论文题目：黄土高速远程滑坡的物质迁移与能量转换

Characterization of the Mass Transport and Energy Conversion of a Rapid Long‐Runout Loess Landslide Using the Finite–Discrete Element Method

发表时间：2025年3月

近日，国际地学知名期刊《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》在线刊发了我院许领教授团队题为“Characterization of the Mass Transport and Energy Conversion of a Rapid Long‐Runout Loess Landslide Using the Finite–Discrete Element Method”的黄土高速远程滑坡的物质迁移与能量转化研究成果。上述研究由我院许领教授（通讯作者）、黄晓林特聘研究员和博士生刘可共同完成。

文章简介：本研究基于构建的有限–离散元耦合方法（FDEM）数值模型，定量揭示黄土高速远程滑坡运动全过程特征。研究定量表征了运动过程中滑体物质由连续结构向非连续结构转变、运动状态由固态向类流态转化的动态过程，阐明了物质运移与能量转化的耦合作用机制。滑坡运动由加速向减速转变的动力学过程受控于势能–动能转化及摩擦能耗与破裂能耗的此消彼长：势能向动能的持续转化驱动滑体加速运移，而减速过程前期以破裂能耗占主导，后期则以摩擦能耗为主。

图1 (a) 大堡子黄土滑坡地质剖面图；(b)大堡子滑坡FDEM模型示意图定边界；(c) 考虑了不同滑体体积的滑坡模型。(d)~(f) 地形起伏度的分形维数计算原理。

创新点：① 黄土高速远程滑坡运动过程中，滑体物质结构呈现由连续向非连续结构转变、运动状态由固态向类流态转化的特征；② 滑体规模与阶地起伏度对滑坡能量转化及物质运移过程具有相反的影响规律；③ 铲刮作用与地形粗糙度呈负相关，而与滑体体积呈正相关。

研究背景：黄土是一种典型的粉砂质风积土，广泛分布于半干旱地区、中纬度森林带及荒漠草原带，约占全球陆地面积的12%。其中，中国境内分布着地球上规模最为宏大的黄土堆积体——西北黄土高原，总面积达63.1万平方公里。据统计，我国约三分之一的地质灾害发生于黄土高原地区。黄土高速远程滑坡作为一种频发的破坏性灾害，严重威胁人类生命财产安全。准确评估滑体时空分布特征及最大运动速度，是有效预测和防治黄土滑坡灾害的关键。因此，定量表征黄土高速远程滑坡运动学过程，特别是揭示其物质迁移与能量转化机制具有重要科学意义。

图2 FDEM中材料破坏建模原理：(a) 非均质材料中拉伸裂纹的概念模型。(b) 非线性破坏过程模型(FPZ)。(c) FDEM中FPZ的模拟示意图，使用矩形弹性元件和三节点裂纹元件分别表示块状材料和裂缝。

主要内容：本研究旨在基于有限–离散元耦合方法（FDEM）揭示黄土高速远程滑坡物质迁移与能量转化机制。选取典型黄土高速远程滑坡——大堡子滑坡作为数值模型的原型，通过其堆积体特征约束滑坡运动学过程模拟，再现滑体物质结构由连续结构向非连续结构转变、运动状态由固态向类流态转变的动态特征，并揭示物质迁移与能量转化的耦合作用机制。在此基础上，系统开展参数化研究，综合考虑不同阶地地形（滑坡运动阶地起伏度）及滑体规模对运动过程及其主控因素的影响，深入解析黄土高速远程滑坡物质迁移与能量转化的演化规律。

图3滑坡过程中从连续结构到不连续结构演变的正演模拟（蓝色，剪切裂缝；红色，拉伸裂缝）

图4 滑坡运动过程中从(a)固态运动特征到(b)类流态运动特征转变

图5 滑坡特征参数与阶地地形分形维数之间的统计关系：(a)最大运动位移(L)；(b)滑动体的最大速度(v_m)；(c)滑坡的体积扩容系数(δ)；(d)滑坡的等效摩擦系数(θ')；(e)堆积体的休止角(ξ)；以及(f)堆积体的分形维数(D_d)。红色虚线代表长滑坡与短滑坡之间的临界值。

图6 滑坡特征参数与滑体体积之间的统计关系：(a)最大运动位移(L)；(b)滑动体的最大速度(v_m)；(c)滑坡的体积扩容系数(δ)；(d)滑坡的等效摩擦系数(θ')；(e)堆积体的休止角(ξ)；以及(f)堆积体的分形维数(D_d)。红色虚线代表长滑坡与短滑坡之间的临界值。

研究结论：本研究基于有限–离散元耦合方法（FDEM），系统探究黄土高速远程滑坡物质迁移与能量转化机制。相较已有研究，成功捕捉到滑体结构由连续结构向非连续结构转变的动态过程，并确定堆积体逆粒序分布特征。研究揭示：滑体渐进破碎运动状态由固态向类流态转化，进一步引发速度分层现象，导致表层土体呈现超远程运动特征。此外，阐明了物质运移与能量转化的互馈关系：滑体初期经历重力势能向动能转化过程，动能通过滑体与基底接触摩擦及内部摩擦作用逐渐耗散；随着滑体碰撞破碎加剧，动能通过滑体内部破碎持续消耗；当破碎程度趋于稳定后，剩余动能主要通过滑体与基底及破碎块体间的摩擦作用耗散，最终在动能完全消散时制动停积。研究表明，阶地地形起伏度与滑体规模是影响黄土高速远程滑坡运动特征（特别是最大位移与堆积形态）的关键控制因素：随地形起伏度增加，滑体最大位移与速度呈递减趋势，体积扩容系数与等效摩擦系数同步降低；而滑体规模减小时，最大位移、最大速度及体积扩容系数随之减小，等效摩擦系数则显著增大。

图7 滑坡运动过程中的能量转换

项目资助：该研究得到国家重点研发计划项目(2023YFC3008403)和国家自然科学基金项目（42372306）的共同资助。

引用格式：Liu, K., Huang, X., & Xu, L. (2025). Characterization of the mass transport and energy conversion of a rapid long‐runout loess landslide using the finite–discrete

element method. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 130, e2024JF008032. https://doi.org/10.1029/2024JF008032

原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JF008032