和，其下部几乎处于不排水状态，形成超孔隙水压力，导致表层颗粒力链结构大幅弱化，甚至发生液化现象。

融水继续下渗，使得下部和两侧岩土体处于浸润状态，产生浮力作用，且体积出现一定膨胀，导致岩土体物相特征发生变化。具体表现为：①因胶结度、内摩擦角和内聚力降低，岩土体结构变得松弛，强度降低；②因渗透压力、径流剪切力增大，岩土体开始出现明显的应变软化现象，偏应力快速降低到接近零值，岩土体表现出类似于流体的特征。随着融水持续渗透、汇流等，形成一定深度的地表径流［47］。地表径流具有强烈冲刷作用，当超过临界水流切应力时，形成启动拖曳力，下部和两侧泥沙颗粒会快速从静止状态转入运动状态。

由于水动力、冲击力以及流体的拖曳力协同作用不断侵蚀、掏蚀坡脚和沟道等，沿途不断裹挟大量新物源，并与原有上游物源汇聚混杂，固液两相耦合作用形成水石流，持续侵蚀、夹带固体物质，使水石流转为稀性泥石流，泥石流内部颗粒不断碰撞、摩擦，粗颗粒持续堆积，逐渐形成剪胀现象。持续的物质补充使稀性泥石流转为黏性泥石流，黏滞性增大，转为黏弹性非牛顿流体，上述过程体现了固体向固液两相流体再到黏滞性多相混流体的物相转变。另外，下游地势变缓，外加黏滞力增大，使得速度减小，转为缓慢推移、滑移运动，由于泥石流底层具有吸附作用，多相物质大量运移和聚集，使得体积变大，形成混合相态流体，最终停滞转为固结堆积体。若下游存在河道或沟道等，泥石流会产生河道或沟道堵溃放大现象。基于上述冰雪型地质灾害链高位萌生、动力溃散及物相转化过程剖析，梳理出冰雪型地质灾害链动演化过程及机理如表2。

表2 冰雪型地质灾害链动过程及内在机理Table 2 Chain process and internal mechanism of ice and snow geological hazards

3 冰雪型地质灾害链不同阶段评价模型分析

该部分围绕冰雪型地质灾害链不同阶段评价模型进行归纳总结，具体包括：（1）高位萌生→位能转化段；（2）位能转化→侵蚀铲刮段；（3）侵蚀铲刮→滑移堆积段。对应的相关评价模型概述如下：

（1）高位萌生→位能转化段

该阶段存在高位崩滑、高能碰撞、惯性加速、势动转化等演化特点，可采用新型破碎-扩散模型、Flores 接触力模型、Hertz 接触模型、颗粒力链破碎模型、冲击加载模型等进行评价。本文结合具体链动特征，选用新型破碎-扩散模型和Flores接触力模型表征此阶段。其中，新型破碎-扩散模型适用于岩体的动态动力断裂破碎，如：崩滑体与基岩的相互撞击、崩滑体内部各块体之间的碰撞、岩体断裂解体、连续碎屑化等；Flores 接触力模型的滞后阻尼因子会随恢复系数的减小而剧烈增大，其适合于小恢复系数场合和完全非弹性碰撞问题［50］。

①新型破碎-扩散模型［48］：该模型认为破碎是一个能量吸收过程，并将崩滑体的动态破碎程度认为是量化运动过程中能量消耗的重要参数，其控制着运动距离，且破碎化过程受源区岩体结构的控制作用，与运动路径的起伏程度密切相关［式（1）～（2）］。该模型表明：崩滑体的动力破碎过程显著抑制了其整体的运动性，但同时动力破碎这一力学过程可以引起额外的扩散速度，促进崩滑体前端的运动，并认为这一现象是块体破碎的弹性应变能释放效应。该模型可以预测冰岩崩、碎屑流的运动距离，即可计算致灾体的危害范围。

式中：Lcm为质心的运动距离，m；Lt为质心前端运动距离，m；Br为相对破碎率，%；Sf为破碎扩散系数；Kf为破碎能耗效率，%；μ是基础摩擦系数；g为重力加速度，m·s-2。

②Flores 接触力模型［49］：该模型基于Hertz 接触碰撞模型和滞后阻尼因子的接触力模型。碰撞的能量损耗是岩石断裂动力学的核心问题，该模型认为接触碰撞过程中的动能损失，一方面可以表示为恢复系数和初始碰撞速度的函数，另一方面是由接触力曲线中的滞回环决定的。该模型可反映能量的转化与损失，并根据系统碰撞过程中线性动量守恒，得出碰撞过程中的能量损失主要由内部阻尼造成。

能量损失表达式：

滞后阻尼因子和接触力的表达式分别为：

式中：χ为滞后阻尼因子；cr为恢复系数；δ̇和δ̇()-为接触速度和初始接触速度，m·s-1；；δmax为最大压入量，MPa；FN为接触力，N；K为广义刚度参数；δ为接触体之间的相对法向变形量，MPa。

（2）位能转化→侵蚀铲刮段

该阶段存在能量分散、铲刮岸坡、体积增大等演化特点，可采用颗粒流模型、空气润滑模型、犁切模型、能量传递模型、摩擦剪切模型、摩擦-流动模型等进行评价。本文结合具体链动特征，选用颗粒流模型、空气润滑模型及犁切模型描述此阶段。颗粒流模型受“尺寸效应”限制，适用于密集的、具有流态化特征的颗粒状流动体；空气润滑模型适合于空气封闭条件较好的高速远程碎屑流运动；犁切模型则适用于下伏土质堆积物的动力侵蚀过程。

①颗粒流模型［51］：该模型认为碎屑流高速远程效应是其底部剪应力、碰撞力和自身重力共同作用的结果。在运动的过程中，底部颗粒对上部碎屑颗粒施加向上的碰撞力，碎屑底部的碰撞、剪切会导致其体积局部膨胀，这种膨胀会导致块体之间、块体与表面之间的摩擦系数降低；同时，当碎屑流的运动速度最够大时，底部的颗粒向上施加的碰撞力足够大，能平衡上部颗粒重量，也会使得碎屑流受到的地面摩擦力大大减小。因此，碎屑流能够高速远程运动。

式中：P为粒间正应力，N；T为粒间剪应力，N；σ为颗粒密度，g·cm-3；λ为颗粒的线浓度；D为颗粒半径，m；du/dy为剪切速率，m·s-1；φ为粒间动摩擦系数；W为单位厚度容重，N·m-1；h为碎屑流厚度，m。

②空气润滑模型［52］：该模型认为在崩滑体剪出下落的过程中，下部与坡面之间圈闭了大量的空气，当与山体碰撞解体破碎以后，碎屑流的底部颗粒与圈闭空气充分地混合而形成“流化床”，气体与固体颗粒之间的作用取代了固体颗粒的粒间碰撞而成为力的主要传导方式。当碎屑流中每一点的空气压强能够平衡该点的固体颗粒的重量时，碎屑物质被完全流化，这时碎屑流施加给坡面的有效正应力几乎为零，且碎屑流受到的地面摩擦力几乎为零，因此碎屑流能够高速运动。

③犁切模型［43］：该模型引入犁切厚度、阻力、体积等运动特征参数，将高位远程致灾体划分为多个可变形运动滑块（图7），滑块在运动过程中会产生铲刮力，形成铲刮层。根据牛顿第三定律，铲刮力和堆积物的抗剪力平衡，其中，堆积物中铲刮层的抗剪力不仅包含铲刮层底部抗剪阻力，还包括铲刮层推挤前部堆积物受到的阻力。该模型实质是一种因犁切作用导致的体积增量计算方法，可对体积放大效应的程度进行具体力学表达。

图7 犁切模型滑坡简化及原理示意图［43］Fig. 7 Simplified and schematic diagram of plough cut landslide model［43］：schematic diagram of sliding block（a）；schematic diagram of principle（b）

堆积物抗剪力公式：

犁切体积计算公式：

式中：Tsi为铲刮层底部剪切阻力，N；Pfi为犁切阻力，N；k为土壤比阻，kN·m-2；Ai为犁切断面面积，m2；φ为堆积物的倾角，（°）；di为铲刮层实际厚度，m；L为滑动距离，m。

（3）侵蚀铲刮→滑移堆积段

该阶段存在物相转化、黏滞增强、远程堆积等演化特点，可采用超孔隙水压力模型、Voellmy 流变模型、Bingham 流体渗流模型、液化剪切模型、综合黏弹模型等进行评价。本文结合具体链动特征，选用超孔隙水压力模型、Voellmy流变模型及Bingham流体渗流模型分析此阶段。超孔隙水压力模型适用于流通路径中有淤泥层或者冰川的运动；Voellmy 流变模型适用于湍流占主导地位的泥石流运动；Bingham 流体渗流模型适用于非均匀介质中的渗流问题。

①超孔隙水压力模型［53］：该模型将致灾体看作流体，认为致灾体快速运动过程中，外界对底部岩土层加压，致使底部岩土层处于完全不排水或不完全排水状态，孔隙水压力释放受到抑制，即孔隙水排出受阻，孔隙水压力会在岩土体中累积，导致土颗粒间有效应力降低，从而降低岩土体的抗剪强度。孔隙水压力不断累积使得底部土层表面出现液化现象，产生“润滑作用”，从而使摩擦力减小。同时，流体快速运动摩擦生热，随着温度的升高，基底层中的水发生体积膨胀，底部形成趋近饱和的液化层，产生超孔隙水压力，对滑体的运动产生促滑效应［54］，使得长距离滑动，达到远程致灾效果。

②Voellmy 流变模型［55］：在该模型中泥石流流体被假设为一种非稳定及非均质流体。模型针对沟渠地形，表明流体基底阻力与速度大小成正比关系，且流体受到的阻力分为两部分，即流体受到的干摩擦力和湍流流动产生的黏滞摩擦力［式（11）］。当流体快速移动时，湍流占主导地位，而该模型很好地考虑了流体运动过程中的湍流效应与速度效应，因而被广泛应用于模拟泥石流的流通运动。

式中：S为黏性流的流体阻力，N；μ为干摩擦系数；ρ是物质密度，g·cm-3；g是重力加速度，m·s-2；φ是倾斜角，（°）；H是流动高度，m；U是流速，m·s-1；ξ为黏滞系数。

③Bingham 流体渗流模型［56］：该模型考虑了塑性黏度和屈服应力，常被用来描述泥流。多相混流体实质是一种黏弹性非牛顿流体，其具有高分子量，且存在屈服应力，加之泥流的黏性作用和惯性作用，渗流关系为非线性。

Bingham流体本构方程为：

表观黏度表达式为：

式中：μ为绝对黏度，N·s·m-2；μp为塑性黏度，N·s·m-2；τ0为流体的屈服应力，Pa；u为流体在x方向上的速度，m·s-1。

4 结论

（1）常见的冰雪型地质灾害包括：冰岩崩、雪岩崩、冰雪型碎屑流、冰碛物堆积滑坡、冰湖溃决、冰川型泥石流6 种，具有空间泛生性、气候敏感性、灾害链生性、时空延拓性等。

（2）冰雪型地质灾害常见链式组合关系包括3种：①冰岩崩→冰湖溃决及溃决山洪→冰川型泥石流；②冰岩崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及溃决山洪；③冰碛物堆积滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流。此外，尚存在冰（雪）岩崩—冰雪型碎屑流—冰川型泥石流灾害链、冰湖溃决—山洪灾害链、冰湖溃决—冰川型泥石流灾害链、冰川型泥石流堵江截河—山洪灾害链等。

（3）冰雪型地质灾害存在内外耦合共生、链式放大成灾两大特征，具体包括：高位萌生、动力溃散及物相转化三个阶段，其中，高位萌生为初始孕灾环境条件；动力溃散包括碰撞溃散与侵蚀铲刮两个阶段；而物相转化多发生于该灾害链的中后段，主要体现为水分强补给而引起的灾害由固相向黏滞性流相转化。

（4）冰雪型地质灾害高位萌生主控因素为气温和冰雪融水，气温升高和融水量增大打破了致灾体原有的水-热和物质平衡；而动力溃散过程复杂，涉及流滑加速效应、气垫效应、冲蚀效应、铲刮效应等；而物相转化过程实质是连续性固体（碎散性固体）逐步向黏滞性流体转化的过程。具体而言，该类地质灾害链动机理为“高位萌生→位能转化→侵蚀铲刮→滑移堆积”的累积链生放大效应。

（5）冰雪型地质灾害高位萌生向动力溃散过程可采用新型破碎-扩散模型、Flores 接触力模型等予以评价；犁切模型可较好描述其侵蚀铲刮与体积放大过程；而颗粒流模型、空气润滑模型、超孔隙水压力模型可较好揭示该类灾害链高速滑移堆积特征；此外，Voellmy 流变模型及Bingham 流体渗流模型可较好解释其灾害链条中的物相转化特征。