工程风险研究团队发表评估降雨与蒸发作用下土质边坡的年失效概率新成果

近日，同济大学工程风险研究团队张洁教授、杨滨源硕士生、陆盟博士后和Atma博士后在《Computers and Geotechnics》期刊上发表了题为“Assessing annual failure probability of soil slopes under rainfall and evaporation”的研究论文，报道了降雨与蒸发作用下土质边坡的年失效概率评估新进展。

降雨和蒸发是影响非饱和土斜坡稳定性的关键气候因素，准确评估其综合效应对滑坡风险预警至关重要。然而这方面的研究尚处于起步阶段。这项研究提出了一种新的概率框架来评估土质斜坡在降雨和蒸发下的的年失效概率。首先，收集兰州市榆中县2000-2022年的历史气候数据（图1），并通过数据处理、计算，对降雨强度、持续时间、蒸发强度、相对湿度等气候特征进行概率建模（图2）。然后基于有限元模型（图3），采用土地-气候相互作用边界来模拟蒸发与降雨，采用极限平衡法计算斜坡安全系数。为高效计算年度安全系数变化的时间序列，开发了前馈神经网络代理模型，输入土壤参数、气候变量及9个关键点的孔隙压力，输出FOS和下一步孔隙压力，通过将代理模型上一次的输出孔压，作为模型下一次预测的输入孔压，可实现边坡安全系数的时序预测。最后，通过蒙特卡洛模拟，计算了边坡在如下三种情况下的安全系数变化规律与年失效概率：1. 考虑蒸发与前期降雨；2. 不考虑蒸发，只考虑前期降雨；3. 既不考虑蒸发，也不考虑前期降雨。结果揭示：不考虑蒸发会导致安全系数略微减小，变化趋势不变，但不考虑前期降雨会导致安全系数显著增大（图4）；三种情况下的边坡年最小安全系数都呈双峰分布（图4），情况1与情况2的双峰分布基本重合，情况3则显著右移。总体而言，忽略蒸发会导致轻微低估边坡的安全性，而忽略前期降雨会导致显著高估边坡的安全系数。但总体而言，蒸发和前期降雨对边坡的年失效概率有相对较小的影响。

图1 2000年至2022年榆中县逐小时气候数据

图2 不同季节降雨持续时间的直方图和拟合概率分布：(a) 春季，(b) 夏季，(c) 秋季和(d) 冬季。

图3 榆中县土质边坡有限元模型

图4 不同情况下边坡安全系数随时间的变化

图5 同种边坡年最小安全系数的直方图：(a)情况1，(b)情况2，(c)情况3，以及(d)情况1、2和3的比较。

第一作者

张洁 教授  主要从事岩土灾害智能设计与韧性防控方面的研究

邮箱：cezhangjie@tongji.edu.cn

第二作者

杨滨源 在读硕士生 主要从事边坡稳定性与基坑工程智能设计研究

邮箱：2330782@tongji.edu.cn

第三作者、通讯作者

陆盟 博士后 主要从事岩土灾害韧性防控方面的研究  

邮箱：lumeng@tongji.edu.cn

第四作者：

Atma Sharma博士后 主要从事岩土灾害智能预测方面的研究

邮箱：Atma sharma@tongji.edu.cn

引用格式

Zhang, J., Yang, B., Lu, M., & Sharma, A. (2025). Assessing annual failure probability of soil slopes under rainfall and evaporation. Computers and Geotechnics, 187, 107517.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2025.107517

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