黄土高原地区由于地质构造复杂、断裂发育、新构造运动强烈，地形起伏、沟壑纵横的地貌特征，加之干旱、半干旱的气候环境，区内降雨集中，局部性暴雨多，植被稀疏，土体多裸露，极易产生滑坡、崩塌等地质灾害^[1].如1990年8月11日天水市区降大暴雨3 h，雨量达113 mm.诱发滑坡20多处，其中天水锻压机床厂发生滑坡，该厂遭到毁灭性破坏，24座建筑被毁，7人丧生，直接经济损失达2 067万元，是天水市乃至甘肃省历史上直接经济损失最为严重的一次滑坡灾害.

目前对降雨引发的边坡失稳破坏模式与形成机理研究通常有3种手段^[2-4]: 第一种为对已发生的典型滑坡进行调查研究，根据当时降雨状况和滑坡形态推测其形成机理，却难以有效判断土体内部孔隙水压力和基质吸力的变化；第二种为现场原位降雨模拟实验，该方法可以有效解决第一种方法的缺点，但由于现场条件复杂，降雨设备庞大繁琐，并且存在一定危险性，并不是一种经济可靠的手段；最后一种为通过人工降雨的室内模型实验，这也是目前的主流研究方式之一.

宋克强等^[5]以西安郊区的白鹿原滑坡为原型制作了滑坡模型，通过室内模拟降雨研究降水对黄土边坡的影响，观测实验过程中滑坡模型不同部位在不同阶段的蠕变速率，并且推导计算了实际黄土滑坡表面裂缝开展和地面形变总速率.钱纪芸等^[6]对粘土边坡进行降雨离心模型试验，通过观测降雨过程中土坡的破坏形态和位移场变化，研究了降雨入渗对边坡内部位移场的影响，并将土体位移划分为3个阶段.黄润秋等^[7]根据天台乡滑坡的地质环境建立了地质模型，对宣汉天台乡滑坡进行了室内降雨和水压力的物理模拟试验.实验结果验证了天台乡滑坡的变形破坏机制，即在暴雨期间，受岩体裂隙充水的静压力和沿滑移面扬压力的联合作用下形成的平推式滑坡.

本文通过对黄土体边坡室内降雨模型试验并结合使用三维激光扫描仪，研究了降雨入渗对边坡土体内基质吸力和含水率的影响，初步阐释了黄土降雨滑坡失稳破坏机理和发生发展规律.

1 模型试验 1.1 试验概况

试验场地位于成都理工大学泥石流实验室，模型材料取自甘肃甘谷县，其主要的物理参数如表 1，考虑到试验模型箱的尺寸效应，实验所用黄土均过5 mm细筛，并采用分层填筑整体削坡法，土层间隔为5 cm，共分10层，以确保土体边坡的整体性和均匀性.

1.2 实验装置

本次实验装置由模型箱、降雨装置和监测系统组成.

模型箱: 尺寸为长1.2 m，宽0.4 m，高0.6 m.由具良好透视性的钢化玻璃侧壁和高强度金属框架构成，在连接处使用玻璃胶进行密封.同时在钢化玻璃侧壁上画有边长为5 cm的正方形网格，用于坐标参考和基准点控制.

降雨装置: 采用锦州利诚公司生产的JLC-RY2型便携式人工降雨系统，由增压单元、喷雾单元、控制单元等组成.有效降雨面积为16 m²，降雨高度为4 m，雨强变化范围为20～260 mm/h，降雨均匀度系数大于0.8.

监测装置: 主要包括水文监测和变形监测两部分，水文监测装置由基质吸力传感器、体积含水率传感器和数据采集仪组成.本次试验中体积含水率和基质吸力的监测选用美国Decagon公司研制的EC-5体积含水率传感器、MPS-6基质吸力传感器.数据采集仪为EM50数据采集仪.变形监测装置使用的是Leica Scanstaion2三维激光扫描仪.该扫描仪能对局部细微变形进行观测，实现了高精度、高密度、高速度对滑坡表面位移的测定.

1.3 试验方案

根据前人研究^[8-12]，降雨强度及边坡坡度往往对土质边坡稳定性产生巨大影响.因此本次试验设置雨强和坡度两种变量，共进行3组，具体情况见表 2.在每组试验开始前，首先对体积含水率传感器和基质吸力传感器分别进行标定.在建立边坡模型的同时，埋设水文监测仪器，并将填筑好的模型覆膜静置24 h，待仪器读数稳定后开始降雨试验.水文监测仪器按图 1进行埋设，基质吸力传感器和体积含水率传感器分别埋设在坡体两侧同等深度范围.

2 实验结果与分析 2.1 体积含水率-孔隙水压力监测

本次试验共埋设了4个水分传感器和4个基质吸力传感器.数据采集的频率为1 min/次.每当坡体出现较大变形时对边坡进行一次三维激光扫描.

E-1试验降雨共历时680 min，累计降雨量为793 mm.以体积含水率仪器响应的时间作为湿润锋到达时间，从图 2(a)可以看出湿润锋在降雨后最先到达T1(深度h=10 cm)时间为40 min，到达T2(深度h=20 cm)的时间为160 min时，到达T3(深度h=12.7 cm)的时间为70 min，到达T4(深度h=10.3 cm)的时间为50 min.由于强烈的降雨冲蚀和局部崩滑导致T3与T1传感器分别于250 min和410 min暴露于空气中.

E-2试验降雨共历时1 800 min，总降雨量为1 350 mm.从图 2(b)可以看出，湿润锋到达T1时间为80 min，到达T2时间为320 min，到达T3时间为150 min，到达T4时间为95 min.在第1 500 min时，发生一次局部崩滑，T3传感器暴露于空气之中.在第1 800 min时，发生整体崩滑，T1传感器暴露于空气之中.

E-3试验降雨历时1 980 min，总降雨量为1 485 mm.从图 2(c)可以看出湿润锋到达T1时间为120 min，到达T2时间为480 min，到达T3时间为220 min，到达T4时间为180 min.

根据湿润锋移动的模式(见图 3)，将体积含水率传感器埋放深度转换为垂直于坡面的距离再除以湿润锋到达时间，可以计算出该时间段内湿润锋平均移动速度，如表 3所示，其值可从一定程度上反映降雨入渗的快慢:

式中: v_湿润锋为湿润锋平均移动速度，m/s；h为仪器埋设深度，m；α为坡度(°)；t为仪器响应时间，s.

通过表 3和比较各组的体积含水率及孔隙水压力随时间变化图可以得到如下结论:

1) 当湿润锋到达体积含水率传感器后，在体积含水率还未到达28%时呈现迅速增长趋势，到达28%之后呈现缓慢增长趋势，最后逐渐稳定在42%的饱和含水率.

2) 大降雨强度下，降雨入渗更快，滑坡发生所需时间较短，破坏时累计降雨量更小，这与强降雨条件对坡体结构的破坏更强烈有关.

3) 在坡面上(即T3传感器)，45°边坡较60°边坡湿润锋移动更快，入渗速度更大，但滑坡发生所需降雨时间更长，累积雨量更多.

4) 坡顶及坡脚入渗快于坡面，由前述可知坡度越缓入渗越快，坡顶为水平入渗，入渗速度要大于坡面入渗，并且受降雨入渗影响而产生的裂缝会加速入渗进程.坡脚土体厚度小，易达到饱和，破坏后其结构改变同样会加快入渗进程，因此坡顶及坡脚入渗快于坡面.

2.2 变形监测

通过使用Leica Scanstaion2三维激光扫描仪，检测坡面的微小变形，生成有效高程的三维模型，通过实验前后对模型的多次扫描，获得坡体变形数据，再利用Polyworks和Surfer进行后期数据处理，分析边坡随降雨持时的变形破坏特征.

图 4(a)是原始边坡形态，坡度60°，坡表光洁，坡肩平直.图 4(b)显示坡脚左中部发生了小规模的崩滑现象，上部土体仍较为完整，仅见小型侵蚀坑，前缘有少量堆积体产生.图 4(c)显示坡中部发生了较大规模的崩滑现象，后缘临空面高陡，呈圈椅状，前缘有大量堆积体.图 4(d)显示坡体发生了自坡顶至坡底的大规模整体崩滑，坡体破坏严重，后缘临空面高陡，堆积体搬运距离较远.可以看出三维激光扫描仪很好地再现了滑坡发生发展的变化过程.

通过切取多组三维模型的典型剖面，可以获得坡体随降雨持时的剖面变化图.从图 5总结出滑坡的变形破坏发展模式可以分为3个阶段:

1) a-b阶段为降雨冲蚀阶段.在降雨初期坡面受到雨滴溅蚀、径流和面流的冲蚀，带走了大量土体颗粒.冲蚀深度2~3 cm，在坡脚形成小型的堆积区.

2) b-c阶段为局部破坏发展阶段.坡脚处发生破坏，从坡肩到坡脚坡度变化为缓-陡-缓，呈现出下凹形态，随着降雨的持续，陡坎逐渐后移.

3) c-d阶段为整体破坏阶段.坡顶拉裂缝不断向下发展，坡体变形持续累积，最终发生整体大规模崩滑.

滑面呈圆弧状，坡顶垂向位移为5.5 cm，滑坡发生时滑体质心水平位移约为17 cm，垂直位移约23 cm.

3 滑坡失稳破坏机理分析^[13-17]

降雨开始后，黄土体边坡首先进入无压入渗阶段，此时黄土表层含水率梯度很大，导致入渗性能大于降雨强度，此时实际入渗率等于降雨强度，坡面无径流产生，如图 6(b).随着降雨的持续，黄土体基质吸力不断降低，含水率梯度下降，导致入渗性能减弱，最终降雨强度大于入渗性能，坡体表面迅速饱和形成径流，对坡面产生了较强的冲蚀，坡肩处侵蚀尤为严重，面流将物质搬运至坡脚形成小规模的堆积体，如图 6(c).坡脚本是剪应力集中区域，在径流侵蚀和降雨入渗的双重作用下，坡脚孔隙水压力迅速增大，抗剪强度大为降低，随后发生破坏，如图 6(d).上部土体由于失去支撑，在自重力和指向坡外的渗流力作用下向下蠕滑，在坡面和坡顶产生许多张拉裂缝，从图 7可以看出坡顶出现了二级拉裂缝，形成3个台阶.

存在于裂缝中且具有一定深度的滞水，形成局部的压力水头，加快了雨水的入渗，促使土体饱和区下移，自重力和渗流力进一步增强，整体抗剪强度进一步降低，当抗滑力小于下滑力时，滑坡破坏再次发生，临空面后移.如此往复，坡体结构和稳定性逐渐恶化，形成逐级牵引式滑动，黄土体边坡由最初的坡脚破坏发展到整体滑动最终破坏，如图 6(e).

4 结论

本文通过建立物理模型开展室内模型试验对黄土降雨滑坡进行了研究.初步结论如下:

1) 在一定的降雨强度范围内，降雨强度越大，降雨入渗速度越快，滑坡发生所需时间越短，累计降雨量也越小.

2) 边坡坡度越缓，坡面湿润锋移动速度越快，降雨入渗速度越快，但滑坡发生所需时间更长，所需累积雨量也更多.

3) 入渗过程中，随着土体体积含水率增长，基质吸力迅速减小，在坡顶形成拉裂缝，坡脚发生流动破坏，结构的改变加快了坡顶及坡脚处入渗速度，导致顶部裂缝向下扩展，坡脚破坏形成恶性循环过程.

4) 坡脚软化破坏致使滑塌自下而上发展，坡面崩滑位置逐渐向上推移，因此滑坡的类型为由初始的坡脚滑坡逐级后退发展，最终形成整体规模滑动的牵引式滑坡.