降雨诱发的浅层黄土滑坡是我国黄土高原目前最为常见、发生频率最高、危害性最强的灾害类型之一。2021年7月至10月,甘肃、陕西、山西等地强降雨诱发了数万起浅层黄土滑坡,给当地人民造成了灾难和财产损失,因此该类滑坡的研究依然是黄土灾害领域内的永恒科学课题。前人在黄土滑坡的成灾背景、形成条件、成因机制和防灾减灾方面已经取得了重要进展,但是降雨作用下非饱和黄土斜坡的水文响应和其失稳演化机制依然存在诸多有待解决的科学问题,如降雨入渗后非饱和黄土斜坡浅层含水率、基质吸力和吸力强度之间的变化关系如何?非饱和土体基质吸力的变化到底对其吸力强度和抗剪强度有多大影响? 黄土斜坡表面的饱和层达到多厚才更容易发生失稳? 这些科学问题仍需开展深入研究。

    针对上述问题,中国地质调查局地质力学研究所开展了小雨、中雨和大雨3种雨强等级的大尺度现场降雨试验。通过分析坡体内体积含水率、基质吸力和土体应力的变化,初步揭示了降雨作用下非饱和黄土斜坡的水文响应和浅层黄土滑坡的失稳机制。此外,基于非饱和土强度理论,利用数值模拟方法量化了黄土吸力强度对斜坡稳定性的影响。

    研究结果表明:(1) 连续降雨48小时后,在小雨、中雨和大雨条件下,黄土斜坡的入渗深度分别约为0.2m、0.4m和0.6m;坡体体积含水率变化和水分渗流速度随降雨强度的增大而增大,降雨强度仅在时间尺度上影响斜坡变形破坏的发展,对斜坡破坏模式的影响较小;在相同降雨强度下,坡顶和坡脚的渗流速度和体积含水率增长幅度大于坡体。(2) 实验区黄土属于非饱和土,其初始基质吸力约50 ~ 60 kPa;降雨条件下土体基质吸力的变化可分为骤减阶段、稳定阶段和小幅回升三个阶段;基质吸力的减小幅度和减小速度随降雨强度的增大而增大;土压力的变化规律与体积含水率的变化规律基本一致。(3) 由于斜坡表面发生蠕滑变形,坡肩拉张裂缝发展较快,拉裂缝的出现是滑坡失稳的重要条件,坡肩的拉张变形破坏是控制黄土滑坡发生的关键因素。(4) 数值模拟结果量化了土体吸力强度对均质黄土斜坡稳定性的影响。实验区黄土的初始吸力强度约为5kPa,初始吸力强度随土体内摩擦角和初始基质吸力的增大而增大,但吸力强度在抗剪强度中所占的比例是有限的,其有限性决定了其衰减不会决定均质黄土斜坡的稳定性,然而潜在滑动面正孔隙水压力的增大可能是决定斜坡失稳的关键因素。(5) 针对泾阳南缘群发性的浅层黄土滑坡,提出了该类滑坡的四阶段演化模型。研究揭示的规律对西北黄土高原区此类黄土斜坡破坏过程的预测和控制具有重要的参考意义,同时对浅层黄土滑坡的预警和防治也具有重要指导。

    该研究得到了国家自然科学基金和中国地质调查局地质调查专项联合资助。相关成果发表于工程地质学和地质灾害领域国际著名期刊《Engineering Geology》上。