受降雨影响的土质边坡稳定性和滑动风险评估对于滑坡预警和应急处置至关重要。然而边坡土体的自然沉积过程是不均匀的，这使得非均质边坡的安全评估变得困难。随机有限元法（RFEM）可以考虑边坡水力参数的空间变异性，在蒙特卡洛模拟中进行瞬态分析，实现降雨入渗边坡稳定性和滑动风险评估。然而，以往的研究对非均质边坡滑动机制的转变时机和非饱和边坡的破坏时间关注较少，很少有研究试图量化降雨条件下非饱和边坡的时程滑动风险。

针对上述科学问题，中国地质大学（北京）工程技术学院博士生钱铖在李亚军副教授、张彬教授和徐能雄教授指导下联合国内外合作者，以降雨入渗条件下非均质土质边坡时程稳定性及风险分析为背景，基于随机有限元法研究了边坡在降雨过程中滑动机制的转变及定性和定量的滑动风险评估。研究团队构建的框架同时考虑了边坡的稳定性及滑动后果的影响，并通过印度的马林边坡滑动记录验证了方法的有效性，为土质边坡的时程滑动风险评估提供了新的思路。取得的主要创新性认识如下：

1. 孔隙度和非饱和渗透率共同影响湿润锋的推进速度。在非饱和带中，不同孔隙率区域的非饱和渗透率差异较小。在相同的降雨持时内，低孔隙率区土体初始有效饱和度变化更大，导致低孔隙率区的湿润锋推进更快。因此，孔隙率是影响湿润锋推进速度的主要因素，而非饱和渗透率是次要因素（图1）。将孔隙率设置为表征土体空间变异性的基本参数是合理的，如果只考虑饱和渗透率的空间变异性，同时假设孔隙率是定值，则可能会得出相反的结论。

2. 在低强度-长持时的降雨过程中，边坡滑动机制从深层滑动变为浅层滑动，该过程受湿润锋推进的影响，并可能导致边坡稳定性突然下降（图2）。滑动面积的变化与滑动机制的转变有关，滑动机制转变的时机对于确定合理应急响应的范围和时机至关重要。

3. 水力边界条件对边坡安全评估非常重要。边坡后缘地下水位上升的原因是坡脚区入渗雨水的水平流动，而坡顶的雨水未流至初始地下水位。均质模型可能低估了地下水位的上升高度，进而导致高估了边坡稳定性。地下水位上升高度与安全系数呈负相关，相关系数为-0.750（图3）。湿润锋的推进和地下水位的上升共同导致了边坡的破坏，在实际情况下，水平（或坡脚附近）排水条件非常重要。

4. 对典型路堤边坡和实际印度马林边坡的分析均表明：将孔隙率设置为定值的均质模型可能高估了边坡的稳定性（图4）。当进一步考虑内摩擦角（力学参数）的空间变异性时，均质模型可能会显著高估边坡稳定性。此外，边坡欠稳定/破坏的时间可能会迟于实际情况，从而导致错过预警和实施应急措施的机会。

5. 基于风险的评估能够呈现边坡的时程滑动风险水平。安全系数-滑动面积象限图表明随着降雨的进行，风险水平先降低后增加。而定量的风险分析表明，随着降雨的进行，滑动风险始终在增加（图5）。与破坏概率相比，滑动风险具有更明显的累积效应。因此，随着边坡接近破坏，应更加关注风险的变化。当额外考虑内摩擦角（力学参数）的空间变异性时，边坡的破坏概率和滑动风险的整体水平将进一步增加。

图1 湿润锋前缘深度与平均孔隙率的关系

图2 有效饱和度、湿润锋（虚线）和滑动面（实线）的分布（包含两次典型随机实现和均质模型）

图3 地下水位高度和安全系数的关系

图4 典型路堤边坡的时程安全系数和滑动面积

图5 典型路堤边坡的时程破坏概率及滑动风险

上述研究工作受国家自然科学基金项目（No. 418072280）的资助，发表在工程地质领域国际权威期刊《Engineering Geology》上：Cheng Qian (第一作者); Yajun Li* (通讯作者); Philip J. Vardon; Wei Shao; Jiahe Song; Bin Zhang; Nengxiong Xu. Temporal stability and risk analysis of soil slopes subject to rainfall: The influence of heterogeneity. Engineering Geology, 2025: 107895.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107895