透水混凝土导渗-锚固护坡性能试验与分析研究

汪 滨, 臧德记，马广军

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

为预防滑坡，常采用工程护坡，如砌石护坡、混凝土护坡、喷浆护坡、抗滑桩、锚固等，以减少滑动力与增加抗阻力，限制滑移发展。而常规边坡排水的方法有地表截水沟、地下排水洞、排水孔。一些新的导渗技术，如“排水孔纤维束导渗方法及装置”[5]、“多向导水联结扣”也在开始工程中试用。

如果一种护坡结构同时具备力学阻滑与排水导渗的功能, 其护坡作用会更好。因此提出导渗-锚固滑坡防控体系,并申请了专利[6]。锚杆深入岩土中，通过合理的设计，可以形成理想的导渗通道，达到在深层大面积地调控地下水的目的，同时, 锚固力起到阻滑作用。

1 透水混凝土导渗与锚固性能试验分析

图1为一种导渗-锚固复合结构示意。主要构件包括锚杆、透水胶结材料、承压板等。锚杆外侧充填透水胶结材料，形成一个环状多孔透水带，其作用是既可传递力又可以导渗。

图1 导渗-锚固复合结构示意

导渗特性主要取决多孔结构的渗透系数。锚固特性主要反映在多孔结构与锚杆、岩土层界面相互作用力学特性。

1.1 透水材料与孔隙率的测试

对于透水多孔材料，早期试验中,多孔材料选择水泥透水混凝土与聚合物混凝土2种，并进行了一系列的试验。试验发现聚合物混凝土孔隙率虽较高，但抗压强度是前者1/3左右，且握裹力试验很低。基于力学性质的差异，兼顾经济成本、耐久性与技术成熟度等因素，后选择水泥透水混凝土作为胶结材料。

水泥透水混凝土采用二次投料法,插捣成型。水泥透水混凝土按照规程在标准养护室中养护。采用重量法测量透水混凝土的孔隙率。

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1.2 透水混凝土渗流特性试验

参照日本混凝土协会的测试方法设计透水仪，用以测量透水混凝土的透水系数。通过测量规定时间内的排水量，采用达西定律计算透水混凝土试件的透水系数。

测定透水混凝土不同配比情况下渗透系数，发现对透水系数最主要的影响因素是孔隙率，其次是骨料粒径，其他因素对透水系数的影响很小，可以忽略。

图2为当骨料粒径为10～20 mm，不同孔隙度条件下的渗透率系数，可以看出, 孔隙度高，渗透系数大。对于排水导渗，越有利于排干边坡里的积水。试验结果表明，孔隙率为18%时，渗透系数可达10 mm /s以上。

图2 孔隙率对渗透系数的影响

1.3 锚固结构的力学性能试验分析

导渗-锚固复合结构中, 锚杆的材料和力学性能是已知的，渗透混凝土的力学性能与常规混凝土不同，许多研究人员深入地研究了透水混凝土的强度等力学参数[7]，许多试验数据可供参考[8-9],相对不确定因素表现在2个方面：胶结材料与锚固的交界面、胶结材料与岩土层交界面。此2个交界面的力学性质, 决定锚固的极限抗拔力的值。

1.3.1透水混凝土强度试验

透水混凝土强度试验根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用Toni万能试验机对普通混凝土的力学性能进行了试验和计算。图3显示了当骨料粒径为10～20 mm时，不同孔隙率下的抗压与抗折强度试验结果。

图3 孔隙率对抗压、抗折强度的影响

可以看出，随着孔隙率的增加，多孔结构的透水混凝土其抗压与抗折强度都有一定程度的下降。

1.3.2透水混凝土握裹力试验

多孔透水胶结材料与锚固的交界面的力学特性，与钢筋混凝土握裹力试验相似，因此采用类似的方法测试[11]。试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试验选用直径为20 mm的玻璃钢螺杆。锚杆与混凝土一起浇筑，形成试件。螺栓两端高于混凝土两端，一端较长，另一端较短，成型后保持28天。

测试见图4，将试块放置在握裹力试验装置上。螺栓的长端由万能机通过装置下端的中心孔夹紧。将千分尺安装在螺栓较短端并固定牢固，有2种试验，一种是干试样;另一种是湿试样，在水中浸泡24小时以上。为了统一标准, 表1列出了滑动变形0.1 mm对应握裹力值。

图4 透水混凝土握裹力试验

表1 握裹力实测中滑动变形0.1 mm时测试值

从以上数据可以看出：①透水混凝土的握裹力略小于常规混凝土；②在孔隙率一定的范围内(≤18%)，握裹力在一定的范围波动, 但相对波动较小，约为常规混凝土75%～80%，超过这一范围后(>18%)，握裹力有急剧下降的可能性；③水浸泡后的试样，握裹力略大于干燥试样。分析认为, 测试时孔隙中的水分担部分载荷，有助于握裹力的提高。

1.3.3与土层接触面的力学特性

许多科研工作者对结构面与土层接触面的力学特性进行深入的研究[11]。粗糙度的变化对接触面黏聚力有明显的影响，而对接触面摩擦角的影响程度较小。表2为一种红黏土在法向压力为100、200 kPa时, 粗糙度与界面抗剪切强度的关系。粗糙度采用灌砂法测量，即用填砂法用于测量填砂深度，填砂体积除以代表粗糙度的断面面积(V/S)。透水混凝土孔隙率为18%时，粗糙度为3.18 mm。由表可以看出，随着表面粗糙度增大，界面的抗剪切强度呈升高趋势。由于岩土的多样性，升高的幅度会有差异，这里不过多讨论。

表2 不同粗糙度下界面的抗剪切强度

根据有关的锚固设计规范,胶结式锚固段提供的抗拔力计算，主要依据：①胶结段同孔壁的抗剪强度；②胶结材料与锚(杆)的握裹力。两者取较小者，考虑安全系数，确定设计值。从以上试验可以看出, 透水混凝土的锚杆握裹力降低有限，与土层接触面抗剪强度略有增大。因此, 通过合理地设计, 可以达到工程要求。

2 导渗-锚固滑坡防控体系的机理数值分析

为研究导渗-锚固复合结构对边坡的功效，采用数值分析的方法模拟降雨的影响[12]。此次计算采用一商业边坡稳定分析程序，它包括边坡稳定性(SLOPE/W)、地下水渗流分析(SEEP/W)、岩土应力变形分析(SIGMA/W)等模块。其中非饱和土理论基于Fredlund非饱和土计算理论，并考虑降雨入渗效应。

假设条件为：①降雨强度为30 mm/h，降雨24 h后中止；开始时，地下水位左边为7 m，右边为6 m(与地面齐平) 。②坡高6 m，坡度为1.000∶1.333，锚固系统分3层布置，最上层锚杆长13 m，锚固段长度10 m，下面两层锚杆长度15 m，锚固段长度12 m，边坡断面尺寸见图5，按试验用锚杆,直径20 mm，自身抗拉强度为200 kN。③均质土坡，土体重度18 kN/m3，c=15 kPa，φ=8°。④坡面为入渗和自由排水边界条件。

图5 边坡断面

根据SL 212—2012《水工预应力锚固设计规范》胶结式锚固段提供的抗拔力，取决充填透水胶结材料分别与锚杆、土2个界面黏结情况，取两界面中最小值, 即min为{πDCL, πdc1L}。其中D为锚索孔直径，mm；C为胶结材料同孔壁的黏结强度，MPa；c1为胶结材料与锚杆的握裹力；d为锚杆直径，mm；L为锚固段长度，mm。透水混凝土按试验中孔隙率18%的参数,握裹力按干燥时试验值校核。锚固体直径15 cm，锚固体与土体之间的黏结强度取100 kPa。因πDCL﹤πdc1L，薄弱面锚固段与土的交界面，锚杆所能承受的极限抗拔力按πDCL计算。

计算渗流场时，透水混凝土按试验中孔隙率18%的参数, 即渗透系数k=1.1 cm/s，土的饱和渗透系数k=1.0×10-3cm/s。计算边坡局部时，根据非饱和土力学模型计算出局部土的抗剪强度；整体稳定性计算按瑞典条分法计算整体稳定性。

2.1 渗流场的变化

随着降水，导致表层土层含水量迅速增加，水向下渗透，从而使得浸润线升高。图6为降水6 h渗流场的情况,图6a为天然土坡的浸润线，图6b为锚固-导渗土坡的浸润线。由于导渗的作用，锚固-导渗边坡土体内水位上升的速率均小于天然土坡；浸润线抬升慢。进一步研究可以发现,降雨结束后，锚固-导渗边坡土体内水位下降速率均大于天然土坡；且锚固不同倾角，其导渗效果及渗流场有所不同。

a) 天然边坡

b) 导渗-锚固边坡图6 降雨6 h后边坡孔压等值线(kPa)

2.2 边坡局部的变化过程

降雨的渗入导致坡内总水头、孔隙水压力、含水率、压力水头均产生变化。由渗流场变化可以看出，边坡中一部分土经历了非饱和土→饱和土的过程。对于非饱和带土，引入非饱和土力学模型[13-14]计算特征点A孔隙水压力与抗剪强度。该特征点A距离坡面1.2 m，位于最下层锚杆下部0.5 m。

图7为A点处的渗流参数孔隙水压力与土抗剪强度变化量的变化。在降雨一段时间，该点非饱和状态→饱和状态；孔隙压力大于零；降雨24小时后，又逐渐地由饱和状态→非饱和状态。对应的土体抗剪强度也发生变化，由降雨初始状态急剧降低，随后有一段时间平稳期；降雨中止后，土体抗剪强度分段逐步恢复。

图7 降水与中止后孔隙水压力与抗剪强度的变化

由此可知，随着降雨的渗入，含水量增高, 孔隙水压力增大，基质吸力下降, 最终导致土体抗剪强度的降低，边坡产生相应的应变。当接近饱和时，孔隙水压力、抗剪强度变化趋势变缓，直至稳定在一数值附近。

虽然不同位置土体的变化有差异,A点可以反映坡脚的局部变化，局部变化也使边坡整体稳定性产生变化[15]。

2.3 整体稳定性变化

图8为边坡安全系数在降水与中止后的发展过程，可以看出随着降雨的进行，边坡安全系数在降低，在土坡渗流场达到相对稳定状态时，安全系数降至最小；降雨结束后，随着土坡内水位线的降低，安全系数逐渐升高。锚固边坡与天然土坡变化趋势相似，但护坡方法不同, 安全系数的值与变化程度明显不同。

图8 降水与中止后安全系数的变化

对比曲线可以看出：①对于天然边坡，稳定性没有达到要求时，采用锚固可提高稳定性；②降水过程中，不排水情况，安全系数的降幅较大，有了排水功能，安全系数的降幅较小；③排水与锚固结合，除了静态地提高稳定性外，动态地看，对于因降水引起的岩土强度劣化起到缓冲作用，而在雨停间隙，又能起到快速恢复的作用。

3 结语

为了防止降雨引起的滑坡，设计导渗-锚固护坡结构。选择透水混凝土作为胶结材料，以实现导渗与锚固系统的结合。针对护坡结构导渗与锚固性能,开展一系列的试验，并数值分析边坡渗流场、土的抗剪强度与边坡稳定性的变化。试验表明：选择透水混凝土可以实现良好的排水导渗，渗透率系数随孔隙度增加而有所增加。透水混凝土的握裹力较常规混凝土降幅有限。若浸泡在水中后，握裹力略大于干燥状态下的握力。混凝土与岩土接触面黏聚力随着表面粗糙度下降反而略有增高，因而,有良好锚固性能。在孔隙率为18%时，渗透系数可达10 mm/s以上，握裹力约为常规混凝土87%以上, 导渗与锚固性能相对较优, 可供工程应用参考。进一步数值分析表明：采用该护坡结构，能有效地降低土的浸润线高度和孔隙水压力，从而减少因浸水引起的岩石力学性质的劣化。降雨时边坡稳定安全系数降低，降雨停止后边坡稳定安全系数恢复较快，对滑坡灾害起到缓冲作用。

因此，导渗锚固复合结构体系不仅可以加固边坡，而且可以通过透水材料排出大量的渗流，起到标本兼治的作用，具有优良的防灾性能。