堰塞坝是由滑坡、崩塌、泥石流等边坡失稳体堵塞河道而形成的天然坝体^[1]。近年来，频发的地质构造活动和极端气候灾害（台风、暴雨、融雪等）诱发了大量的堰塞坝，严重威胁上下游群众的生命财产安全^[2]。例如：2008年，汶川地震诱发了828个堰塞坝^[3]；2009年，台湾“莫拉克”台风带来的强降雨诱发了18个堰塞坝^[4]；2018年，西藏色东普沟融雪产生滑坡，堵塞雅鲁藏布江形成堰塞坝^[5]；2018年，金沙江上游产生白格堰塞坝^[6]；2019年，浙江“利奇马”台风诱发永嘉堰塞坝。由此可见，堰塞坝出现的频率越来越高。

崩滑碎屑型堰塞坝，包括岩质碎屑体滑坡、土质滑坡和崩塌碎屑体堵江三大类型，其共同特点是：坝体结构松散、稳定性较差、溃决程度大、溃决速度快，通常形成巨大洪水，对下游造成巨大危害^[7]。如：2000年，西藏易贡崩塌碎屑体堰塞坝，坝高仅60 m，溃决峰值流量达124 000 m³/s，为唐家山溃决峰值流量（6 500 m³/s）的19倍^[8]，迫使6 000余人紧急撤离，摧毁下游高速公路、通信电缆和多座桥梁。2009年，台湾小林村滑坡碎屑体堰塞坝，坝高仅44 m，溃决峰值流量达70 649 m³/s，为唐家山峰值流量的11倍^[9]，摧毁小林村，导致398人死亡。2018年，金沙江白格滑坡堵江形成滑坡碎屑体堰塞坝，坝高仅61 m，溃决峰值流量达31 000 m³/s，为唐家山峰值流量的5倍^[6]，溃决洪水对下游500多公里的丽江市产生严重威胁，迫使25 000人紧急撤离（图1）。2019年，“利奇马”台风诱发永嘉堰塞坝，导致山早村18人死亡，14人失联。

图1(Fig. 1)

图1 崩滑碎屑体堵江成坝[6-9] Fig. 1 Landslide dam caused by landslide and avalanche debris[6-9]

崩滑碎屑体堰塞坝的堵江模式、坝体空间几何形态、结构特性（不同粒径组分的分布特征）和力学性质等重要特征取决于这种堰塞坝的形成过程，并极大地影响了堰塞坝的稳定性、溃决和消亡过程。要掌握堰塞坝的稳定性和溃决机理，准确评估堰塞坝的溃决风险，系统有效地管控堰塞坝风险^[10-11]，必须深入揭示堰塞坝的形成机理，并分析成坝后的坝体重要特征。

自20世纪70年代，美国就已经开始研究滑坡堵江问题，并对中国的部分堰塞坝案例开展了调查工作。Schuster和Costa^[12]在收集各国滑坡堵江案例的基础上编制了《世界滑坡堵江目录》，共收录世界滑坡堵江事件184例。1991年，Costa和Schuster^[13]又全面介绍了463例世界滑坡坝堵江事件。随后，印度、巴基斯坦、意大利、西班牙、加拿大和南美的一些国家也对本国滑坡堵江开展调查工作^[14-18]。中国对滑坡堵江的研究可以追溯到20世纪80年代。1988年，卢螽槱^[19]通过对中国发生的12个典型滑坡堵江事件进行分析，论述了滑坡堵江的基本类型、特征及防治对策，并初步预测了中国滑坡堵江的分布。柴贺军等^[20-23]基于对中国滑坡堵江事件的系统研究，首次编制了《中国滑坡堵江事件目录》；通过野外调研和室内资料查阅，依据堵江体与河床的关系提出滑坡完全堵江成坝的4种情况，讨论了滑坡完全堵江的地形、地貌条件和河床水动力条件；并且对150余个典型滑坡堵江按物质组成、体积大小、堵江状况、堵江历时和斜坡破坏机制等进行了分类。石振明等^[1]建立了一个世界范围内大型堰塞坝数据库（1 298例），统计发现中国堰塞坝高达758例，占比59%。此外，堰塞坝的主要诱因是崩塌和滑坡，表明崩滑型堰塞坝是堵江灾害的主要部分，见图2。

图2(Fig. 2)

图2 堰塞坝的案例库 Fig. 2 Case base of landslide dam

王珊珊等^[24]以中国喜马拉雅山区为例，分别提取堵江滑坡和非堵江滑坡事件样本，以物质来源、水力条件和河谷地形为主要影响因素进行滑坡体堵江概率预测分析，基于逻辑回归建立了研究区域滑坡体堵江概率预测模型。樊晓一等^[25]提出滑坡和河流的空间区域小于滑坡运动距离是滑坡堵江的根本原因，并根据未受河流阻止的滑坡水平运动距离与滑坡体积和垂直运动距离的相关性建立预测模型，对滑坡堵江的可能性和危险性进行判别。

目前，国内外对堰塞坝堵江的研究主要是堵江事件的识别与统计、天然坝体的基本特征、堵江成坝的影响因素等方面，大部分研究都是通过实例总结出一些定性模式。已有的堵江模式未考虑堵江体的类型，而堵江体类型会直接影响堰塞坝的形成过程和坝体特征。岩质整体滑坡堵江体稳定性好，溃决速度慢，溃决程度小；崩塌块石堵江体容易达成入流和渗流平衡而避免溃坝。与前两者相比，崩滑碎屑体堵江体易于快速溃决，危害性更大，形成机理更为复杂，所以有必要根据碎屑体的特征对碎屑体堵江模式和特点进行分类。

堰塞坝的形成过程及坝体特征与崩滑体的运动特征密不可分。运动过程中颗粒的破碎不仅会导致崩滑体运动状态的改变，而且对成坝后坝体的物质组成、形态和结构特征等有很大的影响。目前，现有研究在崩滑体动力学机理及运动破碎方面取得了较多成果。

针对于崩滑体运动方面，由于失稳体自身运动的复杂性和研究手段的局限性，已有研究多通过遥感影像及现场实测勘察，针对已存在的典型堰塞坝，选择震前与震后地质资料进行对比。此外，许多学者基于对国内外典型重大崩滑实例的深入调查和分析，提出崩滑体运动过程的相关理论及运动机理的若干学说。胡卸文等^[26]基于详细资料调查及现场勘查，对唐家山滑坡开始滑动到堵江的运动过程进行了相关研究。黄润秋^[27]、葛永刚^[28]等分析了汉源堰塞坝的形成，并指出滑体经高速远程滑动，入江后瞬间堵塞大渡河形成碎石型堰塞坝。白永健等^[29]以具体滑坡案例分析了滑坡的工程地质特征，并对滑坡的运动过程进行了相关研究。崔玉龙等^[30]采用地貌和运动学方法，分析规模巨大的马湖滑坡体，开展地貌分析、古滑坡群分期，并确定各期运动轨迹，推测其为多期地震诱发的顺高陡地层界面的高速、高大、远程滑坡。Scheidegger^[31]、Davies^[32]、Nicoletti^[33]等利用统计方法分析各因素对崩滑体运动的影响机理和影响趋势，分别得出了崩滑碎屑体的体积与等值摩擦系数的关系曲线、运动距离与体积的统计关系式，以及地形对碎屑体运动的影响。

大量具体堰塞坝案例的地质条件与形成过程分析增强了对诱发堰塞坝形成的影响因素的理解，但缺少对地质条件与失稳体运动过程及堵江成坝特征之间关系的系统性研究，尚未提出不同地质条件下基于崩滑碎屑体运动堆积的堰塞坝形成机理的一般规律，也难以明确建立地质条件与堰塞坝结构特征及物质组成间的对应关系。

对于运动过程中颗粒碰撞破碎方面，Charrière等^[34]基于加拿大弗兰克滑坡探讨了滑坡从开始滑动到堆积完成过程中的岩石崩塌、破碎及运移特征，并分析了块体粒径分布与碰撞破碎的关系。Davies等^[35]在滑坡过程中破碎问题的研究中指出，滑坡过程中岩石的破碎可导致碎屑流有效应力降低，并降低其抗磨阻能力，从而改变碎屑体的运动特征。Locat等^[36]基于统计分析的手段，在9个滑坡案例的基础上，分析了颗粒破碎所导致滑体能量的改变对滑坡运动堆积过程的影响。Zhao等^[37]基于3维离散元的方法对岩石块体滑落过程中的碰撞破碎现象进行了相关研究，并从力学角度分析其破碎机理。Blasio等^[38]提出一个简单的物理模型用于表征岩质滑坡中颗粒破碎现象，并指出滑坡中颗粒破碎可导致滑体运动速度、堆积特征及粒径分布的改变。Bowman等^[39]也基于物理模型试验的方法，从力学角度出发，建立相应的表征滑坡运动过程中的岩体动力破碎模型。

此外，学者们亦通过室内试验及离散元的方法对颗粒破碎进行了相关研究，见图3。

图3(Fig. 3)

图3 颗粒破碎力学模型分析[41] Fig. 3 Mechanics model analysis of particle fragmentation[41]

王子寒等^[40]依据大直剪试验的方法对粗粒土颗粒接触力学特性及细观接触模型进行研究，并指出颗粒的接触破碎主要为接触点的断裂，少有颗粒一分为二的情况。周健等^[41]从颗粒接触角度指出，粗粒土的破碎表现为接触点的局部破碎导致弹性核的产生，最后颗粒发生整体破碎。徐琨等^[42]对基于离散元的颗粒破碎研究进展进行了系统地阐明，指出基于DEM模拟颗粒破碎的方法有颗粒黏结模型（BPM）和碎屑代替法（FRM）；前者可模拟复杂形状颗粒的破碎但规模有限，后者可进行大规模数值模拟研究，但需预设碎片的替换模式和破碎判定准则。洪俊等^[43]对基于离散元的颗粒破碎过程精细化建模进行了系统的阐述，并提出基于离散元法的精细化弹簧–四面体单元破碎模型用于模拟颗粒破碎过程。徐可等^[44]基于DEM对岩质颗粒压缩破碎过程进行了仿真模拟，指出DEM数值模拟能够监测破碎过程中作用力等各物理量的变化过程，很好地弥补了室内试验的不足。

针对颗粒破碎已有一定的研究，主要是颗粒破碎机理及其对滑坡运动特征（包括速度、滑距等）的影响分析，而颗粒破碎对碎屑体堆积特征、物质分布等影响的研究较少。

碎屑体进入河道至堵江形成堰塞坝这一过程包含复杂的堰塞坝成坝机理，主要分为坝体堆积特征及水–土相互作用两个方面。针对这两方面的研究有助于进一步了解堰塞坝的结构、几何特征，从而对堰塞坝的危险性做出正确的评价。

由于很难获得现场的监测数据，模型试验成为再现碎屑体运动及堆积过程的重要手段之一，见图4。

图4(Fig. 4)

图4 碎屑体堵江成坝试验[45] Fig. 4 Experimental study on the damming process of landslide-debris avalanches[45]

Zhou等^[45-46]开展了不同级配滑坡体材料堵江试验，分析滑移坡度与堆积形态之间的关系。Manzella等^[47]以砂子和砾石为材料进行了系统的模型试验，并分析堆积物的形态变化，结果显示碎屑体的运动距离只与滑体的体积有关，滑体的垂直位移和形状对其运动距离没有直接影响，但是对最终的堆积物形状起着重要作用。Pudasaini^[48]、Scheidl^[49]等论述了开展真实3维地形条件下碎屑体运动特性研究的重要性，并设计弯道式斜槽试验装置，初步探讨了弯道地形对碎屑体运动与堆积特征的影响。王玉峰等^[50-51]以谢家店子滑坡、牛圈沟滑坡和文家沟滑坡的堆积区为重点研究对象，运用面积取样–面积频率和室内筛分法，通过质量–频率法的转换，获取堆积区竖向剖面不同高度层位上碎屑颗粒的累计频率分布曲线，揭示了碎屑堆积体内部所特有的“反粒序结构”堆积规律；并基于谢家店子滑坡真实3维地形空间分布形态，设计并建立滑坡–碎屑体3维物理模型试验装置，在真实的3维地形条件下分析运动特征与堆积特征。郝明辉等^[52]通过室内物理模型试验对滑坡碎屑体在运动过程的颗粒分离问题进行研究，主要考虑小颗粒含量、粒径差及滑床糙率等因素，对颗粒反序的成因机制进行探讨。王忠福等^[53]通过室内不同粒径小尺度岩石碎屑材料的无侧限干粒子材料岩崩物理模型试验，研究了不同粒径岩石碎屑体的运移距离及堆积特性；试验结果表明崩滑碎屑体成坝过程中出现分选现象，即粗颗粒集中在坝体顶部，细颗粒集中在坝体底部。这种崩解结构与坐落式崩塌堰塞坝形成鲜明对比，如马脑顶堰塞坝^[54-55]；坐落式崩塌堰塞坝整体性较好，往往含有巨大岩块，成坝过程中分选性差，坝体稳定性较好。

目前，有关崩滑碎屑体的模型试验研究未能考虑河谷形态及水流条件等堰塞坝形成的关键要素，对于碎屑体的堆积特征仅局限于定性描述，有关碎屑体运动机制与堆积体形态及结构特征之间相互关系的研究也鲜有报道。

数值模拟方法的快速发展为研究某个具体崩塌–碎屑体或滑坡–碎屑体从启动到堆积乃至堵江的整个过程及碎屑体入水过程中的水–土相互作用提供了强有力的技术手段。由于碎屑体堵江成坝过程具有大变形和大位移的特点，同时涉及碎屑平动、转动、分离和颗粒流动等细观力学行为，因而研究者多采用离散元（DEM）软件作为研究工具，如图5～6所示^[45-46]。此外，结合水力学知识，恰当模型的建立有助于揭示细观方面水流对堰塞坝成坝特征的影响。

图5(Fig. 5)

图5 崩滑体运移破碎模拟[46] Fig. 5 Simulation of migration and fragmentation of avalanche and landslide debris[46]

图6(Fig. 6)

注：$ \alpha $为碎屑体运移坡角。 图6 堰塞坝堆积形态特征[46] Fig. 6 Morphological characteristics of landslide dam[46]

碎屑体堵江成坝的数值模拟研究中，张远娇等^[56]采用DAN–W建立牛圈沟滑坡碎屑体3维模型，进行滑坡全程的动力学模拟，重点分析了堆积物形态和分布特征。Chang^[57]、Li^[58]、Lo^[59]和Tang^[60]等采用PFC对滑坡–碎屑体、崩塌–碎屑体堵江进行全过程模拟，得到相似规律，即滑床摩擦系数的减小使得碎屑体滑程更大，最终堆积体有长度增加、高度减小的趋势。Chang^[57]、Tang^[60]和Zhou^[61]等采用PFC研究了崩滑体强度对碎屑体运动堆积特征的影响，强度愈低则崩滑体愈破碎。毕钰璋等^[62]采用PFC^2D对文家沟堰塞坝进行模拟，研究不同防护结构对碎屑体运动堆积特征的影响。Zhou等^[63]采用3维离散元，研究碎屑体延滑床的速度分布规律。李祥龙等^[64]应用PFC^2D建立了碎屑体2维运动堆积模型，分析了碎屑体初始高度、体积、斜面坡度、堆积底面摩擦系数及起伏程度对碎屑体最大运移堆积距离的影响。Zhou等^[65]通过PFC2D模拟了杨家沟堰塞坝的成坝过程，发现滑坡碎裂过程受岩体胶结强度和残余摩擦系数控制，溃坝过程与河流入流量密切相关。Shan等^[66]基于CFD–DEM耦合的方法分析了碎屑体堵江过程，与干涸河床相比，河水可降低碎屑流颗粒间及与对岸的碰撞，进而使产生的堆积体分布更加均匀。Zhao等^[67]同样基于CFD–DEM耦合的方法对开放式渠道中堰塞坝的形成进行3维数值模拟，发现碎屑颗粒的运移距离随着流速的增加而增加，粗颗粒堆积在近岸侧，细颗粒分布在对岸侧，且该分选程度与河流流速无关。Wang等^[68]基于DDA–SPH耦合方法探讨了滑坡运动特征及水流速度对坝体特性的重要影响。王志超等^[69]基于SPH–DEM耦合方法对滑坡涌浪进行了相关模拟。

现有数值模拟研究主要集中在针对某个具体案例进行重现与反演，而对于不同地质条件下（尤其涉及河谷形态和水流条件）碎屑体运动特征及堵江成坝后的坝体堆积特征的一般规律研究十分有限。此外，关于水–土相互作用的研究，多集中于碎屑体入水过程的分析，对于水流特征对于碎屑体的堆积特征的影响则鲜有研究。

综上所述，现有碎屑体运移堵江已有一定研究，但较少开展地质条件对碎屑体运动过程影响的系统性研究，也较少考虑颗粒破碎、河谷形态和水流条件因素对碎屑体堆积特征的影响。本研究将结合中国崩滑碎屑体发生区域的地质条件，从崩滑碎屑体运动特征及河床与水流条件出发，研究考虑碰撞破碎的碎屑体运动堆积过程及颗粒与流体耦合作用下的成坝特征，揭示堰塞坝的形成机理，建立基于堰塞坝稳定性评价的坝体特征预测模型。通过作者团队的初步研究，发现崩滑碎屑体堵江通常有3种堵江模式，分别为滑入型、爬高型和折返型，具体特征见图7。

图7(Fig. 7)

图7 崩滑碎屑体堵江成坝模式 Fig. 7 Dam-forming models by landslide and avalanche debris

滑入型堰塞坝是崩滑碎屑体以较慢的速度进入并覆盖河床，自然堆积成坝，通常坝顶最低点，即过流位置一般在对岸；过流部位的坝体粗颗粒相对较多，抗冲蚀性相对较好，溃决初期流量较小。较低的堵江速度可能是由于碎屑体启动进入河道的运移速度低，也可能是由河道水位较深、流速较大造成的。爬高型堰塞坝是崩滑碎屑体以较高速度冲向对岸，在对岸边坡有一定的爬高后停滞，过流位置一般在崩滑碎屑体滑动一侧；过流部位的坝体细颗粒相对较多，抗冲蚀性相对较差，溃决初期流量较大。爬高型堰塞坝碎屑体的方量较大且具有相当高的运移速度，或河道的深度较低，以致碎屑体冲出河道。折返型堰塞坝是崩滑碎屑体以高速冲向对岸边坡，经碰撞后细颗粒折返并覆盖坝体，过流位置一般在坝体中间，物质组成较为复杂；过流部位的坝体上部多为细颗粒薄层，上部细颗粒较易被冲蚀，下部粗颗粒抗冲蚀性较好。折返型堰塞坝的碎屑体运移速度较快，且河道深入较大；由于受到多次撞击，坝体材料往往较为破碎。通常来看，滑入型堰塞坝寿命较长，可为工程措施的实施预留时间；而折返型堰塞坝失稳较快，宜采用预警、疏散等非工程措施^[70-71]。

不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数（几何形态、坝体结构和物质组成）密切相关，而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。

为此，需要进一步研究的科学问题主要包括：

1）崩滑体在运动过程中碰撞和破碎的动力学机理。崩滑体运移堵江过程涉及崩滑体的滑移、碰撞、破碎等复杂的力学过程。通过开展系列双颗粒接触力学特性测试试验，以及颗粒胶结材料的静载和动荷载条件的室内单元试验，建立不同胶结强度下的胶结接触本构模型，为颗粒破碎机理的揭示提供支撑。

2）多因素（物源性质、边坡地形、河谷及水流条件等）作用下崩滑碎屑体堆积成坝机理。在胶结接触本构模型的基础上，建立碎屑体3维运动堆积堵江全过程数值计算模型；分析物源性质（崩滑体材料性质、方量等）、边坡地形（斜坡高度、斜坡坡度、坡面粗糙度等）、河谷及水流条件（河谷截面形状、水深、水流流速等）等因素作用下的运动、破碎和堆积过程，揭示各因素对碎屑体运动破碎、堵江过程和坝体特征的影响机制。

3）基于堰塞坝稳定性评价的坝体特征参数（形态特征、结构特征）确定方法。通过对碎屑体入谷状态和堆积过程的分析，探究坝体特征与形成过程中的物源性质、边坡地形条件、河谷及水流条件等因素的内在关系和一般规律，揭示碎屑体堰塞坝的形成机理。根据案例数据库对堰塞坝稳定性的统计结果，确定影响堰塞坝稳定性的坝体形态评价因子与坝体结构评价因子，建立基于堰塞坝稳定性评价的坝体特征预测模型。

本研究以崩滑体运移破碎为切入点，考虑碎屑流和河流及其地形条件的相互作用，分析预测成坝的空间结构及其稳定性，从而为堰塞坝的预测预防、坝体稳定性的快速评估、溃坝参数的定量估计和堰塞坝应急抢险决策等提供理论依据。预期成果及展望如下：

1）考虑崩滑体运移过程中的碰撞破碎及碎屑体–水流相互作用过程，建立能够实现崩滑体运动破碎及堵江成坝全过程的数值计算方法，从而获取崩滑体在运移过程中碰撞破碎和颗粒分选的规律。

2）获取多因素作用下崩滑碎屑体堵江成坝过程的规律，提出能够表征坝体特征的形态参数、结构参数，并用于坝体稳定性的快速评价。

3）揭示各成坝影响因素与堰塞坝的空间几何形态、坝体结构特征等的内在关系，建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。