这篇由Šwitała和Wu发表在《Géotechnique》期刊2018年第68卷第6期的论文《Numerical modelling of rainfall-induced instability of vegetated slopes》，属于类型a：一份单一原始研究的报告。以下是为您撰写的学术报告，旨在向同行研究人员介绍此项研究。

研究报告：降雨诱发植被边坡失稳的数值建模研究

一、 研究作者、机构及发表信息

本研究的主要作者是B. M. Šwitała和W. Wu。B. M. Šwitała隶属于波兰科学院格但斯克水利工程研究所，而W. Wu则隶属于奥地利维也纳自然资源与生命科学大学岩土工程研究所。该研究发表于岩土工程领域的顶级期刊《Géotechnique》（第68卷，第6期，2018年）。论文于2016年7月7日收稿，2017年8月24日接受，并于2017年10月5日在线优先出版。

二、 学术背景与研究目的

本研究的科学领域是岩土工程，具体聚焦于边坡稳定性分析，尤其是考虑生物工程措施的降雨诱发滑坡机理。

研究背景与动机：大量浅层滑坡由降雨诱发，而植被对边坡稳定的积极作用已被广泛认可。生物工程，即将植物作为一种工程材料来使用的技术，其设计长期以来主要依赖经验。定量分析植被对边坡稳定性的影响仍处于早期阶段。核心挑战在于如何将植物根系的力学加固作用（根系对土体的加筋效应）和其水文效应（通过蒸腾作用吸收土壤水分，产生基质吸力）在一个模型中耦合考虑。尽管已有一些初步尝试，但这些模型要么使用了过于简化的土体本构模型，要么仅考虑了单一因素（力学或水文），或者模型过于复杂难以应用于实际边坡尺度的稳定性分析。此外，许多现有模型常采用“恒定附加凝聚力”的简化假设，这无法反映根系随土体变形逐步发挥强度又可能逐步破坏的真实过程。

研究目的：针对以上研究空白，本研究旨在开发一个综合性的数值模型，该模型能够耦合考虑根系力学加固和根系吸水的双重作用，并能模拟降雨条件下植被边坡的渐进失稳过程。本研究的核心目标是提供一个适用于大规模边坡稳定性分析的实用工具，并借此强调土壤生物工程方法作为一种简单而有效的边坡加固措施的潜力，可补充传统的工程方法。

三、 详细研究流程与方法

本研究是一个数值模拟研究，其工作流程主要包括理论模型构建、数值实现与验证、以及通过两个数值算例展示模型性能三个核心部分。研究对象是理想的植被边坡系统。

1. 理论模型构建

研究者建立了一个耦合的力学-水文学系统模型，主要包含两个核心子模型：

• a. 根系力学加固模型：该模型基于非饱和土修正剑桥模型进行扩展。关键创新在于将根系对土体的加固效应，模拟为对土体预固结压力的贡献。模型采用广义比肖普有效应力公式来描述非饱和土-根复合体的应力状态。屈服面（Yield Surface）的演化由三个部分组成：

  • 由塑性体积应变引起的传统硬化。
  • 由饱和度变化引起的硬化（湿胀干缩效应）。
  • 由根系激活应变引起的硬化：这是本模型的核心。研究者引入了一个新的标量——激活应变增量，它是体积应变增量和偏应变增量的函数。根系强度的逐步发挥被模拟为随着激活应变累积，屈服面（通过预固结压力p′c）随之膨胀的过程。当应变达到峰值后，模型还可以模拟根系的逐步断裂或拔出，以及残余强度阶段。这种处理方式避免了“恒定附加凝聚力”的假设，能够更真实地反映根系加筋的应变硬化与软化行为。
  • 模型引入了一个新的本构参数 rp 来控制根系加固的速率，其值取决于植物类型（如草本植物为1-4，灌木为5-10，乔木通常大于8），需要通过土-根复合体的直剪或三轴试验进行标定。

• b. 根系吸水模型：将根系吸水处理为变饱和水流连续性方程中的一个体积汇项（Sink Term）。该模型采用了宏观连续体方法，整合了整个根系系统的特性。吸水速率 s(x, y, z, t) 由三个关键因素决定：

  • 土壤吸力因子：采用Feddes等人的分段函数，定义了土壤吸力在厌氧点、最适范围和凋萎点之间变化时对吸水速率的影响。
  • 根系密度分布：采用Borg & Grimes提出的指数关系式来描述根系在半球形区域内的空间分布。
  • 潜在蒸腾因子：与叶面积指数和单位叶面积潜在蒸腾速率相关。

2. 数值实现与验证

• 实现平台：为了证明模型的通用性，研究者将上述本构模型分别在两个有限元软件中实现：
  • 用于二维（2D）问题分析的研究用有限元代码 COMES-GEO。力学加固模型通过编写新的子程序与现有代码链接。
  • 用于三维（3D）问题分析的商业软件 ABAQUS。力学加固模型通过用户自定义材料子程序（UMAT）实现；根系吸水模型则通过自定义的流动边界条件子程序（DFLOW）实现。
• 数值积分：两个平台均采用了Borja & Lee的返回映射算法进行本构方程的数值积分，该算法能处理因饱和度变化或根系激活/断裂引起的屈服面膨胀或收缩。
• 模型验证：论文中指出，该耦合模型的实验验证工作已在作者团队的另一篇论文（Šwitała et al., 2017）中完成。

3. 数值算例演示

研究者设计了两个理想化的数值算例来展示模型的性能和植被的作用。

• 算例一：不透水基岩上的二维边坡

  • 对象：一个坐落于不透水基岩上的简单二维边坡模型。
  • 软件与条件：使用 COMES-GEO 进行模拟，仅考虑根系力学加固效应。设置非植被和植被（在边坡中指定一个根系区域）两种工况。土壤参数基于实验数据假设。
  • 流程：模拟分为三步：1) 建立初始地应力平衡；2) 施加高吸力模拟极干燥初始条件；3) 在坡顶施加持续强度为18 mm/h的降雨。
  • 数据与分析：通过监测边坡位移的发展，比较两种工况下滑坡发生的时间和位移形态。

• 算例二：理想化的三维边坡

  • 对象：一个几何形状规则的三维边坡，根系区域被假定为半球形，并按规则模式分布在坡面上。
  • 软件与条件：使用 ABAQUS 进行模拟，考虑三种工况：a) 非植被边坡；b) 仅考虑根系力学加固的植被边坡；c) 同时考虑根系力学加固和蒸腾作用的植被边坡。
  • 流程：
    1. 地应力平衡步：初始化地应力。
    2. （仅工况c）蒸腾步：在降雨开始前，先进行为期7天的蒸腾模拟，潜在蒸腾量 tp 设为16升/天。此步通过DFLOW子程序实现根系吸水。
    3. 降雨步：在部分坡面施加强度为18 mm/h的降雨。以蒸腾步结束时的孔隙水压力分布作为工况c的初始条件。
  • 数据与分析：对比三种工况下，坡面特定点（位于中部根系区域上方）水平位移随时间的发展，以及相同时刻边坡的位移云图和最终破坏面形状。

四、 主要研究结果

算例一结果： * 对于非植被边坡，持续降雨约40小时后触发了浅层滑坡。破坏面发育在基岩顶部，土体达到完全饱和，有效应力降低导致塑性应变迅速增加。 * 对于植被边坡（仅在指定根系区域设置 rp=10），滑坡发生的时间被显著延迟至约42.5小时。位移云图显示，根系区域像一个“柱子”或挡土结构一样，阻止了上部土体的向下滑动，使得位移的累积更慢、更平缓。图4的位移-时间曲线清晰对比了两种情况下位移发展的差异，证明了力学加固的有效性。

算例二结果： * 非植被边坡（工况a）：在持续降雨约80小时后，位移开始迅速累积。 * 仅力学加固边坡（工况b，rp=4, mr_ini=5%）：与工况a相比，失稳发生时间延迟了约10小时。这表明即使中等程度的根系加固也能有效提高稳定性。 * 力学加固+蒸腾作用边坡（工况c）：这是最有利的情况。图6显示，经过7天蒸腾后，边坡内吸力显著提高（孔隙水压力更负）。图7对比了相同降雨时间（约100小时）后三种工况的位移云图，工况c的位移明显最小。图8对比了最终破坏形态：非植被边坡的滑体直接穿过坡面；而植被边坡的滑体则“绕过”了根系加固区域，最大位移发生在根系区域之间。这直观展示了根系如何改变破坏模式。 * 综合对比：图9汇总了三种工况下监测点的水平位移-时间曲线。结果明确显示，植被的存在延迟了失稳发生，而当同时考虑力学和水文效应时，这种延迟效果最为显著。尽管算例中使用的根系力学参数（rp=4）相对较低，但其贡献不容忽视。

结果的逻辑关系与结论贡献：算例一重点验证和展示了力学加固单独作用的机制和效果（延迟破坏、改变位移模式）。算例二则在此基础上，增加了蒸腾作用的考虑，通过对比三种工况，系统性地量化了力学效应、水文效应以及两者耦合带来的叠加效益。两个算例的结果层层递进，共同支撑了本研究模型能够有效耦合两大关键机制、并定量评估植被对边坡稳定性的综合增强作用这一核心结论。

五、 研究结论与价值

结论：本研究成功开发并实现了一个能够模拟降雨诱发植被边坡失稳的耦合数值模型。该模型能够综合考虑根系力学加固（模拟为预固结压力的应变相关演化）和根系吸水蒸腾（模拟为水流方程的汇项）两大关键机制。通过两个理想化但具有代表性的数值算例证明，植被的存在可以显著延迟滑坡发生、改变破坏模式，并且力学与水文效应的耦合能产生最佳的稳定效果。

科学价值： 1. 模型创新：提出了一个将非饱和土力学与植物生物力学、水文学相结合的宏细观耦合建模框架。其核心贡献在于摒弃了“恒定附加凝聚力”的简化假定，引入了应变相关的根系强度激活与衰减模型，以及将蒸腾作用直接耦合到水力场中，这比许多前人研究更为先进和符合物理实际。 2. 方法通用性：通过在两个不同的有限元平台（COMES-GEO 和 ABAQUS）上实现，证明了该模型的适用性和可移植性，为不同用户群体提供了选择。

应用价值： 1. 工程设计工具：该模型为土壤生物工程措施的设计提供了定量分析工具，使工程师能够超越经验判断，更科学地评估植被在特定边坡条件下的加固效果，优化植被种类、布局和养护方案。 2. 风险评估：可用于评估自然植被覆盖的边坡在极端降雨事件下的稳定性，服务于地质灾害风险评估与预警。 3. 推广生物工程：通过定量展示植被的有效性，有助于推广这种环境友好、成本相对较低的边坡稳固技术，作为传统工程措施（如挡土墙、锚杆）的有效补充。

六、 研究亮点

1. 双机制耦合：率先在一个统一模型中同时、耦合地考虑了根系力学加固和根系吸水蒸腾这两个对边坡稳定最关键也最常被分开处理的植被效应。
2. 先进的根系力学表征：采用基于修正剑桥模型的应变相关硬化/软化律来模拟根系强度的发挥，突破了“恒定附加凝聚力”的传统局限，能模拟从激活、峰值到破坏的全过程，更符合实际情况。
3. 跨平台实现与验证：在两个主流有限元软件中成功实现，并提及了通过独立实验进行模型验证的工作，增强了模型的可信度和实用性。
4. 系统的算例演示：通过从简到繁（2D仅力学 -> 3D力学+水文）、控制变量对比（非植被 vs. 力学加固 vs. 力学+水文）的算例设计，清晰、有力地演示了模型的功能和植被各分项效应的贡献。

七、 其他有价值的内容

论文在引言和“植被对边坡稳定性的影响”章节中，系统梳理和评述了该领域的重要前期工作（如Wan et al., 2011; Pollen & Simon, 2005; Schwarz et al., 2010等），为读者提供了清晰的学术脉络。同时，作者也坦诚指出了模型的当前局限性：① 水文部分需要确定的参数较多，工程实践中获取有挑战；② 无法考虑复杂的根系构型，且假定的根系形状不随时间演化；③ 假定土-根复合体的渗透性恒定。这些坦诚的说明为未来的研究指明了改进方向。最后，论文提到该研究是欧盟资助的多个合作项目的一部分，正在进行相关的室内外试验以确定模型参数，这预示着该模型将随着试验数据的丰富而不断完善，具有持续发展的潜力。