Параметрическая оценка устойчивости склонов при осадках с помощью метода снижения прочности и ортогонального планирования эксперимента: выводы на примере склона Чжучэдун, Китай

Почему важны промокшие склоны

Во многих горных районах одна сильная ночь дождя может превратить спокойный склон в смертоносный оползень, угрожающий домам, дорогам и людям. Тем не менее инженерам по-прежнему трудно точно предсказать, какие именно склоны наиболее уязвимы при насыщении грунта. В этом исследовании рассматривается склон, чувствительный к осадкам, в провинции Хунань, Китай; авторы используют сочетание компьютерного моделирования и статистики, чтобы выяснить, какие характеристики склона наиболее значимы для его устойчивости во время штормов.

Внимательное изучение дождливого китайского склона

Исследователи сосредоточили работу на склоне Чжучэдун — типичном склоне в субтропической горной части южного Китая, где интенсивные дожди часто вызывают неглубокие оползни. Сначала они подробно описали площадку: лазерное картирование (LiDAR) зафиксировало форму и крутизну рельефа, а буровые скважины и шурфы предоставили образцы грунта с разных глубин. Лабораторные испытания показали плотность грунта и прочность связи частиц — сдвиговые характеристики. В совокупности эти измерения определили реалистичные диапазоны ключевых факторов, таких как высота и угол склона, прочность грунта и степень его увлажнения.

Превращая множество возможностей в управляемый набор испытаний

Поскольку все эти воздействия взаимосвязаны, тестирование каждого по отдельности упустило бы важные сочетания и потребовало бы непрактично большого числа расчётов. Вместо этого команда применила подход, заимствованный из промышленного проектирования, — ортогональное планирование эксперимента. Они систематически комбинировали разные значения пяти основных составляющих — высоты склона, угла наклона, сцепления грунта, трения и удельного веса — вместе с упрощёнными описаниями уровня грунтовых вод и насыщения. Это дало 28 тщательно отобранных сценариев, охватывающих широкий набор реалистичных условий без взрывного увеличения вычислительных затрат. Для каждого сценария численным методом снижения прочности был вычислен «коэффициент запаса прочности» — величина, показывающая, насколько склон близок к разрушению.

Как склон реагирует на воду и форму

Имея под рукой этот специально подобранный набор моделирований склонов, исследователи обратились к классическим статистическим методам — корреляционному анализу, дисперсионному анализу и множественной регрессии — чтобы выяснить, какие факторы сильнее всего влияют на коэффициент запаса прочности. Самый явный сигнал поступил от геометрии: более высокие и крутые склоны последовательно демонстрировали меньшие показатели безопасности, то есть они с большей вероятностью сдвинутся. Факторы, связанные с увлажнением — особенно степень насыщения и мелко залегающий уровень грунтовых вод — также снижали безопасность, ослабляя грунт изнутри. Напротив, прочностные свойства грунта, сцепление и трение, играли стабилизирующую, но второстепенную роль в исследованных диапазонах, тогда как удельный вес грунта имел лишь незначительное влияние.

Наблюдая, как развивается разрушение изнутри

Помимо чисел, моделирования позволили визуализировать, как развивается разрушение по мере проникновения воды. При относительно сухих условиях смоделированный склон имел коэффициент запаса прочности, уверенно превышавший порог стабильности, и зоны высоких внутренних напряжений оставались локализованными. При предположении насыщения грунта коэффициент запаса упал значительно ниже единицы, и возникла широкая изогнутая зона интенсивного сдвига, соединяющая верхнюю часть склона с подошвой. Пошаговые изображения показали, как небольшие очаги пластической деформации сливаются в непрерывную поверхность скольжения, в итоге приводя к сдвигу цельного массива грунта вниз по склону. Эти визуальные последовательности подчёркивают, как добавление воды превращает кажущийся прочным склон в хрупкую конструкцию, склонную к обрушению.

Что наиболее важно для безопасности склонов

Комбинируя структурированный набор моделирований с простыми статистическими инструментами, исследование переводит сложную геотехническую задачу в понятный практический вывод. Чтобы сохранить склоны, промокшие дождём, безопасными, наиболее мощным рычагом является геометрия — снижение очень больших высот склонов или улучшение их обводнённости/снижение крутизны может существенно увеличить запасы прочности. Управление водой через дренаж или ограничение степени насыщения — следующая по важности мера, поскольку рост поровых давлений быстро уменьшает способность грунта сопротивляться сдвигу. Укрепление самого грунта, хотя и полезно, в целом играет вспомогательную роль. Авторы подчёркивают, что их метод не предназначен для замены детального специфичного для участка анализа. Вместо этого он предлагает инженерам и планировщикам быстрый и прозрачный способ отсева факторов, заслуживающих первоочередного внимания при проектировании или модернизации инфраструктуры в районах, подверженных оползням.

Цитирование: Liu, F., Dong, Z. & Khayatnezhad, M. Parametric assessment of rainfall-related slope stability through SRM modeling and orthogonal experimental design: insights from the Zhuquedong slope, China. Sci Rep 16, 13091 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43289-y

Ключевые слова: оползни, вызванные дождём, устойчивость склонов, геометрия склона, грунтовые воды и насыщение, геотехническое моделирование