Механизм разрушения лёссового склона при экстремальном дожде: модельное экспериментальное исследование Шиссякоу, Ланьчжоу

Почему влажные склоны важны

Во многих сухих районах Китая и мира крутые склоны из тонкого пыльного грунта — лёсса — нависают над городами, дорогами и железными путями. Эти откосы могут десятилетиями выглядеть стабильными, но при сильном дожде внезапно обрушиваться, засыпая здания и прерывая транспортное сообщение. В работе изучается один такой склон у Ланьчжоу и поставлен практический вопрос: как именно, шаг за шагом, при экстремальном ливне разрушается казавшийся цельным лёссовый склон? Воссоздав холм в лаборатории и имитировав «шторм» в управляемых условиях, исследователи показали, как вода просачивается в грунт, ослабляет его изнутри и превращает мелкие трещины и овраги в полноценный оползень.

Хрупкий ландшафт над растущим городом

Исследование сосредоточено на районе оползня Шиссякоу в Ланьчжоу — городе, окружённом глубокими долинами, вырезанными в толстых лёссовых отложениях. Статистика показывает, что около 70 % оползней в Китае инициируются дождями, и большинство происходит в сезон дождей. В регионе Ланьчжоу среднегодовое количество осадков невелико, но распределено крайне неравномерно: кратковременные интенсивные ливни и многодневные шторма могут вывалить огромные объёмы воды за несколько часов или дней. Склоны над городом круты, и в ряде мест прежняя эрозия и антропогенная деятельность уже вырезали террасы, овраги и осыпи. Такое сочетание слабого грунта, крутого рельефа и всё более экстремальных осадков делает понимание механизмов разрушения не академическим упражнением, а ключевым условием защиты людей и инфраструктуры.

Создание склона в лаборатории

Чтобы проследить развитие оползня без риска и непредсказуемости полевых условий, команда построила уменьшенную физическую модель склона Шиссякоу в масштабе 1:50 в стальном резервуаре со стеклянными стенками. Исходный лёсс взяли из местности и уплотнили послойно, получив откос длиной 1,5 м и высотой 1,4 м с углом, аналогичным природному. До эксперимента в лаборатории исследовали свойства грунта и подтвердили, что по мере увлажнения прочность лёсса резко падает: как «клей», скрепляющий частицы, так и трение между ними ослабевают, когда поры заполняются водой. Над моделью установили имитатор дождя, способный создать интенсивный искусственный ливень — примерно 73,5 мм осадков в час, что совпадает с недавними рекордными облачными ливнями в провинции Ганьсу. Внутри склона разместили датчики для отслеживания влажности, подпочвенного давления и боковых напряжений в реальном времени, а камеры фиксировали видимые трещины и деформации.

Как вода пробирается внутрь и ослабляет склон

В ходе 14-часового моделированного шторма датчики показали, что вода не впитывалась равномерно. Вместо этого вниз продвигался фронт увлажнения, причём по-разному в разных частях склона. Вершина реагировала быстро, почти насыщаясь. Средняя и нижняя части склона увлажнялись с задержкой и неравномерно: некоторые точки оставались относительно сухими в течение нескольких часов, тогда как в других внезапно происходил резкий всплеск влажности. Эти скачки были связаны с образованием мелких трещин, которые действовали как скрытые каналы, направляя воду глубоко в откос гораздо быстрее, чем при равномерном просачивании. Одновременно подпочвенное давление росло, а горизонтальные напряжения смещались. Носок (основание) и средняя часть испытывали большие колебания напряжений, чем вершина, что указывает: наиболее опасные изменения происходят внутри тела склона, а не только на поверхности.

От поверхностной эрозии к полноценному оползню

Сопоставив данные датчиков и визуальные наблюдения, команда выделила четырёхступенчатую последовательность развала. Сначала дождевые потоки и поверхностный сток вырезали небольшие овраги и ямки, особенно вблизи носка, где эрозия была сильнейшей. Затем, по мере накопления и просачивания воды в нижнюю часть откоса, носок начал локально скользить и обрушиваться, утратив способность подкреплять материал выше. На третьем этапе эта потеря опоры вместе с ростом подпочвенного давления и концентрацией напряжений в средней части склона привела к сдвиговой (срезающей) деформации и образованию открытых трещин. Эти трещины собирали дождевую воду и направляли её внутрь, ещё больше разжижая грунт вдоль изогнутых поверхностей, которые впоследствии стали плоскостью скольжения. Наконец, после накопления достаточного объёма осадков, область вершины раскололась и откатилась назад ретроградно — снизу вверх — формируя непрерывную плоскость скольжения и массу смещённого грунта у подножия.

Из знаний — к защите

Авторы подчёркивают, что разрушение лёссовых склонов — это не мгновенное событие «вкл/выкл», а прогрессирующий процесс, который даёт предупредительные признаки и окна для вмешательства. Поскольку трещины и эрозия оврагов ускоряют проникновение воды и указывают на зоны слабости, регулярный осмотр и своевременное заделывание поверхностных трещин, отвод стока с помощью дренажных канав и усиление ключевых участков — носка и средней части склона — могут существенно снизить риск. Растительность, методы укрепления поверхности и мониторинг влажности и подпочвенного давления также помогают получить раннее предупреждение до катастрофического сдвига. Проще говоря, исследование показывает: экстремальный дождь превращает лёссовый склон в медленно разрушающуюся конструкцию снизу вверх — и понимание этой последовательности даёт практические инструменты для защиты сообществ, расположенных под такими склонами.

Цитирование: Li, Y., Xin, Y., Tong, M. et al. Failure mechanism of a loess slope under extreme rainfall through a model test study of Shixiakou, Lanzhou. Sci Rep 16, 7628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38397-8

Ключевые слова: лёссовый оползень, осадки как причина обрушения склонов, экстремальный дождь, трещины на склоне, система раннего предупреждения оползней