不同毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡的渗流及稳定性研究

陈冠一，肖杰，陈强，杨和平，常锦，邹维列，陈汪洋

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114；2.广东鸿高建设集团有限公司，广东东莞，523507；3.长沙学院土木工程学院，湖南长沙，410022；4.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉，430072)

膨胀土在世界范围内分布广泛[1]。因膨胀土具有显著的“吸水膨胀、失水收缩”特性，在干湿循环作用下，边坡浅层土体含水率波动幅度大，极易产生裂隙而破坏其完整性；开裂使浅层土体的渗透性增大，雨水易渗入坡体导致土体抗剪强度衰减；经反复干湿循环的作用，裂隙沿宽度与深度方向扩展达到一定程度后，在持续降雨期或雨后边坡易发生浅层坍滑破坏[2-5]。为解决膨胀土边坡发生浅层破坏的问题，学者们采取了许多种处治措施(如采用挡土墙、锚杆框架梁、抗滑桩等)，但常因膨胀土特殊的工程地质性质以及刚性结构物减胀效能层设置不当而未能达到预期的防治效果。近年来，人们采用土工格栅加筋柔性支护技术治理膨胀土边坡坍滑[6]，但该法也存在施工超挖宽度大(一般大于3.5 m)、人工成本偏高的缺陷。因此，探究新的、经济的技术措施来解决膨胀土地区筑路“逢堑必滑”的难题，仍是当今岩土工程领域的研究热点。毛细阻滞覆盖层由粗土上覆盖一层细土组成，最初用于处治垃圾填埋场，防止雨水渗入垃圾体，污染地下水以及周边环境[7-8]。考虑到单一土质覆盖层防渗性不能满足规范要求，ROSS[9]提出了“细-粗”两层毛细阻滞覆盖层的方法，但该方法仅适用于干旱和半干旱气候条件，在湿润气候中易失效。为弥补传统两层毛细阻滞覆盖层的不足，CARL等[10]提出了含导排层的“细-导排层-粗”三层毛细阻滞覆盖层系统；导排层加快了覆盖层中水分的侧向导排，提高了防渗性能。RAHARDJO 等[11]提出了“细-粗-细-粗”四层毛细阻滞覆盖层结构，其侧向导排性能优于传统的双层覆盖层的导排性能，且防渗能力更佳；NG 等[12-13]在传统的双层覆盖层下再设一层低渗透性细层，提出了“细-粗-细”三层毛细阻滞结构覆盖层，发现即使在降雨过程中顶部两层毛细阻滞覆盖层失效后底部细层仍能阻止雨水继续下渗。虽然不同结构形式的毛细阻滞覆盖层均能发挥一定的防渗保湿作用，但其在膨胀土边坡处治中的应用研究较少。

为此，本文作者基于非饱和渗流理论，运用Geo Studio 有限元软件开展持续大雨条件下“细-粗”“细-导排层-粗”“细-粗-细”和“细-粗-细-粗”4种覆盖层处治膨胀土边坡的渗流及稳定性分析，研究毛细阻滞覆盖层内部及膨胀土体的体积含水率的变化规律，探究适用于膨胀土边坡处治的结构形式。

1 毛细阻滞效应与非饱和土水力特性

由于细、粗2种材料层的水力传导性能存在差异，产生了毛细阻滞效应。在高基质吸力段，粗粒土的渗透系数远小于细粒土的渗透系数，而在低基质吸力段情况则与之相反。当土体含水率较低，降雨入渗的水分向上部细土层深部运移到达粗-细粒土界面时，由于粗粒土的渗透系数远小于细粒土的渗透系数，水分便被“阻滞”在这个界面，储存在上部细粒土层中并侧向导排，流向坡脚。随着降雨的持续，当细、粗土界面处的基质吸力降低到粗粒土进水时的基质吸力M时，毛细阻滞效应失效，如图1所示。

图1 毛细阻滞原理示意图Fig.1 Schematic diagram of capillary barrier principle

在饱和、非饱和渗流数值分析中，单元材料的渗透系数和基质吸力与单元的饱和度相关。在缺乏现场试验资料的情况下，常采用经典数学拟合经验公式Van Genuchten模型(简称VG模型)来确定材料的水力特性，其表达式[14]如下：

式中：S为土壤的饱和度；Se和Sr分别为土壤有效饱和度和残余饱和度；s为土壤基质吸力；α，m和n为VG 模型拟合参数，其中m=1-1/n，且0＜m＜1；k为渗透系数；kS为饱和渗透系数。

毛细阻滞覆盖层的表面细层材料由于受干湿循环作用的影响，往往处于中、低吸力状态，可用VG模型对土-水特征曲线(SWCC)进行拟合。然而，粗层材料及导排层材料含水率小，常处于高吸力状态，若采用VG 模型则拟合误差较大。因此，采用修正VG模型对粗层和导排层材料参数进行拟合，其数学表达式[15]如下：

式中：sdry为土壤饱和度为0时的基质吸力，通常取sdry=1 GPa；ε，a，SC和SB为修正VG 模型拟合参数，其中Φ为孔隙率；D为土壤粒径，其值一般取土壤有效粒径D10；XD为土壤常数。

2 计算模型

2.1 边坡模型

膨胀土边坡计算模型坡高为8 m，坡比为1.0:1.5，坡脚水平，坡顶设坡率为5%的横坡，其几何尺寸见图2。考虑到降雨、蒸发等气候循环作用下边坡表层土体风化程度不同，将边坡由上至下分为强风化层、弱风化层和未风化层。其中，强风化层和弱风化层竖直厚度分别为1.0 m和1.5 m。模型计算采用四边形和三角形单元，因渗流对边坡表层的影响比对深层的影响大，为减少计算工作量并保证计算结果的精度，将强、弱与未风化层网格单元长度最大分别设置为0.2，0.5 和2.0 m；强风化层表面开挖设置垂直于坡面的毛细阻滞覆盖层(厚度为0.5 m)，覆盖层采用软件内置的表面层进行定义，竖向长度为0.025 m，模型共有3 595个截面和3 533个单元，见图3。

图2 计算模型示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation model

参考已有研究[12,16]，确定“细-粗”(Ⅰ型)、“细-导排层-粗”(Ⅱ型)、“细-粗-细”(Ⅲ型)、“细-粗-细-粗”(Ⅳ型)4种毛细阻滞覆盖层组成材料及厚度，如表1所示。4种覆盖层保持总厚度为0.5 m不变；粗层材料均为碎石，厚度为0.1 m；最外层细层材料受干湿循环影响大，不宜为易产生裂隙的黏性土，故采用粉土；为使Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ型覆盖层表层储水能力相当，粉土厚度均取0.2 m；导排层材料为渗透系数较大的砂；采用碎石填充坡脚处宽度为0.4 m的渗沟，如图3所示。图3中，X为距边坡原点的水平距离。渗沟底设有直径为0.1 m的排水管，坡脚膨胀土与渗沟、碎石土之间铺设有一层土工膜。

表1 不同毛细阻滞覆盖层结构组成Table 1 Structure of different capillary barrier covers

图3 渗流计算模型剖面图Fig.3 Profile of seepage calculation model

2.2 计算参数和边界条件

2.2.1 计算参数选取

膨胀土饱和渗透系数和抗剪强度参数因风化程度不同而不同。一般地，强风化层的饱和渗透系数比未风化层的饱和渗透系数大2～4 个数量级[21]。因此，本文强化风层、弱化风层和未风化层的饱和渗透系数分别取2.3×10-6，2.3×10-7和2.3×10-8m/s，且各层渗透性函数形式相同。强化风层和弱风化层饱和慢剪抗剪强度参数分别采用8次与4次干湿循环作用下的南宁原状膨胀土双直线拟合低应力段的黏聚力(分别为3.1 kPa 和5.7 kPa)和摩擦角(分别为30.5°和27.7°)[22]；未风化层则采用未经干湿循环作用的高应力段拟合的抗剪强度参数，即黏聚力为30.4 kPa，摩擦角为28.5°[23]。依据文献[15,20-21]及工程地质手册等资料，选取毛细阻滞覆盖层材料和膨胀土水力参数。各材料物理力学参数见表2。

结合表2中参数，采用VG 模型对粉土和未风化膨胀土的SWCC进行拟合，采用修正VG模型对碎石和砂的SWCC进行拟合，结果如图4所示。

表2 各材料物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of various materials

图4 不同材料土-水特征曲线Fig.4 Soil-water characteristic curves of different materials

2.2.2 边界条件

渗流分析的边界条件如下：1)ab，bc和cd为降雨入渗边界(见图2)，采用流量q=0.05 m/d 模拟大雨条件。2)ag，dh和fe为不透水边界。3)gf和he为定水头边界，总水头分别为1.5 m 和1.0 m，以模拟地下水位。4)在降雨边界上施加很小的表面流量(q=1×10-8m/s)，得到稳态渗流条件，以此作为渗流分析的初始条件。5)⊙O为排水边界，假设总流量为0 m/s，以模拟排水管的作用。

图5 不同材料渗透系数与基质吸力的关系Fig.5 Relationship between seepage coefficient and matric suction of different materials

2.3 计算方案

选取不同层交界处附近几处平行特征截面(见图6)，其中A4，B5，C5和D5截面均位于膨胀土表层以下5.0 cm 深度处，其余截面与最近的材料层边界的垂直距离均为2.5 cm，分析持续降雨30 d时各覆盖层内部结构层各截面体积含水率变化规律；同时，在强风化层和弱风化层界面以及弱风化层与未风化层界面处设置8 个特征截面(见图3)，研究不同毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡在持续大雨100 d 下体积含水率的变化，分析4 种处治方案的防渗效果，并与未经处治边坡进行对比，进一步分析边坡稳定性。

图6 不同毛细阻滞覆盖层剖面图Fig.6 Cross-sections of different capillary barrier cover layers

3 计算结果与分析

3.1 不同类型毛细阻滞覆盖层对降雨入渗的影响

3.1.1 I型毛细阻滞覆盖层

图7所示为持续大雨作用下I 型毛细阻滞覆盖层处治边坡A1～A4截面体积含水率的变化。由图7可知：在降雨0.5 d时，坡脚处表层粉土层(A1截面)土体含水率显著增大，且在降雨1.5 d 时已全部饱和；而粉土层底部(A2截面)土体含水率虽增大，但仍处于非饱和状态，在降雨2.5 d 时才饱和。在降雨2.0 d 前，A3截面碎石层顶部含水率变化小，仅坡脚附近含水率稍有增大，但在降雨2.5 d 时坡脚(X=18～20 m)含水率迅速增大至饱和，说明入渗雨水在此处已由粉土层突破至碎石层中。随着降雨时间延长，A3截面多处体积含水率出现大幅波动，这是因为入渗雨水在粉土层与碎石层界面多处突破，且由于碎石层饱和渗透系数远大于粉土层的饱和渗透系数，渗入该层的雨水迅速排向坡脚；同时，碎石层被雨水突破后含水率波动发生的位置随降雨历时不同而不同。在入渗雨水由粉土层突破至碎石层前，膨胀土表层(A4截面)体积含水率基本不变，降雨2.5 d 时坡脚膨胀土体积含水率也开始增大，且随着降雨历时增加，降雨5.0 d 时也仅坡脚土体含水率增大，即便在降雨30.0 d时，断面大部分仍处于非饱和状态。

图7 I型毛细阻滞覆盖层不同截面处体积含水率的变化Fig.7 Changes of volumetric water content at different sections under type I capillary barrier cover layer

3.1.2 II型毛细阻滞覆盖层

图8所示为持续大雨作用下Ⅱ型毛细阻滞覆盖层处治边坡B1～B5截面体积含水率变化。从图8可知：当降雨1.0 d 时，砂层顶部B2截面与砂层底部B3截面有多处体积含水率变幅大；当降雨2.0 d时，B3处体积含水率整体比B2的大，但均处于非饱和状态；当降雨3.0 d时，B2和B3截面多处达到饱和，表明该阶段粉土层渗入的雨水在砂层积蓄且排向坡脚，并未渗入碎石层中，碎石层B4截面仅坡脚处的体积含水率略增大；但当降雨5.0 d 时，入渗雨水由砂层突破至碎石层，致使该处体积含水率显著增大，然而由于碎石层能迅速将渗入雨水排走，随着降雨的持续，仅B2和B3截面体积含水率变化大，B4和B5截面体积含水率变化小，说明Ⅱ型毛细阻滞覆盖层因有砂层导排层和碎石层的存在，可有效防止降雨渗入膨胀土体内部。即使连续降雨30.0 d，内部膨胀土仅坡脚(X=18～20 m)位置体积含水率有变化，但增幅不大，仍处于非饱和状态。

图8 Ⅱ型毛细阻滞覆盖层不同截面处体积含水率的变化Fig.8 Changes of volumetric water content at different sections under type II capillary barrier cover layer

3.1.3 Ⅲ型毛细阻滞覆盖层

图9所示为持续大雨下Ⅲ型毛细阻滞覆盖层处治边坡C1～C5截面体积含水率变化关系图。从图9可知：当降雨1.0 d 时，碎石层C2截面坡脚位置处体积含水率稍增大；当降雨1.5 d 时，该层在X=14～18 m 范围内达到饱和，表明当降雨1.0～1.5 d时，入渗的雨水已由粉土层突破至碎石层，其突破时间比I 型毛细阻滞覆盖层(约2.5 d)的短。这是因为Ⅲ型毛细阻滞覆盖层中的粉土层厚度为20 cm，仅为I 型覆盖层的一半，在相同条件下该层储存的入渗雨水少，且侧向导排距离短。当毛细阻滞覆盖层被突破后，因有20 cm厚的低渗透性黏土层，使膨胀土表层C5截面处的体积含水率并未立即增大，但随着降雨过程的持续，C3，C4和C5截面体积含水率不断增大，并在大范围内达到饱和，这表明Ⅲ型毛细阻滞覆盖层在持续大雨条件下的防渗能力欠佳。

图9 Ⅲ型毛细阻滞覆盖层不同截面处体积含水率的变化Fig.9 Changes of volumetric water content at different sections under type III capillary barrier cover layer

3.1.4 Ⅳ型毛细阻滞覆盖层

图10所示为持续大雨作用下Ⅳ型毛细阻滞覆盖层处治边坡D1～D5截面体积含水率的变化。从图10可知：D1和D2截面处体积含水率随时间变化的规律与C1和C2截面的变化规律基本一致，这与Ⅲ型和Ⅳ型毛细阻滞覆盖层的上部两层结构材料组成及厚度完全一致有关。当降雨2.5 d 时，中部粉土层底部D3截面(X=18～20 m)含水率基本达到饱和，且雨水已突破至下层碎石层，因D4截面坡脚处含水率陡增，导致D5截面膨胀土体积含水率略有增大。在降雨22.0 d和23.0 d时，D4截面坡中位置含水率迅速增大至饱和，表明IV 型覆盖层在坡中位置也已被雨水突破。在降雨30.0 d时，上部与中部粉土层均达到饱和，但由于2层碎石层渗透系数大，可将渗入覆盖层内的雨水迅速排出，使得边坡各处膨胀土的体积含水率基本不变(坡脚除外)，这表明Ⅳ型毛细阻滞覆盖层在持续降雨下能保持较好的防渗能力，并可通过进一步优化结构层厚度与组成提高防渗能力。

图10 Ⅳ型毛细阻滞覆盖层不同截面处体积含水率的变化Fig.10 Changes of volumetric water content at different sections under type IV capillary barrier cover layer

3.2 不同降雨历时条件下4 种毛细阻滞覆盖层处治边坡与未处治边坡的体积含水率变化规律

3.2.1 强风化层与弱风化层界面处体积含水率变化规律

图11所示为不同覆盖层处治边坡与未处治边坡在不同特征节点(节点1～4)处体积含水率的变化规律。1)I型覆盖层。当降雨0～15 d时，节点4的体积含水率增幅最大，其余3处节点的体积含水率基本无变化。随着降雨过程的持续，节点1的体积含水率迅速增大，在降雨66 d时超过了节点4的体积含水率，74 d时节点1的体积含水率达0.40，接近饱和；节点2的体积含水率在降雨90 d时开始迅速增大，但节点3的体积含水率变化不大，增幅小于0.05。这是因为在降雨初期，坡脚处毛细阻滞层率先被突破，雨水进入碎石层，然后逐渐进入膨胀土坡内，因此该阶段离坡脚近的节点4体积含水率快速增大，但因坡顶倾斜坡度小，仅为5%，渗入碎石中的雨水在坡顶位置汇集，不能及时排向坡脚，导致坡顶节点1的体积含水率高于其他位置节点的体积含水率，雨水率先渗流至节点2处。

图11 强风化层与弱风化层界面处体积含水率随时间的变化Fig.11 Volumetric water content changes with time at interface between heavily weathered layer and weakly weathered layer

2)Ⅱ型覆盖层。在持续降雨100 d时，仅节点4的体积含水率增幅较大，且在降雨32 d时达饱和，而节点2 和3 的体积含水率基本保持不变，节点1的体积含水率略有增大，增幅小于0.04。这是因为Ⅱ型覆盖层中存在砂层导排层，即使在坡顶坡度较小的情况下也能快速将渗入坡顶和坡面的雨水排至坡脚，从而使得节点1，2 和3 的含水率增幅非常小。

3)Ⅲ型覆盖层。随着降雨过程的持续，节点1～4 的体积含水率均增幅较大。其中，在降雨0～15 d时，坡脚节点4的体积含水率增大，且增幅最大；随后，节点3，2和1的体积含水率逐渐增大，26 d后，节点1的体积含水率增速最大，其后节点1～3的体积含水率逐渐趋于饱和。

4)Ⅳ型覆盖层。当降雨0～30 d 时，节点1～3体积含水率基本保持不变，仅节点4的体积含水率出现较大增幅，且在持续降雨100 d时仍处于非饱和状态；随着降雨过程的持续，节点1～3处的体积含水率也均出现明显增大，按增速从大至小排序依次为节点1，2 和3。在降雨80 d 时，节点1，2和3平均体积含水率增幅不超过0.06，而降雨80 d后，节点1的体积含水率明显增大。

5)无覆盖层。当持续降雨12 d时，4个节点处膨胀土体均已达到饱和，其体积含水率增速远高于4 种毛细阻滞覆盖层处治边坡的体积含水率增速，表明不同结构覆盖层均能对膨胀土边坡起到防渗作用。

3.2.2 弱风化层与未风化层界面处体积含水率变化规律

图12所示为不同覆盖层处治边坡在特征节点5～8处体积含水率变化规律。

图12 弱风化层与未风化层界面处体积含水率随时间的变化Fig.12 Volumetric water content changes with time at interface between weakly weathered layer and unweathered layer

从图12可以看出：在降雨25 d 时，无覆盖层处治边坡弱风化层与未风化层界面处各节点体积含水率均达到饱和，而不同覆盖层的存在均在不同程度上减缓了体积含水率的增大。当持续降雨100 d 时，Ⅱ型和Ⅳ型覆盖层处治的边坡只有靠近坡脚节点的体积含水率增大，而其他各位置的体积含水率基本无变化，表明在Ⅱ型和Ⅳ型覆盖层的作用下，降雨入渗难以影响到弱风化层与未风化层界面即2.5 m深度处，而Ⅰ型覆盖层处治边坡在节点8和节点5处体积含水率均出现了较大增幅，Ⅲ型覆盖层处治边坡节点5～8的体积含水率均大幅增大。值得注意的是，Ⅱ型覆盖层处治边坡坡脚处节点8的体积含水率在30 d后接近饱和；Ⅳ型覆盖层处治边坡节点8 的体积含水率增加较慢；Ⅰ型和Ⅲ型覆盖层处治边坡节点8 的体积含水率的变化相似，均增幅不大。这是因为，随着降雨历时增加，Ⅱ型和Ⅳ型覆盖层能够将入渗雨水迅速排向坡脚，当坡脚排水能力有限时(10 cm 排水管)，在坡脚会形成积水，但Ⅰ型和Ⅲ型覆盖层对入渗雨水的导排能力弱，致使边坡表层含水率增大，而排到坡脚的雨水量要小，坡脚积水少。因此，对导排能力好的Ⅱ型和Ⅳ型覆盖层，应通过增大排水管管径或渗沟沟底纵坡以加强坡脚排水。

3.3 4种毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡与未处治膨胀土边坡防渗能力对比分析

为分析不同毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡的防渗能力，计算得到不同降雨历时条件下边坡的安全系数，见图13。

从图13可看出：对未经处治的边坡而言，随着降雨过程的持续，其安全系数显著降低，降雨30 d时安全系数已降至1.0左右，表明边坡易失稳。对4 种毛细阻滞覆盖层处治的边坡而言，降雨1～2 d 时，安全系数均降低较快，而后至降雨20 d 左右，安全系数缓慢降低。在降雨初期，不同毛细阻滞覆盖层处治膨胀边坡安全系数按由大至小顺序排列依次是Ⅳ型、I 型、Ⅱ型和Ⅲ型。降雨20 d后，随着降雨过程的持续，Ⅱ型毛细阻滞覆盖层处治边坡的安全系数基本不变，Ⅲ型和Ⅳ型覆盖层处治的边坡安全系数在降雨55 d左右时降幅增大，且Ⅳ型覆盖层处治的边坡安全系数的在降雨80 d后趋于平缓，而I型覆盖层处治边坡的安全系数持续降低。当降雨100 d 时，4 种毛细阻滞覆盖层处治边坡的安全系数按由大到小顺序排列依次为Ⅱ型、Ⅳ型、I 型和Ⅲ型。这表明在长期降雨作用下，Ⅱ型覆盖层的防渗性能略优于Ⅳ型覆盖层的防渗性能，远胜于I型和Ⅲ型覆盖层的防渗性能。这是因为在降雨前期，雨水在毛细阻滞覆盖层中汇集，未突破至砂层或碎石层中，增加了覆盖层的自重，降低了覆盖层土体的基质吸力，导致安全系数逐渐减低；而当入渗雨水突破至砂层或碎石层后，雨水可由这些层迅速排至坡脚盲沟并通过排水管排走，难以进入膨胀土边坡内，安全系数降幅小，而I型和Ⅲ型覆盖层中渗入边坡膨胀土中的雨水较多(见图11和图12)，导致安全系数降幅较大。

图13 不同结构覆盖层处治边坡安全系数随时间的变化Fig.13 Safety factor changes with time of slope treated by different cover systems

由此可见，4种覆盖层处治膨胀土边坡长期防渗能力按由强至弱排序依次为Ⅱ型、Ⅳ型、I 型和Ⅲ型。在实际工程中，建议采用Ⅱ型或Ⅳ型毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡，可使长期处于湿润降雨环境中的边坡保持稳定。

通过探究毛细阻滞覆盖层防渗的有效性及防渗保湿原理，优化毛细阻滞覆盖层结构、厚度及材料组成，发现毛细阻滞覆盖系统在处治膨胀土边坡中能起到良好的防渗保湿作用，能显著减少大气环境变化即干湿循环作用对膨胀土边坡土体含水率的影响，从而限制了膨胀土的干缩湿胀变形，有利于保持膨胀土边坡的长期稳定。

4 结论

1)不同结构形式的毛细阻滞覆盖层均能在一定程度上阻碍或延缓降雨渗入边坡内部膨胀土，保持土体吸力，起到保湿防渗作用。

2)4种毛细阻滞覆盖层处治膨胀土边坡防按渗效果由强到弱排序依次为“细-导排层-粗”型(Ⅱ型)、“细-粗-细-粗”型(Ⅳ型)、“细-粗-细”型(I型)和“细-粗”型(Ⅲ型)，建议工程中采用“细-导排层-粗”或“细-粗-细-粗”型覆盖层进行膨胀土边坡防治，其防渗效果明显，易施工且开挖深度小、成本低。

3)随着降雨过程的持续，未经处治边坡的安全系数急剧降低而发生破坏；在降雨前期，4种毛细阻滞覆盖层处治边坡的安全系数均降低较快；在长期降雨条件下，“细-粗”和“细-粗-细”型覆盖层处治边坡的安全系数降幅大，“细-导排层-粗”和“细-粗-细-粗”型覆盖层处治边坡的安全系数则缓慢降低，说明覆盖层的防渗效果越好，边坡越稳定。