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主要作者与机构及发表信息
该研究的主要作者包括孙萍（Ping Sun）、王浩杰（Haojie Wang）、王刚（Gang Wang）、李荣建（Rongjian Li）、张震（Zhen Zhang）和霍旭婷（Xuting Huo）。他们分别来自中国地质科学院地质力学研究所、自然资源部活动构造与地质安全重点实验室、自然资源部宝鸡地质灾害野外科学观测研究站以及西安理工大学岩土工程研究所。这篇论文题为《Field model experiments and numerical analysis of rainfall-induced shallow loess landslides》（降雨诱发浅层黄土滑坡的现场模型实验与数值分析），发表于2021年10月11日的《Engineering Geology》期刊上。
学术背景
本研究属于地质工程与岩土力学领域，主要探讨降雨对黄土高原地区浅层黄土滑坡的影响机制。黄土是一种广泛分布于世界各地的细粒土沉积物，尤其在中国的山西、陕西和甘肃等省份分布最为密集，占全国土地面积的6.6%。由于黄土具有松散结构且对水敏感，在降水或灌溉过程中极易发生破坏，导致浅层滑坡的发生。近年来，降雨诱发的浅层黄土滑坡已成为黄土高原地区最常见的地质灾害之一，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。例如，2013年7月12日，延安地区因持续降雨引发了8135起浅层黄土滑坡，摧毁了10,000个窑洞并导致45人死亡。此外，2013年6月至7月间，天水市南部因连续强降雨引发的大规模浅层滑坡和泥石流导致24人死亡和2386间房屋倒塌。因此，深入研究降雨条件下黄土边坡的水文响应和破坏机制对于预测此类滑坡的发生具有重要意义。
尽管已有学者通过现场试验、模型实验、数值模拟和实验室测试等方法探索了降雨诱发浅层滑坡的水分渗透、边坡变形和破坏特性，但关于不同降雨强度下天然均质黄土边坡的渗透深度、基质吸力变化对吸力强度和摩擦强度的影响，以及易发生滑坡的饱和表层厚度等问题仍需进一步研究。为此，本研究旨在通过大规模现场降雨实验和数值模拟相结合的方法，揭示降雨条件下浅层黄土滑坡的渗流过程和破坏机制。
详细研究流程
本研究分为以下几个步骤：
现场实验设计与实施
研究在陕西省泾阳县西南部的寨头村（北纬34°29′21.4″，东经108°47′11.5″）进行。实验选取了一块长约13米、宽5米、高5米的黄土边坡，并设置了隔离沟以优化边界条件。实验采用三种降雨强度（小雨、中雨和大雨），每组实验的总观察时间长达72小时。降雨系统由雨水管道、喷嘴、金属支架、水泵、水箱、流量计、压力表和缓冲分流器组成，其中喷嘴选用G型旋转喷嘴以模拟自然降雨。
传感器布置与数据采集
实验中使用了三种传感器：土壤湿度传感器（FDR-100）、土压力盒（SYS-TY02A）和张力计（TEN）。十四台土壤湿度传感器埋设在边坡的不同位置，五台土压力盒和三台张力计则埋设在边坡内部。所有传感器的数据通过数据采集仪定期记录，记录间隔根据降雨强度调整为40分钟或100分钟。
实验方案与过程
根据中国气象局的降雨强度分类标准，并结合泾阳县的蒸发量数据（平均每日蒸发量约为7毫米），实验设定的小雨、中雨和大雨的日降水量分别为17毫米/天、27毫米/天和47毫米/天，降雨持续时间为48小时。实验过程包括场地平整、边坡修整、隔离沟开挖、传感器埋设、人工降雨和数据监测等步骤。
数值模拟与数据分析
使用GeoStudio软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块进行流固耦合分析。基于三维饱和与非饱和土壤渗流理论，通过Richards方程描述黄土边坡的渗流过程，并利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线（SWCC）和渗透系数曲线。数值模拟结果用于分析边坡的水文响应、孔隙水压力（PWP）变化、吸力强度和剪切强度的变化规律，以及潜在滑动面的稳定性。
主要研究结果
1. 水文响应分析
在小雨、中雨和大雨条件下，连续两天降雨后黄土边坡的渗透深度分别为0.2米、0.4米和0.6米。降雨强度越大，体积含水量（VWC）的变化幅度越大，渗流速度越快。在同一降雨强度下，坡顶和坡脚的渗流速度和体积含水量增长范围大于坡中部分。
基质吸力变化
黄土的初始基质吸力介于50 kPa至60 kPa之间，其变化可分为三个阶段：下降阶段、相对稳定阶段和小幅增长阶段。随着降雨强度的增加，基质吸力的下降幅度和下降速度也随之增大。土壤压力的变化规律与体积含水量一致。
边坡变形与破坏特性
边坡肩部的拉伸裂缝因蠕变变形而发展更为迅速。裂缝的形成是降雨诱发黄土滑坡的重要条件，边坡肩部的变形和破坏被认为是控制滑坡发生的关键因素。
数值模拟结果
数值模拟结果显示，实验场地黄土的初始吸力强度约为5 kPa，随内摩擦角和初始基质吸力的增加而线性增加。然而，吸力强度在剪切强度中的占比有限（约27%-33%），其衰减不足以决定无优先渗透通道的均质黄土边坡的稳定性。潜在滑动面上正孔隙水压力的增加可能是导致边坡失稳的关键因素。
结论与意义
本研究表明，降雨强度仅影响边坡变形和破坏的时间进程，但对破坏模式影响较小。边坡肩部的裂缝发展较快，是控制滑坡发生的主导因素。吸力强度在剪切强度中的占比有限，其衰减不足以决定均质黄土边坡的稳定性，而潜在滑动面上正孔隙水压力的增加可能是导致边坡失稳的关键因素。
这项研究的科学价值在于深化了对降雨条件下浅层黄土滑坡渗流过程和破坏机制的理解，为预测此类滑坡提供了重要依据。其应用价值体现在指导黄土高原地区的地质灾害防治工作，特别是在降雨频繁的季节制定更有效的预警和防护措施。
研究亮点
1. 通过大规模现场降雨实验揭示了不同降雨强度下黄土边坡的渗流特性和破坏机制。
2. 提出了吸力强度在剪切强度中的有限作用及其对边坡稳定性的影响。
3. 强调了边坡肩部裂缝的发展在滑坡发生中的关键作用。
4. 结合现场实验和数值模拟，验证了孔隙水压力对边坡稳定性的重要影响。
其他有价值内容
研究还指出，浅层滑坡通常发生在2米以内的完全饱和黄土层中，这一发现有助于解释黄土高原地区滑坡多发生在浅层的原因。此外，研究强调了优先渗透通道的存在是地下水位快速上升的必要条件，这为进一步研究大规模滑坡的控制因素提供了方向。