高填土与深挖黄土-红土复合边坡在降雨渗透条件下的失稳机理

《Soil and Tillage Research》：Failure mechanism of high-fill and deep-excavation loess-red layer composite slopes under rainfall infiltration conditions

　　王行刚|曹远鹏|刘凯|陈雪|赵安 中国陕西省西安市西北大学大陆演化与早期生命国家重点实验室，邮编710069 **摘要** 近年来，中国黄土高原地区的工程建设持续推进，形成了大量的高填土和深挖掘黄土-红土复合边坡（HDLS）。降雨渗透作为影响边坡稳定性的主要因素，显著增加了滑坡灾害的发生概率。为了研究HDLS的主要滑动破坏机制，在天水市中梁镇的一个黄土-红土复合边坡上进行了系列物理模型试验和数值模拟分析。研究系统地考察了降雨条件下HDLS的渗透特性、变形响应、裂缝扩展和破坏模式。结果表明：（1）多传感器监测数据和实时边坡影像分析显示，在恒定降雨强度下，边坡破坏过程随着边坡高度和角度的增加而显著加速；此外，由于雨水渗透增强，边坡肩部更容易发生大规模滑动变形。（2）使用Geo-studio进行的数值模拟表明，在填土和挖掘条件下，边坡的安全系数显著下降；高填土边坡的安全系数在降雨持续时间延长时下降速度较慢。（3）降雨侵蚀容易在填土边坡上形成沟蚀路径，其中边坡中部的拉裂裂缝成为主要的渗透通道，导致破坏发生。随着挖掘边坡角度的增加，边坡趾部和中部的水流单位流量显著增加，加剧了地表径流侵蚀，破坏模式从边坡趾部向上部逐渐发展。本文研究了不同工作条件下HDLS的水文响应特性和滑动变形机制，这些发现对于保护这类高陡边坡具有重要的参考价值。 **引言** 黄土沉积主要分布在北半球的温带地区以及南半球的部分地区。其中，亚洲的黄土分布最为广泛，中亚和北亚地区有大量的黄土沉积（Vasiljevi?等，2014；Li等，2020）。中国拥有世界上最大的黄土覆盖面积，黄土高原面积约为6.4×10?平方公里，占全球黄土沉积总量的近70%。 近几十年来，随着工业化和城市化的持续发展，中国黄土高原地区的土地资源利用迅速增加。许多工程项目遵循使用当地材料的原则，在以坡地为主的地区实施。这些因素共同导致了该地区高填土和深挖掘黄土-红土复合边坡（HDLS）的广泛形成（Li等，2014；Zhang等，2020）。黄土的独特性质（包括多孔结构、发育良好的垂直节理和高水敏感性）使得黄土覆盖区域特别容易发生地质灾害，其中黄土滑坡是最常见的灾害类型（Derbyshire，2001；Zhang等，2009；Zhang和Liu，2010）。人为工程活动后，自然边坡的稳定性可能会受到严重影响。高填土黄土边坡通常具有较低的压实密度，导致原始边坡形态的结构退化，这会增强土壤的渗透性，从而加速水分渗透。土壤颗粒间的凝聚力减弱，有效正应力降低，最终使边坡系统失去稳定，可能引发灾难性滑坡事件（Lian等，2020；Lian等，2022；Shi等，2025）。边坡挖掘后，初始边坡几何形状发生变化，形成更陡的坡度，这种改变会导致边坡内部应力的重新分布。陡峭的切削边坡使坡脚处的剪应力集中，而坡顶处则积累拉应力，形成明显的拉应力区（Aza?ón等，2005；Wang等，2014；Tu等，2009）。边坡内部裂缝的发展削弱了其整体结构强度，降低了安全系数，增加了边坡破坏的可能性，影响了挖掘边坡的长期稳定性（Xu等，2011）。此外，由于边坡类型不同（主要包括黄土边坡、黄土-红土粘土边坡和黄土-泥岩边坡），破坏机制也存在显著差异，包括渐进性蠕变变形和快速剪切滑动（Zhang等，2013；Chen等，2024；Li和Mo，2019；Wang等，2024）。实际上，降雨引起的水分渗透是黄土滑坡的重要触发因素，边坡的非饱和带是变形和破坏发生的关键区域。因此，研究降雨渗透条件下的黄土边坡破坏机制至关重要。通过系统地研究渗流场特性、边坡变形-破坏过程以及降雨后的应力状态演变，可以定量建立降水事件与滑坡发生之间的因果关系。这种理解对于预测滑坡的发生具有根本性意义。 降雨是引发滑坡的最关键因素之一，超过90%的边坡稳定性问题与水有关（Collins和Znidarcic，2004；Bao等，2023）。雨水沿着软弱的结构表面深入边坡内部，土壤层中水的存在和运动会显著影响土壤的力学强度，导致边坡内部土壤软化，最终引发滑坡（Bao等，2024a）。在研究降雨引起的黄土滑坡时，研究人员进行了室内实验室试验、建模实验和数值模拟分析，探讨了水在土壤中的渗透动态、边坡的变形和破坏特性以及人工降雨条件下非饱和黄土边坡的水文响应。实验结果表明，基质吸力和优先渗透通道对边坡的变形和破坏有显著影响（Zhang等，2019；Gargouri-Ellouze等，2017；Sun等，2019a；Sun等，2019b；Wang等，2019；Wang等，2021a）。多项研究表明，降雨强度和持续时间对边坡稳定性有重要影响，较高的降雨强度会导致边坡内部水分积累深度增加，稳定区长度减小。