花岗岩残积土浅层滑坡流滑特性与破坏机制研究学术报告

作者及发表信息
本研究由Bai Hui-lin（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室）、Feng Wen-kai（通讯作者，成都理工大学/自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室）、Li Shuang-quan等组成的联合团队完成，发表于《Journal of Mountain Science》2022年第19卷第6期（DOI: 10.1007/s11629-022-7315-8）。

学术背景
研究聚焦于中国东南沿海台风频发区（如福建省）花岗岩残积土浅层滑坡的流滑（flow-slide）破坏机制。花岗岩残积土（granite residual soil）因长期风化形成，具有颗粒细、渗透性低的特点，在强降雨条件下易发生群体性浅层滑坡，造成严重社会经济损失。既往研究多关注灾后形态描述，而对流滑全过程特性及临界阈值缺乏系统性实验验证。本研究以2021年台风“卢碧”诱发福建闽清县群发滑坡为案例，通过室内人工降雨物理模型试验，揭示流滑破坏的动态过程与水力耦合机制，旨在为区域灾害预警提供理论依据。

研究流程与方法
1. 野外调查与参数采集
团队在闽清县台风影响区开展详细调查，测量典型滑坡几何参数（如滑面深度0.5~2 m，体积<200 m³），并采集花岗岩残积土样品。通过环刀试验测得天然密度1.68 g/cm³、干密度1.3 g/cm³，筛分试验显示粒径 mm的颗粒占比超95%，主导粒径为0.5~2 mm，渗透系数10⁻³~10⁻⁴ cm/s。

1. 模型设计与制备

   • 模型构建：按1:1比例模拟40°边坡（长1.2 m×宽1.0 m×高1.0 m），采用筛除>2 mm颗粒的土样，控制干密度1.30 g/cm³、初始体积含水率15%。
     
   • 传感器布设：埋设8个T-25型体积含水率传感器，分三层（表层#1~#3、中层#4~#6、深层#7~#8）监测渗流场变化，精度达0.1%。

2. 人工降雨试验系统

   • 设备开发：自主设计降雨系统，包括微型水泵（8 W）、流量计（1.6 L/min）、6组可调喷头，模拟台风最大小时雨强40 mm/h（对应流量1.5 L/min）。
     
   • 数据采集：结合摄像记录边坡变形过程，通过可测水箱量化地表径流（单位：L/h），建立降雨-地下水-地表水转化模型。

3. 试验过程
   持续8小时降雨，分阶段记录变形特征：

   • 初期（0~2 h）：坡脚局部饱和，出现滑移变形（临界体积含水率53%），形成牵引式破坏。
     
   • 中期（2~5 h）：浅层饱和区扩展，地表径流增强，侵蚀沟槽发育。
     
   • 后期（5~8 h）：松散堆积体负载抑制深层滑动，流体化特征显著。

主要结果
1. 流滑全过程特征
- 破坏模式：坡脚优先失稳，逐步向后缘牵引扩展，形成阶梯状堆积体。传感器数据显示，失稳时峰值体积含水率达51.3%~54.8%（平均53%）。
- 水力响应：降雨初期以垂向入渗为主，后期地表径流占比从10%升至55%，符合对数函数关系：( q_s = a + b \ln(t) + c )。

1. 破坏机制

   • 强度衰减：高体积含水率导致剪切强度降低，孔隙气阻滞（pore air blocking）加剧渗透不平衡。
     
   • 深度限制：降雨影响深度约30 cm，松散堆积体荷载抑制深层变形，解释浅层滑坡的小规模特性。

2. 堆积特征
   试验再现野外滑坡的三级堆积结构：

   • 前缘细粒沉积（相①）
     
   • 中部未完全解体块体（相②）
     
   • 后缘短距离滑移体（相③④）
     与闽清县实地调查结果高度一致（图3）。

结论与价值
1. 理论贡献
- 首次通过实验量化花岗岩残积土滑坡流滑临界体积含水率（53%），为基于含水率监测的预警技术提供阈值依据。
- 揭示“降雨入渗-坡脚饱和-牵引破坏-流体化运移”的链式机制，完善了强降雨诱发浅层滑坡的理论模型。

1. 应用价值
   
   • 提出地表径流预测模型，可辅助泥石流二次灾害预警。
     
   • 建议台风易发区优先监测坡脚含水率变化，优化防灾资源配置。

研究亮点
1. 方法创新：自主研发高精度人工降雨系统，实现渗流场-变形场-径流场的同步动态监测。
2. 发现创新：揭示孔隙气阻滞对渗透失衡的影响，解释短时强降雨下浅层饱和的物理机制。
3. 案例典型性：以台风“卢碧”灾害为原型，数据与实地灾害特征高度吻合，增强结论可靠性。

其他价值
研究获得国家自然科学基金（U2005205, 41977252）等项目支持，成果可为东南沿海台风滑坡风险评估提供技术范式。团队建议后续研究纳入更多土体渗透系数与坡度变量，以扩展模型的普适性。