《Geosciences》：Internal Erosion in Colluvial Gravelly Soil Under Different Rainfall Intensities and Its Effects on Water Migration and Soil Structure
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降雨入渗通常通过提高孔隙水压力（pore-water pressure）和降低抗剪强度（shear strength）来触发浅层滑坡。然而，这一机制预设了土壤结构保持稳定。在由砾石土构成的崩积斜坡中，降雨入渗可能诱发细颗粒迁移，即内部侵蚀（internal e
降雨入渗通常通过提高孔隙水压力（pore-water pressure）和降低抗剪强度（shear strength）来触发浅层滑坡。然而，这一机制预设了土壤结构保持稳定。在由砾石土构成的崩积斜坡中，降雨入渗可能诱发细颗粒迁移，即内部侵蚀（internal erosion）现象，该现象会改变土壤结构，进而影响边坡稳定性。为探究不同降雨强度下崩积砾石土的内部侵蚀及其对水分运移和土壤结构特征的影响，研究人员利用自行设计的降雨入渗装置开展了一系列室内土柱试验。系统分析了五种降雨强度（30、60、90、120和150 mm/h）下的湿润锋运移、土壤水分演变及细颗粒流出情况，以及试验前后粒径分布和孔隙结构的变化。结果表明，降雨强度对崩积砾石土入渗过程的影响呈现出显著的分层依赖性：上层稳态含水量增加最为显著，下层增幅中等，而中层几乎保持不变。在本试验条件下，识别出细颗粒启动的降雨强度阈值为30–60 mm/h。低于该阈值时未发生颗粒冲刷；一旦超过该阈值，出流液中的细颗粒浓度呈现初期峰值后逐渐下降的趋势，且累积侵蚀质量随降雨强度增大而增加。颗粒损失的垂直分布与各层的含水量响应高度一致。土柱正面图像估算的孔隙率变化率随降雨强度增大而增加。在低强度降雨下该变化率为负值，30和60 mm/h时分别为?5.07%和?4.63%；在高强度下转为正值，90 mm/h时为5.4%，120和150 mm/h时分别达到19.88%和33.96%。在120和150 mm/h降雨强度下，土柱表面出现了粗化带和渗流通道。本研究表明，在受控实验室条件下，降雨驱动的内部侵蚀能够显著改变崩积砾石土的水力与结构特性。这些发现加深了对崩积砾石土中降雨诱发内部侵蚀的理解，并为评估其对边坡稳定性的影响提供了试验参考。
一、研究背景与问题提出
降雨入渗是诱发边坡失稳最直接的触发因素。传统观点认为，雨水入渗导致基质吸力消散、体积含水量增加，从而改变土体内有效应力状态，降低抗剪强度，最终引发滑坡。然而，这一经典机制隐含了一个重要前提：土壤结构在入渗过程中保持稳定。对于广泛分布于山区、构成潜在滑坡和泥石流主要物质来源的崩积砾石土而言，情况更为复杂。崩积砾石土是一种由砾石、砂和细颗粒组成的非均质介质，砾石间的空隙仅被细颗粒部分填充。当雨水入渗时，水流可能携带土体内部的细颗粒在孔隙中运移，即发生内部侵蚀。尽管内部侵蚀在土石坝和堤防工程中已被广泛研究，并被视作导致溃坝的主要原因之一，但这些研究多基于饱和稳态渗流条件，其临界水力梯度等概念难以直接推广至非饱和入渗情景。近期虽有研究开始关注非饱和条件下的颗粒迁移，但仍存在明显不足：例如，恒定流入速率无法模拟自然降雨的瞬态边界条件；现有研究未能确定细颗粒迁移启动的降雨强度阈值；且鲜有实验同步追踪含水量变化与颗粒迁移过程，更缺乏降雨作用下孔隙结构演变的直接可视化证据。因此，崩积砾石土中细颗粒迁移启动的具体降雨强度阈值尚不明确，该迁移对水分再分布和土壤结构演变的后续影响仍不清楚。
二、研究目的与意义
为填补上述空白，本研究旨在通过一系列室内土柱试验，系统探究不同降雨强度下崩积砾石土的水分运移行为、细颗粒迁移特征及土壤结构演变规律。具体目标包括：确定细颗粒迁移的启动阈值；阐明降雨驱动内部侵蚀如何影响崩积砾石土的水力与结构特性；为理解内部侵蚀在降雨诱发边坡失稳中的作用提供试验依据。
三、关键技术方法
研究人员采用自行设计的降雨入渗装置进行室内土柱试验。装置核心为一个透明亚克力渗透仪，尺寸为0.25 m × 0.25 m × 0.45 m。人工降雨模拟器通过储水箱、压力泵控制器和喷嘴精确调节降雨强度。数据采集系统包括数据记录器和三个土壤水分传感器（EC-5），安装于土柱10、20和30 cm深度处。试验土样采自中国四川省都江堰市干沟小流域的堆积区，该区域距汶川地震震中约45 km。土样经干燥筛分后按既定级配制备，初始含水率为5%，分层压实至总高40 cm。试验设置了五种降雨强度：30、60、90、120和150 mm/h，每组进行三次重复试验。通过拍摄土柱正面图像并使用ImageJ软件分析获得侧面孔隙比例，以评估土壤结构变化。
四、研究结果
4.1 湿润锋运移速率与渗流速度
研究发现，湿润锋下降深度与时间呈近似线性关系，在给定降雨强度下湿润锋运移速率保持恒定。随着降雨强度从30 mm/h增至150 mm/h，平均湿润锋运移速率从0.278 cm/min指数增长至2.5 cm/min，两者呈指数正相关。在出水阶段，渗流速度初期呈上升趋势，随后趋于稳定。稳态渗流速度与降雨强度呈线性关系，随降雨强度增大而线性增加。
4.2 土壤水分演变
土壤含水量在不同深度的响应时间随降雨强度增大而提前。在30 mm/h时，S1、S2、S3观测点分别在约44、71和93分钟后开始上升；而在150 mm/h时，这三个观测点分别在约5、9和12分钟后即开始上升。稳态含水量对降雨强度的响应表现出显著的垂直非均匀性。上层（S1）的稳态含水量随降雨强度线性增加的斜率最大（0.0014），下层（S3）次之（0.0005），而中层（S2）的稳态含水量在五种降雨强度下几乎不变。值得注意的是，当降雨强度超过60 mm/h时，上层稳态含水量超过了初始孔隙度（n0 = 0.33），在150 mm/h时达到0.449。
4.3 细颗粒迁移
在30 mm/h降雨强度下，渗出水清澈，无土颗粒流出。当降雨强度达到60 mm/h时，渗出水开始变浑浊，有少量颗粒流出。进一步增大降雨强度后，渗出水更加浑浊，颗粒流出量更大。所有迁移颗粒的直径均不超过1 mm。出流液中细颗粒浓度在渗流开始时最高，随后随降雨历时逐渐下降。在60 mm/h时，最大浓度为0.0023 g/mL；在90、120和150 mm/h时，最大浓度分别显著增至0.0215、0.0152和0.0155 g/mL。累积侵蚀质量随降雨强度增大而增加，60、90、120和150 mm/h下30分钟后的累积质量分别为0.55 g、6.83 g、9.73 g和11.26 g。
4.4 土壤结构演变
在30和60 mm/h降雨后，各层粒径分布与试验前基本一致。当降雨强度超过90 mm/h时，上层和下层的>1 mm颗粒比例增加，<1 mm颗粒比例减少，但中层粒径分布基本不变。<1 mm颗粒的质量分数减小幅度呈现明显的分层特征：同一降雨强度下，上层减小最多，下层居中，中层几乎不变。土柱正面图像显示，在120和150 mm/h降雨后出现了可见的粗化区和优先流路径。图像估算的正面孔隙率变化率在30和60 mm/h时为负值（?5.07%和?4.63%），表明湿化压缩；在90 mm/h时转为正值（5.4%），并在120和150 mm/h时进一步增至19.88%和33.96%，表明孔隙扩大和颗粒粗化。
五、讨论与结论
在讨论部分，研究人员首先阐述了降雨诱发内部侵蚀中细颗粒启动的机制。研究认为，在非饱和入渗条件下，传统基于总水头的临界水力梯度概念不再适用，驱动内部侵蚀的作用力应归因于流速而非水力梯度。更高的降雨强度产生更高的孔隙水流速，进而对颗粒表面产生更大的拖曳力和冲击力。当拖曳力足以克服颗粒间摩擦和黏聚力时，细颗粒即被启动并运出土体。在本试验条件下，30 mm/h降雨诱导的渗流速度低于临界启动速度，故未发生内部侵蚀；而当降雨强度升至60 mm/h及以上时，渗流速度超过阈值，内部侵蚀启动。此外，出流液细颗粒浓度呈现初期峰值后衰减的趋势，累积侵蚀质量随降雨强度增加。通过拟合分析发现，在较低降雨强度下（60和90 mm/h），颗粒迁移表现为消耗主导型；而在较高强度下（120和150 mm/h），则转变为扩散主导型，反映了可移动细颗粒供应量的变化。
其次，研究人员揭示了细颗粒损失垂直分布与含水量响应的耦合关系。细颗粒损失呈现上层最大、下层次之、中层最小的垂直分布模式，这与稳态含水量对降雨强度的分层响应高度吻合。其因果链为：降雨入渗驱动颗粒向下运移，上层细颗粒流失导致孔隙增大、入渗能力增强；同时，向下运移的细颗粒在下层孔喉处拦截堵塞，增加了上层水下排阻力，使得上层稳态含水量显著升高。下层还受到土柱底部砾石层接触侵蚀的影响，颗粒损失略高于中层。中层则处于侵蚀与沉积的动态平衡中，净变化极小。
再次，讨论了降雨诱发内部侵蚀下土壤结构的演变。土壤结构演变受湿化压缩和细颗粒冲刷导致的孔隙扩大这两个竞争过程的共同控制。随着细颗粒迁移程度加剧，土体从湿化压缩主导状态逐步过渡到孔隙扩大、结构粗化状态。
最后，探讨了内部侵蚀引起的土壤结构改变对边坡稳定性的影响。这种影响具有双重性：一方面，土壤粗化和渗流通道发育增大了导水率，在排水良好条件下有利于快速消散入渗水、缓解孔隙水压力，有助于边坡稳定；另一方面，在强降雨条件下，入渗强度远超土体排水能力，大量雨水滞留导致局部孔隙水压力急剧上升、有效应力降低，可能触发浅层滑动。同时，细颗粒在特定层位孔喉处积聚形成相对不透水层，上方积水持续抬升孔隙水压力，形成潜在滑动面。此外，细颗粒持续流失可能逐渐形成管状空洞，增加失稳风险。
研究结论翻译如下：
(1) 降雨强度对崩积砾石土入渗过程的影响呈现出显著的分层依赖性。湿润锋运移速率随降雨强度呈指数增长，而渗流速度呈线性增长。各层稳态含水量对降雨强度的响应表现出明显的垂直非均匀性：上层增速最大，下层中等，中层几乎不变。
(2) 在本土柱条件下，识别出细颗粒启动的清晰降雨强度阈值在30–60 mm/h范围内。低于该阈值时未观察到颗粒冲刷；一旦超过该阈值，出流液中细颗粒浓度呈现初期峰值后衰减的趋势，累积侵蚀质量随降雨强度增大而增加。
(3) 细颗粒损失的垂直分布与各层稳态含水量增量密切相关，表明颗粒流失导致的孔隙扩大是造成各层含水量差异响应的关键因素。
(4) 土柱正面图像估算的孔隙率变化率随降雨强度单调增加。在低强度降雨下为负值（30和60 mm/h时分别为?5.07%和?4.63%），表明湿化压缩；在90 mm/h时转为正值（5.4%），并在120和150 mm/h时进一步增至19.88%和33.96%，表明孔隙扩大和颗粒粗化。在120和150 mm/h降雨强度下，土柱表面出现了粗化带和渗流通道。
本研究识别出一条受降雨强度控制的因果链：降雨入渗驱动颗粒迁移，颗粒迁移改变土壤结构，最终调控水力响应。需要注意的是，定量结果来自一维土柱试验，不可避免地受到装置边界约束和应力条件的影响；直接外推至现场条件需进行场地特异性验证，而本研究识别的定性机制预期具有普遍参考价值。该因果链为理解崩积边坡中降雨诱发内部侵蚀的作用提供了试验参考。
