楊興國，曹志翔，邢會歌，金建立，李海波，范 剛，葉 飛，閆旭峰

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏自治區(qū) 林芝 860000；4.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害是指分布在高寒山區(qū)的冰磧土受到降雨、冰雪消融等因素誘發(fā)滑坡，在重力作用下，迅速碎裂解體并與水流摻混形成泥石流，進(jìn)而鏟刮侵蝕沿程碎屑物質(zhì)堵塞河道形成堰塞壩，最終在壩體潰決后產(chǎn)生洪水災(zāi)害的鏈?zhǔn)竭^程。

青藏高原冰磧土廣泛分布，為滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈的衍生提供了充分的物源。數(shù)十年來，受青藏高原氣溫上升和降水增加影響，冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害頻繁發(fā)生，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。例如：位于雅魯藏布江左岸的色東普溝在40年內(nèi)冰川面積退縮了46%，自2014年起，共發(fā)生8次冰崩碎屑流事件，并導(dǎo)致雅魯藏布江4次大規(guī)模堵塞，對沿線的基礎(chǔ)設(shè)施和居民安全造成了嚴(yán)重的威脅，同時(shí)對流域范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞（圖1）。

圖1 雅魯藏布江加拉冰磧土—泥石流—堰塞湖災(zāi)害Fig. 1 Moraine landslide—debris flow—dammed lake disaster in Gala of Yarlung Zangbo River

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩由于獨(dú)特的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，其穩(wěn)定性和抗沖刷性能一般較差；從滑坡泥石流啟動運(yùn)移，到堵江筑壩，再到潰壩和潰決洪水演進(jìn)鏈?zhǔn)竭^程，也較傳統(tǒng)堰塞壩更加復(fù)雜。尤其是復(fù)雜氣象條件下冰磧土滑坡—泥石流形成演化機(jī)理、多期滑坡碎屑流對堵江筑壩的動力響應(yīng)、冰磧土堰塞壩沖刷潰決機(jī)制等方面的研究仍是一片空白。因此，系統(tǒng)研究復(fù)雜氣象條件下冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩形成機(jī)理，探明其壩體結(jié)構(gòu)形態(tài)與物質(zhì)組成，揭示水沙耦合下冰磧土堰塞壩沖刷潰決模式與流道演變過程，建立冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖形成過程與冰磧土堰塞壩潰壩洪水演進(jìn)過程的數(shù)值模擬技術(shù)，對于提升中國青藏高原地區(qū)滑坡—泥石流—堵潰鏈?zhǔn)綖?zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和應(yīng)急處置決策具有重要指導(dǎo)意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 復(fù)雜氣象條件下冰磧土力學(xué)性能演化研究

冰磧土由于其獨(dú)特的地質(zhì)形成歷史和物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，在凍融循環(huán)、降雨、冰雪消融等影響因素的作用下，其物理力學(xué)特性發(fā)生著周期性持續(xù)劣化，進(jìn)而影響斜坡穩(wěn)定及后續(xù)災(zāi)害鏈發(fā)展過程。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的壓縮試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)、干濕交替條件下的土體變形、強(qiáng)度等參數(shù)的變化過程。曹玲等對三峽庫區(qū)千將坪滑坡滑帶土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度劣化明顯。Sayem等發(fā)現(xiàn)原狀殘積土的飽和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)隨著干濕交替次數(shù)增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小，且與干濕循環(huán)次數(shù)滿足指數(shù)關(guān)系。這些研究有助于提升對土體力學(xué)性能演化的認(rèn)識，但考慮到冰磧土物質(zhì)組成的獨(dú)特性和復(fù)雜性，其物理力學(xué)性能演化仍值得探索。此外，還需關(guān)注滑坡運(yùn)動過程冰磧土的性能演化，特別是冰屑的影響。Schneider等通過轉(zhuǎn)筒試驗(yàn)研究了含冰量及冰體消融過程對冰-巖混合物摩擦系數(shù)的影響。楊情情等利用斜槽試驗(yàn)研究了冰-巖碎屑運(yùn)動距離與含冰量及冰-屑粒徑比的關(guān)系。受模型試驗(yàn)條件現(xiàn)狀的影響，實(shí)際的滑坡中冰屑的相變過程和滑坡物質(zhì)的力學(xué)性能演化還未得到很好的揭示。

1.2 冰磧土滑坡—泥石流動力災(zāi)變機(jī)理與運(yùn)移模型

在冰磧土滑坡—泥石流的物源形成與動力災(zāi)變過程方面，目前一般認(rèn)為流域內(nèi)的松散固體物質(zhì)和陡峻地形是滑坡—泥石流形成的物質(zhì)條件（內(nèi)因），而一定強(qiáng)度的降雨、冰川融雪等水文條件是其產(chǎn)生的觸發(fā)因素（外因）。近年來，全球氣候變暖、冰川消融及凍土退化等現(xiàn)象加重，巖土體內(nèi)孔隙水處于低溫凍結(jié)和暖溫融解的循環(huán)過程，微缺陷逐漸萌生、擴(kuò)展和貫通，凍融損傷累積，巖土體強(qiáng)度持續(xù)降低，為滑坡—泥石流的形成提供有利的固體物源條件，山區(qū)泥石流災(zāi)害的現(xiàn)實(shí)危害和潛在風(fēng)險(xiǎn)日漸凸顯。已揭示的滑坡—泥石流啟動的影響因素包括孔隙水壓力、地表徑流流速（剪應(yīng)力）、物源特征、斜坡地貌等。在滑坡—泥石流動態(tài)運(yùn)移模型研究方面，吳瑋江分析了季節(jié)性凍結(jié)滯水的促滑效應(yīng)，提出伴隨凍結(jié)滯水效應(yīng)的滑坡—泥石流運(yùn)移模型。Leibman等提出強(qiáng)降雨誘發(fā)凍融層飽和冰融化及高溫誘發(fā)地下冰融化條件下的低溫泥流運(yùn)移模型。Liu等綜合考慮降雨入滲、溝道侵蝕與物源運(yùn)移等過程，提出一種模擬山區(qū)泥石流從產(chǎn)生到傳播的綜合運(yùn)動模型。然而，冰磧物成因的滑坡—泥石流形成過程特殊，在物源分布與匯集方式、水動力來源和顆粒啟動順序方面與其他類型的泥石流表現(xiàn)出明顯不同的物理力學(xué)機(jī)制，其固體顆粒、間隙流體及固-液兩相間均具有復(fù)雜的相互作用。Iverson等將S-H模型的單相顆粒流模型拓展為3維固液模型，即庫侖混合流模型，應(yīng)用庫倫摩擦準(zhǔn)則和深度平均積分模擬干顆粒材料的運(yùn)動，并考慮了剪漲和孔隙壓力之間的相互影響；隨著含水率的增加，運(yùn)動狀態(tài)可自然向流態(tài)化轉(zhuǎn)變。針對冰磧土泥石流中的固體顆粒物質(zhì)與液體相互交互的復(fù)雜過程，Zhang等運(yùn)用粒子有限元法研究冰磧土土體流動和流態(tài)滑坡問題，通過離散元法進(jìn)行模擬，流體部分采用連續(xù)介質(zhì)的計(jì)算方法，符合泥石流問題的自然屬性；并基于 Lagrange 框架，描述連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動的混合計(jì)算方法，分析了巖土體材料流固轉(zhuǎn)換演變過程。

然而，以冰磧土為物源的滑坡—泥石流形成過程特殊，在泥石流分布、物源匯集方式、水動力來源和顆粒啟動順序方面與其他類型一般的泥石流表現(xiàn)出明顯不同的物理力學(xué)機(jī)制。因此，明確冰磧土滑坡—泥石流動力災(zāi)變機(jī)理，建立其動力運(yùn)移模型，是未來研究的重點(diǎn)方向。

1.3 冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖的形成機(jī)制

大體積滑坡—泥石流匯入河道后極易堵塞河道，并蓄積河水形成堰塞湖。堰塞壩的形成過程很大程度上受到滑坡—泥石流運(yùn)動特征、河道溝谷地形和水流條件等影響，同時(shí)決定了壩體的幾何形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性等重要特征參數(shù)。Zhou等開展碎屑流堵江試驗(yàn)，揭示了材料組成和滑坡坡度對堆積體幾何形態(tài)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。王玉峰等通過分析文家溝滑坡等堰塞壩的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，揭示了堆積體內(nèi)部顆粒反序的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。Liao等通過多期滑坡堵江試驗(yàn)，揭示了初始堆積體的阻滯效應(yīng)，大大減弱了后續(xù)滑坡運(yùn)動的動能。Wu等結(jié)合試驗(yàn)運(yùn)動與恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法（SFM），揭示了河道的地形約束對堰塞體幾何形態(tài)的影響，并構(gòu)建了預(yù)測堰塞體幾何形態(tài)的經(jīng)驗(yàn)公式。Chen等通過考慮河流支流泥石流淤積量與最小淤積量之間的關(guān)系，提出一種評價(jià)河流淤積形態(tài)的無量綱體積指數(shù)（DVI）。現(xiàn)有的研究聚焦于壩體的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和堵江判據(jù)等問題。然而，冰磧物獨(dú)特的材料組成和力學(xué)性能，以及冰川作用下特殊的水動力條件，再加之災(zāi)害的頻發(fā)性導(dǎo)致的多期堵江效應(yīng)等因素，導(dǎo)致了滑坡—泥石流—堰塞湖的形成機(jī)制與其他滑坡堵江災(zāi)害有很大區(qū)別。

目前，對冰土混合物運(yùn)動堵江機(jī)理尚不清晰，對于滑坡—泥石流運(yùn)動特性與堰塞體結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的物理關(guān)系有待進(jìn)一步揭示，對災(zāi)害形成機(jī)制與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究較少，防治對策仍缺少科學(xué)有效的理論基礎(chǔ)。

1.4 冰磧土堰塞壩沖刷潰決機(jī)理與數(shù)值模擬

堰塞壩的沖刷潰決是復(fù)雜的水土耦合過程，涉及溢流水力學(xué)、土壤侵蝕、邊坡穩(wěn)定性等多種學(xué)科，受壩體形態(tài)及物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、河道地形與水流條件等多種因素的影響。目前，已有大量學(xué)者對堰塞體潰決的影響因素進(jìn)行研究。Jiang等通過設(shè)置不同級配的潰壩試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)粒含量的增加，潰壩的溯源侵蝕作用越強(qiáng)，潰決持續(xù)時(shí)間變得更短，導(dǎo)致更大的洪峰流量。Zhou等通過試驗(yàn)研究不同入庫流量對潰壩的影響，發(fā)現(xiàn)入庫流量越大，峰值流量變得越大，并且到達(dá)時(shí)間會提前，流量曲線整體變得“尖瘦”。Zhu等開展了12組水槽試驗(yàn)，研究了不同壩體形態(tài)對堰塞壩潰決機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)堰塞壩的下游邊坡越緩時(shí)，潰決過程將越緩慢，洪峰流量也將越低。雖然已有的物理模型試驗(yàn)較完善地闡釋了寬級配土石體的漫頂潰決機(jī)制，但尚未有研究探討冰屑成分對堰塞體漫頂潰決過程的影響，且多期次冰磧土碎屑流堵江條件下的堰塞體潰壩過程與機(jī)制亦未見研究報(bào)道。

數(shù)值模擬是研究堰塞壩復(fù)雜潰決過程機(jī)制的有效手段，許多數(shù)值模擬方法被相繼提出。模擬堰塞壩潰決過程的經(jīng)典模型包括參數(shù)模型和基于潰決機(jī)理的簡化數(shù)學(xué)模型，這兩類模型預(yù)測的潰口發(fā)展與潰壩泄流過程線可為下游洪水演進(jìn)計(jì)算提供必要的邊界條件。參數(shù)模型大多通過統(tǒng)計(jì)潰壩案例分析提出最終潰口尺寸和洪峰流量等潰壩特征參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，但未考慮潰壩過程的物理機(jī)制，無法反映潰口的漸進(jìn)演化過程。基于潰決機(jī)理的簡化數(shù)學(xué)模型一般通過建立水量平衡方程，利用寬頂堰流公式計(jì)算潰口流量；同時(shí)，通過假設(shè)初始潰口形態(tài)、潰口下蝕和側(cè)蝕速率關(guān)系及壩體形態(tài)演變方式，使用土體沖蝕公式及基于極限平衡的斜坡穩(wěn)定性分析計(jì)算潰口和壩體的侵蝕發(fā)展過程。然而，該類模型一般需要引入若干不符合真實(shí)情況的簡化處理，或?qū)Τ跏紳⒖谖恢煤蜌堄鄩胃叩葻o法預(yù)知的壩體參數(shù)進(jìn)行事先假設(shè)。

近些年來，有關(guān)潰壩過程的精細(xì)數(shù)學(xué)模型快速發(fā)展，該類模型可完整地考慮水流變化、泥沙輸移及壩體與河床侵蝕沉積過程三者之間的相互耦合作用，且不需要對初始潰口的位置和形態(tài)、潰口下蝕和側(cè)蝕的速率關(guān)系、壩體形態(tài)的演變方式，以及殘余壩高等進(jìn)行特定的假設(shè)，在同一模型中即可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算不規(guī)則壩體的潰口發(fā)展、下泄出流及洪水演進(jìn)全過程。

然而，上述堰塞壩潰壩的精細(xì)數(shù)學(xué)模型均只考慮了以推移質(zhì)運(yùn)動為主的輸沙過程，大多未考慮天然寬級配堰塞壩潰壩過程中的非均勻泥沙輸移過程，且未考慮冰屑成分對潰壩過程的影響，因此，冰磧土堰塞壩潰決過程與洪水演進(jìn)的精細(xì)數(shù)值模擬技術(shù)尚有待進(jìn)一步研究。

2 研究內(nèi)容

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問題

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害是一個從滑坡孕育→泥石流啟動運(yùn)移→堵江筑壩→潰壩和潰決洪水演進(jìn)的復(fù)雜鏈?zhǔn)竭^程，如圖2所示。一方面，受凍融循環(huán)、暴雨等極端氣候影響，巖土體劣化作用顯著（強(qiáng)度降低、松散破碎），易發(fā)生崩塌、滑坡，滑坡運(yùn)動體攜帶坡面上的堆積物補(bǔ)給溝道，為泥石流的形成提供了有利的固體物源條件；另一方面，降雨、冰川融雪在溝道中上部匯聚成洪水，洪水與松散固體物源摻混，從而形成泥石流，泥石流在向下游運(yùn)動時(shí)會侵蝕鏟刮溝床及兩側(cè)的堆積物，從而導(dǎo)致泥石流運(yùn)動方量的增大，且運(yùn)動性態(tài)不斷發(fā)生改變。大量泥石流物質(zhì)匯入河道后極易造成堵塞并形成堰塞壩，這個過程涉及復(fù)雜的物質(zhì)分選與重構(gòu)過程；由于冰磧土堰塞壩物質(zhì)含泥量高、顆粒大小混雜，與常見滑坡堰塞壩物質(zhì)組成及其成生結(jié)構(gòu)差異較大，自身穩(wěn)定性較差，隨著蓄水量的增加，堰塞壩較易因逐漸滲流侵蝕或溢頂沖蝕作用而潰決破壞，形成的潰決洪水沖蝕河床，并對下游村莊和城鎮(zhèn)造成威脅。

圖2 冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈動力演化過程Fig. 2 Dynamic evolution of the disaster chain of moraine landslide—debris flow—dammed lake

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖是一個級聯(lián)放大的鏈?zhǔn)綖?zāi)害過程，涉及滑坡起動、運(yùn)動性態(tài)轉(zhuǎn)變、沿程侵蝕放大、多期堵江疊加、潰壩水沙耦合等復(fù)雜動力演化機(jī)制。因此，實(shí)現(xiàn)冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害的有效防控需要解決以下兩個方面的難題：

1）冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩的鏈生放大機(jī)制。冰磧土滑坡—泥石流運(yùn)動性態(tài)轉(zhuǎn)變與流態(tài)化運(yùn)移過程的動力學(xué)機(jī)理，特別是沿程侵蝕鏟刮與多期堵江疊加等導(dǎo)致堰塞壩規(guī)模的鏈生放大機(jī)制。

2）冰磧土堰塞湖潰決演進(jìn)的動力災(zāi)變機(jī)理。冰磧土堰塞壩物質(zhì)含泥量高、顆粒大小混雜、分選性差、碎屑磨圓度差、無定向排列、自身穩(wěn)定性較差，沖刷潰決及洪水演進(jìn)過程中水沙耦合作用機(jī)制極其復(fù)雜。探明非連續(xù)寬級配冰磧土堰塞壩重構(gòu)、流道再選，拓展與沖刷潰決過程的動力災(zāi)變機(jī)理，尤其是冰磧土堰塞湖潰決洪水演進(jìn)過程再次水沙摻混的淤抬沖刷機(jī)制對揭示冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理至關(guān)重要。

2.2 重點(diǎn)研究方向

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害演化過程非常復(fù)雜，涉及眾多的物理力學(xué)機(jī)制和學(xué)科理論，其中，滑坡—泥石流—堰塞壩形成過程和壩體潰決沖刷及下游洪水下游演進(jìn)是災(zāi)變過程的兩個關(guān)鍵問題。為此，可從以下幾個方面展開重點(diǎn)研究。

1）復(fù)雜氣象條件下冰磧土力學(xué)性能演化研究

冰磧土是由冰蝕作用產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)的堆積土或是在冰川產(chǎn)生以前就已存在的巖屑、碎石等松散堆積物，后被冰川搬運(yùn)并在冰川融化時(shí)沉積下來而形成的碎石類土。冰磧土由于其獨(dú)特的地質(zhì)形成歷史和物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，其物理力學(xué)特性較常規(guī)巖土體有很大不同，具有無分選、無層理、無膠結(jié)或泥質(zhì)半膠結(jié)、遇水易軟化崩解等特點(diǎn)，在凍融循環(huán)、降雨、冰雪消融等因素的影響下，極易發(fā)生強(qiáng)度劣化和性態(tài)改變，從而導(dǎo)致巖土體崩解或斜坡失穩(wěn)，如圖3所示。此外，冰磧土的滲透、抗沖刷等特性也較常規(guī)巖土體存在很大的差異性，導(dǎo)致冰磧土堰塞壩的滲透穩(wěn)定、過流沖刷等情況比常規(guī)堰塞壩復(fù)雜得多。開展冰磧土物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性研究，探索降雨/冰川融雪等多因素作用下冰磧土物理力學(xué)演化規(guī)律特性，可為滑坡—泥石流啟動運(yùn)移動力過程機(jī)制、堵江物質(zhì)重構(gòu)特性、堰塞湖沖刷潰決物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 西藏波密縣則普冰川內(nèi)冰磧土Fig. 3 Moraine soil in Zepu Glacier, Bomi County, Tibet

2）冰磧土滑坡—泥石流動力災(zāi)變過程與運(yùn)移模型

圖4為冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩形成動力過程機(jī)理。在強(qiáng)降雨、凍融循環(huán)等復(fù)雜氣候條件下，冰磧土斜坡強(qiáng)度劣化明顯，極易發(fā)生崩塌、滑坡等災(zāi)害，為泥石流的形成提供了有利的固體物源條件，泥石流的運(yùn)動過程與溝床和兩側(cè)山體不斷發(fā)生物質(zhì)和能量的交換，運(yùn)動性態(tài)和規(guī)模不斷發(fā)生變化，大體積泥石流入河后，運(yùn)動速度和狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化，固體物質(zhì)快速重構(gòu)、分選，并停積成壩。因此，冰磧土滑坡—泥石流的動力運(yùn)移過程很大程度上決定了冰磧土堰塞壩的規(guī)模、堆積性態(tài)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，深入探究冰磧土滑坡—泥石流的動力運(yùn)移過程特性對揭示冰磧土堰塞壩物質(zhì)分布、架構(gòu)特性和開展堰塞壩穩(wěn)定性評價(jià)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩形成動力過程機(jī)理Fig. 4 Dynamic process mechanism of moraine landslide—debris flow—dammed lake

在掌握冰磧土力學(xué)性能演化的基礎(chǔ)上，采用3維激光掃描、無人機(jī)對典型災(zāi)害區(qū)進(jìn)行精細(xì)掃描建模，調(diào)查滑坡痕跡、表層物質(zhì)、可視結(jié)構(gòu)等信息，定量檢測滑坡—泥石流啟動運(yùn)移各分區(qū)（滑源區(qū)、侵蝕鏟刮區(qū)、運(yùn)移區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)等），推測分析滑坡—泥石流啟動機(jī)制，沿程物質(zhì)匯集、侵蝕鏟刮、運(yùn)移、堆積等動力過程特性；并結(jié)合室內(nèi)滑坡—泥石流物理模型試驗(yàn)，研究不同滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)與水流條件下的滑坡啟動—泥石流形成及運(yùn)移過程特征，重點(diǎn)關(guān)注泥石流運(yùn)動過程中與溝床及兩側(cè)山體的物質(zhì)交換過程及河道地貌和泥沙補(bǔ)給條件變化下的泥石流運(yùn)移動力過程響應(yīng)特征?；跒?zāi)害現(xiàn)場定量檢測結(jié)果及滑坡—泥石流形成運(yùn)動過程物理模型試驗(yàn)所觀測到的現(xiàn)象和科學(xué)數(shù)據(jù)，分析滑坡失穩(wěn)、運(yùn)動破碎和降雨匯流作用下固體物源、匯水、空氣三相交融等動力災(zāi)變過程機(jī)制，構(gòu)建泥石流運(yùn)動過程中沿程侵蝕鏟刮、暴雨山洪泥沙補(bǔ)給和災(zāi)害放大效應(yīng)的動力運(yùn)移模型。

3）冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖形成機(jī)理與仿真模擬

冰磧土滑坡—泥石流入河堵江是堰塞壩形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅涉及到滑坡—泥石流碎屑物與水流的相互作用過程，還涉及到滑坡—泥石流物質(zhì)入河后的快速堆積重構(gòu)等復(fù)雜過程，直接影響堵江堰塞體的幾何形態(tài)和壩體物質(zhì)架構(gòu)特征。此外，冰磧土滑坡—泥石流還存在多期疊加堵江的顯著特征。受凍融循環(huán)、冰川退縮等因素影響，在同一條泥石流溝內(nèi)可能會發(fā)生多期冰磧土滑坡（冰崩）事件，形成的滑坡—泥石流物質(zhì)最終都在溝口匯入到河道中，形成多次堵江的特殊景象。后期形成的堵江物質(zhì)會堆積在前期的殘留堰塞體之上，多期疊加形成的堰塞壩較常規(guī)堰塞壩的3維幾何性態(tài)、物質(zhì)分布等特征存在顯著差異性（圖4）。因此，研究多期堵江疊加效應(yīng)對冰磧土堰塞壩3維形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及過流沖刷等特性的影響具有重要科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

通過滑坡—泥石流—堰塞壩形成過程物理模型試驗(yàn)，研究滑坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、滑坡體積、滑床與河谷地貌、河道水流等條件變化下對堰塞壩形態(tài)和顆粒分布的影響，構(gòu)建堰塞壩形態(tài)與物質(zhì)分區(qū)預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)。在單次滑坡—泥石流堵江模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展不同滑體性質(zhì)、不同滑動次數(shù)的多期滑坡—泥石流—堰塞壩形成的模型試驗(yàn)，分析堰塞壩壩高、壩寬、坡比、埡口位置等關(guān)鍵參數(shù)的演變規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注天然流道再選機(jī)制。開發(fā)滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈過程數(shù)值計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)降雨作用下冰磧土滑坡啟動→泥石流運(yùn)移→堵江筑壩的災(zāi)害鏈全過程模擬，研究原生地質(zhì)特性、運(yùn)動過程中滑體解構(gòu)、顆粒分散-聚合、沿程侵蝕及軌跡演變過程對堰塞壩堆積和物質(zhì)分選的影響，揭示堰塞壩體的形成機(jī)制和推演壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，為潰決流道演化與潰口拓展研究提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

4）冰磧土堰塞壩沖刷潰決機(jī)理與流道拓展過程研究

沖刷潰決是堰塞壩最主要的潰決模式，在漫頂水流沖刷和內(nèi)部滲流共同作用下，堰塞壩的溢流道不斷拓寬深切，泄水量也隨之增加，不斷增大的挾沙水流反過來又加速流道演變，這種高含沙水流較清水流具有更大的能量和沖擊力，也更容易改變下游河道物理環(huán)境和損害既有構(gòu)筑物，如圖5所示。由于冰磧土物質(zhì)材料特性與常規(guī)巖土體存在較大差異性，導(dǎo)致冰磧土堰塞壩的沖刷潰決特性與常規(guī)堰塞壩存在較大差異。因此，探究冰磧土堰塞壩潰決過程的水沙互饋?zhàn)饔脵C(jī)制和下游河道沖刷/淤抬響應(yīng)機(jī)制，對于預(yù)測潰決洪峰流量和構(gòu)建合理的堰塞壩泄流穩(wěn)定控制措施具有重要意義。

圖5 冰磧土堰塞壩沖刷潰決水沙耦合作用機(jī)理Fig. 5 Mechanism of coupling action of water and sediment on scouring and breaking of moraine landslide dam

利用物理模型試驗(yàn)研究壩體幾何形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、天然流道和人工引流槽等條件變化下，潰壩過程的流道拓展和泄水流量隨時(shí)間的演變規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用離散單元（DEM）和計(jì)算流體力學(xué)理論（CFD）方法對冰磧土堰塞壩潰決的水沙耦合作用機(jī)制和流道拓展演變過程開展分析，研究壩體潰決不同階段的水沙耦合作用機(jī)制，分析流道3維形態(tài)演變過程。在模型試驗(yàn)與理論研究的基礎(chǔ)上，分析堰塞壩特征參數(shù)與流道拓展及潰決歷時(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建流道拓展演化模型，并結(jié)合大量天然潰壩數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立一個半經(jīng)驗(yàn)、半理論計(jì)算模型用于預(yù)測潰決洪峰流量。

5）下游河道水沙互饋?zhàn)饔脵C(jī)制與洪水演進(jìn)模擬

在堰塞壩潰決水沙耦合作用機(jī)理和潰決洪水預(yù)測模型分析的基礎(chǔ)上，采用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、3維激光掃描等手段，獲取加拉、白格等典型堰塞湖潰決后壩址區(qū)及下游河道不同時(shí)期的3維地形數(shù)據(jù)，定量分析檢測下游河道演變過程。采用潰壩洪水演進(jìn)及河床響應(yīng)物理模型試驗(yàn)研究壩址潰決水流的流量與含沙濃度、下游河床堆積物結(jié)構(gòu)特性等條件變化對下游演進(jìn)洪水特性的影響。同時(shí)，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對潰壩挾沙水流在下游河道的演進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究潰壩過程中下游洪水特性和河床地貌演變過程。

3 研究方法與技術(shù)路線

綜合采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、大型物理模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、理論分析等方法對冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈的動力學(xué)演變機(jī)制與模擬方法開展研究。研究技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 技術(shù)路線Fig. 6 Technical route

1）現(xiàn)場調(diào)查及多源數(shù)據(jù)獲取。針對典型冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害點(diǎn)（加拉、白格、易貢等），通過現(xiàn)場調(diào)查獲取典型災(zāi)害點(diǎn)的地形地貌特征，并對典型冰磧土進(jìn)行取樣，收集典型災(zāi)害點(diǎn)的氣象信息和降雨資料。同時(shí)，通過遙感衛(wèi)星、3維激光掃描、無人機(jī)等獲取滑坡—泥石流殘留體的3維形貌信息，潰決前后堰塞壩和下游河床的幾何形態(tài)、尺寸等的3維演化信息，以及殘留壩體物質(zhì)分區(qū)和顆粒信息。

2）冰磧土物理力學(xué)試驗(yàn)。選取滑坡—泥石流—堰塞湖典型災(zāi)害區(qū)內(nèi)不同高程處和潛在災(zāi)害路徑上不同點(diǎn)位的巖土樣進(jìn)行取樣。整理流域內(nèi)的降雨、氣溫資料、空氣干濕變化規(guī)律等，明確凍融循環(huán)的周期和單次凍融時(shí)間，確定流域內(nèi)干濕環(huán)境賦存特征，制定針對性的室內(nèi)巖土樣物理力學(xué)試驗(yàn)方案。擬開展直剪試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、SEM分析、X射線衍射、滲透性試驗(yàn)等。直剪試驗(yàn)獲取冰磧土的剪切強(qiáng)度，凍融循環(huán)試驗(yàn)用于揭示凍融循環(huán)對冰磧土強(qiáng)度的劣化作用，單軸壓縮試驗(yàn)用于獲取冰磧土的應(yīng)力應(yīng)變特征，SEM分析可探究冰磧土材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，X射線衍射試驗(yàn)可獲得復(fù)雜氣象條件下冰磧土材料化學(xué)成分的變化，滲透性試驗(yàn)可獲取冰磧土內(nèi)部的滲流特性。

3）大型物理模型試驗(yàn)。主要用于揭示降雨入滲影響下，力學(xué)參數(shù)劣化后的冰磧土滑坡的啟滑及失穩(wěn)機(jī)理，探究冰磧土滑坡的沿程鏟刮效應(yīng)，并研究冰磧土滑坡向泥石流災(zāi)害轉(zhuǎn)變的動力災(zāi)變過程；同時(shí)，可探究冰磧土泥石流運(yùn)動過程中暴雨山洪泥沙補(bǔ)給特征，以及水沙互饋?zhàn)饔脵C(jī)制。此外，可以利用大型物理模型試驗(yàn)揭示冰磧土堰塞壩的潰決特征，為模擬下游潰決洪水的演進(jìn)過程提供初始條件參數(shù)。

4）數(shù)值分析。數(shù)值模擬分為滑坡—泥石流的動力災(zāi)變過程模擬、冰磧土堰塞壩成生過程反演、堰塞壩潰決沖刷過程模擬、潰壩洪水演進(jìn)過程模擬4個方面。主要采用離散單元理論（DEM）和計(jì)算流體力學(xué)理論（CFD）相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)水沙耦合作用的模擬。

5）理論分析。對于滑坡—泥石流的動力災(zāi)變過程、堰塞壩潰決沖刷過程及潰決洪水演進(jìn)過程等問題，采用理論分析的手段進(jìn)行研究。

4 研究進(jìn)展

面向中國高原地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求，圍繞冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈生動力演化機(jī)制與水沙耦合作用下堰塞壩沖刷潰決演進(jìn)模擬預(yù)測等關(guān)鍵科學(xué)問題，目前已開展了冰磧土滑坡—泥石流動力災(zāi)變機(jī)制與運(yùn)移模型的建立、滑坡—泥石流運(yùn)動與堵江仿真模擬、堰塞壩沖刷潰決演進(jìn)模擬等方面的前期探索和研究工作，并取得了一定成果。

4.1 冰磧土滑坡—泥石流運(yùn)移與多期堵江機(jī)制

為揭示冰磧土滑坡—泥石流復(fù)雜的運(yùn)動、堵江動力過程機(jī)制，開展了大量冰磧土滑坡—泥石流運(yùn)移堆積或堵江成壩的現(xiàn)場勘測和大型物理模型試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：受冰磧土細(xì)粒“土”和粗?！笆倍Y(jié)構(gòu)特征影響，加之受融冰、融雪等復(fù)雜的氣候條件作用，導(dǎo)致冰磧土滑坡在運(yùn)動過程中兼具明顯的離散性和流動性；冰磧物在運(yùn)動過程中，基底物質(zhì)在固相剪切力的作用下發(fā)生侵蝕效應(yīng)，并在運(yùn)動過程中逐漸與冰磧物發(fā)生摻混，造成冰磧土滑坡方量沿程逐步增加，同時(shí)內(nèi)部固體冰雪逐漸碰撞融化為液相水，導(dǎo)致滑坡體的運(yùn)動性進(jìn)一步增加，對表層基底物質(zhì)造成更嚴(yán)重的沖刷侵蝕，并形成超靜孔隙水壓，增大了冰磧土滑坡與基底物質(zhì)接觸表面形成表面潤滑層的可能性，進(jìn)一步擴(kuò)大了冰磧土滑坡泥石流高速遠(yuǎn)程運(yùn)動性，大致滑坡—泥石流堵江的概率及規(guī)模大大增加。

滑坡—泥石流堵江堆積形成堰塞壩的3維形態(tài)、內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性與原始斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、動力運(yùn)移過程及堆積河道地形均有很大關(guān)系，這方面的研究尚有欠缺。通過更加科學(xué)精細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，揭示了冰磧土特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力運(yùn)移過程，對堰塞壩堆積物質(zhì)重構(gòu)和形態(tài)響應(yīng)的影響機(jī)制是未來的研究重點(diǎn)。

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩的另一個顯著特點(diǎn)是具有顯著的多期堵江疊加效應(yīng)，冰磧土滑坡多發(fā)的河谷區(qū)域往往是形成多期堵江的搖籃。目前，針對滑坡多期堵江疊加效應(yīng)已經(jīng)開展了大量的現(xiàn)場調(diào)查和試驗(yàn)研究，如圖7所示，結(jié)果表明，前（若干）期滑坡堵江事件對后續(xù)堰塞壩的幾何形態(tài)與潰決洪水下游演進(jìn)具有顯著影響。一方面，前期形成的堰塞壩或其潰決殘余堆積體在不同程度上改變了壩址河谷地貌和河床基質(zhì)。被束窄、抬高的河谷縮減了后續(xù)滑坡物質(zhì)的堵江堆積體空間，而覆蓋著滑坡物質(zhì)的河床、岸坡表面也通常變得更松散柔軟，可成為后續(xù)滑坡入河堆積時(shí)的“軟墊層”，吸收部分滑體能量，限制滑體快速向四周延展。該認(rèn)識通過多次滑坡堵江模型試驗(yàn)得到了初步證實(shí)，揭示了前期滑坡堵江對后續(xù)堵江堆積體幾何形態(tài)的影響規(guī)律。在總滑坡體積相同的條件下，滑坡堵江期數(shù)越多，堆積體形態(tài)越瘦高，即越容易形成高陡的堰塞壩（圖7（b））。另一方面，若前期形成的堰塞壩已發(fā)生潰決，則被水流沖蝕并挾帶的壩料會在一定距離的下游淤積、抬高河床，從而改變后續(xù)潰壩洪水對下游區(qū)域的洪水頻率，增大后續(xù)潰壩洪水的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和破壞能力。

圖7 滑坡多期堵江疊加效應(yīng)Fig. 7 Superposition effect of multi-stage landslide blocking

由于冰磧土滑坡堆積物通常比普通土石滑坡堆積物更松散、細(xì)碎、易侵蝕，因此，冰磧土滑坡—泥石流多期堵江體系中的前期堰塞壩及其潰壩物質(zhì)對后續(xù)堰塞壩的形成與潰決洪水演進(jìn)很可能具有不同的影響機(jī)制。未來可通過開展更為精細(xì)的物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析，更加深入地探討冰磧土滑坡—泥石流多期堵江形成特性及其對潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響機(jī)制。

4.2 冰磧土堰塞壩潰決機(jī)理

由于堰塞壩是由滑坡體自然堆積而成，沒有人工土壩的規(guī)整幾何形態(tài)和經(jīng)機(jī)械碾壓后的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此其潰決過程具有獨(dú)有的特征，與人工土石壩相比，沖刷潰決機(jī)制及下游洪水演進(jìn)過程更為復(fù)雜多變。為更好地揭示滑坡堰塞壩的潰決演化規(guī)律，在天然河道開展了大尺度堰塞壩潰決試驗(yàn)，如圖8（a）所示；并監(jiān)測了潰決過程中潰口3維形貌演化情況，如圖8（b）所示。研究發(fā)現(xiàn)，表面漸進(jìn)侵蝕是潰決的主要侵蝕模式，根據(jù)不同的沖刷侵蝕特征，潰決過程可分為溯源侵蝕、潰口快速侵蝕、侵蝕衰減與河床再平衡3個階段。潰口的橫向拓展的模式受潰口形態(tài)與材料參數(shù)的影響。在潰決早期，潰口邊坡的失穩(wěn)模式為水流沖蝕坡腳導(dǎo)致的傾倒破壞；而到了中后期，邊坡橫向擴(kuò)大是水流侵蝕與間歇性的邊坡剪切破壞疊加作用的結(jié)果。通過總結(jié)堰塞壩的潰決演化模型，結(jié)合溢流水力學(xué)、邊坡穩(wěn)定性等多學(xué)科的理論方法和數(shù)學(xué)模型，提出適用于滑坡堰塞壩潰決的計(jì)算模型。

圖8 大尺度堰塞壩潰決模型試驗(yàn)與潰口沖刷淤積監(jiān)測Fig. 8 Large-scale field experiment of landslide dam breaching and monitoring of erosion and sedimentation for breach channel

然而，現(xiàn)有的大量試驗(yàn)和分析證明，堰塞體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成等因素對潰決過程與破壞機(jī)理有較大影響。盡管常規(guī)滑坡堰塞壩的潰決機(jī)理已經(jīng)被充分研究，但由于冰磧土堰塞壩其材料結(jié)構(gòu)的特殊性，以往對常規(guī)堰塞體或土石壩潰決的研究成果并不能直接應(yīng)用于冰磧土堰塞壩的潰決。后續(xù)對冰磧土堰塞壩潰決的研究應(yīng)該重點(diǎn)聚焦冰磧土材料的沖刷侵蝕與水流條件的關(guān)系，揭示冰磧堰塞壩與漫頂水流的水沙耦合作用機(jī)制。以多種比尺的潰決模型試驗(yàn)為方法，研究壩體內(nèi)部冰雪消融與沖刷侵蝕的疊加作用機(jī)理，分析潰口的沖刷侵蝕放大機(jī)制。此外，還需關(guān)注冰磧土堰塞壩潰決的理論模型，通過試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，總結(jié)出潰決過程中的潰口演化規(guī)律，以冰磧土沖蝕特性和水沙耦合機(jī)制為基礎(chǔ)，結(jié)合水力學(xué)和土力學(xué)等多學(xué)科的理論方法和數(shù)學(xué)模型，開發(fā)適用于冰磧土堰塞壩潰決的數(shù)值模擬方法，為冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害的應(yīng)急搶險(xiǎn)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)參考與重要保障。

4.3 冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩災(zāi)害鏈全過程模擬

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖形成全過程涉及非常復(fù)雜的動力演化過程，包括降雨、冰川消融等條件下產(chǎn)生高速運(yùn)動的山體滑坡；由于冰磧土特殊的組成構(gòu)造使其具有致密性、弱透水性及遇水軟化性等特點(diǎn)，使得冰磧土滑坡具有復(fù)雜的固相與液相的物料結(jié)構(gòu)，同時(shí)，形成的泥石流及堰塞壩各階段遵循著不同的物理演化機(jī)制、不同的初始條件與邊界約束情況，各階段之間的有機(jī)結(jié)合會在很大程度上擴(kuò)大災(zāi)害鏈的影響范圍、增大致災(zāi)損失。冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈各階段的轉(zhuǎn)化關(guān)系、相互影響情況及冰磧土在運(yùn)移過程中復(fù)雜的水土耦合過程機(jī)理尚不明確。

在后續(xù)研究中，擬基于流體力學(xué)、土力學(xué)、彈塑性力學(xué)等基礎(chǔ)理論，開展冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖形成全過程的物理力學(xué)機(jī)理研究。結(jié)合室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研發(fā)基于離散單元法與計(jì)算流體力學(xué)法相結(jié)合的流固耦合數(shù)值模型，如圖9所示，揭示冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩的孕育—運(yùn)移—停積過程中冰磧物與巖土體之間物質(zhì)遷移、性態(tài)轉(zhuǎn)變、能量轉(zhuǎn)換等力學(xué)相互作用機(jī)理。同時(shí)，基于堰塞壩沖刷潰決經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c淺水方程建立冰磧土滑坡孕育與破壞物理力學(xué)模型、泥石流產(chǎn)生與演進(jìn)傳播物理力學(xué)模型與堰塞壩沖刷潰決和洪水演進(jìn)物理力學(xué)模型，分別描述災(zāi)害鏈各階段時(shí)空演化規(guī)律中災(zāi)害鏈間鏈生機(jī)理，確定災(zāi)害鏈過程中災(zāi)害效應(yīng)放大等過程的關(guān)鍵控制因素，實(shí)現(xiàn)各災(zāi)害物理力學(xué)模型無縫連接，構(gòu)建冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩形成與潰決演化全過程模擬的數(shù)值仿真平臺。為山區(qū)災(zāi)害防治、災(zāi)害范圍定量預(yù)測、災(zāi)害應(yīng)急處置等工作提供重要支撐。

圖9 水土耦合模擬算法Fig. 9 Water-soil coupling simulation algorithm

5 結(jié) 論

冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖是一個級聯(lián)放大的鏈?zhǔn)綖?zāi)害過程，涉及滑坡起動、運(yùn)動性態(tài)轉(zhuǎn)變、沿程侵蝕放大、多期堵江疊加、潰壩水沙耦合等復(fù)雜動力演化機(jī)制。中國在堰塞湖減災(zāi)領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是針對復(fù)雜氣象條件下冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖的動力形成機(jī)制、潰決沖刷及洪水演進(jìn)災(zāi)害鏈的全過程演化分析與數(shù)值模擬方面尚需進(jìn)一步研究。其中，揭示冰磧土滑坡—泥石流—堰塞壩的鏈生放大機(jī)制和冰磧土堰塞湖潰決演進(jìn)的動力災(zāi)變機(jī)理是實(shí)現(xiàn)冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害有效防控的關(guān)鍵。本文結(jié)合國內(nèi)外冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖形成與潰決的相關(guān)研究現(xiàn)狀，提出冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害需要關(guān)注的若干重要研究方面，并開展了大量探索和前期研究工作，初步揭示了冰磧土滑坡—泥石流運(yùn)移與多期堵江機(jī)制，構(gòu)建了能考慮水流侵蝕與潰口邊坡間歇性崩塌的堰塞壩潰決演化模型，并探討了冰磧土—滑坡—泥石流—堰塞壩災(zāi)害鏈演化過程模擬方法。研究結(jié)果為進(jìn)一步弄清冰磧土滑坡—泥石流—堰塞湖災(zāi)害鏈過程的復(fù)雜動力學(xué)機(jī)制，構(gòu)建災(zāi)害鏈過程的控制性理論模型，開發(fā)全過程數(shù)值模擬系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。