本研究的通讯作者为中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与工程安全重点实验室的Gordon G.D. Zhou教授和Yunxu Xie博士。合作作者包括来自中国科学院大学、同济大学土木工程学院、意大利国家研究理事会水文地质保护研究所等机构的Jialin Liu、Kahlil F.E. Cui、Xueqiang Lu、Ming Peng、Wei Zhong和Giulia Bossi。

该研究发表于Engineering Geology期刊，是该期刊“泥石流减灾”特刊的一部分。论文在线发表日期为2026年2月9日，文章卷号为364 (2026) 108614。

二、研究的学术背景

本研究属于工程地质学与山地灾害（泥石流）动力学交叉领域，具体聚焦于级联滑坡坝溃决这一灾害链过程。其核心科学问题是：强降雨引发的山洪在依次冲毁河谷中一系列滑坡堆积体（滑坡坝）的过程中，如何通过裹挟（entrainment）大量泥沙，逐渐演变为规模巨大、破坏力极强的泥石流。

研究背景基于以下关键认知：首先，滑坡坝在山区普遍存在，尤其在2008年汶川地震后的中国西南地区。与人工坝不同，滑坡坝由松散、分选差的土石构成，结构极不稳定，在强降雨或地震作用下极易溃决。其次，2010年甘肃舟曲特大山洪泥石流灾害是一个典型案例。灾后调查发现，沟道内存在多个曾被冲毁的滑坡坝，表明上游山洪冲垮第一个坝后，裹挟泥沙形成的流体在向下游传播过程中，连续冲垮后续多个坝，导致泥石流规模不断“放大”，最终酿成巨灾。然而，对于这一“级联溃决”过程中，泥石流如何形成、其规模为何会放大的内在物理机制，尚不完全清楚。

过往研究通过现场观测、物理实验和数值模拟探讨了级联滑坡坝的破坏机制，发现连续溃坝会放大下游的洪峰流量。但物理实验难以完全捕捉溃决全过程的精细动力学，而数值模拟则常常依赖于理想化假设（如忽略流体密度的时空变化、简化坝体侵蚀过程、缺乏流固耦合的精细模拟），限制了其对真实级联溃决机制及下游洪水演变的准确再现。

因此，本研究旨在弥补上述研究空白。其研究目标是：结合大型水槽实验和数值模拟，揭示级联滑坡坝溃决过程中山洪向泥石流转化的机制，并阐明导致流量、流速等水力参数放大的内在物理过程，特别是泥沙裹挟在这一过程中所扮演的关键角色，从而为山区级联灾害链的早期预警和减灾策略提供科学依据。

三、详细研究流程

本研究采用“物理实验验证与观测 + 数值模型构建与机理分析”相结合的技术路线，具体流程如下：

第一流程：级联滑坡坝溃决的大型水槽实验

此流程的目的是重现级联溃决现象，观测其过程，并为后续数值模型的校准和验证提供基础数据。

1. 实验装置与模型构建：

   • 实验在云南东川泥石流观测研究站的大型水槽中进行。水槽长47米，宽0.7米，倾斜12°，侧壁设有玻璃观察窗。
   • 基于舟曲地区滑坡坝的几何形态，采用1:14的几何比尺，构建了四个几何相似的物理模型坝（坝#1至坝#4）。每个坝呈三棱柱形，长1.5米，宽0.7米，高0.6米，完全堵塞斜槽。
   • 四个坝沿槽道依次布置，模拟实际沟道中连续分布的滑坡坝。坝#1距离闸门9.7米，后续坝间距分别为12.3米、18.8米和25.3米，以模拟山洪在上游坝溃决后加速行进一段距离再冲击下游坝的实际情况。

2. 实验材料与模拟条件：

   • 模型坝材料取自云南蒋家沟的天然土石，其颗粒级配（最大粒径40毫米，中值粒径d50=7.4毫米）和孔隙率（0.4-0.5）与舟曲地区的滑坡坝土体特性高度相似，以模拟其松散、不稳定的特性。
   • 为模拟暴雨引发的快速山洪，实验采用突然打开闸门的方式，从上游恒定容积（1.5立方米）的水库中释放水流，模拟短时强汇流对下游坝的冲击。

3. 观测与测量方法：

   • 使用三台数码摄像机记录整个斜槽的溃决过程以及坝#1的局部侵蚀过程。通过在玻璃窗上绘制的0.1×0.1米网格，辅助测量流深和流速。
   • 在四个坝的下游（S1-S4四个采样点）使用大型钢制容器采集流体的“头部”样品，以立即测定流体的密度（容重），从而追踪山洪向泥石流的转变过程。
   • 实验仅进行一次，主要目的是为数值模拟提供基准场景和校准数据。

第二流程：耦合水流-滑坡坝相互作用的数值模型开发

此流程旨在构建一个能够精细模拟级联溃决全过程，特别是泥沙侵蚀、裹挟和流体密度时空演变的数值模型。

1. 模型理论基础：

   • 采用深度平均（depth-averaged） 的数值框架来描述耦合的水动力学和土壤侵蚀过程。
   • 控制方程包括质量守恒和动量守恒方程。模型的核心创新在于动态耦合了流体密度（ρf）的变化，该密度由清水密度（ρw）和裹挟的泥沙浓度（cs）共同决定：ρf = csρs + (1 - cs)ρw。
   • 模型引入了侵蚀速率公式：e = kd(τ - τc)。其中，e为垂向侵蚀速率，kd为土体可蚀性系数，τ为水流施加的床面剪应力（由曼宁公式计算），τc为床面材料的表观侵蚀阻力。当τ > τc时，发生侵蚀。

2. 关键模型参数的实验标定：

   • 非均匀侵蚀阻力τc的确定：这是本模型的特色之一。研究者利用实验中对坝#1不同断面（A-G断面）的流速和坝面高度变化的测量数据，计算出各点的剪应力τ和侵蚀速率e。通过拟合e与τ的关系发现，τc沿坝面纵向距离x线性增加：τc = 162.42x + 4.43 (Pa)。这一现象被归因于越顶水流在向下游运动过程中逐渐被裹挟的泥沙“饱和”，导致侵蚀难度增加。
   • 可蚀性系数kd：从各断面拟合数据中取平均值，kd = 0.82 mm/(Pa·s)。
   • 曼宁粗糙系数n：通过将模拟的流体演进过程与实验观测进行对比校准，确定为n = 0.048。

3. 数值方法与实现：

   • 模型采用扩展的Lax–Friedrichs一阶中心差分格式及其高阶变体进行求解，避免了复杂的黎曼解算，在保证稳定性的同时提高了空间精度和对间断的分辨能力。
   • 计算域按1:1几何比例建立，空间分辨率为0.05米，包含了上游水库和下游斜槽。

第三流程：参数化分析与机理探究

在利用实验数据校准并验证了基础模型（对应实验条件，即上游库容1.5立方米）的可靠性后，研究者进行了额外的数值模拟，以分离不同因素对放大效应的影响，并深入探究其内在机理。

1. 设计对比情景：共设置了7组数值试验（Test No. 1-7），系统改变三个关键条件：(a) 是否考虑侵蚀；(b) 是否考虑裹挟（即侵蚀的泥沙是否加入水流增加其密度和质量）；© 上游水库容积（1.2 m³, 1.5 m³, 2.1 m³, 2.4 m³）。其中Test No. 7为不考虑侵蚀和裹挟的极端情况（坝体视为刚性体）。
2. 分析指标：主要分析各坝下游出口的峰值流量放大系数（Qpn/Qp1，即第n号坝峰值流量与1号坝峰值流量之比），以及其他水力参数（流速、剪应力、密度）的时空演变过程。特别地，为减少上游强涌浪对下游坝的干扰以更清晰地观察放大效应的内在驱动，在一组分析中特意采用了更小的上游库容（1.2立方米）进行模拟。

四、主要研究结果

第一流程的实验结果： 实验清晰地再现了级联溃决过程。水流依次冲蚀并越顶四个坝。采样数据显示，流体密度从坝#1后的1131 kg/m³（低含沙水流），增加到坝#2后的1510 kg/m³（已转化为密度大于1400 kg/m³的泥石流），在坝#4后达到1616 kg/m³。直观证实了级联溃决过程驱动了山洪向高密度泥石流的转变。对坝#1的详细观测，为标定数值模型中的关键侵蚀参数（τc和kd）提供了直接数据（见图6）。

第二流程的数值模拟验证与基础结果： 校准后的数值模型成功复现了实验中流体密度的时空演变（见图7），证明了模型在捕捉泥沙裹挟和密度变化方面的可靠性。基于此模型对实验条件的模拟进一步量化了放大效应： * 流量放大：坝#1至坝#4的峰值流量分别为0.101， 0.160， 0.256， 0.308 m³/s。相对于坝#1，后续坝的峰值流量放大倍数分别约为1.58， 2.53和3.05。 * 其他水力参数放大：峰值流速从2.51 m/s增至3.44 m/s（放大1.37倍）；床面剪应力从165.11 Pa增至393.54 Pa（放大2.38倍）。所有参数均显示下游坝的响应显著增强。

第三流程的参数化分析与机理揭示（核心发现）： 1. 泥沙裹挟是放大效应的关键驱动因素：对比不同数值试验的结果（图10）是本研究最重要的发现之一。当同时考虑侵蚀和裹挟时（Test No. 1-4），无论上游库容大小，下游坝的峰值流量均出现快速且显著的放大。当仅考虑侵蚀但不考虑裹挟时（Test No. 5-6），即侵蚀的泥沙不加入水流增加其质量和密度，放大效应虽然仍然存在，但放大系数远小于前者。当既不考虑侵蚀也不考虑裹挟时（Test No. 7），坝体稳定，流量大幅衰减，无任何放大效应。这雄辩地证明，级联溃决中的流量放大并非单纯源于上游水体的势能，泥沙裹挟是维持和强化放大效应的必要过程。

1. 揭示内在的正反馈机制：通过分析小库容（1.2 m³）条件下水力参数的时空演变（图9），研究阐明了放大效应的内在物理机制：

   • 启动：上游坝溃决后，水流速度增加，导致施加于下游坝面的剪应力（τ）增大。
   • 侵蚀与裹挟：当τ超过下游坝材料的侵蚀阻力（τc）时，坝体开始被侵蚀，泥沙被裹挟进入水流。
   • 密度增加与正反馈：裹挟的泥沙使流体密度（ρf）增大。根据剪应力公式（τ ∝ ρf），密度的增加会非线性地进一步放大剪应力。
   • 循环强化：增强的剪应力又加速了下游坝的侵蚀和泥沙裹挟，从而再次提高密度和剪应力。同时，被侵蚀的土体本身的重力势能也转化为流体的动能。这就形成了一个自我强化的正反馈循环：流速↑ → 剪应力↑ → 侵蚀/裹挟↑ → 流体密度↑ → 剪应力↑↑。这个正反馈机制驱动着水流能量在级联过程中被不断放大。

2. 侵蚀模式的转变：模型还揭示了另一个有趣现象：坝#1的侵蚀表现为局部冲坑，而下游坝（#2-#4）的侵蚀面则呈大圆弧形或相对平坦。这并非下游侵蚀减弱，而是由于放大效应导致下游水动力条件增强。高密度、高剪应力的流体抑制了湍流，使剪应力分布更均匀，侵蚀模式从局部冲蚀转变为整体的面状侵蚀，冲刷速度太快以至于来不及形成明显的冲坑。

五、研究结论与价值

本研究通过结合大型水槽实验和耦合侵蚀-裹挟过程的深度平均数值模型，系统研究了级联滑坡坝溃决引发山洪向泥石流转化的机制，并量化了其放大效应。主要结论如下：

1. 在斜坡沟道中，级联滑坡坝会因连续的泥沙侵蚀、裹挟和坍塌而发生序列式溃决，这一过程驱动了山洪向高密度、高破坏性泥石流的转变，并导致流量、流速和剪应力等水力参数最高可放大至三倍。
2. 数值分析表明，泥沙裹挟是山洪向泥石流转化的关键驱动因素，并进而促进了放大效应的正反馈机制。该机制的核心是：流速增加导致剪应力增大，从而促进侵蚀；侵蚀裹挟的泥沙增加流体密度，进而非线性地放大剪应力，同时侵蚀物质的势能也转化为流体动能，共同推动涌浪流量的逐级放大。
3. 级联溃决的放大效应主要由上述正反馈机制控制。当不考虑泥沙裹挟时，放大效应显著减弱。下游坝的侵蚀模式从局部冲坑向整体面状侵蚀的转变，也印证了放大效应的强化特征。

科学价值：本研究首次通过精密的实验与数值模拟，清晰地揭示了“泥沙裹挟”在级联滑坡坝灾害链中的核心作用，并阐明了导致流量等参数放大的内在正反馈物理机制，深化了对级联溃决灾害链致灾机理的理论认识。

应用价值：研究成果为山区级联滑坡坝-泥石流灾害的风险评估与减灾提供了关键科学依据。基于此机理，泥沙裹挟的迹象或相关参数（如沟道中流体的密度快速增加）可以作为山洪-泥石流级联灾害早期预警的实用触发指标。同时，该认识也为制定和更新动态减灾策略（例如，在哪个位置优先清理或加固滑坡坝以中断级联正反馈）提供了清晰的思路。

六、研究亮点

1. 研究方法的创新性与整合性：成功将大型物理模型实验与耦合侵蚀-裹挟过程的深度平均数值模拟有机结合。实验为模型提供了关键参数标定和验证；模型则突破了实验观测的局限，精细揭示了时空演变过程和内在机理。
2. 核心机制的突破性揭示：明确并证实了 “泥沙裹挟” 是级联溃决中流量放大和山洪向泥石流转化的不可或缺的关键环节，并完整阐述了由此引发的正反馈放大机制，这是对现有认知的重要深化。
3. 模型参数的精细化标定：创新性地利用实验数据，确定了沿坝面线性变化的非均匀侵蚀阻力（τc），这更符合水流在裹挟泥沙过程中侵蚀能力变化的物理实际，提高了模型的模拟精度和机理还原度。
4. 对经典案例的机理阐释：研究直接针对2010年舟曲特大泥石流灾害中观察到的级联溃坝现象，其研究成果为该类重大灾害的形成机制提供了强有力的科学解释和理论支撑。

七、其他有价值的内容

研究在讨论部分也坦诚指出了当前工作的局限性，为未来研究指明了方向：例如，真实的自然滑坡坝在材料特性、沟道地形和水文条件上更为复杂；本研究为聚焦核心机制，忽略了泥沙沉积过程（通过陡坡、短坝距、强入流等实验设计使其影响最小化）；未来研究需要开展对坝高、坝间距、沟道坡度等参数的敏感性分析，以量化其对放大效应的控制作用，并在更广泛的条件下考虑沉积过程的影响。这些思考体现了研究的严谨性和前瞻性。