滑坡灾害历来都是影响社会发展和经济进步最重要的地质灾害类型。例如：1985年6月12日凌晨，位于三峡库区的秭归县新滩镇发生了约3×10⁷ m³的堆积层大型滑坡，高速下滑的土石毁灭了具有千年历史的古镇新滩，约1/10的土石滑入长江，中断航运12天^[1]；1963年10月9日，著名意大利瓦依昂库区滑坡导致1 925人死亡，水库失效^[2]。中国由于受地理、气候等因素的影响，每年汛期（如长江流域为5—10月）由于暴雨诱发滑坡灾害极为频繁，山体滑坡遍及全国山地丘陵地区，已知数量近百万处之多，活动面积占国土面积的45%左右，每年造成数千人死亡以及近百亿元经济损失，基本呈分布广、危害大、频率高等特点^[3]。

滑坡体降雨入渗过程是一个饱和–非饱和的渗流过程，对于滑坡稳定性降低甚至失稳至关重要。近年来，随着非饱和土力学理论的发展，为如何恰当地估计降雨对滑坡稳定性的影响提供了新的理论基础及分析方法。童富果等^[4]研究了大气降雨时斜坡的饱和–非饱和降雨入渗问题，分析了降雨入渗规律；荣冠等^[5]研究了降雨入渗机理，模拟了降雨入渗条件下边坡岩体饱和–非饱和渗流规律；唐扬等^[6]运用有限元数值模拟方法，对由降雨影响造成滑坡土壤不饱和区的土壤水运动进行数值模拟计算，为滑坡体降雨入渗规律的研究提供重要参考依据。

降雨入渗过程是一个随时空变化强烈的动态过程，依据降雨强度、降雨量及斜坡的物质构成与参数，降雨作用将产生坡体饱和–非饱和入渗及坡面地表产流现象^[7–9]。Alonso^[10]、Gavin^[11]等研究了基质吸力对滑坡降雨入渗过程的影响，并采用Green–Ampt入渗模型研究了计算浸润锋扩展所需要时间的方法；王建新等^[12]基于饱和–非饱和土力学理论及渗流理论，建立饱和–非饱和降雨入渗模型，研究了降雨入渗过程中土体内部渗流场分布特征；周家文等^[13]研究了降雨入渗过程中基质吸力对滑坡滑动面抗剪强度的影响；杨宗佶等^[14]建立了斜坡降雨入渗吸湿过程的土–水特征曲线，揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流双渗流场共同作用的结果。

综合以上分析，滑坡的降雨入渗过程对于揭示降雨型滑坡致灾机理及破坏演化过程至关重要，滑坡体内孔隙水压力和地下水作用是滑坡的最主要致灾因子，但目前尚缺乏滑坡降雨入渗过程非线性响应的基础创新和突破。为深入研究水动力型滑坡堆积体中降雨诱发的滑坡失稳变形及入渗过程，采用滑坡降雨入渗物理模拟系统，开展不同降雨强度条件下的堆积体滑坡降雨入渗物理模拟试验，旨在深入揭示降雨入渗过程中滑坡堆积体孔隙水压力和土压力演变规律及坡体变形破坏特征。

1 降雨入渗过程物理模拟试验 1.1 试验概况

滑坡堆积体降雨入渗过程物理模拟试验在三峡库区地质灾害教育部重点实验室内进行，试验所采用的滑坡堆积体模型材料取自三峡水电站库区典型黏土。为较好地反映滑坡堆积体降雨入渗规律，试验开始前通过室内土工试验对模型滑坡体材料配比进行优化，最终确定试验所用的土样由黏土、河沙、碎石按40:40:20的比例配制而成。其中，河沙粒径为3～5 mm，碎石粒径为5～15 mm，堆积体黏土初始含水量约14%。试验所用堆积土体颗粒大小分布曲线如图1所示，其基本物理力学指标、含水率和渗透性试验测试结果如表1所示。

1.2 试验装置

试验所采用的测试系统如图2所示。滑坡模型试验测试系统由试验平台起降控制系统、室内人工模拟降雨控制系统、水库水位控制系统、多物理量测试系统组成。采用该系统开展滑坡堆积体降雨入渗过程的物理模拟试验研究。

1.3 试验方案

滑坡堆积体传感器埋置：根据滑坡物理模型特征，布设多物理量测系统，主要包括孔隙水压力和孔隙土压力的测量，相应的传感器分别选用孔隙水压力传感器和孔隙土压力传感器。为更好地研究滑坡体应力场的变化规律，共布置3个监测断面，每个断面布置2个孔隙水压力及1个孔隙土压力传感，其中孔隙水压力传感器的布置分不同深度一次埋置。具体布置方案如图3所示。

降雨工况的设计：降雨工况设计是模型设计的重要组成部分，其设计主要考虑的因素包括降雨强度和降雨历时。本次降雨试验设计3种不同降雨强度，降雨工况如表2所示。

2 试验结果与分析

滑坡堆积体降雨入渗过程物理模拟试验共进行3次降雨，得到了不同剖面的相关响应试验数据。通过相关响应试验数据分析，揭示滑坡模型孔隙水压力、土压力的变化规律，同时通过全程视频监控，得到了滑坡破坏演变过程。其中，工况1持续时长为260 min，工况2持续时长为245 min，工况3持续时长为132 min。

2.1 孔隙水压力监测试验结果分析

根据降雨入渗过程物理模拟试验结果，得出滑坡堆积体不同降雨工况下的孔隙水压力随降雨历时的变化规律如图4～6所示。

工况1模拟雨强为0.32 mm/min时的降雨入渗过程。降雨强度较小，堆积体坡面入渗能力远大于降雨强度，故剖面没有产生积水，此时降雨入渗过程处于自由入渗状态。由图4可知：同一剖面越靠近基岩处滑坡体孔隙水压力随降雨的响应时间越短，同时达到平缓状态用时越短；测点1–1、2–1和3–1处孔隙水压力的变化表明，对于基岩附近土体，由于受到降雨入渗和中后缘土体水分沿滑坡体入渗的补给，孔隙水压力对降雨的响应时间越短，同时达到平缓状态用时越短；测点1–2、2–2和3–2处孔隙水压力的变化表明，沿坡体内土体孔压变化与沿滑带处土体变化随着降雨进行有明显不同，即随着降雨历时增加，滑坡体内部地下水位不断上升，降雨入渗难度增加，中后缘土体会达到一个平衡点，也即出现土体受到上部降雨入渗的补给与自身竖向入渗和沿滑坡体入渗的消散达到相对平衡。

工况2模拟雨强为0.44 mm/min时的降雨入渗过程。随着降雨历时的增加，表层土体由非饱和状态逐渐向饱和状态发展，表层逐渐出现积水。降雨强度增大后，同一观测剖面不同深处孔隙水压力的变化规律与小雨明显不同，此时浅层土体孔隙水压力的变化曲线始终在深层土体孔隙水压力变化曲线的上方；基岩处附近土体孔隙水压力离坡脚距离越近，土体孔隙水压力随降雨的响应时间就越短，同时达到饱和状态所需时间越短；沿坡体内土体孔压变化规律与小雨时相差很大，离坡脚近的土体随着降雨的进行会逐渐饱和，孔压变化趋于稳定；由于坡体上部降雨入渗的补给始终大于自身竖向和沿滑坡体方向入渗的消散，故滑坡堆积体孔压始终在增加；滑坡破坏对前缘浅层土体孔压影响非常大，随着表层土体流土及滑坡体前缘的整体破坏，靠近坡脚处浅层土体的孔压随滑坡体破坏的演变出现迅速下降。

工况3模拟雨强为0.57 mm/min时的降雨入渗过程。此时，降雨强度很大，结合滑坡的破坏过程，孔隙水压力增速明显提高，且变化波动很好地响应了滑坡的破坏过程。雨强增大，孔隙水压力的增速明显增大；由测点1–2可知，滑坡发生时，靠近坡脚处土体受到上部土体挤压力降低，坡体内孔隙水会出现突然消散状态，此时孔隙水压力会出现骤降；由测点2–2可知，第1次局部区域整体滑坡时，破坏区坡体内孔隙水压力会出现一个驼峰，上部坡体少了下部坡体支撑再次发生次生破坏，最终形成大范围变形破坏。

2.2 土压力监测试验结果分析

不同降雨工况下滑坡堆积体各测点土压力的变化规律如图7～9所示。

由图7～9中可知，滑坡堆积体内部土压力对雨强的响应与孔隙水压力对雨强的响应基本保持一致。同时可以看出：降雨强度越大，降雨前期入渗越迅速，由入渗导致的滑坡体土压力变化越快，土压力增大的趋势越明显；不同降雨强度对堆积体破坏模式的影响不同，滑坡体内部土压力的变化也不尽相同，且每种破坏模型都会造成坡脚处测点1–3附近土压力出现突降。造成这种现象的原因主要有两种：一是因为坡脚出现局部流土导致其上覆土容重减少进而导致土压力下降；二是其上缘土体发生沿剪切面的滑动破坏，此时来自上缘土体的挤压力减少进而导致土压力下降。由工况2和3下的测点2–3处土压力变化可知：堆积体发生破坏时，位于破坏区域土体土压力会出现明显增长，这是因为破坏时大量雨水进入裂缝导致土体容重增加；同时，当降雨强度大，最终导致塑性流动时，土压力会随着表面土体流失而缓慢减少。

3 降雨入渗诱发滑坡变形失稳特征分析 3.1 坡体降雨入渗原理

降雨引起堆积坡体变形失稳的本质原因是降雨入渗引起的坡体抗剪强度特性弱化、坡体地下水位上升、坡体内孔隙水压力变化等，进而影响坡体变形和稳定性。降雨入渗过程实质是水分在土体中的运动过程，具有明显时间效应，关注降雨入渗过程对揭示降雨诱发堆积体滑坡失稳致灾机理至关重要。

根据雷志栋等^[15]对土壤水分运动规律的研究，认为堆积体降雨入渗过程中，典型坡体含水率分布剖面可分为4个典型区域，即饱和区、过渡区、传导区和湿润区，如图10所示（图中， $\theta$ 为土体含水率， $\theta_0$ 为初始含水率， $\theta_{\rm{s}}$ 为饱和含水率）。

为揭示降雨入渗诱发滑坡失稳的致灾机理，必须深入了解降雨入渗过程中水分的运移规律与内在演化机理。从滑坡堆积体降雨入渗机理上来讲，当降雨入渗到滑坡堆积体内部中时的强度主要取决于降雨强度和滑坡体岩土介质的入渗性能，且恒定降雨强度和变化降雨强度下的滑坡体降雨入渗过程不同。本文在前述滑坡堆积体降雨入渗过程物理模拟试验中，采用3种不同恒定降雨强度。根据张金存^[16]的研究，认为在恒定降雨强度下，滑坡堆积体降雨入渗土体水分剖面一般会经历4个连续的状态演化过程，即非饱和状态、持滞饱和状态、地表饱和状态和全面饱和状态，滑坡堆积体降水渗入土体中会形成湿润锋面，锋面以上水分会逐渐累积，直至达到饱和含水率，从而导致持滞饱和带的生成；持滞饱和带会随着降雨持续而同时向上和向下发展，最终到达地表和饱和地下水面。

3.2 堆积体滑坡变形失稳破坏特征

通过对3组不同雨强条件下的堆积体滑坡变形破坏发展过程进行分析可知，堆积体滑坡变形破坏主要有3种，且每种破坏特征不尽相同，具体变形破坏特征如下：

1）工况1雨强为0.32 mm/min时，滑坡堆积体呈坡脚部位局部流土破坏。根据上述降雨入渗原理，降雨开始时，地表水力传导率与含水率梯度均较大，入渗率一般大于降雨强度，该阶段即为通量控制阶段，其特点是无压入渗或者自由入渗。随着降雨的不断进行，坡脚处土体受到降雨入渗和坡体内雨水下渗的作用由非饱和状态逐渐向饱和状态转变，此时土体孔隙水压力不断增加，基质吸力不断降低，进而导致土体的抗剪强度不断降低；加之雨水浸泡的软化作用，坡体在自重力和指向坡面外侧的渗透力的作用下开始向临空方向蠕动，局部土体呈淤泥状逐渐形成流动趋势，最终导致坡脚产生局部流土。

2）工况2雨强为0.44 mm/min时，堆积体滑坡呈多级后退式滑坡变形破坏形式，如图11所示。雨强较大，堆积坡体降雨入渗效果更加明显，坡面逐渐由非饱和状态向饱和状态过渡；滑坡体抗剪强度不断下降，坡体的强度会不断减弱，同时坡脚流土以上区域缺少下侧土体的支撑，此时上侧土体处于张拉状态产生裂缝；裂缝又会为雨水入渗提供有利条件，从而加剧了滑坡变形的发展，随后拉裂缝向滑坡体内部不断扩展，相继出现其他2级剪切裂缝，滑动面基本形成；待受拉裂缝持续加深，剪切带全部贯通后，坡体后缘与前缘的滑动体分开，同时后缘以一定的推力推动滑动体持续运动，产生逐级向上的滑动破坏，出现拉裂缝整体滑动破坏的区域，整个堆积体滑坡过程呈现出多级后退式滑坡变形破坏的特征。

3）工况3雨强为0.57 mm/min时，堆积体滑坡呈前缘区域整体剪切破坏特征，如图12所示。降雨强度大，滑坡堆积体刚开始为自由入渗；随着降雨的进行，土体孔隙水压力迅速增大，基质吸力逐渐降低，含水率逐渐增大，导致入渗性能减弱，最终降雨强度大于入渗性能，滑坡体表面土体迅速饱和，坡脚开始出现积水；堆积体表面孔隙水压力迅速升高，土体的抗剪强度不断降低，同时滑坡体土体迅速饱和，土体含水量快速增加，导致土体的自重增加；土体自重的迅速增加结合抗剪强度的不断降低导致最危险破坏面的出现，坡体最危险破坏面处极限抗拉强度不足以抵抗受到的拉应力时，危险面后缘就会产生拉裂缝，同时前缘土体受到挤压作用发生隆胀；拉裂缝的产生又加剧了降雨入渗的效果，最终整个破坏区域沿剪切面迅速滑动破坏，此时停止降雨，试验结束。

4 讨　论

目前，降雨诱发滑坡灾害致灾机理问题是当今国际滑坡灾害和工程地质环境与地质研究领域的前沿性课题，国内外众多专家学者^[17–21]虽然从不同角度对滑坡诱发因素、成灾机理、水岩耦合机制、滑坡体水–岩动力学过程、滑坡预警与防灾等进行系统研究，并取得了一定的研究成果，但总体呈滑坡现象研究多、滑坡机理研究少，滑坡静态演化过程的研究多、动态演化过程研究少，滑坡宏观层面定性分析多、滑坡细观层面定量研究少，滑坡被动治理研究多、滑坡主动防护和预警研究少等特点。尤其是从细观层面上，考虑降雨入渗非线性响应过程的滑坡水–力耦合变形破坏机制与滑坡地质–水文–力学耦合模型的研究成果非常少见，尚无法从内在机制上揭示不同降雨强度、不同降雨历时及不同饱和度条件下滑坡岩土体降雨入渗演化非线性响应过程、非线性力学、非饱和渗透特性及水–力耦合变形机制，故深入开展降雨诱发滑坡的内在非线性响应机理势在必行。

1）根据室内降雨入渗物理模拟试验结果可知，不同降雨强度下的堆积体滑坡变形失稳过程与降雨入渗过程及其产生的孔隙水压力变化规律性具有明显的相关性，降雨入渗是堆积体滑坡失稳破坏的关键致灾因子，对揭示降雨型滑坡致灾机理及破坏演化过程至关重要。

2）从室内滑坡试验变形失稳破坏特征可以看出，当降雨强度大于滑坡体入渗能力时，滑坡体表面形成了坡面径流，对坡面土体冲刷非常明显，滑坡体坡脚部出现积水。由此可以看出，当降雨强度较大时，必须将滑坡体降雨入渗和坡面径流失稳系统进行考虑，揭示强降雨条件下的滑坡体降雨入渗与坡面径流耦合效应，并考虑坡面径流冲刷造成水土流失对滑坡体稳定性的影响，这也是影响滑坡堆积体失稳的主要致灾因子，必须引起足够重视。张培文^[8]、童富果^[4]等对降雨条件下坡面径流和入渗耦合的算法和数值模拟进行了研究，但基于室内试验的滑坡体降雨入渗与坡面径流耦合效应、坡面径流冲刷对滑坡体稳定性影响机理等方面研究还比较少。

3）结合水动力型滑坡实际工程实践可知，不同降雨强度下的滑坡堆积体降雨入渗过程和变形破坏机制研究主要是细观层面上降雨诱发堆积体滑坡失稳的致灾机理，而对于水库型滑坡而言，影响滑坡稳定的致灾因素还包括库水位升降及其引起的地下水位变化。因此，为更加全面地掌握水动力型滑坡灾害致灾机理与风险防控关键技术，亟需开展变化环境下水动力型滑坡破坏机制与滑坡运动时空演化规律、水动力型滑坡灾害链空间预测与灾害风险分析、水动力型滑坡灾害智能监测预警系统、水动力型滑坡灾害防护结构设计与防治技术等方面的研究工作。

5 结　论

基于人工模拟降雨室内大型滑坡模型试验，深入研究了不同降雨强度下滑坡堆积体孔隙水压力变化与土压力的响应规律与变形破坏模式，揭示降雨诱发滑坡变形破坏机理。得出如下结论：

1）降雨入渗过程是诱发堆积体滑坡变形失稳破坏的关键致灾因子。降雨会引起滑坡堆积体内孔隙水压力和土压力增加；雨强越大，滑坡体孔隙水压力和土压力的增长速率越大。

2）滑坡体前缘土体的孔隙水压力对降雨响应时间反应敏感。同一剖面不同深度土体孔隙水压力随着降雨强度的变化规律明显不同。当雨强较小时，越靠近滑带土体的孔隙水压力对降雨响应时间越短；当雨强较大时，整个降雨过程浅层土体孔隙水压力的变化曲线始终在深层土体孔隙水压力变化曲线的上方。

3）堆积体滑坡变形破坏与孔隙水压力变化密切相关。滑坡体出现变形破坏时，浅层土体孔隙水压力和土压力的响应更加明显，大体表现为：破坏区下部浅层土体内孔隙水压力和土压力会出现下降，破坏区土体内部孔隙水压力和土压力会出现增大。

4）降雨强度大小与滑坡变形破坏模式密切相关。不同降雨强度导致堆积体变形破坏的模式不同。雨强为0.32 mm/min时，导致坡脚局部流土；雨强为0.44 mm/min时，滑坡体破坏形式为由坡脚开始逐级向上形成多级后退式浅层滑坡变形破坏；雨强为0.57 mm/min时，滑坡体沿最危险剪切面发生大范围滑动破坏，并最终形成塑性流动。

5）拉裂缝的产生是导致加速堆积体滑坡变形破坏的最根本原因。降雨入渗过程中，滑坡体孔隙水压力不断增加，进而基质吸力不断减小，滑坡体的抗剪强度不断降低，破坏区上侧会产生拉裂缝，下侧由于挤压作用出现土体隆胀、坡脚处会出现局部流土等现象。因此，对于实际的堆积体滑坡工程而言，密切关注其后缘拉裂缝的产生和发展，对于保障其长期稳定与监测预警至关重要。

6）降雨入渗只是影响堆积体滑坡变形失稳的主要致灾因子之一。对于水动力型滑坡而言，其致灾因子还包括库水位升降、坡体地下水位变化、坡面径流冲刷等多方面的因素，故深入开展水动力型滑坡灾害致灾机理与风险防控关键技术研究工作十分重要，可为重大滑坡地质灾害监测预警与防范提供重要理论支撑，显著提高中国防灾减灾能力水平。