降雨条件下裂隙各向异性对坡积土边坡渗流的影响分析-sup-①-_sup-_刘登生.pdf

降雨条件下裂隙各向异性对坡积土边坡渗流的影响分析 ① 刘登生１， 何忠明１， 周科峰１， 李 涛１， 曾 铃２ （１．长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 ４１０１１４； ２．长沙理工大学 土木与建筑工程学院，湖南 长沙 ４１０１１４） 摘 要 基于饱和⁃非饱和渗流理论，运用 Ｇｅｏ⁃ｓｔｕｄｉｏ 软件中的 Ｓｅｅｐ／ ｗ 模块研究了裂隙各向异性与不同降雨强度共同作用下边坡的 入渗规律。 结果表明，当降雨强度小于裂隙渗透系数时，雨水入渗受降雨强度控制；当降雨强度大于裂隙渗透系数时，雨水入渗受 裂隙渗透系数控制；在相同的降雨时间与降雨强度条件下，裂隙越短则裂隙内的体积含水率越高，裂隙角度越小对边坡内部体积含 水率影响越大；增大降雨强度或增加降雨时间，均会削弱裂隙各向异性对边坡渗流的影响。 关键词 坡积土； 边坡； 裂隙； 各向异性； 降雨入渗； 降雨强度； 体积含水率 中图分类号 ＴＵ４３２文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０４．００４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０４－００１４－０５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｓｅｅｐａｇｅ ｏｆ Ｓｌｏｐｅ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｕｖｉａｌ Ｓｏｉｌ ｂｙ Ｆｉｓｓｕｒｅ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｕｎｄｅｒ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ＬＩＵ Ｄｅｎｇ⁃ｓｈｅｎｇ１， ＨＥ Ｚｈｏｎｇ⁃ｍｉｎｇ１， ＺＨＯＵ Ｋｅ⁃ｆｅｎｇ１， ＬＩ Ｔａｏ１， ＺＥＮＧ Ｌｉｎｇ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１１４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１１４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ⁃ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ ｔｈｅｏｒｙ， ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｌａｗ ｆｏｒ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｉｓｓｕｒｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ Ｓｅｅｐ／ ｗ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎ Ｇｅｏ⁃ｓｔｕｄｉｏ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｔｈａｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｆｉｓｓｕｒｅ， ｂｕｔ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｉｓｓｕｒｅ ｗｈｅｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓａｍｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ａ ｓｈｏｒｔｅｒ ｆｉｓｓｕｒｅ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ａ ｓｍａｌｌｅｒ ｆｉｓｓｕｒｅ ａｎｇｌｅ ｂｒｉｎｇｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｌｏｐｅ． Ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｒ ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ ｔｉｍｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｉｓｓｕｒｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｎ ｓｌｏｐｅ ｓｅｅｐａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｌｌｕｖｉａｌ ｓｏｉｌ； ｓｌｏｐｅ； ｆｉｓｓｕｒｅ； ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ； ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ； ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ； ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ 坡积土在我国南方分布广泛，在路堑开挖过程中 不可避免会形成一定数量的坡积土边坡，这类边坡在 雨季时常出现破坏，给当地经济财产造成巨大损 失［１］。 研究表明，降雨入渗会引起土体内部孔隙水压 力、含水率上升，进而导致边坡失稳破坏［２］。 在自然风化以及植被根系等因素的作用下，边坡 表面会产生一定程度的裂隙，在降雨过程中雨水会沿 裂隙入渗至坡体内部。 由于坡积土具有强度低、蒸发 性强的特点，坡积层表面与内部蒸发不均会导致土体 收缩不均，进而引起坡面出现新的裂隙，又会对降雨入 渗起到促进作用。 对于边坡土体裂隙而言，在方向、长 度以及裂隙渗透系数方面的差异性被定义为裂隙各向 异性，由于裂隙各向异性的存在，裂隙对边坡渗流的影 响十分复杂，因此研究降雨条件下裂隙各向异性对坡 积土边坡渗流的影响具有重要意义［３－５］。 基于以上原因，一些学者对裂隙渗流开展了深入 研究［６－１１］，但仍存在考虑裂隙的影响因素过于单一、裂 隙模型过于理想化以及没有具体数值模拟或者工程实 例验证等不足。 本文以某坡积土边坡为例，综合考虑裂隙方向、长 ①收稿日期 ２０１７－０２－０９ 基金项目 国家自然科学基金（５１５０８０４２，５１６７８０７３，５１５０８０４０）；湖南省教育厅科学研究一般项目（１６Ｃ００５３）；浙江省交通运输厅科技项目 （２０１４Ｈ２２）；湖南省重点研发计划项目（２０１６ＳＫ２０２３） 作者简介 刘登生（１９９０－），男，山东聊城人，硕士，主要研究方向为道路与铁道工程。 通讯作者 何忠明（１９８０－），男，湖南永兴人，教授，博士（后），主要从事道路工程方向的教学与科研工作。 第 ３７ 卷第 ４ 期 ２０１７ 年 ０８ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №４ Ａｕｇｕｓｔ ２０１７ ChaoXing 度以及裂隙渗透系数，同时考虑降雨时间、降雨强度等 因素，通过数值模拟分析，观察裂隙各向异性与不同降 雨条件共同作用下对边坡入渗的影响，可为分析裂隙 对边坡稳定性的影响程度提供参考，对存在裂隙的边 坡稳定性分析与支护具有一定指导意义。 １ 计算模型与计算方案 １．１ 模型建立 为研究裂隙各向异性与降雨强度对边坡降雨入渗 的影响，以浙江衢州某坡积土路堑边坡为例建立计算 模型，如图 １ 所示。 该实例边坡坡高 １５ ｍ，坡比为 １∶２，坡积土厚度 ７ ｍ，底部为基岩。 由于基岩渗透性 相对于坡积土较小，裂隙对其影响可忽略不计，因此仅 对上覆坡积土进行建模计算。 经调查分析，裂隙多出 现在边坡顶部，因此将裂隙设置在截面 １⁃１（ｘ＝ １５ ｍ） 处进行分析。 为监测裂隙内部体积含水率的变化情 况，设置监测点 Ａ（ｘ＝１５，ｙ＝３４），将裂隙以点（１５，３５） 为基点逆时针旋转得到其倾角 α。 水平距离/m 35 30 25 20 15 10 5 1002030405060 x y ky kx kx′ ky′ 高程/m 截面1-1 监测点A 坡顶裂隙 坡积土 基岩 垂直裂隙方向 顺裂隙方向 α 图 １ 计算模型 １．２ 计算原理与参数 边坡降雨入渗可认为是饱和⁃非饱和渗流过程，采 用岩土工程专用的有限元计算软件 Ｇｅｏ⁃ｓｔｕｄｉｏ 中的 Ｓｅｅｐ／ ｗ 模块进行渗流分析。 在计算中将土体孔隙水 压力以及饱和渗透系数表示成体积含水率的函数，通 过边界条件得到土体渗流场随时间的变化关系，其中 运用到的非饱和渗流控制方程［１２］为 ∂ ∂ｘ ｋｘ ∂Ｈ ∂ｘ ■ ■ ■ ■ ■ ■＋ ∂ ∂ｙ ｋｙ ∂Ｈ ∂ｙ ■ ■ ■ ■ ■ ■＋ Ｑ ＝ ∂θ ∂ｔ （１） 式中 ｋｘ和 ｋｙ分别为 ｘ 和 ｙ 方向的渗透系数，ｍ／ ｓ；Ｈ 为 总水头，ｍ；Ｑ 为进入土体的渗流量，Ｌ／ ｓ；θ 为体积含水 率；ｔ 为时间，ｓ。 在图 １ 中，裂隙与 ｙ 轴的负方向之间存在夹角 α（０≤α＜９０），这时满足 ｋｘ ｋｙ ■ ■ ■ ■ ■ ■＝ ｃｏｓαｓｉｎα － ｓｉｎαｃｏｓα ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ｋｘ′ ｋｙ′ ■ ■ ■ ■ ■ ■（２） 式中 ｋｘ′与 ｋｙ′分别为垂直裂隙与顺裂隙方向的渗透系 数，ｍ／ ｓ。 通过对原状土试样进行测定，得到该地区原坡积 土孔隙比为 １．０４，可推算出饱和含水率为 ５１％，同时 通过变水头渗透试验可得饱和渗透系数为 ９．９７１０ －６ ｍ／ ｓ。 研究表明［１３］，原坡积土与裂隙土的土水特征曲 线基本相同，可采用 Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ［１４］所提出的公式 （式 ３）拟合得到。 而裂隙土的饱和渗透系数较原状土 高 ２～４ 个数量级［１５］，因此本文取裂隙土饱和渗透系 数为 ９．９７１０ －３ ｍ／ ｓ，同时可根据经验公式（式（４）） ［１４］ 分别得到原坡积土与裂隙土渗透系数曲线。 θｗ ＝ θ ｒ ＋ θｓ － θ ｒ １ ＋ （αΨ） ｎ []ｍ （３） ｋｗ ＝ ｋ ｓ { １ － ａΨ（ｎ－１） [１ ＋ （ａΨ ｎ） －ｍ ]} ２ １ ＋ （ａΨ ｎ）ｍ ２ （４） 式中 θｗ为含水率；θｓ为饱和含水率；θｒ为残余含水率； ｋｓ为饱和渗透系数；ｋｗ为渗透系数；ａ，ｍ，ｎ 均为曲线 拟合参数，ｎ＝１／ （１－ｍ）；Ψ 为基质吸力。 设定初始条件原坡积土以及裂隙土的体积含水 率（下文中提到含水率均为体积含水率）均为 １２．５％。 设定边界条件边坡坡积土与基岩的交界面为不透水 边界，原坡积土与裂隙土的上表面为降雨边界，降雨强 度为 ４．７１０ －７ ｍ／ ｓ（中雨强度）、１．４１０ －６ ｍ／ ｓ（暴雨强 度） ［１６］，降雨时长为 ６ ｄ，设置计算的最大迭代次数为 ５０ 次，迭代误差小于 １％，计算时迭代次数大于 ２ 时所 得到的计算误差小于设定值，即达到收敛状态。 １．３ 计算方案 裂隙各向异性包括角度、长度以及饱和渗透系数。 为考虑裂隙各向异性渗透系数的不同，设定顺裂隙方 向的渗透系数与垂直裂隙方向的渗透系数比值 μ 取值 分别为 １、１０、１００ 和 １ ０００。 通过实地调查显示边坡顶 部裂隙长度一般不超过 ３ ｍ，因此本文中裂隙的长度 分别设定为 １ ｍ、２ ｍ 和 ３ ｍ，同时为了讨论裂隙方向 对边坡降雨入渗的影响，裂隙倾角 α 取值分别为 ０、 ３０和 ６０，具体计算方案见表 １。 ２ 计算结果分析 ２．１ 裂隙渗透系数对边坡渗流的影响 图 ２ 为 Ａ１～Ａ４ 体积含水率变化曲线。 由图 ２ 可 见，在降雨持续 ２ ｄ 条件下，当 μ 为 １ 或 １０ 时，含水率 均随深度增加而减少，但后者含水率变化幅度比前者 小；当 μ 为 １００ 或 １ ０００ 时，含水率随深度增加而增 加，且变化趋势基本重合。降雨持续 ６ ｄ，含水率均随 ５１第 ４ 期刘登生等 降雨条件下裂隙各向异性对坡积土边坡渗流的影响分析 ChaoXing 表 １ 计算方案 编号 降雨强度 ／ （ｍｓ －１ ） 裂隙长度 ／ ｍ 裂隙方向 ／ （） 渗透系数 比值 μ Ａ１ Ａ２ Ａ３ Ａ４ ４．７１０ －７ ３ ３ ３ ３ ０ ０ ０ ０ １ １０ １００ １ ０００ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｂ４ １．４１０ －６ ３ ３ ３ ３ ０ ０ ０ ０ １ １０ １００ １ ０００ Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３ ４．７１０ －７ １ ２ ３ ０ ０ ０ １００ １００ １００ Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３ １．４１０ －６ １ ２ ３ ０ ０ ０ １００ １００ １００ Ｅ１ Ｅ２ Ｅ３ ４．７１０ －７ ３ ３ ３ ０ ３０ ６０ １００ １００ １００ Ｆ１ Ｆ２ Ｆ３ １．４１０ －６ ３ ３ ３ ０ ３０ ６０ １００ １００ １００ 体积含水率 35 34 33 32 31 30 29 28 0.140.120.160.180.200.240.220.26 高程/ m A1, 2d A2, 2d A3, 2d A4, 2d A1, 6d A2, 6d A3, 6d A4, 6d ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ■ ▲ ◆ ■ ▲ 图 ２ Ａ１～Ａ４ 体积含水率变化曲线 深度增加而增加，且含水率变化趋势基本重合。 总体 而言，含水率变化趋势为裂隙渗透系数越大，雨水越 易于进入到边坡内部，引起内部含水率上升；裂隙渗透 系数越小，越易于引起边坡表面含水率升高；当降雨持 续 ２ ｄ 时，只有 μ≥１００ 时雨水才能顺利进入边坡内 部；随着降雨持续至 ６ ｄ 时，雨水均顺利进入边坡内 部，引起边坡内部含水率的上升。 图 ３ 为 Ａ１～Ａ４ 顺裂隙方向渗透系数随深度变化 曲线。 由图 ３ 可见，降雨持续 ２ ｄ，当 μ＝ １ 时，顺裂隙 渗透系数随深度增加不断减小。 除了 μ＝１ 的情况外， 顺裂隙方向渗透系数均随深度增加不断增大；降雨持 续 ６ ｄ 时，不论 μ 值大小，均会导致顺裂隙方向渗透系 数随深度增加不断增大。 且在图中可以看出顺裂隙方 向的渗透系数随 μ 增大而明显增大。 顺裂隙方向渗透系数/m s-1 36 34 32 30 28 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-2 高程/m A1, 2d A2, 2d A3, 2d A4, 2d A1, 6d A2, 6d A3, 6d A4, 6d ■ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲▲ ▲ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 图 ３ Ａ１～Ａ４ 顺裂隙方向渗透系数变化曲线 结合图 ２ 与图 ３ 的分析可知，产生以上现象的原 因是当降雨持续 ２ ｄ 且 μ＝１ 或 １０ 时，顺裂隙方向渗 透系数与降雨强度基本相等，导致部分雨水滞留在土 体上层的时间过长，造成土体上层含水率相对较高；当 μ＞１００ 时顺裂隙方向渗透系数最小为 ９．６１０ －５ ｍ／ ｓ，远 大于降雨强度，雨水可以顺利到达边坡内部，使含水率 随深度增加而增加。 结合式（４）可知，裂隙土的渗透 系数随含水率升高而增加，当降雨时间持续增加时，土 体含水率越来越高，导致顺裂隙方向渗透系数高于降 雨强度，此时雨水能顺利进入到坡体内部，引起含水率 随土体深度增加而增加。 图 ４ 为 Ｂ１～Ｂ４ 体积含水率变化曲线。 由图 ４ 可 见，在降雨持续 ２ ｄ 时，当 μ＝１ 时，含水率随深度增加 而减小；当 μ≥１０ 时，含水率随深度增加而增加，且含 水率变化曲线基本一致。 降雨持续 ６ ｄ 时，不论 μ 值 大小，含水率均随深度增加而增加，且含水率沿高程变 化趋势相同。 体积含水率 35 34 33 32 31 30 29 28 0.10.20.30.40.5 高程/ m B1, 2d B2, 2d B3, 2d B4, 2d B1, 6d B2, 6d B3, 6d B4, 6d ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 图 ４ Ｂ１～Ｂ４ 体积含水率变化曲线 图 ５ 为 Ｂ１～Ｂ４ 顺裂隙方向渗透系数随深度变化 曲线。 对比图 ５ 和图 ３ 可见，降雨强度增加，顺裂隙方 向渗透系数变化幅度增大，但总体变化趋势不变。 综合分析图 ４ 和图 ５ 可知，顺裂隙方向渗透系数 对边坡含水率的影响与降雨强度有很大的关系。 顺裂 隙方向渗透系数小于降雨强度时，降雨入渗过程受土 ６１矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 顺裂隙方向渗透系数/m s-1 36 34 32 30 28 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100 高程/m B1, 2d B2, 2d B3, 2d B4, 2d B1, 6d B2, 6d B3, 6d B4, 6d ■ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ▲ ▲ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ 图 ５ Ｂ１～Ｂ４ 顺裂隙方向渗透系数变化曲线 体渗透系数的控制，这种情况下雨水滞留在土层上部 的时间较长，导致上部含水率较高；当顺裂隙方向渗透 系数大于降雨强度时，降雨入渗过程受降雨强度的控 制，雨水可以顺利进入裂隙底部，引起坡体内部含水率 的上升。 当降雨强度增大引起含水率增长较快时，顺 裂隙方向渗透系数快速超过降雨强度，雨水迅速到达 边坡土体内部并在内部聚集，造成裂隙内部土体体积 含水率变化。 ２．２ 裂隙长度对边坡渗流的影响 图 ６ 为 Ｃ１～Ｃ３ 监测点 Ａ 处体积含水率变化曲线。 由图 ６ 可知，在降雨强度 ４．７１０ －７ ｍ／ ｓ 条件下，随降雨 时间增加，裂隙越短监测点 Ａ 处土体含水率越大。 降雨时间/d 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 1023456 体积含水率 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ C1 C2 C3 ■ ▲ ◆ 图 ６ Ｃ１～Ｃ３ 体积含水率变化曲线 根据上述结果分析可得，μ ＝ １００ 时，顺裂隙方向 饱和渗透系数较大，降雨持续较短即会导致顺裂隙方 向渗透系数超过降雨强度，使得雨水较快到达裂隙内 部引起坡体内部含水率上升。 裂隙越短，雨水到达裂 隙底部就会越快，而原坡积土渗透系数较低，这就会引 起一部分雨水在裂隙内部聚集，此时裂隙渗流受上部 水头压力作用，导致裂隙越短监测点 Ａ 处含水率增长 速度越快。 图 ７ 为 Ｄ１ ～ Ｄ３ 监测点 Ａ 处体积含水率变化曲 线。 由图 ７ 可知，降雨强度为 １．４１０ －６ ｍ／ ｓ 时，监测点 Ａ 处含水率变化趋势与图 ６ 基本相同，即随降雨时间 增加，裂隙越短，监测点 Ａ 处含水率越大。 降雨时间/d 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1023456 体积含水率 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ D1 D2 D3 ■ ▲ ◆ 图 ７ Ｄ１～Ｄ３ 体积含水率变化曲线 根据图 ７ 分析可得，增加降雨强度可以缩短雨水 进入裂隙内部的时间，使得裂隙内部含水率在短时间 内迅速增加，同样，由于降雨强度增强以及降雨时间增 加，大量雨水涌入裂隙，而原坡积土渗透系数较小，导 致裂隙内雨水不易渗出，造成裂隙内部雨水形成聚集 甚至溢满。 裂隙较短时，雨水在较短时间内形成了聚 集，造成含水率增长在前期较快，当裂隙较长时，雨水 聚集需要的时间较长，也就造成含水率增长在前期增 长较慢。 表明随降雨强度增加，裂隙越短，含水率上升 速度越快。 ２．３ 裂隙角度对边坡渗流的影响 图 ８ 为 Ｅ１～Ｅ３ 顺裂隙方向土体体积含水率分布 情况。 由图 ８ 可知，降雨持续 ２ ｄ，裂隙角度 ０时，含 水率随深度增大而增加；而裂隙角度 ３０或 ６０时，含 水率随深度增大而减小。 降雨持续 ６ ｄ，裂隙角度 ０ 或 ３０时，含水率随深度增大而增加，而裂隙角度 ６０ 时，含水率随深度增加而减小。 根据上述情况可得出， 降雨强度 ４．７１０ －７ ｍ／ ｓ 条件下，裂隙角度对裂隙内部 含水率的上升有一定抑制作用，但随降雨时间增加，这 种抑制作用逐渐削弱。 体积含水率 35 34 33 32 31 30 29 0.10.20.30.4 高程/ m ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ E1, 2d E2, 2d E3, 2d E1, 6d E2, 6d E3, 6d ■ ■ ▲ ▲ ◆ 图 ８ Ｅ１～Ｅ３ 体积含水率在顺裂隙方向的变化曲线 综合分析表明，降雨强度 ４．７１０ －７ ｍ／ ｓ 条件下，当 降雨时间相同时，裂隙角度越小，雨水越易于进入裂隙 ７１第 ４ 期刘登生等 降雨条件下裂隙各向异性对坡积土边坡渗流的影响分析 ChaoXing 内部，从而引起边坡内部含水率上升；裂隙角度越大， 雨水越易于在边坡上层汇集，导致边坡内部含水率小 于边坡上层含水率。 降雨时间较短时，进入裂隙的雨 水有限，造成裂隙上部渗透系数有较小的提高，且裂隙 角度的存在促使裂隙上部渗流趋向于水平方向，使雨 水不能进入到裂隙内部引起含水率的上升，从而表现 为裂隙角度对雨水的阻碍作用明显。 随降雨时间增 加，雨水大量涌入裂隙，造成裂隙上部渗透系数增加， 雨水顺利进入裂隙内部引起含水率上升，从而表现为 裂隙角度对雨水的阻碍作用减弱。 图 ９ 为 Ｆ１～Ｆ３ 顺裂隙方向土体体积含水率的分 布情况。 由图 ９ 可见，降雨强度 １．４１０ －６ ｍ／ ｓ 条件下， 降雨持续 ２ ｄ 时，仅在裂隙角度 ０时含水率随裂隙深 度增加而增加，其余裂隙角度情况下，含水率均随深度 增加而减小；降雨持续 ６ ｄ 时，所有裂隙角度条件下的 含水率均随深度增加而升高。 对比分析图 ９ 和图 ８ 可 知，降雨持续 ６ ｄ 时，裂隙角度增大对含水率分布规律 的影响基本消失。 体积含水率 35 34 33 32 31 30 29 0.10.20.40.50.30.6 高程/ m F1, 2d F2, 2d F3, 2d F1, 6d F2, 6d F3, 6d ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ■ ▲ ◆ 图 ９ Ｆ１～Ｆ３ 体积含水率在顺裂隙方向的变化曲线 根据上述情况分析，裂隙角度增加会延长雨水在 裂隙上部滞留时间，引起裂隙上部含水率高于裂隙内 部含水率。 随降雨强度增强，雨水在短时间内大量进 入裂隙，造成顺裂隙方向渗透系数迅速大于降雨强度， 此时裂隙入渗过程受降雨强度控制，雨水大量进入裂 隙内部引起含水率上升且高于裂隙上部含水率。 当裂 隙入渗过程受降雨强度控制时，在较大降雨强度且雨 水全部入渗条件下，裂隙角度对含水率影响变小，表明 在这种情况下裂隙角度对降雨入渗的影响减弱。 ３ 结 论 １） 裂隙渗透系数对坡积土边坡渗流的影响与降 雨强度有关，当裂隙渗透系数小于降雨强度时，雨水入 渗过程受渗透系数控制，当裂隙渗透系数大于降雨强 度时，雨水入渗过程受降雨强度控制。 ２） 对不同长度的裂隙，在裂隙内部相同高程处设 置监测点，当降雨时间与降雨强度相同时，裂隙越短监 测点处含水率越大。 ３） 裂隙角度较小时，降雨入渗深度较大，同时对 坡体上层含水率影响较小；裂隙角度较大时，降雨入渗 深度相对较小，但对坡体上层含水率影响较大。 ４） 降雨强度增大或降雨时间增加，造成裂隙内部 体积含水率分布规律趋于一致，证明这种情况下裂隙 各向异性对坡积土边坡降雨入渗的影响减弱。 参考文献 ［１］ 詹良通，李 鹤，陈云敏，等． 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