李 鑫, 盧玉東, 范 文, 潘網(wǎng)生, 張曉周, 盧陽春

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安 710054; 4.黔南民族師范學(xué)院, 貴州 都勻 558000)

黃土是干旱半干旱地區(qū)的風(fēng)成沉積物[1]，在其漫長的形成過程中，除了原生孔隙之外，由于動植物活動、凍融循環(huán)、干濕交替、水化學(xué)溶蝕、物理潛蝕等外界因素的作用下，形成了不同規(guī)模、不同尺度、不同時期序列的孔隙、裂隙、節(jié)理和孔洞，這些都為降雨入滲提供優(yōu)勢滲流通道[2-4]。降雨或灌溉水沿著這些通道快速下滲，形成優(yōu)先流，影響著斜坡水文過程及其穩(wěn)定性。

黃土高原地區(qū)干旱少雨，自然降雨對斜坡入滲影響深度僅為2～3 m[5]，然而，事實(shí)證明黃土滑坡與降水有著密切的關(guān)系[6]，優(yōu)先流則是對該類有限降雨影響深度條件下斜坡失穩(wěn)觸滑現(xiàn)象的合理解釋。優(yōu)先流的存在改變了斜坡徑流過程，高度發(fā)育的優(yōu)先流往往促使水分進(jìn)入斜坡深部，抬升地下水位，降低坡體強(qiáng)度，誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究黃土斜坡優(yōu)先流對于解釋黃土高原地區(qū)滑坡災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理至關(guān)重要。

由于黃土自身的結(jié)構(gòu)性、水敏性、濕陷性，加上外界凍融作用、干濕循環(huán)、人類工程活動等，斜坡廣泛發(fā)育節(jié)理、裂縫、落水洞、溶穴等優(yōu)勢通道，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供條件[2-4,7]。以往對于這些通道的研究，只停留在滑坡發(fā)生時的定性分析上，對于定量化研究較少，甚至沒有從優(yōu)先流的觀點(diǎn)上對該類滑坡進(jìn)行研究。因此，亟待解決水分以何種方式進(jìn)入優(yōu)勢通道、在優(yōu)勢通道中怎樣運(yùn)移、運(yùn)移過程中優(yōu)勢通道會怎樣發(fā)育拓展進(jìn)而控制降雨的下滲、優(yōu)先流如何影響斜坡水文過程及誘發(fā)斜坡失穩(wěn)促滑等一系列問題[8]。

眾所周知，斜坡的宏觀水力學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上由黃土的微觀滲流性質(zhì)決定，雖然已有很多文獻(xiàn)對黃土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但是在孔裂隙尺度上黃土的滲流特性問題尚未解決。裂縫孔洞發(fā)育的斜坡，野外滲流通道探測及水分運(yùn)動規(guī)律仍不清楚，定量刻畫斜坡優(yōu)先流的動力學(xué)模型仍未建立，準(zhǔn)確進(jìn)行優(yōu)先流作用下斜坡失穩(wěn)機(jī)理與滑坡預(yù)測仍然存在挑戰(zhàn)。

本文總結(jié)斜坡優(yōu)先流的特征與影響因素，歸納優(yōu)先流作用下黃土滑坡發(fā)生機(jī)理，并展望未來在優(yōu)先流誘發(fā)滑坡研究應(yīng)該著重加強(qiáng)的幾個重點(diǎn)。以期引起學(xué)者重視優(yōu)先流理論在斜坡地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用，為準(zhǔn)確開展滑坡預(yù)測預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 黃土優(yōu)先流的定義及主要類型

優(yōu)先流是用來描述在多種環(huán)境條件下發(fā)生的非平衡流過程以及水分或溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理而提出的專業(yè)術(shù)語[9]。對黃土斜坡來說，優(yōu)先流是指水分沿著孔隙、裂隙、節(jié)理和孔洞等通道以背離達(dá)西定律的形式，繞過大部分土壤基質(zhì)，迅速通過土層，到達(dá)斜坡深部的一種普遍的非平衡流現(xiàn)象[2,4]。

根據(jù)形成機(jī)理與優(yōu)先流通道形狀，優(yōu)先流可以表現(xiàn)出多種形式，包括指流、大孔隙流、裂隙流、管流、溝槽流、短路流、環(huán)繞流、部分置換流、地下強(qiáng)徑流、非飽和重力流、擺動流、異質(zhì)流及低洼再蓄滿等[9-11]。其中以指流、大孔隙流、裂隙流、管流較為常見。

(1) 指流。指流是指水分和污染物在非飽和土壤中遷移時，濕潤峰以非均勻的入滲形式，繞過大部分土壤基質(zhì)呈“指狀”或“舌狀”流動的現(xiàn)象[12]。在黃土斜坡中，由于土壤質(zhì)地的高度非均質(zhì)性和各向異性、土壤分層現(xiàn)象、有機(jī)質(zhì)成因的土壤團(tuán)聚體斥水性的影響，指流普遍發(fā)育，影響著斜坡水分的入滲方式和斜坡穩(wěn)定性。

(2) 大孔隙流。大孔隙流是指水分沿著蟲孔、根孔、洞穴等大孔隙通道快速運(yùn)移而形成的一種優(yōu)先流[13]，也是黃土斜坡中最常見的一種優(yōu)先流形式。對于斜坡來說，大孔隙的存在增加了斜坡的滲透性，使得水分得以入滲到斜坡更深的部位，在滲透系數(shù)較低的位置形成局部飽和帶，短時間內(nèi)影響孔隙水壓力，軟化土體，增加自重，減小抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)[14]。

(3) 裂隙流。裂隙流實(shí)際上與大孔隙流形成機(jī)理相似，是指水分通過一定規(guī)模的裂縫，繞過基質(zhì)快速運(yùn)移而形成的一種優(yōu)先流[15]。對于貫通性較好的裂隙，往往有利于斜坡水分的入滲甚至是排泄，然而對于具有盲端的裂隙，水分下滲至裂隙盡頭時，會迅速增大局部的孔隙水壓力，增加周圍土體重力，增大滑坡發(fā)生等風(fēng)險[16-17]。

(4) 管流。管流不同于大孔隙流，管流主要是發(fā)育在相互平行或者彎曲且無顯著多分叉的截面為圓的孔道中的優(yōu)先流[18]，由于管流相對于大孔隙流，往往規(guī)模較大，滲入的優(yōu)先流量也更大，對土體滲透性影響顯著，進(jìn)而影響斜坡水文動態(tài)和斜坡穩(wěn)定性。在黃土斜坡中，普遍發(fā)育的落水洞、水化學(xué)潛蝕溶洞、規(guī)模較大的腐爛根系通道，土壤動物通道等優(yōu)勢通道中形成的優(yōu)先流都屬于管狀優(yōu)先流范疇[2]。

2 黃土優(yōu)先流影響因素

黃土斜坡是地球關(guān)鍵帶中一個小的水文系統(tǒng)單元，水分在入滲過程中由大氣降水—地表水—土壤—植被—地下水等重要部分組成，在此過程中以均衡的活塞流和非均衡的優(yōu)先流兩種運(yùn)動形式為主。由于黃土斜坡土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要以優(yōu)先流的方式發(fā)生垂向和側(cè)向快速下滲。優(yōu)先流的形成主要受到土體質(zhì)地、初始含水率、坡度、節(jié)理、大孔隙、裂隙、落水洞、披覆特征、降雨、人類活動等因素的影響。

(1) 土體質(zhì)地。黃土高原是由黃土和古土壤序列交替堆積形成的，在某一個斜坡上，由于黃土和古土壤顆粒粗細(xì)、粒徑級配與粉粒和黏粒含量、天然密度等差異，會在水分入滲時形成優(yōu)先流，比如從細(xì)粒土中向粗粒土入滲時，由于密度、滲透系數(shù)等的差異，會使入滲濕潤峰不穩(wěn)定而形成指狀優(yōu)先流；又如從粉粒含量為主的黃土層入滲至黏粒含量較高的古土壤層時，由于滲透性能的改變，在古土壤層之上會形成側(cè)向優(yōu)先流[19]。

(2) 初始含水率。初始含水率越小，越易形成指流，且流態(tài)越狹長。反之，初始含水率越大，越不易形成指流[20]，但初始含水率越高，水力梯度越大，濕潤峰推進(jìn)速度也愈快。

(3) 坡度。坡度對徑流起滯緩作用，坡度愈緩，坡度滯緩作用就愈強(qiáng)，則黃土優(yōu)先流供水愈充足，濕潤前鋒推進(jìn)速度就愈快。坡度愈陡，坡度對徑流滯緩作用愈弱，黃土優(yōu)先流供水愈不充足，濕潤前鋒推進(jìn)速度就愈慢。

(4) 節(jié)理。黃土節(jié)理為地下水提供了主要的運(yùn)移儲存通道和優(yōu)勢導(dǎo)水面，可明顯加速水分的入滲，節(jié)理愈發(fā)育，優(yōu)先流到達(dá)黃土深層部位的時間就愈快[21]。

(5) 植被根系與動物活動通道。植被蒸散發(fā)和根系吸水可以改變土壤基質(zhì)吸力，同時根系生長和腐爛形成的孔道對土體的導(dǎo)水性和強(qiáng)度特性都造成影響，且易于產(chǎn)生優(yōu)先流影響斜坡穩(wěn)定性。動物活動通道與優(yōu)先流也有著密切關(guān)系，從小體積的蚯蚓、螞蟻，到一些大型穴居動物，它們的生存活動所產(chǎn)生的大孔隙極易發(fā)展成為優(yōu)先流的快速入滲通道[22]。

(6) 裂縫。黃土裂縫為優(yōu)先流提供快速通道，同時二者在拓展發(fā)育上相互促進(jìn)，一方面，優(yōu)先流的動力侵蝕作用為裂縫的進(jìn)一步發(fā)展提供了動力[7]；另一方面，裂縫的發(fā)展為優(yōu)先流提供了更深入的通道，進(jìn)一步加劇了裂縫的擴(kuò)張[23]。

(7) 黃土落水洞。黃土落水洞通過截匯地表徑流，充當(dāng)了地下水補(bǔ)給的優(yōu)先通道[24]，并且在落水洞底部易形成舌狀或漏斗狀優(yōu)先流，很大程度上影響斜坡水文過程及流場分布，降低斜坡穩(wěn)定性。

(8) 黃土幔覆構(gòu)造。黃土幔覆構(gòu)造由胡廣韜提出，后多用來進(jìn)行黃土地層劃分、黃土成因、新構(gòu)造運(yùn)動及古環(huán)境與古氣候等的研究[1]。但筆者認(rèn)為其與優(yōu)先流關(guān)系的研究也極具現(xiàn)實(shí)意義，風(fēng)成黃土依年代在古土壤或古地形上層層覆蓋，下老上新，宏觀上呈明顯的層狀紋理結(jié)構(gòu)，且在梁峁地區(qū)多為不整合接觸關(guān)系[25]。在上覆構(gòu)造水分入滲至下覆構(gòu)造不整合接觸面時，受接觸面產(chǎn)狀、物質(zhì)組分、厚度、質(zhì)地等差異性影響，形成不平衡的濕潤峰，即產(chǎn)生優(yōu)先流入滲現(xiàn)象。

(9) 降雨強(qiáng)度及持時。降雨強(qiáng)度及持時在一定程度上決定著優(yōu)先流前期供水量，是影響黃土優(yōu)先流的一個重要因素。雨強(qiáng)愈大，持時愈久，則地表積水厚度增加得愈快。此時水壓力勢顯著控制水流入滲速度，積水厚度越大，優(yōu)先流下滲亦越快[26]。

(10) 人類生產(chǎn)活動。人類生產(chǎn)活動，特別是農(nóng)業(yè)耕作與農(nóng)業(yè)灌溉，前者改變了表層土體的土壤結(jié)構(gòu)和孔隙度,從而影響滲流形態(tài);后者對優(yōu)先流的作用更為明顯，已有研究表明70%的地裂縫與農(nóng)業(yè)灌溉有關(guān)，而地裂縫又是優(yōu)先流滲流的快速通道[27]。同時，不同的土地利用方式對土壤孔隙度、連通性、滲透性等產(chǎn)生主要影響，從而控制優(yōu)先流的發(fā)育程度和運(yùn)移方式[28]。采礦活動造成的地面塌陷、巖土體裂縫的等變形也形成了優(yōu)先流路徑，導(dǎo)致一系列水資源、土壤等環(huán)境問題[29]。人工邊坡開挖，改變了坡體應(yīng)力分布，增加了張剪應(yīng)力，使坡體發(fā)育節(jié)理裂隙，提供降雨入滲優(yōu)先通道[21]。

3 斜坡優(yōu)先流促滑研究現(xiàn)狀

優(yōu)先流的研究最早開始于美國，1864年Schumacher發(fā)現(xiàn)土壤水分經(jīng)過大孔隙入滲時不受控于土壤毛管力，認(rèn)為在大孔隙入滲中存在優(yōu)先流。自從20世紀(jì)70—80年代，美國Long Island 的居民區(qū)水井發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的殺蟲劑污染，關(guān)于優(yōu)先流的研究開始在土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到重視[9]。經(jīng)過40多年的發(fā)展，優(yōu)先流已經(jīng)在農(nóng)田化肥元素遷移、綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展、地下水污染、森林水文與生態(tài)、水文土壤科學(xué)發(fā)展等眾多領(lǐng)域有了較大進(jìn)展，而在斜坡水文過程與穩(wěn)定性評價[23,30-32]、地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理研究[14-15,33-35]方面雖已取得一些成果，但積累相對薄弱。本文聚焦于優(yōu)先流對斜坡穩(wěn)定性影響及促滑效應(yīng)研究進(jìn)行綜述與總結(jié)。

3.1 優(yōu)先流對斜坡穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

斜坡中由于發(fā)育各種孔道裂縫等優(yōu)先滲流通道，水分沿其快速下滲形成優(yōu)先流，進(jìn)一步控制斜坡水文過程并對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

Van Asch等[36]通過模擬黏土質(zhì)斜坡中孔隙水壓力25 a變化情況時發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)流對于滑坡孔隙水壓力的提升作用較小，而優(yōu)先流的作用顯著。主要是由于土體黏粒含量高，在干濕循環(huán)、凍融交替作用下，容易發(fā)育裂隙網(wǎng)絡(luò)，使水分灌入其中，由于裂縫底部滲透性較差，水分可以長年賦存，并對坡體主動孔隙水壓力起著主要的控制作用，成為誘發(fā)滑坡的主要原因[37]。

Hencher[38]，Shao等[14]及Chen等[6]研究降雨誘發(fā)滑坡的成果都表明，在降雨觸發(fā)滑坡時，孔隙水壓力和含水量對降雨事件產(chǎn)生快速響應(yīng)，而實(shí)際上都是受到大孔隙、裂隙及賦存其中的優(yōu)先流的顯著影響。Yang等[39]在進(jìn)行降雨誘發(fā)震后滑坡再復(fù)活的水力學(xué)特性研究時發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流路徑主導(dǎo)著滑坡堆積物降雨入滲過程中的水文過程，優(yōu)先流的存在可以增加垂向滲透性能，加快地下水對降雨的快速響應(yīng)，增加孔隙壓力，降低土壤有效應(yīng)力，從而導(dǎo)致震后裂縫較為發(fā)育的堆積體再次復(fù)活發(fā)生滑坡。Krzeminska[34]等模擬了裂縫對緩慢移動滑坡水文動態(tài)與邊坡穩(wěn)定性的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)裂縫的體積和連通性對滑坡中孔隙水壓力的分布起主控作用。

曾磊[40]在進(jìn)行模擬黃土斜坡降雨入滲過程時發(fā)現(xiàn)，落水洞為地表徑流下滲提供了優(yōu)勢通道，其形成的優(yōu)勢流快速滲達(dá)斜坡深部，使該區(qū)域土層飽和，在弱透水層或者隔水層上部形成上層滯水或局部地下水，使滑帶土抗剪強(qiáng)度驟降，引發(fā)斜坡失穩(wěn)。Ghestem等[41]研究發(fā)現(xiàn)植被發(fā)育的土體中因根系死亡腐爛產(chǎn)生的死孔及正常生長的植物根系形成的孔隙，遇到上部水入滲時，會形成優(yōu)先流網(wǎng)絡(luò)，從而增加孔隙水壓力，導(dǎo)致淺層滑坡。

潘網(wǎng)生等[42]對黃陵印臺山老滑坡的裂縫發(fā)育特征進(jìn)行分析，利用Geostudio軟件對該滑坡滲流場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)水分沿裂隙入滲產(chǎn)生的優(yōu)先流作用形成了優(yōu)勢滑動面，對滑坡的整體失穩(wěn)有重要作用。潘網(wǎng)生等[2,43]分析了涇陽南塬黃土邊坡優(yōu)先流入滲的非均質(zhì)性與分形特征，總結(jié)了灌溉水量、入滲深度、初始含水量、孔隙度、分形維數(shù)等對優(yōu)先流發(fā)育程度、非均勻性以及分形特性的影響，發(fā)現(xiàn)在同等條件下優(yōu)先流的發(fā)育顯著抬升地下水位，與滑坡的發(fā)生存在必然聯(lián)系，表明優(yōu)先流對斜坡穩(wěn)定性的影響不容忽視。Cristiano等[44]在研究優(yōu)先流對邊坡穩(wěn)定性的影響時發(fā)現(xiàn)，斜坡破壞面積與優(yōu)先流的各向異性關(guān)系密切。同霄等[7]對通過降雨監(jiān)測和數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，降雨對無優(yōu)先流發(fā)育的黃土斜坡影響深度有限，不足以觸發(fā)滑坡，存在優(yōu)勢入滲的坡體則面臨更大的失穩(wěn)風(fēng)險。張珊珊[4]在對斜坡優(yōu)勢通道調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)其成因、開啟度、發(fā)育程度對優(yōu)勢通道進(jìn)行分類，并利用Hydrus2 D和Geo-Studio對不同優(yōu)勢通道類型中的不同優(yōu)勢滲流模式下的入滲過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢通道深度和距塬邊的距離是影響斜坡穩(wěn)定性的重要因素。

張茂省等[45]通過總結(jié)考慮黃土水敏性及優(yōu)勢通道作用下水致黃土滑坡機(jī)理及規(guī)律，建議開展考慮優(yōu)勢滲流條件下利用有限元法分析黃土斜坡失穩(wěn)性的研究工作。Sidle等[46]從整個地球動態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)控制的觀點(diǎn)出發(fā)，提出優(yōu)先流在影響邊坡穩(wěn)定性方面往往涉及高度的水文動態(tài)和生態(tài)過程，這些動態(tài)過程有助于深入理解暴雨過程斜坡失穩(wěn)的時間和空間變化規(guī)律。

3.2 優(yōu)先滲流通道及優(yōu)先流探測技術(shù)研究現(xiàn)狀

優(yōu)先流在孔隙、裂縫、孔洞等優(yōu)先滲流通道中儲存、運(yùn)移，因此優(yōu)先滲流通道的有效探測與識別是研究優(yōu)先流滲流規(guī)律的關(guān)鍵。在優(yōu)先流通道探測方面，主要分為有損和無損技術(shù)，有損探測手段主要有染色示蹤與剖面開挖、攝影、電鏡掃描(SEM)與圖像處理技術(shù)[47]，無損手段在宏觀尺度上有探地雷達(dá)、電阻率層析成像、高密度電法、地震模擬法，微細(xì)觀尺度上有X射線CT掃描、核磁共振、中子CT等技術(shù)[48]。目前在斜坡優(yōu)先流通道探測與識別上已取得一些成果：

徐宗恒等[49]利用亞甲基藍(lán)染色劑示蹤和攝影與圖像處理法研究了優(yōu)先流染色面積、路徑數(shù)量、入滲深度等因素的關(guān)系與變化規(guī)律。潘網(wǎng)生等[43]通過碘化鉀+淀粉與硝酸鐵混合液對黃土斜坡優(yōu)勢流進(jìn)行染色示蹤，并通過剖面開挖、攝影及圖像處理對優(yōu)先流特征進(jìn)行定量研究。同霄[3]利用電鏡掃描、亮藍(lán)染色劑示蹤、灌溉試驗(yàn)以及數(shù)值模擬方法，從微觀—介觀—宏觀多尺度揭示黃土中優(yōu)先流入滲規(guī)律與成災(zāi)機(jī)理。然而染色示蹤等這類傳統(tǒng)手段對于原始黃土剖面及其中的優(yōu)勢滲流通道具有破壞性，難以重復(fù)試驗(yàn)，并且費(fèi)時費(fèi)力，而無損探測技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了上述缺點(diǎn)。

Luo等[50]通過X射線CT定量研究了原狀土中大孔隙結(jié)構(gòu)與優(yōu)先流的關(guān)系。亓星等[51]通過探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)甘肅黑方臺中部與邊緣發(fā)育有大量孔隙與裂隙，并延伸坡體深部，形成優(yōu)勢滲流通道，這些優(yōu)勢通道一定程度控制著黃土底部含水率的大小，同時灌溉水通過裂隙、孔隙快速入滲到黃土深部，是斜坡失穩(wěn)的重要誘因。Su等[48]利用表面波、電阻率層析成像、探地雷達(dá)和微震測量超聲波通道分析，探測到了樹枝狀管道優(yōu)先流，為震后滑坡潛在滑動面和地下水滲流系統(tǒng)研究提供定性和定量化基礎(chǔ)。Zhang等[52]利用X射線CT對頭寨滑坡中發(fā)育的優(yōu)先流孔道進(jìn)行無損探測與識別，發(fā)現(xiàn)斜坡中大孔隙主要以根孔、團(tuán)聚體孔隙、根土界面孔隙和土石界面孔隙為主，同時大孔隙網(wǎng)絡(luò)具有明顯的內(nèi)部連通性和垂向連續(xù)性。

在實(shí)際應(yīng)用中離子顯色增強(qiáng)示蹤技術(shù)通常與探地雷達(dá)、電阻率成像、高密度電法、CT等相結(jié)合，在優(yōu)先流路徑探測上可以獲取更好的效果[53]。

優(yōu)勢滲流通道中的水分下滲流態(tài)往往為瞬變流，持續(xù)時間短，響應(yīng)速度快，其動態(tài)過程很難捕捉，同時需要測量的指標(biāo)較多，如測定含水率、基質(zhì)吸力、水頭、孔隙水壓力、飽和度、流量[23]等，需要靈敏的動態(tài)監(jiān)測技術(shù)才能實(shí)時監(jiān)測。目前有借助一些間接手段進(jìn)行測定，比如TDR時域反射儀、中子水分儀、穿透曲線、CT等[54]，或者利用滲流過程中特定時刻序列的優(yōu)先流形態(tài)來研究動態(tài)入滲過程[50]。

3.3 優(yōu)先流表征與斜坡穩(wěn)定性評價模型研究現(xiàn)狀

優(yōu)先流實(shí)際是發(fā)育在大孔隙和裂隙中的快速流動，由于大孔隙與裂隙等優(yōu)勢滲流通道的存在，土體被分為基質(zhì)域和優(yōu)先流域[55]。在優(yōu)先流定量表征方面，已經(jīng)存在諸多模型，單孔隙模型、雙滲透模型、活動非活動模型、兩區(qū)兩階段模型等[11,53]，對于基質(zhì)域，控制方程為達(dá)西定律或者非飽和Richard方程，對優(yōu)先流域可以用修訂的Richard方程、Naive stokes方程、運(yùn)動波方程、對流彌散方程來描述[56]。

上述優(yōu)先流模型理論是建立在表征體積單元或者有限滲流小區(qū)尺度上的，大多僅適用于平坦或者近水平的地形條件，對于具有復(fù)雜地形和錯綜優(yōu)先滲流通道發(fā)育的斜坡地帶優(yōu)先流觸發(fā)滑坡進(jìn)行模擬評價時，需要綜合考慮斜坡地形、微地貌特征以及滲流過程的水文效應(yīng)，并耦合斜坡穩(wěn)定性評價相關(guān)理論與模型，可以更加精準(zhǔn)的進(jìn)行滑坡成災(zāi)規(guī)律研究和預(yù)測預(yù)警工作。

Anagnostopoulos等[57]利用基于過程的分布式水文模型，對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)考慮優(yōu)先流時，可以顯著提高斜坡穩(wěn)定性預(yù)測能力。Shao等[58]開發(fā)了一種耦合雙滲透模型和無限斜坡穩(wěn)定性分析模型，模擬了不同雨強(qiáng)和持時組合條件下，斜坡孔隙水壓力和安全系數(shù)，對斜坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)面積進(jìn)行定量化計算，發(fā)現(xiàn)優(yōu)先流的存在加快了斜坡失穩(wěn)速度，與無優(yōu)先流發(fā)育的斜坡相比，在更小的降雨量條件下即可觸發(fā)滑坡。Kukemilks等[23]利用雙滲透模型和離散裂縫概化的綜合三維水文地質(zhì)模型HydroGeoSphere (HGS)與邊坡穩(wěn)定性分析軟件SLOPE/W相結(jié)合對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價，發(fā)現(xiàn)該綜合性模型可以更優(yōu)化地考慮優(yōu)先流對斜坡穩(wěn)定性的影響。

4 黃土優(yōu)先流促滑機(jī)理

4.1 黃土優(yōu)先流促滑致災(zāi)過程描述

根據(jù)優(yōu)先流特征、滲流過程及其對斜坡穩(wěn)定性的影響，總結(jié)起來，可分以下4個發(fā)展階段來揭示優(yōu)先流的促滑致災(zāi)機(jī)理。

(1) 優(yōu)先流通道截留地表水體。大氣降水或農(nóng)業(yè)灌溉用水，在地表發(fā)生水文過程中，其中一部分通過地表徑流流走，另一部分則被潛在滑坡后緣的黃土節(jié)理、孔隙、地裂縫、落水洞等優(yōu)先流通道截留。截留量的大小由節(jié)理裂縫開度與深度、落水洞的空間體積、植被根系和動物孔洞發(fā)育程度決定，優(yōu)先滲流通道規(guī)模越大、越發(fā)育，對地表水體的截留量越大。

(2) 優(yōu)先流通道的有壓—無壓反復(fù)滲透階段。被截留的水會以較快的速度灌入優(yōu)先流通道，沿通道方向率先到達(dá)通道底部或盡頭，在此過程中潤濕側(cè)壁。原通道里的無壓氣體在灌水過程中產(chǎn)生鋒面氣壓勢，并將氣壓勢傳遞到優(yōu)先流通道網(wǎng)絡(luò)。隨著氣壓勢由有到無，通道水滲透量有所減少。入滲初期，通道內(nèi)鋒面氣壓最強(qiáng)，氣壓勢對水流入滲率的影響也最大。隨著入滲的繼續(xù)進(jìn)行，優(yōu)先流通道里的氣體不斷逸出，氣壓勢逐漸減小，這種影響也越來越弱。氣壓勢作用于入滲時間的長短還需考慮不同土體滲氣阻力系數(shù)這一特征，阻力系數(shù)越大，影響時間就越長。

隨著優(yōu)先流持續(xù)下滲，優(yōu)先流通道達(dá)到暫時飽和狀態(tài)時，優(yōu)先流通道里氣壓勢已經(jīng)極弱，此時滲透阻力減小，滲透系數(shù)較大，易形成超前濕潤鋒。這個階段的指流、孔隙流及漏斗流等多種形式的優(yōu)先流均表現(xiàn)出垂向下滲速度大于側(cè)向入滲速度。

當(dāng)降雨或灌溉水停止補(bǔ)給時，優(yōu)先流通道開始處于非飽和狀態(tài)。此時優(yōu)先流通道中的水分可以迅速被四周處于毛細(xì)負(fù)壓的孔隙奪走，使得優(yōu)先流通道再次成為充氣的通道。所有的這些通道形成網(wǎng)絡(luò)，與大氣聯(lián)通，并保持零壓狀態(tài)，失去導(dǎo)水功能。但由于通道深部受外界環(huán)境影響較小，大氣蒸發(fā)和植物蒸騰作用不明顯，深層土體含水率會保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時易發(fā)生類似于淺層包氣帶水的氣液兩相轉(zhuǎn)換運(yùn)動。一旦降雨或灌溉水再次補(bǔ)給時，再一次產(chǎn)生氣壓滲透。但與前一階段有氣壓勢滲透不同的是，優(yōu)先流的濕潤鋒會以較快的速度越過前期潤濕土體，濕潤土體含水率愈大，優(yōu)先流越過的速度則愈快。如此反復(fù)補(bǔ)給，優(yōu)先流通道不斷呈現(xiàn)出有氣壓勢—無氣壓勢—有氣壓勢的反復(fù)滲透，最終優(yōu)先流在重力勢作用下逐步深入黃土深部。

(3) 滑動面形成。優(yōu)先流在黃土體內(nèi)部的運(yùn)移具有分階段、漸進(jìn)式和積累性特征。地下水位較高的情況下，接受持續(xù)補(bǔ)給的優(yōu)先流最終會抵達(dá)地下水位線，并且能抬升地下水位。此外，黃土的含水率、液性指標(biāo)及古土壤面都是影響滑坡滑動面形成的重要因素。優(yōu)先流通過改變土體含水率而影響液性指標(biāo)，黃土液性指標(biāo)越大，土體越軟，強(qiáng)度則越低。強(qiáng)度發(fā)生改變的黃土粒子在上部荷載作用下易產(chǎn)生破裂，形成軟弱泥層，滲透系數(shù)降低，在條件成熟情況下極易發(fā)展成為滑動面。地下水位較低的情況下，接受持續(xù)補(bǔ)給的優(yōu)先流最終會抵達(dá)古土壤面或基巖面，該類弱透水層的相對隔水性及黃土幔覆構(gòu)造特征對優(yōu)先流的滲流產(chǎn)生了重要影響，垂向滲流減弱直至停止，順傾斜坡度的側(cè)向下滲作用加強(qiáng)。此時弱透水層上方的黃土層出現(xiàn)軟化，抗滑力減弱，極易發(fā)展成為滑動面。

(4) 促滑致災(zāi)。上述可能的滑動面形成之后，若雨水或灌溉用水的持續(xù)或反復(fù)滲入，則會進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)先流作用，使得滑動面上方土體含水率進(jìn)一步增大，土體持續(xù)增重，抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低。此時黃土斜坡體處于極限平衡狀態(tài)，當(dāng)整體滑動推力大于抗滑力時，滑體便打破這種極限平衡，沖破鎖固段的束縛，導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

4.2 典型滑坡實(shí)證

陜西省涇陽南塬黃土滑坡與優(yōu)先流密切相關(guān)。該地區(qū)黃土節(jié)理、地裂縫、落水洞發(fā)育，是優(yōu)先流入滲的天然通道。許領(lǐng)等研究認(rèn)為：該地區(qū)地表水在滑坡發(fā)展早期階段主要通過黃土節(jié)理入滲為主，孔隙滲透為輔；在后期階段，伴隨著地裂縫和落水洞的形成，地表水則由其直接灌入地下，從而誘發(fā)黃土滑坡[59]。潘網(wǎng)生[2]、同霄[3]、張珊珊[4]等人在研究涇陽南塬黃土滑坡時也有類似發(fā)現(xiàn)。

甘肅省黑方臺滑坡素有“現(xiàn)代滑坡博物館”之稱，其形成發(fā)展同樣與優(yōu)先流有關(guān)。亓星，許強(qiáng)，等認(rèn)為黑方臺臺塬黃土中廣泛發(fā)育的孔隙、孔洞、節(jié)理裂隙等優(yōu)勢導(dǎo)水通道，可使灌溉水沿其快速入滲，并可到達(dá)土體深部，使裂隙發(fā)育區(qū)土體含水率明顯增大，地下水位迅速抬升，土體強(qiáng)度驟降，從而誘發(fā)滑坡[51]。

陜西省白鹿塬北坡“9·17”灞橋?yàn)?zāi)難性黃土滑坡，使坡前磚廠和陶瓷公司部分車間被埋，致32人死亡，優(yōu)先流是造成該災(zāi)難性滑坡的關(guān)鍵因素。莊建琦等[60]通過現(xiàn)場調(diào)查、影像分析、歷史資料查閱、模型模擬等手段對該滑坡成因及滑動過程進(jìn)行研究認(rèn)為，該滑坡成因主要是由于早期人工邊坡開挖，坡內(nèi)應(yīng)力重分布，坡體頂、底部張剪應(yīng)力增大，頂部逐漸形成多組裂隙，并在長期水文、地質(zhì)等作用下加深加劇，尤其是在滑坡發(fā)生前半個月內(nèi)的3次強(qiáng)降雨(其中2次降雨達(dá)到60 a一遇的強(qiáng)度)，使得地表徑流沿著優(yōu)勢通道(黃土節(jié)理、裂隙)形成優(yōu)勢滲流，灌滲至邊坡深部，貫通滑動面，最終導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

類似成因的滑坡還有很多，總之，諸多典型滑坡證明，對孔隙、孔洞、節(jié)理、裂隙、落水洞等優(yōu)勢通道發(fā)育的黃土滑坡來說，優(yōu)先流發(fā)揮著重要的促滑效應(yīng)。

5 存在問題和展望

5.1 存在問題

優(yōu)先流的研究起源于土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)，在40多年的發(fā)展過程中，逐漸引進(jìn)到工程地質(zhì)領(lǐng)域(如石油工程中油藏運(yùn)移研究、礦井涌水防治、地質(zhì)災(zāi)害防治)，在地質(zhì)災(zāi)害防治方面，優(yōu)先流促滑研究雖然取得一些成果，但積累相對薄弱，進(jìn)展緩慢，還存在一些問題需要在以后的研究中予以攻克。

(1) 定量化困難，促滑研究進(jìn)展緩慢。雖然優(yōu)先流對斜坡水文過程和斜坡穩(wěn)定性的影響已經(jīng)得到普遍認(rèn)可[4,34]，但是由于優(yōu)先流具有形式多樣[9,11,47]、非均勻與不穩(wěn)定性[43]、影響因素多[9]等特性，加上黃土高原氣候特性、黃土的特殊性(如黃土自身的結(jié)構(gòu)性、水敏性、濕陷性)和斜坡地形、微地貌等的影響，黃土地區(qū)斜坡優(yōu)先流機(jī)理及促滑效應(yīng)研究發(fā)展緩慢，尤其是黃土斜坡非飽和區(qū)優(yōu)先流促滑作用機(jī)理仍然沒有統(tǒng)一的定量化模型。

(2) 代表性不足，可重復(fù)性差。由于斜坡優(yōu)先流運(yùn)移規(guī)律隱秘，難以實(shí)現(xiàn)大尺度可視化研究，雖然在黃土體尺度上利用CT可以進(jìn)行可視化滲流研究[52]，但是相對于整個斜坡來說，隨機(jī)性大，代表性較差；在滲流小區(qū)尺度可以利用染色示蹤和剖面開挖來獲取稍大尺度優(yōu)先流滲流規(guī)律[53]，但是試驗(yàn)具有破壞性和難以重復(fù)性，揭露范圍有限，結(jié)果依然無法揭示整個斜坡優(yōu)先流滲流過程中水文響應(yīng)和壓力傳播以致觸發(fā)滑坡的情況。

(3) 尺度效應(yīng)尚未解決，系統(tǒng)性不足。優(yōu)先流具有普遍存在性，無論是孔裂隙尺度(微觀)、黃土體尺度(介觀)還是斜坡甚至小流域尺度(宏觀)，都存在優(yōu)先流現(xiàn)象[9]，眾所周知，黃土的微觀(孔裂隙)結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定著宏觀水土力學(xué)性質(zhì)與工程地質(zhì)性質(zhì)，宏觀斜坡滲流與力學(xué)監(jiān)測可直觀的展現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象，介觀尺度可以將二者建立橋接關(guān)系。然而，目前在尺度效應(yīng)處理、實(shí)現(xiàn)微觀—介觀—宏觀多尺度水土力學(xué)規(guī)律的關(guān)系的過渡尚未解決，導(dǎo)致滑坡優(yōu)先流研究成果系統(tǒng)性不足。

5.2 優(yōu)先流促滑機(jī)理研究與滑坡防治展望

5.2.1 優(yōu)先流促滑機(jī)理研究展望 為進(jìn)一步探索優(yōu)先流對黃土斜坡的促滑機(jī)理，需要在以下方面進(jìn)行深入研究：①繼續(xù)加強(qiáng)開展影響斜坡優(yōu)先流的產(chǎn)生發(fā)育以及促滑過程的各種因素的關(guān)系及其與優(yōu)先流的關(guān)系研究；②微觀上，利用CT、核磁共振等無損手段開展微觀孔裂隙識別與精確表征，建立孔裂隙尺度優(yōu)先流模型；③細(xì)觀上，結(jié)合CT與造影技術(shù)開展細(xì)觀黃土塊體可視化動態(tài)滲流研究，揭示優(yōu)先流形成與發(fā)育過程及土體孔裂隙優(yōu)先流通道發(fā)育拓展動態(tài)變化規(guī)律。④宏觀上，加強(qiáng)染色、顯色示蹤技術(shù)與地質(zhì)雷達(dá)、電阻率成像、高密度電法等無損物探手段在優(yōu)勢通道探測、優(yōu)先流滲流過程捕捉、裂縫變形監(jiān)測等方面的應(yīng)用；⑤加強(qiáng)多學(xué)科交叉研究，利用②③④中微觀—細(xì)觀—宏觀多尺度手段獲取的特征參數(shù)結(jié)合先進(jìn)的3 D打印、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，建立優(yōu)先流水力耦合穩(wěn)定性評價模型，更加真實(shí)、準(zhǔn)確、可視化地還原、重建優(yōu)先流滲流與促滑過程。

5.2.2 優(yōu)先流滑坡防治展望 優(yōu)先流滑坡的防治，主要是要防止雨水沿裂縫滲入滑坡，改變地下水位，軟化土體，降低抗剪強(qiáng)度，誘發(fā)滑坡。因此，①首先要對裂縫發(fā)育斜坡進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，利用地球物理學(xué)方法探測裂縫等優(yōu)先滲流通道位置及分布，填充夯實(shí)裂縫，消除優(yōu)先流帶來的孔隙壓力積聚，改善坡體孔隙水壓力的分布，提高斜坡穩(wěn)定性。②其次，要開展黃土優(yōu)先流滑坡預(yù)警預(yù)測，在已有優(yōu)先流模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮黃土地區(qū)特殊性、黃土力學(xué)本構(gòu)關(guān)系、黃土水文地質(zhì)性質(zhì)，研發(fā)適合于黃土地區(qū)斜坡穩(wěn)定性預(yù)測的優(yōu)先流模型，結(jié)合氣象預(yù)警，進(jìn)行失穩(wěn)閾值優(yōu)化，為滑坡預(yù)測與防治提供科學(xué)依據(jù)。