关于红层灾变基础研究的若干思考.pdf

书书书 工程地质学报 （）周翠英，刘镇，薛翊国，等 关于红层灾变基础研究的若干思考 工程地质学报，（）：，（）：关于红层灾变基础研究的若干思考周翠英刘镇薛翊国李彦荣范宣梅陈卫忠孙萍（中山大学土木工程学院，广州 ，中国）（中山大学广东省重大基础设施安全工程技术研究中心，广州 ，中国）（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 ，中国）（太原理工大学矿业工程学院，太原 ，中国）（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 ，中国）（中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 ，中国）（中国地质科学院地质力学研究所，北京 ，中国）摘要红层是一种分布广泛，性质特殊的易灾地层组合，其灾变基础科学问题已成为工程地质学科领域迫切需要解决的前沿课题之一。我国红层分布区工程规模巨大，灾变问题突出，主要表现为地质灾害、工程病害、生态损害 大灾变类型，使得红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾变危害与风险，严重威胁着一系列国家重大战略的实施。传统红层灾变理论和防控技术难以适应复杂条件下人地失调带来的重大挑战，亟待突破。本文旨在通过对国内外研究现状分析、对基础性科学问题的深入思考与系统梳理，阐明中国红层灾变研究概况，分析红层灾变基础研究的国际学术前沿问题，提出红层灾变基础研究亟待解决的 个关键科学问题，阐述了主要研究思路与内容及方案。这些思考寄期于支持破解红层灾变地质基因、成因机理、韧性协调防控等难题，以保障红层地区国家重大战略的高效实施，保障人居安全、生态文明建设和社会经济可持续发展，使得我国红层灾变研究占领国际前沿高地。关键词红层灾变；地质基因与界面；红层地质灾害；红层工程病害；红层生态损害；韧性协调防控中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（资助号：，）（，）第一（通讯）作者简介：周翠英（），女，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程的教学与研究工作 ：（，）（，）（，（），）（，）（，）（，）（，），；引言红层是岩石圈表层分布最广、厚度最大的沉积地层之一，是与人类生产生活、工程建造、资源开采等密切相关的标志性地层。我国陆地红层面积约 （，），主要以中新生代陆相沉积的红色碎屑岩层及其风化物为主，包括砾岩、砂岩、泥岩及其风化物等（陈曦，；，），其分布之广，厚度之大，沉积之典型，地貌之完整，世界罕见。红层灾变是指在内外动力和工程营力作用下，产生的各种灾害现象，包括：地质灾害，工程病害和生态损害等。我国约 的红层集中分布在西北高原、西南山地和东南盆地（图 ），而这些区域正是“一带一路”倡议等国家重大战略布局的核心区域（图 ）。其中：西北高原红层以埋藏型为主，主要发育大规模的地质灾害，严重制约着“一带一路”倡议、“新时代西部大开发新格局”、“黄河流域生态保护和高质量发展”等国家重大战略的实施；西南山地红层以半裸半埋藏型为主，主要发育大密集的工程病害，严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和西南城市群建设的安全；东南盆地红层以裸露型为主，主要发育大范围的生态损害，严重制约着“粤港澳大湾区”战略实施和东南地区生态环境保护。红层作为一个特殊地质体，不仅记录着中新生 工程地质学报 图 红层分布示意图（改自 （）（中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号：（）号，自然资源部监制）（）（，：（），）图 一带一路、长江经济带、粤港澳大湾区等国家重大战略区域与红层分布的关系示意图（中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号：（）号，自然资源部监制）（注：包括不同战略区域重合部分），（，：（），）（：）代以来全球自然环境和气候变化，而且已成为重大灾变孕育体、重大工程承载体和生态环境附着体，导致红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾害危害与灾变风险，进而使得红层研究的关注度达到了前所未有的高度，为红层灾变规律的深刻认知、成因机理的全面阐释和安全风险的高效防控等重大前沿科学问题的突破带来全新的机遇。近年来，日、美、澳、加、法、德、英、意等国对红层相关研究加大投入，成果亦有赶超我国之势（潘艺等，）。因此，面向国家重大战略实施的需求，围绕红层地质灾害、工程病害与生态损害防控的瓶颈，针对红层灾变地质基因不清、地质灾害 工程病害 生态损害成因机制不明、韧性防控不足等问题，重点在红层灾变规律、机理的基础前沿中取得理论突破，构建系统的红层灾变机理与防控理论与技术方法体系，迫在眉睫。（）周翠英等：关于红层灾变基础研究的若干思考 中国红层灾变概况西北高原、西南山地、东南盆地等红层主要分布区正是国家重大战略布局的核心区域，已成为全球工程建设规模最大且最集中的热点地区，也是我国地质灾害 工程病害最集中和生态环境最脆弱的区域之一。而坐落于红层之中的高坝大库、长大隧道、大跨结构、超高建筑等重大工程正遭遇着前所未有的地质灾害与工程灾变风险。区内重大地质灾害高度集中：滑坡、沉陷、泥石流等地质灾害数量和损失图 红层地区重大灾害高度集中（中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号：（）号，自然资源部监制）（，：（），）占全国的 以上（图 ），群集突出；重大工程病害高度集中：据不完全统计，红层分布区交通、水利、市政等重大工程占全国的 ，地基失稳、围岩变形、边坡破坏等重大工程病害密集发生，灾情危重；重大生态损害高度集中：水土流失、荒漠化、植被退化等面积占红层地区的 以上，发展迅速。因此，红层灾变防控的基础研究是上述国家重大战略实施的重要科技保障，需求迫切，刻不容缓。西北高原红层灾变概况西北高原埋藏型红层主要发育大规模的地质灾害，严重制约着国家重大战略的实施。西北高原红层约 ，以埋藏型巨厚层泥岩或粉砂岩为主，埋深从黄河上游青海的几米到中游陕西的数百米不等，一般上覆黄土、粉土或细砂，形成了典型的黄土 红层“二元结构”，盖层厚重。而西北地区发育了世界上引人注目和最宏伟的陆内造山带，也是构造变动影响最为强烈的区域之一，其深大构造形成了丰富的巨宏观界面（彭建兵等，；，；唐然等，），将红层在深部切割成众多块体，其内部节理裂隙等结构面十分发育。同时，深挖高填、穿越切割等重大工程活动对红层产生强烈扰动，恶劣的气候条件加剧了红层劣化，加之西北地区地下水位动态变化显著，在厚重黄土盖层垂直节理作用之下，地下水在红层泥岩中富集，经过巨宏观界面上的水 岩（土）互馈，导致红层深部进一步劣化，灾变极易产生。而该区域红层灾变一旦启动就容易形成深层次的重大地质灾害，同时激活大量巨型古滑坡，形成大型隐伏滑坡群。近年来这些古滑坡和隐伏滑坡群随着突发构造运动或人类营力作用，进一步加剧了水 岩（土）构造的互馈，导致深部地层应力状态失衡，持续产生复活与运动，不断形成大规模地质灾害。而在埋藏型红层主生地质灾害的同时，深层大规模灾变孕育发生推动了深部与浅部动水条件关联影响，激发浅层的 工程地质学报 水 岩（土）工程互馈，伴生工程病害；进一步地，浅层灾变孕育发生也推动浅部与表部动水条件相互作用，使得表部水土气生作用增强，激发表层的水岩（土）生态互馈，派生生态损害。这些红层灾变严重危害所在地区城镇与人居安全，严重影响西气东输、西电东送、兰新高铁、京新高速等重大基础设施建造与运维，严重制约国家重大战略的实施。例如：年 月 日，通车仅 年多的兰新高铁某大型泥岩山体滑坡复活，迫使火车停运，至今无法使用；甘肃磐安巨型滑坡群长约 ，宽约 ，体积超过 ，首次由地震诱发的滑坡死伤约 万余人，近年来多次复活，严重威胁着陇海铁路等交通和城镇安全（图 ）；年以来青海果洛特大滑坡群多次滑动，人员死伤严重，严重破坏了当地交通，直接威胁人民生命财产安全等；年 月 日兰新高铁九家湾东山发生山体滑坡，造成高铁桥墩移位、上部结构发生大变形及道路塌方等重大危害。因此，系统开展西北高原埋藏型红层重大地质灾害机理及其对策，迫在眉睫。图 西北高原红层大规模滑坡群，严重威胁基础设施安全 西南山地红层灾变概况西南山地半裸型红层主要发育大密集的工程病害，严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和西南城市群建设的安全。西南山地红层约 ，以半裸型泥岩与砂岩互层为主，部分裸露在山谷，部分埋藏在山岭，多见近水平地层，且盖层浅，容易被扰动和揭穿；一旦红层软弱岩体被揭露，极易发生递进式破坏。同时，西南地区位于第一阶梯和第二阶梯的交界处，地形高差悬殊，块体分割显著；地质构造活动频繁，岩层变形变位明显，局部块体破碎效应突出。加之，持续高强的重大工程扰动，常将埋藏型红层揭穿并暴露于浅表，同时形成了大量的宏细观界面（何满潮等，；，；，；，），加剧了红层岩体的破碎和失稳。此外，西南地区降雨充沛但空间分布极不均匀，经过宏细观界面上的水 岩（土）互馈，导致红层浅部软化，形成了密集的软弱夹层和空隙通道。近年来这些软弱夹层和空隙通道随着强烈工程活动的扰动，进一步加剧了水 岩（土）工程的互馈，导致其强度迅速降低，浅层地层应力状态失衡，常常发生崩塌滑移、溜塌掉块、大变形、涌水突泥与起鼓沉陷等现象，频繁酿成密集的工程病害，工程建造与运维难度超乎想象。而在半裸型红层主生工程病害的同时，红层浅层大密集灾变孕育发生推动工程局部与其地层周围更大范围、更深层次动水条件变化，激发深层的水 岩（土）工程互馈，伴生了地质灾害；进一步地，浅层灾变孕育发生也推动浅部与表部动水条件变化，激发表层的水 岩（土）生态互馈，派生生态损害。这些红层灾变严重危害所在地区重大工程安全，严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和成渝城市群、滇中城市群、黔中城市群等建设的安全。例如：云南大瑞铁路大柱山隧道和秀岭隧道穿越红层山岭，自 年动工，在高地应力、高地震烈度、高地温的恶劣环境中，施工过程中多次发生大变形、岩爆、大型坍方和突泥涌水，支护结构变形数十次，两隧道直至 年和 年才分别挖通，设计上列车通过时长仅需 和 的隧道，却花费了 年和 年才挖通，大柱山隧道也因此被称为“世界上最难掘进的隧道”；又如：成渝高铁内江北站左右两侧，自 年通车后出现红层路基持续上拱，最大位移量达到 余毫米，使得设计时速 的高铁在此路段最低时速被迫降至 ，严重威胁着该路段的运营安全。年不得不采取板桩形式加以处理；年，成都市高新东区第二绕城高速公路的雷打石段，路堑边坡大规模失稳，主干道起拱开裂，最大上拱变形范围超过 ，起拱高度可达 ，周边交通中断，影响严重（图 ）。因此，加强半裸型红层重大工程病害机理和对策的研究，减低病害风险，是当务之急。（）周翠英等：关于红层灾变基础研究的若干思考图 西南山地红层大密集的重大工程病害严重威胁生命线工程与城市群安全 东南盆地红层灾变概况东南盆地裸露型红层主要发育大范围的生态损害（图 ），严重制约着粤港澳大湾区战略实施和东南地区生态环境保护。东南盆地红层约 ，以裸露型砂岩、泥岩为主。主要有厚层软弱岩体结构、硬质岩体夹软弱岩体结构和软硬互层岩体结构 类，易受人类工程活动和气候变化影响。而东南地区正是我国经济社会体量最大的区域。人口、大中城市、重大工程高度集中，人类活动异常剧烈，导致生态损害广泛发生。同时，该地区属于热带 亚热带季风气候，是我国光、热和水资源最丰富的地区之一，受海洋环境影响大，降水充沛，旱季雨季区别明显，水动力作用强烈，导致红层浅表崩塌、滑坡、泥石流等灾害发育的同时（，；潘艺等，；，），水土流失问题也极为突出。数据显示：东南地区成为我国水土流失量最大的区域，又以红层荒漠化最为显著和特殊。而东南盆地频繁的酸雨、强风暴潮等灾害性天气与剧烈的人类活动叠加，使红层风化更为快速、严重，形成了丰富的细微观界面，将红层在表部剥蚀成众多颗粒。加之，东南地区降雨时间分布极不均匀，干湿循环交替频繁，经过细微观界面上的水 岩（土）互馈，导致红层表部退化，形成了极薄的细粒岩层和土壤盖层。近年来这些细粒岩层和土壤盖层随着全球气候变化波动，进一步通过水 岩（土）生态的互馈，导致黏结逐渐失效，常常发生崩解和流失，快速形成大范围生态损害。而在裸露型红层主生生态损害的同时，红层表层大范围灾变孕育发生推动表部与浅部动水条件相互作用，激发浅层的水 岩（土）工程互馈，伴生工程病害；进一步地，浅层灾变孕育发生也推动浅部与深部动水条件相互作用，激发深层的水 岩（土）构造互馈，派生地质灾害。这些红层灾变严重危害所在地区生态安全，严重影响着粤港澳大湾区战略实施和东南地区生态环境保护。例如：世纪 年代以来，广东南雄盆地红层区荒漠化发展迅速，荒漠化占该区红层的比重达到 ，中度 重度荒漠化区达 ，除农田、水域、村庄和道路之外，以上的红层丘岗区都产生不同程度的荒漠化；湖南郴州、江西南康、福建南平、广西资源、浙江蓬都等红层荒漠化亦十分严重。因此，从正反两个方面总结经验和教训，加强裸露型红层重大生态损害机理研究，探索生态修复方法，保障土地资源的可持续合理使用，刻不容缓。根据上述分析，西北高原以埋藏型红层为主，其盖层厚重二元结构因构造切割形成深层巨宏观界面，进而主生巨型滑坡及隐伏滑坡群等；西南山地以半裸型红层为主，其近水平的砂泥岩互层因扰动揭穿形成浅层宏细观界面，进而主生路基变形、隧道塌方、边坡失稳等；东南盆地以裸露型红层为主，其巨厚层软岩或软硬互层因环境剥蚀形成表部细微观界面，进而主生水土流失、植被退化、荒漠化等。因此，红层大规模地质灾害群发、大密集工程病害频发、大范围生态损害多发的核心均聚焦在其多尺度多层次界面上，这主要源自于红层长期建造与改造 工程地质学报 图 东南盆地红层大范围生态损害现象，严重威胁生态安全 ，过程中构造切割的深部劣化、工程揭穿的浅部软化与气候剥蚀的表部退化，从而形成了红层地质灾害、工程病害与生态损害的三害共生特点。这些丰富发育的界面叠加复杂地质条件（灾变的天然物质基础）、频繁水文变化（灾变的绝佳衰减条件）以及强烈人类活动（灾变的极强诱发作用）等多因素共同作用，直接导致了红层的重灾，区域特征十分显著。鉴于上述，尽早开展红层灾变防控基础研究，尽快突破红层防灾减灾技术瓶颈，是红层地区人地协调、长久宜居、生态文明、美丽中国的基础，也是国家重大战略高效实施的重要科技保障。聚焦国际前沿，引领学科发展剧烈的人类活动给红层地区带来了前所未有的灾变效应问题，国际上并无研究先例。传统的红层灾变理论和技术遇到了巨大的瓶颈，亟需创新红层灾变防控理论，这也是未来 年地质工程科学研究的国际前沿领域之一。红层地区所遭遇的前所未有的大规模地质灾害、大密集工程病害与大范围生态损害，已远远超出了我们目前的认识水平，使我们面临的科学挑战史无前例。其主要原因突出表现在以下 个方面：（）红层地质演化与灾变基因关系不明。红层孕灾、致灾及其物质 力学基础等问题，目前仍主要集中在工程范围内节理裂隙以及富水构造分布规律研究上，且没有将其融入到地质环境演化的时空分异大系统与地质基因中加以全方位的综合研究，亟待弄清在红层时空分异大背景下灾变的地质基因及其控制规律；（）红层岩土特质与灾变行为联系不清。以往重点强调外部环境、荷载作用下红层易损性，未考虑软岩本身的自持能力及其对外界的响应，限制了对红层灾变特有的岩土本底属性研究，使得红层灾变行为阐释疑问难解，亟待从底层岩土特质出发构建灾变行为描述的理论体系；（）红层灾变机理与演化过程关联机制认识不足。红层灾害研究主要集中在定量模拟和定性解释上，灾变过程难以形成对机理的深层次全面反映，使得严密的灾害理论模型难以与实际复杂的演化过程完全匹配，亟待阐明红层灾变全过程的机理；（）红层灾变防控理论与减灾技术瓶颈亟待突破。红层灾害防控研究长期以大扰动被动加固控制原理为主，难以充分考虑红层地质体与防治结构体互馈和生态自修复能力，虽然防控安全系数有时可达百倍以上，但仍未达到良好的减灾防灾效果，亟待从完整红层 工程互馈角度使灾变防控理论与减灾技术充分融合，创建红层灾变防控理论与减灾技术，引领学科发展。随着红层地区国家战略的全面实施，红层灾变成因与防控研究的重要性和迫切性突显，越来越引起国际社会的关注，但其中一些亟待解决的关键前沿科学问题还处在探索阶段。红层灾变的地质基因由哪些要素组成，怎样蕴存红层灾害和灾变？红层岩土体强水敏性、强灵敏性、强软化性等特点导致其易劣性、易损性、易滑性。红层地区易灾且重灾，且呈现出多样性、共通性与特殊性等特征。一方面，红层中滑坡、大变形、崩塌、沉陷等灾变类型繁多，另一方面红层灾变的共性特征 跨尺度水岩界面过程亦十分突出；再者，其灾变蕴存又与其他地层存在着显著区别，例如水动力致灾、近水平地层易滑、递进式破坏等。这些红层灾变的多样性、共通性与特殊性究其根本还是取决于其化学元素、氧化物、矿物类型、岩组、结构面等本底组构的地质致灾基因控制，而灾变外界环境条件主要是水理性控制。这些本底组构与外界条件基本要素是否就是红层灾变的地质基因呢？地质基因又是怎样在与环境的互馈中产生变异从而蕴存红层灾害和灾变国内外尚无这方面的研究先例，个别零星的单一方面的研究尚无明确结论，均处于萌芽探索阶段，使我们无法准确揭示红层灾变核心，也就无法清晰找到红层灾变根源，无法建立红层灾变高效防控体系。因此，只有从地质演化角度，系统开展红层灾变的本底组构属性与外界环境条件核心要素及其关联研究，才可能完整获取红层灾变的地质基因，揭示其地质基因蕴存的灾变规律，破解红层岩土特质与灾变行为联系不 （）周翠英等：关于红层灾变基础研究的若干思考清的难题，实现红层灾变理论的基础性突破。红层中的水 土 气 生如何通过界面相互作用？进而怎样影响红层灾变的发生？红层经过构造切割、工程揭穿、气候剥蚀等形成了巨观、宏观、细观、微观多尺度界面。这些界面在长期的建造改造过程中，因其红层独特沉积环境和后期改造影响而具有高水敏性，在红层内部产生以跨尺度水 岩（土）互馈为核心的复杂界面效应。同时，红层内部界面上的水 土又与外界大气、生物相互作用，在界面上水 土 气 生协同互馈，促进界面灾变效应发生，从而孕育灾变。那么，红层中的水土 气 生多相如何通过界面相互作用，进而又怎样影响红层灾变的发生？这一问题的答案显然已经无法用传统岩土本构公理及其相关假说给出，远远超出了现有红层水 岩（土）作用分析框架，超越了目前红层孕灾理论见解，使我们无法完整明晰地阐明红层灾变受控机制，无法全面深刻地认识红层灾变孕育的全过程，无法准确获取红层灾变的不可逆临界点。因此，只有通过揭示红层灾变跨尺度界面效应，才可能完整重构水 土 气 生多相相互作用的界面过程，揭示界面过程控制灾变规律，破解红层岩土特质与灾变行为联系不紧的难题，实现红层孕灾理论的新突破。红层中的林体、土体、岩体、水体等四体如何互馈作用，怎样导致地质灾害 工程病害 生态损害的形成与递进演化？红层灾变一般呈现出由深部 浅部 表部对应的地质灾害、工程病害、生态损害多层次递进演变的特点，反之亦然。比较不同地区气候、水文、工程等条件发现，不同地区红层灾变存在不同的主生、伴生、派生关系，西北高原埋藏型红层发育的地质灾害规模更大，西南山地半裸型红层发育的工程病害密集度更高，东南盆地裸露型红层发育的生态损害范围更广。由此，无论在哪个区域，红层地质灾害 工程病害 生态损害均是其地质环境空间要素多层次连续递进演化的结果。这一连续递进演化进程与林体、土体、岩体、水体等四体的相互作用密切关联，在动水和应力的双驱动下，选择性地在不同深度和层次上孕育和形成地质灾害 工程病害 生态损害，并不断递进演化。而红层中的林体、土体、岩体、水体等四体如何互馈作用，怎样导致地质灾害 工程病害 生态损害的形成与递进演化？以往研究这一问题的主要思想是根据传统强度理论（、等理论），单独割裂地质灾害、工程病害与生态损害的研究，缺乏完整递进协同关联的系统思想，既忽略这些灾变的共性，又无法层层剖析红层从深到浅、由表及里互馈协同的灾变机理，更无法清晰阐明三者之间的关系，其本质是无法弄清红层灾变机理与演化过程协同关联，也就无法准确阐明红层灾变成因。因此，只有通过构建林体 土体 岩体 水体等多体互馈体系，从红层整体灾变演变的角度研究其递进演化机制，才有可能揭示动水和应力协同驱动灾变的规律，阐明红层地质灾害 工程病害 生态损害的形成机理及其多层次递进演变机制，破解红层灾变机理与演化过程关联机制认识不足的难题，实现红层灾变成因理论的突破。如何充分发挥红层自持能力以实现红层灾变防控的韧性协调理论，怎样提出适于红层灾变高效防控的关键技术？红层灾变是由红层中薄弱的岩土体或结构面诱发、由跨尺度界面控制的。红层整体上是具有韧性的地质体，其相对坚硬的砾岩砂岩自持能力较强，而相对软弱的泥岩、粉砂岩自持能力较弱，在灾变防控上如何发挥其长板，保护其短板是韧性防护的核心；这一点，在红层灾变防护思想上已有一定的共识和基础。但如何构建红层灾变防控的韧性协调理论，怎样研发适于红层灾变的高效防控关键技术？这个问题的解决还需要从地质 工程 生态协调角度，研发红层灾变精细监测诊断、地质体自持、工程自适应和生态自修复的相关原理和技术。但是，目前红层灾变韧性防护原理尚未形成，仍主要以单一的被动刚性控制原理为主而提出的强扰动设计模型与实施技术，这无法反映红层岩土体本身的自持性，也无法反映工程结构对红层地质体的适应性与双方响应调整能力，更无法反映红层生态的自修复能力，也就无法实现红层地质 工程 生态协调性，导致防护成本过高，代价过大，但效果仍不理想。因此，只有通过建立地质 工程 生态韧性协调原理，从红层灾变主动调控角度，才可能提出红层灾变低扰动立体连续防控与生态自修复增强技术体系，破解红层灾变防控理论与减灾技术的瓶颈难题，实现红层灾变防护理论的突破。综上所述，红层特殊的沉积环境和长期的建造与改造过程决定了其蕴存了丰富的活泼性氧化物和 工程地质学报 水敏性矿物，同时形成了诸多的软弱结构面和构造结构面，构成灾变蕴存的地质基因；水 土 气 生在水岩界面的活跃作用，致使其灾变地质基因发生突变，控制整个灾变过程；在灾变演进全过程中，伴随着自上而下林体、土体、岩体、水体等四体互馈作用在不同层次界面上的密切关联，最后，汇聚形成薄弱的灾变关键控制带，在动水和应力的双驱动下，选择性地在不同深度和层次上孕育和形成地质灾害工程病害 生态损害，三者既相互关联伴生，又呈现出地域性特质和主导个性，并不断递进演化，演绎着与环境的互相依存和协调。因此，上述 大红层灾变研究的前沿问题，深刻揭示红层灾变基因蕴存、界面控制、双力驱动、四体互馈、三害演进与韧性防控的内在规律，已成为全球红层科技工作者新的方向和面临的巨大挑战。这一挑战使坐落于红层中的重大工程面临前所未有的地质灾害与工程灾变风险。这些前沿问题的探索与破解，将使红层灾变理论取得重大创新突破，引领我国乃至国际红层工程地质学科发展。国内外研究现状及分析红层灾变防控基础研究，近年主要涉及红层灾变因素、灾变效应、灾变防控等 个方面，下面将从这 个方面予以阐述。红层灾变因素研究现状及分析主要涉及内部基本控制要素、外部主要诱发条件及其形成的孕灾过程等 个方面。内部基本控制要素方面，通过 光电子能谱、射线粉末衍射、核磁共振、数字图像相关技术等分析手段，重点探讨红层内部化学元素、黏土矿物组成、母岩性质、结构面特征等内因对红层灾变的影响，揭示了红层遇水软化的界面过程、红层岩体级联失效破坏、水 岩（土）相互作用的影响机制（，；周翠英等，；，；何云勇等，）。同时，结合 入渗、颗粒物质力学、能量平衡方程、分形、双电层微观、多场耦合等理论模型与现场地质调查、等手段，考虑降雨作用、生物风化作用、人类活动、地震等外部主要诱发条件，对红层地表植被的退化、土体软化、损害加剧、灾害诱发的影响（陈群等，；邵蕊等，；，；李江等，；，；，；，；，；，）。因此孕灾模式与机制方面，主要研究降雨孕灾模式（张明等，；，）、生物风化孕灾模式（陈洪凯等，；，）、人类工程活动孕灾模式（，；王东辉等，；，）、地震孕灾模式（，）等，由此揭示红层岩体从原始状态到岩体损伤劣化，再到蠕变弱化，最后内外动力孕灾的过程。同时综合考虑自身地质环境、地形地貌、地质构造等因素（王唤龙等，；，；，；，），结合化学场、温度场、非稳定流等多种工况（，；孙欢等，），研究这些因素作用下红层遇水软化（，；江强强等，）、重力蠕变（简文星等，；任旺等，）等灾害成因机制。在红层灾变机理方面，由于红层自身的高空隙率，水理性差，水引起的不稳定问题对红层来说很重要，因此主要研究遇水软化机理，通过三轴压缩、三轴蠕变与循环加载等试验，结合分数阶蠕变、矿物溶解扩散、热力学、细观损伤等模型与 、微观成像、声发射等技术手段，分析泡水软化失效（，；，）、流变失效（，；，）、多场耦合下的受载失效（白永健等，；任建喜等，；孙钧等，；，；，）等对红层的影响。由上述现状分析可知，目前红层灾变因素研究主要集中在不同现象解释，尚未从灾变的共性与特性角度厘清红层灾变地质基因，即在红层地质演化背景中决定其灾变的本底组构要素，亦未阐明要素与孕灾的关系，使得难以完整认识红层灾变的基础，迫切需要弄清在红层时空分异大背景下灾变的地质基因及其控制规律。红层灾变效应研究现状及分析红层灾变效应研究方面，由于不同区域的地形地貌特征、工程地质特征、水文地质特征、气候环境特征存在一定的差异，因此基于地理空间与区域性灾害特征，大致可将红层灾变效应划分为西北高原较为集中的地质灾害、西南盆地典型的工程病害与东南山地的生态损害 个方面。地质灾害方面，结合地质反演、工程地质分析手段，通过卫星定位、无人机、放射性测量等方法，重点研究滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害的特征，揭示了其发育规律、形成演化过程与成灾模式（邵蕊等，；唐然等，）。工程病害方面，重点研究冲沟、塌方、地 （）周翠英等：关于红层灾变基础研究的若干思考下溶洞等地质地貌现象对路堑、斜坡、隧道、基坑开挖后的工程建设的影响，揭示其路基变形、地基沉降、边坡滑塌、坍塌等工程病害渐变、加速、产生的机制（李传宝等，；靳春玲等，；，；唐辉明，；杨刚等，；，）。生态损害方面，结合红层水力损伤的渗流与扩散系数演化模型，通过电子探针、射线图像分析、磁化率分析等分析手段，重点探讨流水作用引起的河谷下切、侧向侵蚀、溯源侵蚀、化学溶蚀造等生态损害形态与机制（谢运球等，；，；李风玲等，；王启庆等，；，）。地质灾害、工程病害与生态损害三者的形成，均与红层的“水 岩相互作用”相关，由于红层自身的高空隙率，水理性较差，遇水后力学强度降低而加剧病变的可能（，；谢小帅等，；余岱金等，）。风化、流水侵蚀、生物沉积、冻融作用和化学迁移等营力作用作为较小的生态损害因子，主要塑造了红层的微地貌、危岩的形态，加剧了地质灾害与工程病害发生的可能性，在强降雨、人类工程活动、地震等主要致灾因子影响下，而引发工程地质灾害。地面生态损害可以为灾害的发生提供条件，同时表层水土灾害、浅层崩滑灾害和深层山地灾害也会对生态环境产生不同程度的破坏。因此生态损害、工程病害和地质灾害的发生并不是孤立的，而是共生于生态地质环境系统中的，其破坏机制具有层层递进和不断演化特征（，）。由上述现状分析可知，目前红层灾变效应研究主要集中在地质灾害、工程病害及少量生态损害形成过程，特别侧重宏观力学分析，但这无法深刻揭示灾变产生的复杂内外条件互馈机制，难以弄清红层岩土特质与灾变行为的联系，使得不同类型红层灾变机理与演化过程关联机制认识不足，无法完整揭示不同灾变效应之间关联，极大限制了高效防控，迫切需要弄清红层灾变效应成因机理与多层次递进演变机制。红层灾变监测与防控研究现状分析主要涉及监测诊断、三害防控、综合提升 个方面。监测诊断方面，通过局域数字无线 地应力测试、非接触式的测量技术、光纤传感器、锚杆受力传感器、新型承压板等手段，对岩体的地应力、变形、边坡稳定性、洞室大变形、地基压缩性等指标进行监测诊断，以满足在红层复杂地质现场的灾害风险的评估与预测（孙强等，；褚福永等，；，；陈继彬等，；，；，；，）。地质灾害、工程病害、生态损害等的防控方面，主要集中在工程地质灾害防控与生态损害防控两个方面，其中工程地质灾害防控包括工程防护与生态防护。工程防护重点研究锚杆、喷浆、支挡、排水、支护、强夯等多种防护措施对红层边坡、洞室、路基等进行加固处治（李和林等，；唐辉明等，；燕平等，）；生态防护措施则基于环保理念，主要通过新型材料如：聚氨酯有机高分子材料、生物酶纤维、聚合物固化剂水泥浆等，结合室内抗冲刷试验及室外试验，并对植物的覆盖和生长情况研究，进行红层工程表面生态防护（许军等，；，；，）。生态损害防控方面，综合气候、降雨、侵蚀等研究与预测模型，通过种植试验，重点研究红层低山丘陵区水土流失规律与机理，以应对流水、风化等作用导致的坡面径流、水土流失面积扩大，地表肥力下降，地表植被覆盖度降低等生态损害问题（王启庆等，；李月等，；，；史志华等，）。综合提升方面，丹霞地貌作为红层典型的侵蚀景观，具有突出的观赏价值，通常被开发为风景旅游区，对丹霞地貌区的生态保护具有重要的生态价值、经济效益以及社会意义，同时具有特殊的科研价值、旅游价值以及科学教育价值（，；，；，；李通国等，；，）。同时，由于天然红层母质肥沃，只要水分充足，就可基本满足植物的生长要求（章明奎等，）。在对红层灾变进行合理防控治理后，通过建设生态农业产业链，可带来一定经济收益（罗谷松等，；程陈艳等，；，；，；，）。由上述现状分析可知，目前红层灾变监测与防控研究主要集中在开发新监测手段与防控工程结构上，并逐渐开始涉到红层景观协调上。整体防控原理仍以被动刚性控制为主，未充分考虑和利用红层自持性、工程结构自适应性、生态自修复性等红层韧性特征，使得防控效果成本高且不理想，严重制约红层地区可持续发展，亟需建立红层灾变的韧性协调原理，发展新的灾变防控方法与技术，以满足实际需求。根据上述国内外研究现状分析，目前关于红层灾变的地质基因以及多层次致灾演化机理等是红层领域研究的薄弱环节，甚至是空白。通过地质、工程、生态、力学、大气、信息等多学科交叉融合，开展红层地质灾害 工程病害 生态损害的多层次孕灾、工程地质学报 成因与防控理论研究，是红层灾变领域取得原创发展的重要突破口，也是占领国际红层研究高地的立足根本。在红层灾变研究的理论框架体系中，多层次演化机理存在以下 个主要空白点，导致其理论框架存在断链、研究体系存在脱节：（）红层灾变地质基因及其在界面上的突变要素是什么；（）红层地质灾害 工程病害 生态损害的成因机理与多层次递进演变机制是什么；（）红层生态损害的自修复原理与关键技术是什么。因此，亟需开展系统的红层灾变防控基础研究，突破关键问题，填补研究空白，建立具有鲜明红层特色的地质灾害、工程病害、生态损害理论体系，改变红层灾变研究框架体系缺失关键内容的现状，提升红层灾变防控基础理论、方法与技术水平，突破红层灾变防控不力的困局，培育和形成一支高水平的研究队伍，进一步拓展我国红层科学研究的国际领先优势。图 拟解决的 个关键科学问题 研究展望与讨论 拟解决的关键科学问题由于我国红层地质灾害、工程病害、生态损害规模与严重性全球罕有，孕育环境相当独特，人类活动异常强烈，灾害天气尤为频发，重大灾害极其严重，高危风险长期隐伏，因此传统的红层灾变理论和防控技术已经难以适应这种复杂条件下人地失调带来的重大科学技术挑战，即：如何突破红层灾变理论和创新红层灾变防控方法？而根据本文分析，应对这一挑战须解决以下 个关键科学问题（图 ）：关键科学问题 ：如何厘清红层灾变地质基因与界面效应及其对孕灾的影响机制？关键科学问题 ：如何揭示红层地质灾害 工程病害 生态损害的成因机理与多层次递进演变机制？关键科学问题 ：如何构建基于地质 工程 生态韧性协调的红层灾变防控理论与技术体系？关键科学问题一的科学内涵红层灾变的共通性由其地质基因决定，特殊性由其界面效应决定，多样性由其外界环境条件决定，而红层灾变的地质基因要素及其关联是什么，红层水 岩相互作用的跨尺度界面效应如何，怎样影响其孕灾，还有哪些孕灾控制要素？这是完整认识红层灾变的基础，也是红层研究的前沿热点问题，国内外尚无定论，处于探索阶段。因此，亟需厘清红层灾变地质基因与界面效应及其对孕灾的影响机制，实现红层孕灾理论的突破。关键科学问题二的科学内涵红层地质灾害 工程病害 生态损害是红层灾变的 种主要类型，它们各受什么样赋存条件影响，水 岩（土）构造互馈如何形成深部地质灾害，水岩（土）工程互馈如何形成浅部工程病害，水 岩（土）生态互馈如何形成表部生态损害？进一步地，从深部到浅表涉及到水体、岩体、土体与林体相互作用，如何形成了地质灾害 工程病害 生态损害的主次关联和递进演化？这是红层灾变研究的空白点。因此，亟需揭示红层地质灾害 工程病害 生态损害的成因机理与多层次递进演变机制，实现红层灾变成因理论的突破。关键科学问题三的科学内涵红层整体上是具有一定自持性的地质体，而目前红层灾变韧性防护原理尚未形成，仍主要以单一 （）周翠英等：关于红层灾变基础研究的若干思考的被动刚性控制原理为主的设计原则与方法，未充分考虑和利用红层自持性、防护结构自适应性、生态自修复性等韧性特征，难以实现红层地质 工程 生态 景观四者的协调，导致防护成本过高，但效果仍不理想。因此，亟需构建基于地质 工程 生态韧性协调的红层灾变防控理论与技术体系，实现红层灾变防控理论与技术的突破。由于我国红层灾变的罕见性和独特性，决定了上述关键科学问题破解的前瞻性和创新性。因此，针对上述关键科学问题，通过对系统开展红层灾变防控基础研究，有望取得以下具有明显国际领先优势的原创性成果：（）通过提取红层灾变的地质基因及重构红层水 土 气 生相互作用的界面过程，阐明红层灾变的受控机制，突破红层灾变孕育理论。（）通过构建林体 土体 岩体 水体等多体互馈体系，揭示红层地质灾害 工程病害 生态损害的多层次递进演变机制，突破红层灾变成因理论。（）通过建立地质 工程 生态韧性协调原理，提出红层灾变低扰动立体连续防控、生态自修复增强与景观融合的技术体系，突破红层灾变防控理论。鉴于上述，红层灾变防控基础研究具有需求的迫切性和科学的前瞻性，有望取得重大突破，不仅可保障红层地区国家重大战略的高效实施，保障人居安全、生态文明建设、社会经济可持续发展，而且可引领世界红层防灾减灾研究，保持红层灾变研究国际前沿高地。研究思路与主要方向围绕红层灾变研究的总体目标，针对上述关键科学问题，以地质体自平衡演化为主体思想，通过研究红层灾变地质基因与界面效应的孕灾规律、地质灾害成生演化机理、工程病害发生演进机理、生态损害产生演变机理、韧性协调防控等理论与关键技术，建立具有鲜明红层特色的地质灾害、工程病害与生态损害三害演进的多层系统与互馈调控的韧性防控理论体系，聚焦到的红层与灾变完整关联的本质属性，实现红层地质灾害、工程病害、生态损害高效防控。在上述地质体自平衡演化思想的主体框架内，先厘清红层灾变地质基因与界面效应及其对孕灾的影响机制，再揭示红层地质灾害 工程病害 生态损害的成因机理与多层次递进演变机制，后构建基于地质 工程 生态韧性协调的红层灾变防控体系，形成基于多层次跨尺度关联的红层灾变防控基础研究总体思路。在此基础上，以工程地质学、灾害地质学、环境地质学、岩土力学、结构工程学、系统科学、生态学、电子信息学等基本原理为指导，综合采用地质调查、遥感观测、现场监测、原位量测、模型试验、理化测试、数值模拟、大数据分析、机器学习等多学科交叉融合手段，主要围绕以下 个方向开展研究：红层灾变地质基因与界面效应的孕灾规律通过研究中新生代陆相红层时空分异机制与区域工程地质特征，揭示红层灾变的区域性规律与受控机制；阐明红层灾变地质基因基本类型及其要素组合关联与劣化机制；研究红层水文地质结构与渗流场变化特征，揭示红层水 岩相互作用与界面灾变效应，阐明红层灾变孕育机制与模式。埋藏型红层重大地质灾害成生演化机理通过研究红层重大地质灾害空间分布规律及其关键控滑结构与成灾模式，揭示构造动力作用下深埋型红层地质灾害群发机制；揭示红层滑动带与界面的关系及其形成演化过程与识别标志；揭示水动力作用、工程扰动下大型红层滑坡形成演化机制，提出临界判据；揭示埋藏型红层重大地质灾害衍生灾变效应。半裸型红层重大工程病害发生演进机理通过研究红层工程病害类型与分布规律，阐明其成因条件与演进控制要素及成灾模式；阐明工程扰动下红层跨尺度界面演变机制与渗流特性，揭示界面水 力耦合作用下工