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研究作者及机构
本文的第一作者为Wei-Lin Lee，以及共同作者Mario Martinelli和Chjeng-Lun Shieh。作者分别来自台湾国立成功大学（National Cheng-Kung University）的水利及海洋工程系和荷兰Deltares研究机构。本文发表于Frontiers in Earth Science期刊的Geohazards and Georisks栏目，于2021年11月11日正式发表，题目为“An Investigation of Rainfall-Induced Landslides from the Pre-Failure Stage to the Post-Failure Stage Using the Material Point Method”。

研究背景
泥石流和降雨诱发的滑坡是地质灾害领域内的重要研究课题。降雨引发滑坡的机制复杂，与降雨条件、孔隙水压力、土壤强度和运动速率息息相关。多年来，这一领域的研究集中于滑坡的水力-机械响应过程，贯穿于三个研究阶段：滑坡发生前（pre-failure stage）的稳定状态和局部塑性变形，滑坡发生时（failure stage）的剪切破坏，以及滑坡发生后（post-failure stage）的动态运动模式（如滑移、扩展和流动）。传统的有限元方法（Finite Element Method, FEM）和有限差分方法（Finite Different Method, FDM）存在网格畸变和计算收敛性的问题，尤其难以解决滑坡后期的动态行为。近年来，网格无关的Material Point Method（MPM）因其在模拟土壤-水相互作用中的巨大潜力而受到关注。

本文试图通过MPM模拟降雨诱发的滑坡全过程，克服现有数值方法的局限性，并探讨降雨强度对土体水力学和力学行为的影响，包括孔隙水压力的变化趋势、滑坡触发时间、表面位移及速度的动态特征。

研究目的
本文旨在通过构建基于MPM的数值模型来研究降雨诱发滑坡的动力学行为，详尽模拟滑坡从发生前到发生后的全过程，并评估降雨条件对坡体动力学响应的影响。研究的目标包括验证模型的准确性、开展参数化研究以及分析研究结果转化为实际应用的信息价值。

研究流程及方法

本文的研究设计分为以下几个主要步骤：

1. 理论模型及数值算法的开发
   本文基于物质点法，建立了伪三相（一相固体和两相流体）的数值模型，用以表述固体（固态相）与液体（水相）之间的相互作用。文中假设忽略气相，简化多孔介质问题的基本方程，采用Bishop有效应力定义和Mohr-Coulomb准则描述土体应力-应变关系。研究使用了Modified Update Stress Last（MUSL）时间推进方案，保持高效的时间和空间离散计算。通过结合多个饱和度相关模型（如Van Genuchten模型），文中精确建立了降雨边界条件、渗透特性及地表水入渗算法。

2. 模型验证
   在完成理论推导后，本文首先通过一维渗透试验及数值模拟比对，验证所构建模型能够正确模拟孔隙水压力的分布和渗流行为。

3. 实验设计与模拟测试
   本文模拟基于Moriwaki et al. (2004)日本降雨实验的滑坡试验，该实验采用了一具长度为23米、倾斜30°的钢制槽，使用降雨模拟器施加100 mm/h的降雨强度。研究中，作者利用实验中的细砂颗粒参数定义土体模型，设置初始应力条件和孔隙压力分布，确定了自上至下推进的湿润前沿（wetting front）特性，并通过MPM方法对滑坡过程进行建模与分析。

4. 参数化研究
   为了评估不同降雨强度对滑坡行为的影响，本文使用了六种不同的降雨强度（通过i/ks，即降雨速率与渗透率比值表征），分别对孔隙水压力发展、坡体滑动触发时间及滑坡变形特征进行系统分析。

研究结果

1. 孔隙水压力变化
   研究表明，孔隙水压力的变化趋势高度依赖降雨强度。当i/ks = 0.1时，孔隙水压力的上升速率接近土壤的渗透率；而当i/ks = 0.5时，孔隙水压力的上升速率超过渗透率十倍以上。这一发现突出显示了高强度降雨的异常水力响应特性，对于滑坡预警具有关键意义。

2. 坡体动态行为
   研究进一步发现降雨强度决定了坡体破坏的类型和后期行为。当i/ks > 0.5时，地表引发浅表滑坡，滑坡行为表现为表面初始滑动，然后向深部扩展；而当i/ks ≤ 0.5时，滑坡触发的主要机制为深层地下水压力抬升，滑坡破坏从深部开始。这些发现有助于分类降雨诱发的深层与浅层滑坡类型。

3. 实验模型验证
   模拟结果与Moriwaki et al.的实验数据吻合较好。孔隙水压力的演变和表面位移的预测虽有部分误差，但总体符合实验观测趋势。

研究结论

本文通过应用MPM研究降雨诱发滑坡的完整过程，揭示了降雨强度对土体动力学重要影响。文章提出两个关键性能指标：孔隙水压力异常上升速度（vpwp/ks）以及降雨条件对滑坡模式转化的阈值i/ks（0.5）。研究的科学价值在于补充了现有方法的不足，为多相介质土体的数值建模及滑坡灾害预警提供了重要视角。同时，研究还具有潜在的工程应用价值，可指导地质灾害管理和减灾设计。

研究亮点与创新性

• 提出了伪三相1-point MPM建模以处理降雨边界条件，实现从降雨诱发到滑坡全过程的模拟分析。
• 使用i/ks比值量化降雨强度对滑坡触发和土体变形的影响。
• 首次系统探索湿润前沿特征对滑坡模式的影响，揭示了浅表与深向滑坡间的转化机制。

研究潜在意义

本文提出的新模型超越了传统FEM与FDM方法适用范围，为复杂的降雨诱发滑坡机制提供了新的研究手段。此外，研究成果可作为降雨预警系统设计的重要理论基础，同时为分析气候变化对滑坡灾害频率影响等相关课题提供了技术支持。