毛细屏障引起的悬停水层与浅坡位移现象：来自水槽实验和建模的见解

《Engineering Geology》：Capillary barrier–induced perched water and shallow slope displacement: insights from flume experiments and modeling

　　

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  揭示了分层斜坡中水分-悬停水-位移的三阶段瞬变过程。
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  界面以上形成的悬停水会导致地表浅层位移。
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  引入了一个无量纲的α比率用于预测分层斜坡的不稳定性。
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  强毛细屏障会放大降雨引起的浅层位移。

引言

滑坡对人类生命和基础设施构成严重威胁，尤其是在山区和人口密集地区（Li等人，2026年；Natalia和Yang，2025年；Vingiani等人，2015年）。其发生受多种因素控制，包括地质结构、地震负荷和水文条件（Stead和Wolter，2015年；Bordoni等人，2015年；Wang等人，2023年）。在这些因素中，降雨是最常见和最重要的浅层斜坡不稳定性的诱因之一（Segoni等人，2018年；Lin等人，2021年；Gu等人，2023年）。在非饱和斜坡中，降雨入渗会降低土壤的吸力并削弱其抗剪强度，从而促进变形和失效（Fredlund和Morgenstern，1977年；Fredlund等人，1996年；Lu等人，2010年）。斜坡对降雨入渗的响应强烈依赖于降雨强度和持续时间、土壤的水力性质以及斜坡几何形状（Guzzetti等人，2008年；Cogan和Gratchev，2019年；Fang等人，2025年）。在分层斜坡中，这种响应变得更加复杂，因为水分迁移和失效的起始还受到土壤层间水力差异的控制（Cho，2009年；Mancarella和Simeone，2012年）。

在分层的地质剖面中，细粒层和粗粒层之间不同的水力性质会形成天然的毛细屏障，暂时阻碍向下渗透并促进侧向流动（Stormont，1996年；Stormont和Anderson，1999年）。这一机制已在垃圾填埋场覆盖系统中被广泛研究和应用，以控制渗透（Berger等人，2005年；Rahardjo等人，2016年）。然而，它在降雨引起的斜坡变形和浅层失效中的作用仍不太清楚。与均质斜坡相比，分层斜坡更受水力传导性、土壤水分保持行为以及界面水力差异的空间变异性影响（Morris和Stormont，1999年；Sharma和Nakagawa，2010年；Natalia和Yang，2025年）。这些因素使得预测自然和工程斜坡中悬停水的形成、位移起始和失效过程变得更加复杂。

以往的研究使用实验室水槽实验和数值模拟来研究降雨引起的分层斜坡响应（Damiano等人，2017年；Guo等人，2023年；Li等人，2023年；Lizárraga和Buscarnera，2019年；Su等人，2025年）。这些研究揭示了几种重要的水文过程。柱状入渗和水槽实验表明，悬停水可以形成在粗粒层之间，而倾斜的分层模型表明，渗入的水可能会沿着细粒层-粗粒层界面横向迁移，而不是垂直渗透（Stormont，1996年；Tami等人，2004年；Ng等人，2015年；Chen等人，2019年）。图1概念性地展示了这些过程，包括毛细阻力、侧向传输和界面悬停水的积累。随着悬停水的积累，表层土壤的饱和度增加，吸力下降，抗剪强度减弱，最终可能导致地表变形或不稳定（Greco等人，2018年；Scarfone等人，2023年）。

尽管取得了这些进展，但两个关键问题仍未得到充分解决。首先，悬停水形成与地表位移演变之间的时间关联尚未系统地描述，尽管这种关联对于识别浅层滑坡发生的前兆至关重要。特别是，在悬停水形成之前的瞬变水分动态，包括可能的水分平台行为，仍然缺乏定量研究。其次，毛细屏障效应通常只是定性描述，但其影响很少通过无量纲指标进行概括，以允许在不同地层配置和降雨条件下进行比较。这些限制了人们对降雨引起的分层斜坡不稳定性的机理解释和预测评估。

为了解决这些缺陷，本研究结合了水槽实验和耦合的水力-力学模拟，来研究在沙质细粒-粗粒-细粒分层斜坡中降雨引起的悬停水形成和浅层位移。主要贡献有三个方面：（1）它识别并量化了悬停水位上升之前的水分平台阶段，并证明了它与浅层斜坡位移的直接关联；（2）它开发了一个耦合的水力-力学建模框架，并通过水槽实验进行了验证，以模拟分层斜坡中的瞬变饱和度、孔隙压力和位移；（3）它对关键水力参数和降雨强度进行了敏感性分析，以评估它们对水分演变和斜坡稳定性的影响。这些发现为 Understanding 不饱和分层斜坡中降雨引起的不稳定性提供了新的见解，并支持了对降雨引起的浅层变形的过程基础解释。

章节片段

物理斜坡模型

为了研究降雨入渗条件下非饱和分层斜坡的水文响应和地表位移，设计并建造了一个实验装置（图2）。试验水槽使用透明亚克力板制成，以便直接观察内部流动模式和土壤位移。水槽尺寸为240厘米×30厘米×120厘米。水槽底部和主要的分层斜坡剖面相对于水平方向倾斜31°。

水力-力学响应动态

图4展示了五个关键监测位置的饱和度时空演变过程。识别出三个特征响应阶段（I-III）（图4）。

阶段I（0–500秒）：S1处的饱和度增加到0.52，表明湿润前沿向表层土壤推进，表明通过上层FS非饱和带的渗透为活塞流类型，渗透速度为v = 0.018厘米/秒。

阶段II（500–970秒）：随着土壤接近其保水能力，出现了水分平台,

数值模型和边界条件

在COMSOL Multiphysics中构建了一个倾斜角度为31°的二维斜坡模型，以模拟不同降雨强度下非饱和分层斜坡的水力-力学响应。如图8所示，该模型复制了实验配置：两个FS层夹着一个CS层（上层FS：20厘米；CS层：10厘米；下层FS：20厘米）。域被划分为1432个三角形网格元素，最大网格尺寸为40毫米，确保了足够的分辨率。

斜坡的水力响应：饱和度和孔隙水压的分布

量化了饱和度和孔隙水压的时空演变，以表征毛细屏障调制的水力响应。图9和图10比较了模拟和实验的水力场，验证指标总结在表4中。对于$S_{}$，数值结果与水槽测量结果吻合良好，$R^{}$ = 0.872，MAE = 0.067，RMSE = 0.077，NRMSE = 11.33%。对于PWP，一致性略低，但仍合理，$R^{}$ =

MP–PWD机制：早期位移的概念化

降雨在非饱和分层斜坡中的入渗由于不同土壤层之间的毛细屏障效应，会引起一系列水文和机械响应。基于综合模拟和实验结果，确定了一个三阶段的浅层失效机制，称为水分平台-悬停水-位移（MP–PWD）序列，如图12所示。

阶段I（水分平台，MP）：湿润前沿穿过斜坡表面后，

结论

降雨在非饱和分层斜坡中的入渗由于毛细屏障效应，引起了一系列分阶段的水力-力学响应。基于水槽规模的实验和数值建模，得出以下关键结论：

识别出了一个三阶段的水分平台-悬停水-位移（MP–PWD）序列。在水分平台期间，S1处的近地表饱和度大约保持在$S_{}$ ≈ 0.52，持续时间为约500到970秒，而渗入的水继续

CRediT作者贡献声明

唐俊峰：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。马旭翔：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。米金平：软件、调查。李茂山：调查、正式分析。徐军凯：可视化、调查。江耀阳：软件、方法论。内村太郎：资源、项目管理。黄东：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42201079）、四川省自然科学基金（编号2024NSFSC0827）、教育部（拨款编号2023KDZ05）以及长沙理工大学）的支持。

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