降雨条件下黄土渗透系数比对边坡稳定性的影响

赵凡

广东省建筑设计研究院有限公司 广东广州 510000

摘要：黄土具有松散、多孔隙、弱胶结的特点，裂隙广泛分布于黄土土层中，裂隙产生后，在土体中出现了应力集中现象，使得裂隙进一步得到扩展。黄土的渗透特性不大，一般雨水入渗深度较浅，而裂隙的存在对雨水入渗有很大的促进作用，雨水在裂隙处聚集，对土体产生水压力，同时引起土体含水率迅速增大形成暂态饱和区，引起黄土边坡产生局部或整体破坏。分析黄土裂隙的发育过程，对黄土地区地质灾害的治理有重要意义。

关键字：黄土；边坡稳定性；裂隙；降雨入渗

引言

黄土在沉积过程中，粒径不同的黄土颗粒随机分布，细颗粒分散在粗颗粒表面，形成了较弱胶结，在土体中形成较多的孔隙，其中有很多孔隙是相互贯通的，形成了雨水和空气的通道，将该结构定义为孔隙集中带^[1]。土颗粒在表面张力作用下相互靠近，造成土颗粒之间出现变形不协调，从而使得在土体薄弱位置产生微小的张拉裂隙，在雨水作用下，微观裂隙逐渐发展为宏观的垂直裂隙，使得土体在垂直方向与水平方向的渗透性呈现出较大差异^[2]。

黄土一般具有大孔隙和垂直节理发育明显等特点，裂隙将边坡土体隔离成一个个孤立的土柱，形成了分离软弱面。而且降雨会在裂隙处形成优势流效应，从而极大的影响了土体湿润锋深度，同时雨水会对土体产生冲刷，引起裂隙进一步扩大，进而导致边坡失稳。而目前研究黄土入渗的研究对象多集中在均质黄土边坡，有关裂隙黄土边坡渗流特性研究还不是特别的全面。

1 黄土裂隙形成过程

根据非饱和土力学理论可知，土颗粒之间水膜曲率半径越小，颗粒之间的张拉应力就会越大，垂直裂隙会进一步扩展。在干湿循环作用下，裂隙空间结构会不断发生改变，随着黄土沉积发生，上部覆盖层加厚，土压力增大使得下部黄土垂直裂隙有闭合的趋势。这就是野外较少观察到黄土垂直裂隙的原因，一旦外界条件发生变化，原先闭合的垂直裂隙有可能发展为宏观的垂直裂隙^[3]。

2 渗透系数比对边坡渗流场的影响

裂隙将完整的土体分割开来，造成土体在不同方向上的渗透系数表现出明显的差异，从而显著影响雨水入渗规律，甚至引起浅层边坡渗流场的改变，进而引起边坡失稳。大多数学者在进行黄土边坡降雨入渗分析时将土体渗透系数视为一个定值，而未分开考虑竖直方向和水平方向的差异。黄土边坡在长期物理风化、化学风化、卸荷以及干湿循环等作用下，使得边坡形成大量不规则的裂隙，而均质黄土的渗透系数不大，如果不考虑裂隙存在，则会造成雨水入渗量远小于实际情况，因此在分析黄土边坡渗流时，有必要考虑裂隙的影响。本文将边坡土体先按照无裂隙边坡进行网格划分，由于裂隙处的渗透性远大于周围土体，将裂隙处划分成一系列较薄的单元或者网格，来体现裂隙的高渗透性。这种方法只需要改变裂隙处的渗透特性，不用改变边界条件和渗流方程，使用起来比较简单。

本文以陕西省西咸新区沣西新城兴园路黄土边坡为例。在模型左右边界施加法向约束，模型底部设置为全约束边界，模型上部设置为自由边界，建立简化几何模型见图1。选取渗透系数比为1、2、3、4共4种情况进行分析。

图1 边坡简化模型尺寸/m

探讨了不同渗透系数比的边坡体积含水率和湿润锋深度的演变规律，得出了雨水入渗率呈先减小后趋于稳定，且入渗率减小速率呈先快后慢的趋势。在降雨初期，雨水入渗速率主要由基质吸力水头梯度控制，土体渗透系数比对入渗率和累计入渗量影响较小，随着降雨进行，土体渗透系数比越大的边坡，雨水入渗速率越快和累积入渗量越大。在进行黄土边坡渗流分析时，需分别考虑土体水平方向和竖直方向的渗透系数，以免造成较大误差。

3、渗透系数比对边坡稳定性的影响

降雨引起地下水位均有所提高，边坡上部部分土体单元的孔隙水压力由负值转变为正值，由于坡脚的入渗速率最大，引起边坡坡脚孔隙水压力响应比坡顶和坡中剧烈，且渗透系数比越大的边坡，孔隙水压力增加的幅度越明显，主要是因为土体渗透系数比越大，雨水可以快速进入到边坡内部，引起湿润锋深度增大和地下水位上升。

在降雨12h内，土体含水量梯度∂θ/∂z很大，雨水入渗量相差不大，使得不同渗透系数比的边坡在坡顶A点处的位移差别很小，再结合不同渗透系数比土体入渗率和累计入渗量随降雨历时的变化情况，可知在供水控制阶段，土体渗透系数比对边坡位移场和渗流场的影响均较小。随着降雨历时的增加，不同渗透系数比的边坡在坡顶的位移不断增加，且位移增加的速率逐渐加快，在相同降雨历时情况下，渗透系数比越大的边坡在坡顶点处的位移越大。在降雨结束时，渗透系数比为1、2、3、4在A点所对应的位移分别为3.4mm、6.0mm、7.2mm、8.1mm。渗透系数比为4所对应的边坡在A点处的位移比渗透系数比为1所对应的边坡增加了138%，可见在降雨后期土体渗透系数比对边坡位移场的改变愈加明显。因此要特别注意在长历时降雨作用时，需要对土体渗透系数比大的边坡进行防护。

在降雨初期，不同渗透系数比的边坡安全系数均下降缓慢，刚好与前面分析的渗流场响应规律相呼应。随着降雨历时继续增加，边坡安全系数不断下降，且边坡安全系数下降的速率随土体渗透系数比的增大而增大，渗透系数比越大的边坡会越早出现失稳破坏。在降雨停止后，边坡安全系数逐渐提高，但渗透系数比大的边坡安全系数提升较为缓慢。

在降雨初期，不同土体渗透系数比所对应的边坡位移差别较小，且边坡安全系数下降较为缓慢，随着降雨历时增加，土体渗透系数比越大，边坡位移增加越显著，边坡会越早出现失稳现象。在雨后，渗透系数比越大边坡安全系数提升越缓慢。

基于前面对不同渗透系数比边坡渗流场、位移场的分析，运用场变量技术对土体强度参数进行折减求取边坡安全系数变化规律。在降雨初期，不同渗透系数比的边坡安全系数均下降缓慢，刚好与前面分析的渗流场响应规律相呼应。随着降雨历时继续增加，边坡安全系数不断下降，且边坡安全系数下降的速率随土体渗透系数比的增大而增大，渗透系数比越大的边坡会越早出现失稳破坏。在降雨停止后，边坡安全系数逐渐提高，但渗透系数比大的边坡安全系数提升较为缓慢。

结束语

裂隙为雨水入渗提供优势流通道，改变了边坡内部渗流场的分布规律，造成裂隙黄土边坡的灾变形成机制与均质边坡存在一定的差异。在降雨初期，不同土体渗透系数比所对应的边坡位移差别较小，且边坡安全系数下降较为缓慢，随着降雨历时增加，土体渗透系数比越大，边坡会越早出现失稳。在雨后，渗透系数比越大，边坡安全系数提升越缓慢。

参考文献

[1]冯立. 黄土垂直节理形成机理 [D]; 西北大学, 2016.

[2]王新鹏. 黄土边坡裂隙及其对边坡稳定性的影响[D].长安大学,2018.

[3]王福恒,李家春,田伟平.黄王边坡降雨入渗规律试验[J].长安大学学报,2009,29(04):20-24.

个人简介

个人信息：赵凡、1994年2月、男、汉族、湖北武汉、硕士研究生、助理工程师

研究方向：道路工程、边坡工程