通过模型试验研究兰州石峡口黄土坡在强降雨下的失稳机制

湿润山坡为何重要

在中国及全球许多干旱地区，由细而尘状的土壤——黄土——构成的陡坡耸立在城镇、公路和铁路上方。这些坡面看似稳定可维持数十年，但在强降雨后会突然崩塌，掩埋建筑并切断交通。本文聚焦兰州附近的一处此类山坡，提出一个务实的问题：当极端暴雨来袭时，一座看似稳固的黄土坡到底如何一步步瓦解？研究人员在室内以可控的“暴雨”条件复现该山坡，展示了水如何潜入土体、从内部削弱土体，并把表面的细小裂缝和冲沟演变成全面的滑坡。

一座城市上方的脆弱地貌

研究以兰州石峡口滑坡区为中心，兰州四周被切割成深谷的厚黄土沉积包围。统计显示，中国约70%的滑坡由降雨触发，大多数发生在雨季。兰州地区年均降雨量虽不高但分布极不均匀：短时强降水和持续数日的暴雨可在数小时或数天内倾倒大量雨水。城郊的坡面陡峭，许多地方过去的侵蚀和人为活动已刻划出台地、沟槽和松散堆积层。弱土体、陡峭地形与愈发极端的降雨共同作用，使得理解失稳机制不仅是学术问题，而是保障人员与基础设施安全的关键。

在实验室“建造”一座山坡

为在无现场危险和不确定性的情况下观察滑坡演变，研究团队在带玻璃侧板的钢制箱体内按1:50比例构建了石峡口坡体的物理模型。他们使用产地真实黄土分层填筑，形成一段长1.5米、高1.4米、坡度与天然坡相近的模型。此前实验室土工试验证实，黄土含水量增加时强度急剧下降：当水充满孔隙时，颗粒间的“胶结”力和摩擦力均减弱。模型上方安装了定制的降雨模拟器，能产生强烈的人造暴雨——约73.5毫米/小时，与甘肃省近期记录的强对流暴雨相当。坡体内部布置了传感器，实时监测含水量、地下水压力与水平应力变化，摄像记录了可见的裂缝与变形。

水如何渗入并削弱坡体

在为期14小时的模拟暴雨过程中，传感器显示水并非均匀渗透。相反，一个下行移动的“润湿前缘”在坡体不同部位以不同方式推进。坡顶反应迅速，接近饱和。中下部表现出滞后且不均的润湿，有些点数小时内保持相对干燥，而另一些点则突然出现含水量激增。这类突变与小裂缝的形成有关，这些裂缝像隐蔽通道一样把水更快地引入深部，远比均匀渗透速度快。与此同时，地下水压力上升，水平应力发生转移。坡脚和中部的应力波动比坡顶更大，表明最危险的变化更多发生在坡体内部而非仅在表面。

从表面冲刷到全面滑动

通过综合传感器数据与目视观测，团队识别出一个四阶段的失稳序列。首先，雨滴和地表径流在表面，尤其是坡脚处形成小冲沟和坑槽，侵蚀最为严重。其次，随着水积聚并渗入下部坡体，坡脚局部开始发生滑动和坍塌，失去对上部土体的支撑。第三阶段中，这种支撑丧失，伴随上升的水压和中部应力集中，导致剪切破坏和张开裂缝的扩展。这些裂缝汇集雨水并将其导入内部，沿弯曲路径进一步软化土体，形成将成为滑动面的弱带。最后，经过累积降雨后，坡顶断裂并出现向后退展式的滑移——从下向上形成连续的滑动面，并在底部堆积位移土体。

把洞察转化为防护

作者强调，黄土坡失稳不是瞬间的“开—关”事件，而是渐进过程，会出现预警信号并留出干预窗口。由于裂缝和冲沟既加速水入土体又标示出薄弱区，定期检查并及时填补表面裂隙、通过排水沟引导径流远离敏感区、加固坡脚与中坡关键部位，均可显著降低风险。植被覆盖、表面加固处理以及监测含水量和地下水压力，都有助于在灾难性滑移发生前提供预警。简言之，本研究表明极端降雨使黄土坡从下向上慢慢失稳——理解这一序列能提供切实可行的保护措施，提升坡下社区的安全性。

引用: 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

关键词: 黄土滑坡, 降雨诱发的边坡失稳, 极端降雨, 坡面裂缝, 滑坡预警