一种改进的坡度稳定性评估方法，该方法充分考虑了孔隙水压力、静水压力和动水压力等因素

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：An improved method of evaluating slope stability with full consideration of pore water pressure, hydrostatic pressure and dynamic pressure

孔隙水压力对黄土边坡稳定性的影响机制及改进Bishop方法研究。通过图解分析与理论推导，揭示了孔隙水压力、静水压力与渗流力的相互作用关系，提出考虑孔隙水压力方向性影响的改进边坡稳定性分析方法。案例研究表明该方法能有效识别黄城滑坡的不稳定性，传统方法因错误叠加压力导致安全系数计算偏保守。

　　

袁航 王|裴月 李|建华 吴|米斯巴·菲达

长安大学水与环境学院，中国陕西省西安市雁塔路126号，邮编710054

摘要

地下水渗流是影响边坡稳定性的关键因素，尤其是在具有地下水渗流条件的黄土边坡中。地下水渗流通过孔隙水压力对黄土边坡稳定性的作用仍不明确。本研究通过图解分析和理论推导阐明了孔隙水压力、静水压力和动水压力在黄土边坡中的关系。提出了一种改进的边坡稳定性评估方法，考虑了孔隙水压力对边坡的影响。以黄池滑坡为例（该滑坡是中国典型的由地下水渗流引起的黄土滑坡），验证了这种改进方法的有效性。结果表明，沿滑动面切线和法线方向分解土壤条带的孔隙水压力可以得到与条带的静水压力和动水压力矢量和等效的力学表达式。因此，渗流条件下的孔隙水压力是这些力的合力。将传统的简化Bishop方法应用于黄池滑坡，得到的安全系数（F_s）为1.099，表明边坡稳定；而考虑孔隙水压力后，安全系数降低到1.048（仍然表明边坡稳定），这是因为传统方法忽略了地下水渗流的驱动作用。相反，本文提出的改进方法得出的安全系数为0.965，正确反映了边坡的不稳定性。孔隙水压力显著降低了抗力，同时略微增加了驱动力。这种针对受地下水渗流影响的黄土边坡提出的方法提供了更可靠的稳定性评估。

引言

滑坡是世界各地发生的严重地质灾害（Acosta等人，2016年；Wang等人，2024年；Chen等人，2024年）。中国是受滑坡灾害影响最严重的国家之一。中国有70多个城市和460多个县受到滑坡的破坏，造成了巨大的生命和财产损失（Yan等人，2019年；Leshchinsky等人，2019年；Fusco等人，2017年）。鉴于在环境和工程条件变化下地质灾害频率的增加，理解边坡不稳定的基本机制已成为全球岩土工程和地质工程界的一项紧迫而重要的任务（Peng等人，2020年；Kim等人，2022年；Amantay等人，2024年）。

地下水是边坡不稳定性的关键因素，但其力学作用在岩石边坡和黄土边坡之间存在根本差异。这种差异源于它们不同的地质结构、渗透特性和水敏响应（Derbyshire，2001年）。岩石边坡通常由坚硬完整的岩石组成，其渗透性主要来自节理、裂缝和断层等不连续性，从而在离散网络中产生不均匀的渗流场（Li等人，2025年；Liu等人，2023年）。充满水的裂缝中的静水压力可以直接驱动滑动（Huang等人，2015年；Chapman等人，2024年）；例如，在楔形破坏中，增加的裂缝水压力会放大滑动力，而沿流动路径的渗流力会加剧岩体变形（Doug和Andrea，2015年）。此外，地下水对岩石不连续性具有“软化和润滑”的双重作用，长期渗透会导致强度逐渐降低（Ding和He，2024年；Cui等人，2025年）。

相比之下，黄土边坡的不稳定机制比岩石边坡更为复杂，主要原因是黄土的高孔隙率（40%-50%）和强坍塌性（Zhao等人，2025年）。地下水在黄土中优先沿垂直节理渗透，形成垂直渗流通道，导致地下水位上升。地下水位上升改变了边坡内的重力、应力和渗流场，并影响黄土层的物理力学性质（Pan等人，2019年；Xu等人，2021年；Li等人，2018年）。边坡中的水通过增加滑动体的重量来增强滑动力，同时通过渗流和浮力减小抗力，从而影响边坡稳定性并引发滑坡（Peng等人，2020年；Carey等人，2019年；Wang等人，2018a；Gowhar等人，2024年；Terajima等人，2014年）。在渗流过程中，增加的孔隙水压力降低了土体的有效应力。剪切强度的下降常常引发渐进性浅层滑坡或坍塌事件。这类破坏通常伴随着垂直裂缝的扩展，并具有显著的区域性和重复性特征（Gao，1998年；Wu等人，2017年；Shafieiganjeh等人，2024年；Lv等人，2014年）。尽管研究兴趣日益增加，但大多数关于非饱和黄土边坡的研究都集中在降雨入渗情景上（Kim等人，2022年；Amantay等人，2024年；Satyanaga等人，2024年；Rahardjo & Satyanaga，2019年）。Satyanaga等人（2024年）开发了用于残余土壤特性的地质统计映射方法，以支持降雨引起的滑坡灾害评估。Amantay等人（2024年）揭示了干燥-湿润土壤-水特性曲线和非饱和渗透性在阿拉木图降雨影响边坡稳定性中的关键作用。Kim等人（2022年）通过历史降雨分析和数值模拟确定了新加坡残余土壤边坡的关键降雨情景。Rahardjo和Satyanaga（2019年）建立了密集城市地区降雨引起的滑坡的易发性映射和实时监测框架，而稳态渗流下地下水位上升这一同样关键的条件却尚未得到充分研究。

在边坡稳定性分析中，地下水渗流被普遍认为是一种不稳定因素，因为它通过孔隙水压力的产生、软化和内部侵蚀改变了边坡材料的应力状态和力学响应（Zhou等人，2023年）。然而，关于孔隙水压力、静水压力和渗流压力的区分和叠加存在持续的概念混淆。在许多分析框架中，孔隙水压力与独立施加的渗流力同时考虑，导致要么重复计算水力作用，要么完全忽略渗流力（Lu等人，2016年；Li，2016年；Fang，2021年）。实际上，静水压力只是孔隙水压力的一个静态组成部分；在静水条件下，孔隙水压力等于静水压力；而在渗流条件下，必须叠加动态成分。因此，在极限平衡方法中分别处理这些组件的普遍做法缺乏严格的力学依据。

最常用的渗流分析极限平衡方法，即Fellenius方法和简化Bishop方法，将土水混合物视为连续体，并假设边界水压力垂直作用于界面，其大小等于局部孔隙水压力。它们的公式表示为方程1（1），（2）（Fellenius，1936年；Bishop，1955年；Dang和Li，2013年）：$$$$$$其中，c_i'是有效凝聚力，φ_i'是滑动面的有效摩擦角，l_i是滑动面的长度，F_s是安全系数。α_i表示滑动面与水平方向之间的角度。u_i是作用在土壤条带i上的平均孔隙水压力，u_i=γ_w*h_w，γ_w表示水的比重，h_w表示从土柱底部中心到地下水面的垂直距离，W_i是土壤条带i的重量。

尽管这些方法在工程实践中继续得到应用，但当应用于受地下水渗流影响的黄土边坡时，它们存在三个根本缺陷：压力边界理想化不正确：切片边界上的水压力是根据地下水位计算的，而不是基于实际的流线和等势线构成的流动网计算的。这种简化在渗流力表示中引入了系统误差（Mao等人，2017年；Fang，2021年）。渗流方向不对齐：这两种方法都隐含地假设渗流力平行于滑动方向，因此只考虑了渗流的破坏性成分，而完全忽略了其对抵抗系统的潜在贡献（Wang等人，2018a）。在渗流路径通常是次水平的黄土边坡中，这种假设在力学上是不正确的。孔隙水力的力臂计算错误：孔隙水力是分布在整个边坡质量中的体力，而不是局部作用在滑动面上的表面牵引力。因此，在力矩平衡中，其力臂不应等于滑动圆半径——这种简化进一步扭曲了计算出的安全系数（Li，2015年；2016年；Chen等人，2008年；Zeng等人，2021年；Aman等人，2024年）。

这些限制共同表明，尽管传统的极限平衡方法在计算上方便，但系统性地误解了地下水渗流在黄土边坡中的真实力学作用，导致潜在的不保守的稳定性评估。为了弥补这些不足，本文重新审视了孔隙水压力、静水压力和渗流力之间的相互关系，并重新制定了简化Bishop方法，正确地将渗流作为具有方向依赖性的体力纳入驱动和抵抗系统。该方法应用于黄池滑坡（中国典型的由地下水引起的黄土破坏），以验证其预测能力并阐明其背后的机制。

小节片段

孔隙水压力与渗流力和浮力的关系

在黄土形成过程中，形成了各种优先通道，如垂直节理、卸荷节理、可坍塌节理、结构节理、淋溶节理和风化节理（Zhang等人，2022年；Tang等人，2021年；Huang等人，2023年）。在降水或灌溉条件下，水迅速沿这些优先流动路径渗透，导致地下水位上升到滑动带以上，

黄池滑坡的特点

黄池滑坡位于中国西北部兰州市以西约70公里处，首次发生于1995年，主要由地下水渗流引起（Liu等人，2018年；Xu等人，2014年），此后发生了多次连续滑坡。甘肃省属于半干旱气候，年降水量仅为蒸发量的五分之一。因此，在自然条件下地下水不发达。自20世纪60年代中期以来，一项灌溉项目

讨论

本研究最重要的发现是定量证明了地下水渗流对黄土边坡稳定性的不对称影响：在所研究的条件下，孔隙水压力使抗滑力矩减少了8.35%，而使滑动力矩仅增加了0.14%。这种不对称性不仅仅是一个数值细节；它反映了传统极限平衡公式中忽略的一个基本力学机制。通过改进简化Bishop方法，

结论

本研究重点阐明了在地下水渗流条件下，地下水静水压力和动水压力对边坡稳定性的内在力学机制，并指出了传统边坡稳定性评估方法在准确描述孔隙水压力作用方面的局限性。本研究的核心发现系统地总结并定性阐述如下：

(1)

通过应用图解方法和理论推导，

CRediT作者贡献声明

裴月 李：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，方法论，资金获取，正式分析，概念化。建华 吴：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，方法论，资金获取，概念化。袁航 王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。米斯巴·菲达：

未引用的参考文献

Chen, 2008; Liang, 2020; Liu等人，2009.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究工作得到了国家自然科学基金（42272302、42090053和42472316）、国家重点研发计划（2023YFC3706901）以及中央高校基本科研业务费（300102293725）的资助。