申艷軍， 陳思維， 張 蕾， 馬鵬輝， 田思思， 馬 文

（1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西西安710054； 2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西西安710054；3.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西西安710054； 4.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西西安710054； 5.生態(tài)地質(zhì)與災害防控自然資源部重點實驗室，陜西西安710054）

0 引言

高寒山地區(qū)正成為我國重大工程建設的主戰(zhàn)場。隨著川藏鐵路、中尼鐵路、中巴喀喇昆侖公路、天山南北公路、南水北調(diào)西線工程等重大工程持續(xù)推進，高寒山地區(qū)面臨諸多冰雪型地質(zhì)災害問題。據(jù)彭建兵等［1］、薛翊國等［2］研究表明：以川藏鐵路為代表的環(huán)青藏高原邊緣高寒山地區(qū)山高谷深、溝壑縱橫，區(qū)域斷裂帶發(fā)育密集，切割破碎強烈，導致高位巖崩、冰磧物堆積滑坡、冰碎屑流、冰湖潰決泥流等淺表層地質(zhì)災害廣泛發(fā)育，成為我國山地災害最活躍、類型最齊全、危害最嚴重的地區(qū)之一，嚴重威脅著上述重大工程建設與后期安全運營。此外，高寒山地區(qū)作為全球氣候變暖的放大器［3］，氣溫升高趨勢明顯，導致微環(huán)境水熱遷移活動加劇，與之密切關(guān)聯(lián)的冰雪型地質(zhì)災害加速發(fā)生。而國內(nèi)外相關(guān)高寒山地區(qū)（如：阿爾卑斯山脈、岡底斯山脈、喜馬拉雅山脈等）均表現(xiàn)為：隨著全球氣候變暖，冰雪型地質(zhì)災害呈現(xiàn)加劇發(fā)生的趨勢［4］。

冰雪型地質(zhì)災害受高位發(fā)育、勢能轉(zhuǎn)化、動力侵蝕作用影響，往往呈現(xiàn)出典型的災害鏈特征。如：2021 年2 月7 日，印度查莫利北部發(fā)生高位冰巖山崩堵江潰決洪水災害，其初始崩滑體由4 組大型結(jié)構(gòu)面切割而成，體積約2.3×107m3，該高位崩滑體先后經(jīng)歷失穩(wěn)、解體潰散后，疊加周圍水分補充以碎屑流形式沿溝谷向下高速運動，并在地形急變帶堆積且形成堰塞壩；而后堰塞壩體潰決后形成山洪災害，呈現(xiàn)了較為完整的冰雪型地質(zhì)災害鏈特征［5］。再如：2000 年4 月9 日，西藏波密縣易貢發(fā)生巨型高速滑坡，該滑坡先后經(jīng)歷了“高位滑動→碎屑流→土石水氣浪→泥石流→次級滑坡”鏈生轉(zhuǎn)化過程，自5 520 m 高程雪山產(chǎn)生向下高速滑動，滑程長達8 km，最終堆積于約2 190 m 高程的易貢藏布江，形成壩高54 m、長約2 500 m、體積約2.8×108～3.0×108m3的巨型堰塞湖［6］?？梢姡┬偷刭|(zhì)災害存在典型的鏈動演化特征，關(guān)注高寒山地區(qū)地質(zhì)災害需重點關(guān)注其鏈生特征及對應的災害轉(zhuǎn)化機制。

目前，圍繞冰雪型地質(zhì)災害鏈生效應及機制研究已取得一定進展。如：崔鵬等［7］基于1930—2010年青藏高原區(qū)山地災害統(tǒng)計實例，分析了氣候變暖對青藏高原山地災害的影響。發(fā)現(xiàn)：隨著氣候變暖，冰湖潰決、冰川泥石流等冰雪型地質(zhì)災害趨于活躍，且災害鏈生特征明顯，具體表現(xiàn)為時間和空間上的延拓性，特別是在藏東南地區(qū)表現(xiàn)出受雨熱同期的氣候特征控制的鏈動現(xiàn)象。李秀珍等［8］對川藏交通廊道康定至林芝段地質(zhì)災害空間分布特征進行歸納發(fā)現(xiàn)：該區(qū)域地質(zhì)災害普遍存在由滑坡、崩塌向洪水、泥石流等災害轉(zhuǎn)化的鏈生放大現(xiàn)象。黃勇等［9］將川藏鐵路沿線災害鏈主要類型分為：崩塌—滑坡—碎屑流—堵江堰塞壩—潰壩洪水、滑坡—碎屑流—堵江堰塞壩—潰壩洪水、泥石流—堰塞湖—潰決洪水、冰崩—冰湖潰決—泥石流—堰塞湖—潰決洪水4 類，并探討不同類型下的針對性工程防控措施；鄧建輝等［10］圍繞青藏高原重大滑坡及其災害鏈的動力學機制開展研究，通過建立的高速遠程滑坡啟動—運動—堆積全過程物理模型和數(shù)值分析平臺，揭示該類滑坡堵江與潰決洪水演進機制。但總體而言，現(xiàn)階段研究主要側(cè)重于冰雪型單體地質(zhì)災害，系統(tǒng)開展該地質(zhì)災害鏈研究尚顯不足，特別是圍繞冰雪型地質(zhì)災害存在典型的高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化鏈動過程及演化規(guī)律研究較少，對應的鏈生機理認知不全面、評價模型不完善；因此，立足于現(xiàn)階段“單一災種防御向綜合災種防御轉(zhuǎn)變”的防災減災思路，亟待圍繞該領(lǐng)域開展系統(tǒng)研究工作。

據(jù)此，本文首先對高寒山地區(qū)冰雪型地質(zhì)災害典型鏈式組合關(guān)系予以剖析，并對冰雪型地質(zhì)災害高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化分階段特征及內(nèi)在機制進行分析，明確了冰雪型地質(zhì)災害的“高位萌生→位能轉(zhuǎn)化→侵蝕鏟刮→滑移堆積”累積鏈生放大機理。同時，對冰雪型地質(zhì)災害鏈各演化階段進行評價模型梳理，以期為后續(xù)開展冰雪型地質(zhì)災害鏈動態(tài)演化評價提供借鑒與參考。

1 冰雪型地質(zhì)災害典型類型、特征及鏈式組合關(guān)系

1.1 冰雪型地質(zhì)災害典型類型及特征

環(huán)青藏高原邊緣山地區(qū)是全球低緯度地區(qū)現(xiàn)代冰川最為發(fā)育的地區(qū)，主要集中分布在青藏高原南緣的喜馬拉雅山、念青唐古拉山、喀喇昆侖山等高寒山地區(qū)［11］。據(jù)第一次、第二次冰川編目數(shù)據(jù)［12］，20 世紀60 年代以來，我國約82%的冰川處于退縮狀態(tài)，面積退縮量超過10%，尤其90 年代以來退縮加劇，導致冰雪型地質(zhì)災害呈現(xiàn)加速發(fā)育特征。本文以環(huán)青藏高原邊緣山地區(qū)為對象，對冰雪型地質(zhì)災害常見類型（圖1）及典型特征梳理如下：

圖1 高寒山地區(qū)冰雪型地質(zhì)災害典型類型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）冰巖崩

冰巖崩（I 類）指原位巨厚冰或巖體因凍脹、開裂等脫離母體從冰川陡峻處傾倒、崩塌、滾落、滑動的現(xiàn)象，多發(fā)生于冰川末端或高位陡峭巖體［13-14］。冰巖崩發(fā)生與氣候變化有關(guān)，同時也與冰川躍動、冰川斷裂崩解或區(qū)域地震等因素存在關(guān)聯(lián)。冰巖崩體作為由冰、雪、巖、水及空氣等多相物質(zhì)組成的碎散物集合體，結(jié)構(gòu)極為復雜，固相含冰體、冰磧、巖塊等，液相主要由冰雪融水組成；在冰巖崩運動過程中，通常會夾帶大量陡峭坡體裸露巖塊及裹挾冰雪塊體等，由于基底摩擦和內(nèi)部液化等各種作用，各相態(tài)之間發(fā)生著互相轉(zhuǎn)化，使得冰巖崩體的物質(zhì)組成不斷發(fā)生變化［15-16］。此外，冰巖崩主要發(fā)生于大量降雪的秋冬季節(jié)和春季融雪開始時期，具有暴發(fā)突然、速度快、崩塌量大、致災效應明顯等特點，且極易形成鏈式反應引發(fā)后續(xù)次生災害［17］。

（2）雪巖崩

雪巖崩（II類）指高位陡峭坡體厚積雪在一定作用下產(chǎn)生崩裂滑動，并對山坡積雪或巖體進行切削裹挾，引起雪體或巖體快速崩塌的地質(zhì)災害［18］。雪巖崩按發(fā)生后的地貌形態(tài)和運動形式，可分為溝槽型雪巖崩和坡面型雪巖崩；而按發(fā)生氣候類型及季節(jié)特征，可分為干雪巖崩和濕雪巖崩，其中，濕雪巖崩由于雪層中含水量較高，導致崩出距離大。每年春季融雪期間是雪巖崩的高發(fā)期［19］，主要致災因子為：坡度、積雪深度（雪深＞70 cm 常伴隨大型雪巖崩）、氣溫和風力作用。此外，雪巖崩具有突發(fā)性強、速度快、沖擊力大、破壞力強、直進性強等特點，同時，雪巖崩往往還會引起山體滑坡和泥石流等次生災害。

（3）冰雪型碎屑流

冰雪型碎屑流（III 類）指高寒山地區(qū)陡峭斜坡因冰（雪）巖崩或滑坡解體后而形成的冰屑、雪、巖土顆?；旌象w而產(chǎn)生塑性高速流動的地質(zhì)災害［20-22］。因高位冰（雪）巖崩動力破碎而產(chǎn)生的碎屑化流動現(xiàn)象，一般而言，其初始物質(zhì)主要來源于高位冰崩或巖崩，并在下滑過程中裹挾巖屑和積雪演變?yōu)楸┬退樾剂?。對應的影響因素包括：斜坡坡度、崩落高度、斜坡堆積物狀態(tài)及周邊融水情況；此外，其往往伴隨地震、暴雨、極端天氣等觸發(fā)因子而發(fā)生，呈現(xiàn)典型的復合型地質(zhì)災害演化特點［23］。因其高速滑動及大量融水摻入，導致其存在明顯的氣墊效應及滑面潤濕效應，可促使其產(chǎn)生遠程滑動，具體特點為：超高速（最高可達250 km·h-1［24］）、方量大、滑距遠、準周期性等。

（4）冰磧物堆積滑坡

冰磧物堆積滑坡（IV 類）指高寒山地區(qū)斜坡冰磧物堆積體在地震、強降雨、融雪沖刷及人為工程活動等影響下，沿著下覆融-凍界面富水層發(fā)生整體或分散性滑動的地質(zhì)災害［25-26］。冰磧物堆積體是由冰川搬運作用消散、停滯后而形成的一種夾帶巖屑的沉積產(chǎn)物，因此，具有如下兩大特點：①組成成分多為巖土碎屑物，顆粒分選性極差，不存在層理結(jié)構(gòu)或定向排列特征；②堆積物磨圓度差，多呈現(xiàn)棱角狀發(fā)育；因其外觀形態(tài)的復雜性導致堆積物結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性極差。因其組成物質(zhì)及結(jié)構(gòu)形態(tài)的特殊性，導致該類滑坡發(fā)生形態(tài)、滑動面等與常規(guī)巖質(zhì)滑坡、土質(zhì)滑坡存在明顯不同，具體體現(xiàn)為：①冰磧物堆積滑坡發(fā)生規(guī)模具有一定隨機性，其受到冰磧物密度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等綜合作用影響；②該類滑坡滑動面受到凍融外營力作用影響顯著，多沿著下覆融-凍界面富水層發(fā)生，而該富水層空間發(fā)育與微環(huán)境氣候影響深度存在較強關(guān)聯(lián)；③受高寒山地區(qū)高山峽谷地貌影響，冰磧物堆積滑坡往往具有高速遠程及物相轉(zhuǎn)化等特點。

（5）冰湖潰決

冰湖潰決（V類）指高寒山地區(qū)冰川湖、冰磧湖、冰壩湖等在外界擾動作用下出現(xiàn)排水傾瀉或壩體垮塌而形成的地質(zhì)災害［13］。該類地質(zhì)災害具有典型的誘生性與突發(fā)性特點，具體而言，其往往由于高位冰（雪）巖崩、冰磧物堆積滑坡等災害發(fā)生涌入而后續(xù)產(chǎn)生；同時，其受到的外部沖擊力大于冰湖或冰壩體自身的抗?jié)⒘r［27］，產(chǎn)生突發(fā)性潰決。其中，潰決山洪是冰湖潰決最直接的鏈生結(jié)果。崔鵬等［28］將冰磧湖潰決起因分為兩類：①因堤壩破壞而潰決；②因漫頂而潰決。其中，后者是更為常見的潰決模式。據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：隨著全球氣候變暖，冰湖潰決（多數(shù)為冰磧湖）發(fā)生頻率明顯升高。20世紀以來，我國青藏高原及周邊地區(qū)發(fā)生冰湖潰決數(shù)量達到277 次，其中冰磧湖潰決113 次，冰壩湖潰決164 次，達到了近50 年最高水平［29］。該類災害因誘發(fā)形成，往往呈現(xiàn)典型的鏈生放大效應，即由冰（雪）巖崩、冰磧物堆積滑坡等誘發(fā)而發(fā)生，而且其發(fā)生后往往轉(zhuǎn)化為碎屑流或泥石流，具備形成次生地質(zhì)災害的較高風險。

（6）冰川型泥石流

冰川型泥石流（VI 類）指在冰川進退變化及積累消融引起的冰（雪）巖崩、冰雪型碎屑流等動力地質(zhì)災害后，因大量水分參與或細顆粒裹挾而產(chǎn)生的黏滯性泥流地質(zhì)災害［30］。按照高寒山地區(qū)冰川型泥石流初始物質(zhì)來源不同，可分為冰雪融水型泥石流、冰（雪）巖崩型泥石流、冰湖潰決型泥石流等。冰川型泥石流處于冰雪型地質(zhì)災害的“下游”，發(fā)育海拔相對較低，但因物相轉(zhuǎn)化影響往往災害波及范圍極大，可達數(shù)十千米外的下游開闊河谷地帶。該類災害的產(chǎn)生條件包括：豐富的碎屑物質(zhì)、充足的補水來源、相對陡峭坡度及開闊的U 形谷地貌面。冰川型泥石流的顯著特征為：首陣能量強、形成規(guī)模大、暴發(fā)突然、活動性強、流動時間長、動荷載巨大、往往表現(xiàn)為大沖大淤等［31］。

1.2 冰雪型地質(zhì)災害典型鏈式組合關(guān)系剖析

據(jù)上文冰雪型地質(zhì)災害常見類型歸納可知，該區(qū)域地質(zhì)災害往往具有鏈生特征。筆者基于前人相關(guān)研究及調(diào)研資料，將其主要鏈式組合關(guān)系分為3 種：①冰巖崩→冰湖潰決及潰決山洪→冰川型泥石流；②冰巖崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及潰決山洪；③冰磧物堆積滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流；具體剖析如下：

（1）冰巖崩（I類）→冰湖潰決及潰決山洪（V 類）→冰川型泥石流（VI類）

圖2為“冰巖崩→冰湖潰決及潰決山洪→冰川型泥石流”地質(zhì)災害鏈演化過程示意圖，具體包括：冰巖崩（I類）→冰湖潰決及潰決山洪（V 類）、冰湖潰決及潰決山洪（V 類）→冰川型泥石流（VI 類）兩階段，其演化過程詳細闡述如下：①I 類→V 類演化過程為：冰巖體因高位冰川體或巖體內(nèi)部主控裂隙崩裂或凍脹發(fā)生損傷貫通，進而變形失穩(wěn)引發(fā)冰巖崩（I類）。冰巖崩體高位剪出后沿斜坡墜入湖內(nèi)，掀起涌浪，使冰湖水面急劇上升，形成高于溢出口的溢流水頭，當溢流流速大于溢出口泥沙的起動流速，溢流沖刷、下切終磧堤。若堤壩下切速率大于溢流導致的湖水水位下降速率，則溢流口水頭會隨下切而增加，流速進一步增大，沖刷與下切作用增強，造成冰湖在局部堤段瞬時潰決［28］。而多次局部瞬時潰決引發(fā)冰湖全面潰決，形成潰決山洪（V 類）。②V 類→VI類演化過程為：潰決山洪（V類）沿山坡、溝道下泄途中不斷卷入冰雪、碎石、泥沙等松散堆積物，大量硬固體混入使得山洪運動能力倍增，逐漸由水石流轉(zhuǎn)為稀性泥石流（紊流型泥石流），隨著固體含量的增加，由稀狀轉(zhuǎn)為黏稠狀，形成黏性泥石流（VI類）。此外，冰川型泥石流可能會堵塞河道形成堰塞湖，堰塞湖潰壩又形成潰決山洪，二次潰決產(chǎn)生“流量放大”效應，從而加劇和延長災害的鏈式演進。

圖2 冰巖崩→冰湖潰決及潰決山洪→冰川型泥石流鏈式演化過程示意圖（據(jù)文獻［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）冰巖崩（I 類）→冰雪型碎屑流（III 類）→堰塞湖及潰決山洪（V類）

圖3是該類地質(zhì)災害鏈的演化過程，具體包括：冰巖崩（I 類）→冰雪型碎屑流（III 類）、冰雪型碎屑流（III 類）→堰塞湖及潰決山洪（V 類）兩個階段，詳述如下：①I 類→III 類演化過程為：冰巖體在重力及主控裂隙卸荷作用下發(fā)生高位崩塌，引發(fā)冰巖崩（I類），在崩落過程中因碰撞、擠壓、鏟刮、磨損等逐漸解體破碎散落，途中裹入積雪、碎石、冰磧物等，以及周邊高山融水的不斷補給，最終轉(zhuǎn)換為冰雪型碎屑流（III 類）；②III 類→V 類演化過程為：冰雪型碎屑流（III 類）繼續(xù)沿山坡或溝道快速滑動，沿途發(fā)生鏟刮與裹挾效應，導致冰雪、巖土、水多相混合碎屑體的體積增大，長距離滑動后，堵江截河形成高位堰塞湖（V 類）；而堰塞湖蓄滿后瞬間外溢或堰塞壩逐漸被沖切破壞，產(chǎn)生堵潰放大效應并形成潰決山洪（V 類）。此外，潰決山洪可能匯入主河道形成流域性大型或特大山洪。

圖3 冰巖崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及潰決山洪演化過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of evolution process of ice rock avalanche→ice and snow debris flow→barrier lake and burst mountain flood

（3）冰磧物堆積滑坡（IV 類）→冰雪型碎屑流（III類）→冰川型泥石流（VI類）

此類地質(zhì)災害鏈源頭多發(fā)生于高寒山地區(qū)陡坡冰磧物堆積侵蝕面上，具體包括：冰磧物堆積滑坡（IV 類）→冰雪型碎屑流（III 類）、冰雪型碎屑流（III 類）→冰川型泥石流（VI 類）兩個階段（圖4），詳述如下：①IV 類→III 類演化過程為：冰川巨大的刨蝕和搬運作用，使得高山陡坡或深切溝谷內(nèi)堆積有大量冰水沉積物、巖屑、黏土等冰磧，在冰雪融水徑流、強降雨、地震等誘發(fā)因素作用下失穩(wěn)滑動，形成冰磧物堆積滑坡（IV 類）。由于冰磧物組成物質(zhì)及結(jié)構(gòu)的復雜性，往往會在滑動過程中快速解體為散體結(jié)構(gòu)，加之周邊冰雪融水及降水補給，混雜轉(zhuǎn)化為多相碎屑流（III類）；此外，該階段演化尚存在類似于如上鏈式組合關(guān)系1（冰巖崩→冰湖潰決及潰決山洪→冰川型泥石流）的碎屑流發(fā)育特征。②III類→VI類演化過程為：隨著融水、松散堆積層內(nèi)潛水及降雨等持續(xù)提供水動力作用，冰雪型碎屑流（III 類）會進行瞬時高速流動，并短時間內(nèi)沖出溝口，在途中夾帶大量碎石、黏土及崩坡積物等固體物質(zhì)，形成稀性泥石流，隨著固體物質(zhì)含量的增加，黏滯力和黏度增大，進而演化為黏性泥石流（VI類）。演化過程中若有支流山洪匯入或強降雨補給時，會快速演變?yōu)榇笮突蛱卮笮湍嗍鳌?/p>

圖4 冰磧物堆積滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流演化過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of evolution process of moraine accumulation landslide→ice and snow debris flow→glacial debris flow

2 冰雪型地質(zhì)災害鏈高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化過程剖析

冰雪型地質(zhì)災害具有外營力驅(qū)動、高位萌生、高勢能轉(zhuǎn)化、高速運動、遠程堆積等典型特征，使得該類地質(zhì)災害呈現(xiàn)明顯的鏈式放大成災特征，與低海拔區(qū)傳統(tǒng)型地質(zhì)災害鏈存在顯著差異。據(jù)此，筆者將冰雪型地質(zhì)災害鏈定義為：發(fā)育于高寒高海拔山地區(qū)，并受控于高位表巖體地質(zhì)動力作用、高寒凍脹或凍融環(huán)境的內(nèi)外耦合共生作用，呈現(xiàn)“高位萌生→動力潰散→物相轉(zhuǎn)化”的鏈式演化過程，導致災害體產(chǎn)生“連續(xù)性固相→碎散性固相→黏滯性流相”多相多級轉(zhuǎn)化的特殊地質(zhì)災害鏈。

表1為冰雪型地質(zhì)災害鏈與低海拔區(qū)傳統(tǒng)地質(zhì)災害鏈區(qū)別對比結(jié)果。從表1 可知，其內(nèi)外耦合共生特征體現(xiàn)在其致災體、致災因子及孕災環(huán)境受到高寒山地區(qū)內(nèi)外環(huán)境作用的共同影響；而鏈式放大成災特征體現(xiàn)在冰雪型地質(zhì)災害鏈呈現(xiàn)時間相接、空間相連、鏈式演進、逐漸放大等特點［32］，相較低海拔區(qū)的地質(zhì)災害鏈式放大作用顯著，使得破壞力和波及范圍遠超低海拔區(qū)傳統(tǒng)地質(zhì)災害。

表1 冰雪型地質(zhì)災害鏈與低海拔區(qū)傳統(tǒng)地質(zhì)災害鏈評價要素及特點差異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質(zhì)災害典型鏈式組合關(guān)系及鏈生特征分析，筆者將冰雪型地質(zhì)災害鏈細分為：高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化3個階段，其中，高位萌生為高寒高海拔區(qū)該類地質(zhì)災害初始孕災環(huán)境條件；動力潰散進一步包括碰撞潰散與侵蝕鏟刮兩個階段；而物相轉(zhuǎn)化多發(fā)生于該災害鏈的中后段，涵蓋了侵蝕鏟刮與滑移堆積兩個階段，主要體現(xiàn)為水分強補給而引起的災害由固相向黏滯性流相轉(zhuǎn)化。筆者詳盡梳理了冰雪型地質(zhì)災害鏈高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化全過程（圖5），以下圍繞冰雪型地質(zhì)災害鏈萌生、潰散及物相轉(zhuǎn)化過程逐一剖析。

圖5 冰雪型地質(zhì)災害鏈高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化過程示意圖Fig. 5 Schematic diagram of high-level initiation，dynamic collapse and phase transformation of ice and snow geological hazard chain

2.1 高位萌生過程剖析

圖6為冰雪型地質(zhì)災害高位萌生誘發(fā)條件系統(tǒng)歸納，可見，該過程存在明顯的內(nèi)外耦合共生萌生特征。具體而言，高位萌生的內(nèi)生動力條件包括：板塊運動、構(gòu)造地震、高原隆升、區(qū)域構(gòu)造應力、巖體節(jié)理發(fā)育且切割破碎，可歸納為控災構(gòu)造、孕災地層兩部分。而外營力條件主要有：低溫環(huán)境、結(jié)冰凍脹、卸荷拉張作用、凍融侵蝕及人類工程營力，主要體現(xiàn)為孕災環(huán)境的改變。其中，主控因素為氣溫升高（增暖）與融水增多（變濕）；“增暖”引起了高位巖體或冰川體局部融化，導致冰巖或冰川體表面形成裂隙延伸或引起主控裂隙貫通；而“變濕”則會加劇冰川的水-熱遷移，并導致局部化水分積聚，形成典型的融化軟弱面，客觀加快了冰川運動速度［34］，并導致了潛在高位災害體的萌生概率［35］。

圖6 冰雪型地質(zhì)災害高位萌生誘發(fā)條件總結(jié)（據(jù)文獻［36］修改）Fig. 6 Summary of inducing conditions for high-level initiation of ice and snow geological disasters（Modified according to reference［36］）

氣溫升高導致冰川體或巖體表面掛冰消融加劇，為高位災害體水熱遷移及軟弱面形成提供了初始驅(qū)動條件。具體而言，一方面，氣候變暖導致冰川體局部萎縮、融冰與融雪現(xiàn)象加劇，并導致雪線及冰線上移，而融冰與融雪過程加劇了高位災害體的水熱活動，并最終引發(fā)冰（雪）巖崩災害。另一方面，多年凍土區(qū)退化，凍融循環(huán)及增濕作用加劇，導致巖土體強度和穩(wěn)定性降低，最終失穩(wěn)引發(fā)崩塌、滑坡災害。

冰雪融水為該類災害萌生提供重要的水動力，主要表現(xiàn)為運移和侵蝕。首先，滲入雪層的融水在熱力、壓力及重結(jié)晶等作用下形成冰川冰，其在上覆冰雪壓力作用下轉(zhuǎn)為塑性體發(fā)生塑性流動，形成塑性流動層。然后，成冰型融水在冰層表面形成小量徑流，當冰的縱向應變力超過臨界斷裂韌性時，形成冰裂縫［37］，融水對冰裂縫的侵蝕切割作用加劇，導致冰裂縫進一步擴展與貫通，致使冰雪體強度降低，進而失穩(wěn)發(fā)生冰（雪）巖崩災害。其次，覆冰表面徑流不斷聚集形成冰面河（湖），并以熱力侵蝕為主下切冰雪巖體，致使冰內(nèi)及冰下水壓升高。當達到極限時，以潰決排水方式釋放壓力［38］。進而，表面徑流型融水滲入內(nèi)部使冰巖體液態(tài)水含量增大、內(nèi)摩擦角和黏聚力降低、受力條件改變［39］，導致冰巖體強度和穩(wěn)定性下降，引發(fā)冰（雪）巖崩災害。另外，融水也可入滲至冰體內(nèi)部原有重力裂縫，造成裂縫貫通，冰雪體進而斷裂失穩(wěn)。最后，內(nèi)部入滲型融水滲入冰層底部形成潤滑掏蝕型融水，其大大降低了冰層與冰床基巖的摩擦力，驅(qū)動冰層產(chǎn)生滑動，加快了冰川運動速度。因上部冰川呈剛性，遇到地形凹凸不平和折彎時，冰川上部冰層極易產(chǎn)生冰裂隙，導致冰巖體失穩(wěn)，引發(fā)冰巖崩災害。顯然，冰雪型地質(zhì)災害的高位萌生為其動力潰散提供了必要條件。

2.2 動力潰散過程剖析

能量條件是致災體起動和運動的重要驅(qū)動力［39］。冰雪型地質(zhì)災害啟動時，致災體具有高位能，同時，其由于內(nèi)生動力及外營力作用積蓄了大量彈性應變能［40］。當致災體高位剪出時，維持致災體極限平衡的內(nèi)應力和彈性應變能得到瞬間釋放，產(chǎn)生應力波，使其具有瞬時高動量和初始動能，并產(chǎn)生啟動加速度。

碰撞與破碎是致災體鏈式演化的關(guān)鍵和普遍過程［41］。高位剪出后，在滾落和傾覆過程中80%以上的高位能轉(zhuǎn)化為強動能［42］，且在坡度大的地段慣性加速（通常＞20 m·s-1），流滑加速效應明顯，致災體轉(zhuǎn)為高速流滑體。首先，高速流滑體反復撞擊下部山坡基底，造成山坡基底發(fā)生彈塑性及彈脆性變形破壞［22］。崩滑過程中產(chǎn)生氣浪沖擊波對周圍坡體、巖體等形成連續(xù)高能碰撞，巨大的外應力作用導致高速流滑體逐漸解體為流線型結(jié)構(gòu)的破裂體。其次，在動態(tài)破裂過程中，釋放的彈性應變能引起各向同性分散應力，破裂后巖塊的動能形成彌散應力［47］，促使底部摩擦力降低（減阻作用）。同時，摩擦力做功會產(chǎn)生大量熱能，釋放的熱量將基底層中的水分汽化，也會對破裂體的運動起到減阻作用。另外，由于高速運動壓縮周圍空氣，產(chǎn)生氣墊效應并形成氣墊層，對破裂體運動起擎托作用（空氣升力作用）。簡而言之，在碰撞和破碎過程中，減阻作用和擎托作用共同使下滑距離延長。

侵蝕鏟刮是致災體累積鏈生放大的核心階段。破裂體繼續(xù)碰撞、剮蹭，并與山坡相互掏蝕和側(cè)蝕，使其進一步破裂解體為碎屑體。因沖蝕效應逐漸導致碎屑體運動速度適度減緩，動量和動能隨之減小。之后，碎屑體對山坡產(chǎn)生鏟刮力，當巖土體抗沖擊剪切小于滑動沖擊力時，產(chǎn)生鏟刮效應，持續(xù)加載鏟刮下伏和側(cè)緣巖土體進而形成深度高達幾十米的鏟刮層［43］，使得碎屑體體積和流量明顯增大。當體積大于一定值時（存在尺寸效應），碎屑體的運動具有明顯的流態(tài)化特征，轉(zhuǎn)為管柱型碎屑流［44-45］。與此同時，由于鏟刮層的驅(qū)動區(qū)推擠被動區(qū)（前部堆積物），產(chǎn)生隆起或翻拋（即推覆），兩側(cè)和前緣會形成堆積和鼓脹凸起［43］，也會使得碎屑體體積增加，且翻拋會使得堆積物層次上下倒置，出現(xiàn)反粒序現(xiàn)象［44-45］。進一步向下鏟刮斜坡表層，山坡會形成類似犁溝、犁槽形的犁切溝槽。運動到斜坡下部，溝道含水量增加，產(chǎn)生剪切液化效應，潤滑作用使得摩擦力降低，剩余驅(qū)動力和累積沖量使得下滑距離進一步增加。且下游坡度變緩，加之地形開闊，進一步潰散使其散落化，形成擴散型碎屑流。因此，以上所述動力潰散為鏈式演化后期物相轉(zhuǎn)化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 物相轉(zhuǎn)化過程剖析

動力潰散過程形成的碎屑顆粒堆積體具有結(jié)構(gòu)松散的特性。在強烈消融作用下形成大量融水，首先，融水包裹在顆粒表面形成具有潤滑作用的水膜，使得抗剪強度降低［46］；其次，融水沿孔隙不斷滲入堆積體內(nèi)部，使得內(nèi)部滲流運動加強，導致堆積體結(jié)構(gòu)和受力條件改變。具體而言，一方面，內(nèi)部摩擦特性改變、顆粒層間壓力減??；另一方面，內(nèi)部孔隙增加、骨架結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性降低。隨著水分大量補給，堆積體內(nèi)部含水量趨于飽和，其下部幾乎處于不排水狀態(tài)，形成超孔隙水壓力，導致表層顆粒力鏈結(jié)構(gòu)大幅弱化，甚至發(fā)生液化現(xiàn)象。

融水繼續(xù)下滲，使得下部和兩側(cè)巖土體處于浸潤狀態(tài)，產(chǎn)生浮力作用，且體積出現(xiàn)一定膨脹，導致巖土體物相特征發(fā)生變化。具體表現(xiàn)為：①因膠結(jié)度、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力降低，巖土體結(jié)構(gòu)變得松弛，強度降低；②因滲透壓力、徑流剪切力增大，巖土體開始出現(xiàn)明顯的應變軟化現(xiàn)象，偏應力快速降低到接近零值，巖土體表現(xiàn)出類似于流體的特征。隨著融水持續(xù)滲透、匯流等，形成一定深度的地表徑流［47］。地表徑流具有強烈沖刷作用，當超過臨界水流切應力時，形成啟動拖曳力，下部和兩側(cè)泥沙顆粒會快速從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)入運動狀態(tài)。

由于水動力、沖擊力以及流體的拖曳力協(xié)同作用不斷侵蝕、掏蝕坡腳和溝道等，沿途不斷裹挾大量新物源，并與原有上游物源匯聚混雜，固液兩相耦合作用形成水石流，持續(xù)侵蝕、夾帶固體物質(zhì)，使水石流轉(zhuǎn)為稀性泥石流，泥石流內(nèi)部顆粒不斷碰撞、摩擦，粗顆粒持續(xù)堆積，逐漸形成剪脹現(xiàn)象。持續(xù)的物質(zhì)補充使稀性泥石流轉(zhuǎn)為黏性泥石流，黏滯性增大，轉(zhuǎn)為黏彈性非牛頓流體，上述過程體現(xiàn)了固體向固液兩相流體再到黏滯性多相混流體的物相轉(zhuǎn)變。另外，下游地勢變緩，外加黏滯力增大，使得速度減小，轉(zhuǎn)為緩慢推移、滑移運動，由于泥石流底層具有吸附作用，多相物質(zhì)大量運移和聚集，使得體積變大，形成混合相態(tài)流體，最終停滯轉(zhuǎn)為固結(jié)堆積體。若下游存在河道或溝道等，泥石流會產(chǎn)生河道或溝道堵潰放大現(xiàn)象?；谏鲜霰┬偷刭|(zhì)災害鏈高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化過程剖析，梳理出冰雪型地質(zhì)災害鏈動演化過程及機理如表2。

表2 冰雪型地質(zhì)災害鏈動過程及內(nèi)在機理Table 2 Chain process and internal mechanism of ice and snow geological hazards

3 冰雪型地質(zhì)災害鏈不同階段評價模型分析

該部分圍繞冰雪型地質(zhì)災害鏈不同階段評價模型進行歸納總結(jié)，具體包括：（1）高位萌生→位能轉(zhuǎn)化段；（2）位能轉(zhuǎn)化→侵蝕鏟刮段；（3）侵蝕鏟刮→滑移堆積段。對應的相關(guān)評價模型概述如下：

（1）高位萌生→位能轉(zhuǎn)化段

該階段存在高位崩滑、高能碰撞、慣性加速、勢動轉(zhuǎn)化等演化特點，可采用新型破碎-擴散模型、Flores 接觸力模型、Hertz 接觸模型、顆粒力鏈破碎模型、沖擊加載模型等進行評價。本文結(jié)合具體鏈動特征，選用新型破碎-擴散模型和Flores接觸力模型表征此階段。其中，新型破碎-擴散模型適用于巖體的動態(tài)動力斷裂破碎，如：崩滑體與基巖的相互撞擊、崩滑體內(nèi)部各塊體之間的碰撞、巖體斷裂解體、連續(xù)碎屑化等；Flores 接觸力模型的滯后阻尼因子會隨恢復系數(shù)的減小而劇烈增大，其適合于小恢復系數(shù)場合和完全非彈性碰撞問題［50］。

①新型破碎-擴散模型［48］：該模型認為破碎是一個能量吸收過程，并將崩滑體的動態(tài)破碎程度認為是量化運動過程中能量消耗的重要參數(shù)，其控制著運動距離，且破碎化過程受源區(qū)巖體結(jié)構(gòu)的控制作用，與運動路徑的起伏程度密切相關(guān)［式（1）～（2）］。該模型表明：崩滑體的動力破碎過程顯著抑制了其整體的運動性，但同時動力破碎這一力學過程可以引起額外的擴散速度，促進崩滑體前端的運動，并認為這一現(xiàn)象是塊體破碎的彈性應變能釋放效應。該模型可以預測冰巖崩、碎屑流的運動距離，即可計算致災體的危害范圍。

式中：Lcm為質(zhì)心的運動距離，m；Lt為質(zhì)心前端運動距離，m；Br為相對破碎率，%；Sf為破碎擴散系數(shù)；Kf為破碎能耗效率，%；μ是基礎(chǔ)摩擦系數(shù)；g為重力加速度，m·s-2。

②Flores 接觸力模型［49］：該模型基于Hertz 接觸碰撞模型和滯后阻尼因子的接觸力模型。碰撞的能量損耗是巖石斷裂動力學的核心問題，該模型認為接觸碰撞過程中的動能損失，一方面可以表示為恢復系數(shù)和初始碰撞速度的函數(shù)，另一方面是由接觸力曲線中的滯回環(huán)決定的。該模型可反映能量的轉(zhuǎn)化與損失，并根據(jù)系統(tǒng)碰撞過程中線性動量守恒，得出碰撞過程中的能量損失主要由內(nèi)部阻尼造成。

能量損失表達式：

滯后阻尼因子和接觸力的表達式分別為：

式中：χ為滯后阻尼因子；cr為恢復系數(shù)；δ?和δ?()-為接觸速度和初始接觸速度，m·s-1；；δmax為最大壓入量，MPa；FN為接觸力，N；K為廣義剛度參數(shù)；δ為接觸體之間的相對法向變形量，MPa。

（2）位能轉(zhuǎn)化→侵蝕鏟刮段

該階段存在能量分散、鏟刮岸坡、體積增大等演化特點，可采用顆粒流模型、空氣潤滑模型、犁切模型、能量傳遞模型、摩擦剪切模型、摩擦-流動模型等進行評價。本文結(jié)合具體鏈動特征，選用顆粒流模型、空氣潤滑模型及犁切模型描述此階段。顆粒流模型受“尺寸效應”限制，適用于密集的、具有流態(tài)化特征的顆粒狀流動體；空氣潤滑模型適合于空氣封閉條件較好的高速遠程碎屑流運動；犁切模型則適用于下伏土質(zhì)堆積物的動力侵蝕過程。

①顆粒流模型［51］：該模型認為碎屑流高速遠程效應是其底部剪應力、碰撞力和自身重力共同作用的結(jié)果。在運動的過程中，底部顆粒對上部碎屑顆粒施加向上的碰撞力，碎屑底部的碰撞、剪切會導致其體積局部膨脹，這種膨脹會導致塊體之間、塊體與表面之間的摩擦系數(shù)降低；同時，當碎屑流的運動速度最夠大時，底部的顆粒向上施加的碰撞力足夠大，能平衡上部顆粒重量，也會使得碎屑流受到的地面摩擦力大大減小。因此，碎屑流能夠高速遠程運動。

式中：P為粒間正應力，N；T為粒間剪應力，N；σ為顆粒密度，g·cm-3；λ為顆粒的線濃度；D為顆粒半徑，m；du/dy為剪切速率，m·s-1；φ為粒間動摩擦系數(shù)；W為單位厚度容重，N·m-1；h為碎屑流厚度，m。

②空氣潤滑模型［52］：該模型認為在崩滑體剪出下落的過程中，下部與坡面之間圈閉了大量的空氣，當與山體碰撞解體破碎以后，碎屑流的底部顆粒與圈閉空氣充分地混合而形成“流化床”，氣體與固體顆粒之間的作用取代了固體顆粒的粒間碰撞而成為力的主要傳導方式。當碎屑流中每一點的空氣壓強能夠平衡該點的固體顆粒的重量時，碎屑物質(zhì)被完全流化，這時碎屑流施加給坡面的有效正應力幾乎為零，且碎屑流受到的地面摩擦力幾乎為零，因此碎屑流能夠高速運動。

③犁切模型［43］：該模型引入犁切厚度、阻力、體積等運動特征參數(shù)，將高位遠程致災體劃分為多個可變形運動滑塊（圖7），滑塊在運動過程中會產(chǎn)生鏟刮力，形成鏟刮層。根據(jù)牛頓第三定律，鏟刮力和堆積物的抗剪力平衡，其中，堆積物中鏟刮層的抗剪力不僅包含鏟刮層底部抗剪阻力，還包括鏟刮層推擠前部堆積物受到的阻力。該模型實質(zhì)是一種因犁切作用導致的體積增量計算方法，可對體積放大效應的程度進行具體力學表達。

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

堆積物抗剪力公式：

犁切體積計算公式：

式中：Tsi為鏟刮層底部剪切阻力，N；Pfi為犁切阻力，N；k為土壤比阻，kN·m-2；Ai為犁切斷面面積，m2；φ為堆積物的傾角，（°）；di為鏟刮層實際厚度，m；L為滑動距離，m。

（3）侵蝕鏟刮→滑移堆積段

該階段存在物相轉(zhuǎn)化、黏滯增強、遠程堆積等演化特點，可采用超孔隙水壓力模型、Voellmy 流變模型、Bingham 流體滲流模型、液化剪切模型、綜合黏彈模型等進行評價。本文結(jié)合具體鏈動特征，選用超孔隙水壓力模型、Voellmy流變模型及Bingham流體滲流模型分析此階段。超孔隙水壓力模型適用于流通路徑中有淤泥層或者冰川的運動；Voellmy 流變模型適用于湍流占主導地位的泥石流運動；Bingham 流體滲流模型適用于非均勻介質(zhì)中的滲流問題。

①超孔隙水壓力模型［53］：該模型將致災體看作流體，認為致災體快速運動過程中，外界對底部巖土層加壓，致使底部巖土層處于完全不排水或不完全排水狀態(tài)，孔隙水壓力釋放受到抑制，即孔隙水排出受阻，孔隙水壓力會在巖土體中累積，導致土顆粒間有效應力降低，從而降低巖土體的抗剪強度。孔隙水壓力不斷累積使得底部土層表面出現(xiàn)液化現(xiàn)象，產(chǎn)生“潤滑作用”，從而使摩擦力減小。同時，流體快速運動摩擦生熱，隨著溫度的升高，基底層中的水發(fā)生體積膨脹，底部形成趨近飽和的液化層，產(chǎn)生超孔隙水壓力，對滑體的運動產(chǎn)生促滑效應［54］，使得長距離滑動，達到遠程致災效果。

②Voellmy 流變模型［55］：在該模型中泥石流流體被假設為一種非穩(wěn)定及非均質(zhì)流體。模型針對溝渠地形，表明流體基底阻力與速度大小成正比關(guān)系，且流體受到的阻力分為兩部分，即流體受到的干摩擦力和湍流流動產(chǎn)生的黏滯摩擦力［式（11）］。當流體快速移動時，湍流占主導地位，而該模型很好地考慮了流體運動過程中的湍流效應與速度效應，因而被廣泛應用于模擬泥石流的流通運動。

式中：S為黏性流的流體阻力，N；μ為干摩擦系數(shù)；ρ是物質(zhì)密度，g·cm-3；g是重力加速度，m·s-2；φ是傾斜角，（°）；H是流動高度，m；U是流速，m·s-1；ξ為黏滯系數(shù)。

③Bingham 流體滲流模型［56］：該模型考慮了塑性黏度和屈服應力，常被用來描述泥流。多相混流體實質(zhì)是一種黏彈性非牛頓流體，其具有高分子量，且存在屈服應力，加之泥流的黏性作用和慣性作用，滲流關(guān)系為非線性。

Bingham流體本構(gòu)方程為：

表觀黏度表達式為：

式中：μ為絕對黏度，N·s·m-2；μp為塑性黏度，N·s·m-2；τ0為流體的屈服應力，Pa；u為流體在x方向上的速度，m·s-1。

4 結(jié)論

（1）常見的冰雪型地質(zhì)災害包括：冰巖崩、雪巖崩、冰雪型碎屑流、冰磧物堆積滑坡、冰湖潰決、冰川型泥石流6 種，具有空間泛生性、氣候敏感性、災害鏈生性、時空延拓性等。

（2）冰雪型地質(zhì)災害常見鏈式組合關(guān)系包括3種：①冰巖崩→冰湖潰決及潰決山洪→冰川型泥石流；②冰巖崩→冰雪型碎屑流→堰塞湖及潰決山洪；③冰磧物堆積滑坡→冰雪型碎屑流→冰川型泥石流。此外，尚存在冰（雪）巖崩—冰雪型碎屑流—冰川型泥石流災害鏈、冰湖潰決—山洪災害鏈、冰湖潰決—冰川型泥石流災害鏈、冰川型泥石流堵江截河—山洪災害鏈等。

（3）冰雪型地質(zhì)災害存在內(nèi)外耦合共生、鏈式放大成災兩大特征，具體包括：高位萌生、動力潰散及物相轉(zhuǎn)化三個階段，其中，高位萌生為初始孕災環(huán)境條件；動力潰散包括碰撞潰散與侵蝕鏟刮兩個階段；而物相轉(zhuǎn)化多發(fā)生于該災害鏈的中后段，主要體現(xiàn)為水分強補給而引起的災害由固相向黏滯性流相轉(zhuǎn)化。

（4）冰雪型地質(zhì)災害高位萌生主控因素為氣溫和冰雪融水，氣溫升高和融水量增大打破了致災體原有的水-熱和物質(zhì)平衡；而動力潰散過程復雜，涉及流滑加速效應、氣墊效應、沖蝕效應、鏟刮效應等；而物相轉(zhuǎn)化過程實質(zhì)是連續(xù)性固體（碎散性固體）逐步向黏滯性流體轉(zhuǎn)化的過程。具體而言，該類地質(zhì)災害鏈動機理為“高位萌生→位能轉(zhuǎn)化→侵蝕鏟刮→滑移堆積”的累積鏈生放大效應。

（5）冰雪型地質(zhì)災害高位萌生向動力潰散過程可采用新型破碎-擴散模型、Flores 接觸力模型等予以評價；犁切模型可較好描述其侵蝕鏟刮與體積放大過程；而顆粒流模型、空氣潤滑模型、超孔隙水壓力模型可較好揭示該類災害鏈高速滑移堆積特征；此外，Voellmy 流變模型及Bingham 流體滲流模型可較好解釋其災害鏈條中的物相轉(zhuǎn)化特征。