基于新型防渗护壁材料的膨胀土边坡抗入渗及抗冲刷特性

马少坤，马敏，韦榕宽,3，胡豫，邵羽，黄震

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁，530004；2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室，广西南宁，530004；3.广西公路检测有限公司，广西南宁，530012；4.西牛皮防水科技有限公司，广西南宁，530002；5.广西交通设计集团有限公司，广西南宁，530029)

膨胀土是一种富含蒙脱石等亲水矿物的特殊黏土，对水分变化极其敏感，具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂等特点[1-2]。膨胀土广泛分布于我国华南地区，且华南地区气候湿热、雨季分明，降雨-蒸发效应显著[3]。已有研究表明，降雨入渗导致膨胀土强度降低，是造成膨胀土边坡发生失稳破坏的主要外因[4-6]。在降雨-蒸发循环作用下，膨胀土边坡经历反复胀缩形成不规则裂隙破坏土体结构，同时含水量增加以及干湿循环等因素导致土体抗剪强度减小，极易诱发膨胀土边坡发生浅层破坏。此外，膨胀土边坡表层土体在自然营力作用下会形成强风化层[7]，在强降雨作用下，边坡表层土体极易遭到冲蚀破坏，造成土体流失并影响边坡稳定。因此，开展膨胀土边坡坡面防护抗入渗、抗冲刷性能的研究对膨胀土地区边坡灾害的防治极为重要。

为有效防治膨胀土边坡灾害问题的发生，许多学者从膨胀土边坡失稳破坏因素及机理展开了系列研究。如NG 等[8]研究了在降雨入渗情况下边坡内部渗流场变化对边坡稳定性的影响，发现前期降雨持时是滑坡的促进因素，高强度降雨是滑坡的触发因素；张雨灼等[9]通过室内膨胀土边坡模型试验研究了干湿循环作用下边坡吸力、孔隙水压力以及胀缩变形的变化规律；丁金华等[10]发现膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用；司光武等[11]运用极限平衡法探讨了土体重度、强度及膨胀力对膨胀土边坡稳定性的影响，指出土体软化强度降低是边坡失稳的主要因素；KHAN等[12]在考虑裂隙影响的情况下采用PLAXIS有限元模拟研究了干湿循环条件下膨胀土边坡的稳定性，结果表明降雨入渗和浅层土体软化是导致边坡破坏的重要原因；CHEN等[13]研究发现膨胀土边坡在降雨作用下会发生渐进性破坏，而干湿循环引起的裂隙发育、土体吸水饱和软化是前提条件；邓铭江等[14]通过离心模型试验发现浅层膨胀土开裂是造成边坡浅层破坏的决定因素，并提出了膨胀土边坡的浅层破坏机制与加固措施；张家铭等[15]通过足尺模型试验研究了降雨-蒸发作用下边坡裂隙的发展规律；朱锐等[16]认为季节性供水变化引起的干湿循环会造成膨胀土裂隙发育并使土体强度降低，从而影响渠道边坡的稳定性。上述研究表明，裂隙发育和降雨入渗及其带来的土体性质的变化是造成膨胀土边坡失稳的关键因素。但相关降雨的研究大多集中在入渗对坡体的影响，考虑降雨雨水本身对膨胀土边坡冲蚀破坏以及提高边坡自身抗入渗能力的研究较少。此外，部分学者根据已有膨胀土边坡的研究，针对膨胀土边坡防护进行了相关试验和分析，并取得了一定成果[17-24]。目前，现有工程中使用较多的边坡防护方式有刚性防护和柔性防护，刚性防护结构大多以混凝土材料为主体，其主要不足在于无法长时间承受不均匀的变形，而膨胀土边坡在长期降雨-蒸发循环作用下易产生反复胀缩变形；在柔性防护中换填非膨胀土、使用土工袋等方法施工不便且工作量大，此外，现有基于土工材料的柔性防护对控制膨胀土边坡胀缩变形方面具有较好的效果，但该类防护难以同时起到有效抗入渗、抗冲刷的作用，而降雨入渗又是导致膨胀土边坡失稳的重要因素。因此，从长远来看，若无法有效阻隔外界水环境的影响以保证坡体内水分的稳定，膨胀土边坡仍可能在长期降雨-蒸发循环作用下发生失稳，边坡的长期稳定性难以得到保证，膨胀土公路边坡正常服役也将受到不利影响。

基于此，本文作者提出将新型防渗护壁材料用于膨胀土边坡防护，该材料相较其他材料兼具优良的防水性能、延展性能及耐老化性能，在承受胀缩变形的过程中不易破坏，且该材料护坡的施工简便，易于维修。本文以南宁膨胀土为基本研究对象，分别制作未防护素土边坡、防渗护壁材料防护边坡、三维植被网+防渗护壁材料防护边坡共3组膨胀土边坡模型，通过在坡体内不同深度埋设体积含水率传感器、孔隙水压力传感器等监测仪器，对比分析3 组边坡在降雨-蒸发循环作用下边坡土体体积含水率、孔隙水压力、坡表径流量、土体冲刷量、坡面冲蚀过程以及裂隙发育的变化规律，重点探究新型防渗护壁材料用于膨胀土边坡的抗入渗、抗冲刷性能及作用机理。研究成果可为膨胀土地区边坡工程的防护提供新的解决思路及理论依据。

1 试验模型

1.1 试验材料参数

试验用土为南宁膨胀土，风干状态下呈灰白色，膨胀土的基本物理性质参数见表1。本次试验所使用三维植被网的规格为EM3，表示共由3层网组成，其中底部为2层双向拉伸平面网，表层为经点焊呈凹凸泡状的挤出网(泡网)，主要技术参数见表2。

表1 膨胀土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of expansive soil

表2 三维植被网物理性能指标Table 2 Physical performance indexes of 3D vegetation net

试验中用于膨胀土边坡防护的新型防渗护壁材料是一种高固型水性橡胶高分子防水涂料，呈灰色膏状。该材料主要是将固体橡胶、增粘树脂、软化剂等原材料混合改性后，乳化制成乳液，然后在乳液中添加功能性填充料而制成，具有良好的延展性能及不透水性能，其基本物理性质指标见表3。

表3 防渗护壁材料基本物理力学性能参数Table 3 Basic physical and mechanical properties of rubber polymer waterproof coating

1.2 边坡模型设计

1.2.1 模型尺寸及测点布置

试验场地模型槽高为230 cm。试验模型槽内部净空间长×宽×高为300 cm×100 cm×200 cm，模型槽内底面高于地面30 cm，端部设置排水管道，用于收集流失水土。试验模型槽内壁涂刷一层防水涂料用来减小外界环境对边坡水分的影响以及减小侧面摩阻力，降低边界效应的影响。试验模型槽在浇筑时于内部正中间预留2 cm 深的凹槽，用于固定木板将其对半分隔，便于在左右两侧同时填筑边坡并进行对照。

膨胀土边坡模型长×宽×高为200 cm×50 cm×100 cm，坡顶宽为50 cm，坡比为1∶1.5。试验填筑素土边坡、防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡共3组。每个边坡模型中分别埋设8 个体积含水率传感器(测点编号为S1～S8)、8 个孔隙水压力传感器(测点编号为P1～P8)，3 组边坡共埋设48 个传感器。体积含水率传感器及孔隙水压力传感器分别埋设在距离坡面10，30，50 和70 cm深度处，所有传感器均沿边坡模型纵向中心埋设，如图1所示。

图1 边坡模型及传感器布置图Fig.1 Slope model and sensor layout diagrams

1.2.2 边坡模型填筑

将风干后膨胀土均匀加水调配至最优含水率为15.1%用于边坡土体填筑。采用分层压实法填筑边坡，控制压实度为90%，即填土干密度为1.57 g/cm3。分层填筑完成之后进行削坡处理。

第1 组为素土边坡，无任何防护，如图2(a)所示；第2组为防渗护壁材料防护边坡，在填筑完成后将防渗护壁材料均匀喷涂于边坡表面，并控制其防护层喷涂厚度在1.5 mm 左右，其中坡顶覆盖距离为40 cm，考虑到边界效应的影响，边坡模型坡面防护层纵向边界与两侧面之间距离为5 mm左右，即防渗护壁材料不直接与两侧墙面接触，如图2(b)所示；第3 组为三维植被网+防渗护壁材料防护边坡，在填筑完成之后将三维植被网铺设于边坡表面并用U 型钉固定，然后再将防渗护壁材料均匀喷涂于三维植被网上，其中防护层在坡顶表面覆盖距离为30 cm，并将其端部余留10 cm 埋入坡顶，防护层纵向边界与两侧墙面的处理方式与第2 组边坡的相同，如图2(c)所示。第3 组边坡由于三维植被网的空间性，防渗护壁材料在喷涂上去后并不会将三维植被网的网格全部充填覆盖，因此，该防护层会形成少量孔隙。在试验过程中，防渗护壁材料的用量均为2.5 kg/m2，喷涂完成后养护时间为3 d。

图2 膨胀土边坡模型Fig.2 Expansive soil slope models

1.2.3 降雨-蒸发方案

结合南宁气候特点，1 次降雨-蒸发循环模拟需要完成1个气候历程，即阴天→雨天→阴天→雨天→阴天→晴天，每个天气阶段历时时间见表4。每次循环过程中，阴天为自然蒸发风干，晴天采用浴霸升温蒸发以模拟太阳照射，雨天采用雾化喷头喷淋以模拟自然降雨。在每次循环过程中，2次雨天的降雨强度均为56 mm/h。试验前对喷头进行标定，并根据GB/T 50085—2007“喷灌工程技术规范”提出的降雨均匀系数Cu，采用式(1)进行计算得到降雨喷洒均匀系数Cu为0.86，满足降雨均匀性要求。本试验主要研究极端气候下不同边坡防护方式的防护效果，故单次循环中第1次降雨历时0.5 h，降雨量为28 mm，以模拟自然界中中等强度的降雨；单次循环中第2 次降雨历时2.5 h，降雨量为140 mm，以模拟自然界中大暴雨强度的降雨。整个试验过程共完成5 次降雨-蒸发循环，共历时410 h。

表4 单次循环各天气时间Table 4 Duration of each weather in a single cycle

式中：Cu为降雨喷洒均匀系数，%；h为喷洒水深的平均值，mm；Δh为喷洒水深的平均离差，mm。

体积含水率传感器以及孔隙水压力传感器在试验期间每0.5 h 读取并记录1 次数据。每次降雨过程通过试验模型槽末端排水管道收集雨水和冲刷土壤，待泥水澄清分层后用小水泵吸出上部清水，然后烘干测定土壤含量。试验结束后，将坡面防护层撕开，在每组边坡坡脚中间位置取30 cm×30 cm区域观察裂隙发育情况。

2 试验结果及分析

2.1 体积含水率变化

图3所示为3 组不同防护边坡在降雨-蒸发循环过程中体积含水率的变化曲线。由图3可知：3组边坡浅层土体的含水率随降雨-蒸发循环次数的增加整体呈增加趋势；在第1次循环、第1次降雨时(24.5 h)，所有测点含水率均无明显变化，这是因为此时坡表裂隙尚未完全发育，同时，膨胀土本身渗透系数很小(一般小于10-8m/s)[23]，当坡面表层土体达到饱和后，雨水无法继续入渗，会形成坡面径流排走。在第1次循环、第2次降雨结束时(63 h)，各组边坡坡顶含水率开始出现不同幅度的增加，说明此时坡顶裂隙已经发育到10 cm 深度处，且含水率的变化具有一定的滞后性。从图3还可知：在降雨入渗下，当各测点含水率变化得到响应后，素土边坡含水率的增加幅度均较大，说明素土边坡裂隙最发育，雨水入渗速率最快。例如，素土边坡测点S1，S2和S3含水率在第1次循环、第2 次降雨时(63 h)的增加幅度分别为48.27%，64.06%和43.19%，均远比另外2组边坡的大。

图3 降雨-蒸发循环过程中体积含水率变化曲线Fig.3 Volumetric moisture content curves during precipitation-evaporation cycles

从图3(a)可知：素土边坡10 cm埋深处测点S1，S2和S3含水率在经历第1次循环、第2次降雨时(63 h)开始显著增加且变化幅度较大，这是因为在第2次降雨前坡表已经经历蒸发和降雨的过程，坡表与更深处土体之间形成含水率梯度，而相关研究表明含水率梯度是影响裂隙发育的关键因素[25]，故在这个过程中坡面裂隙持续向下发育并为雨水入渗提供通道。同时，随着降雨-蒸发循环的进行，含水率梯度与裂隙持续向下发展，导致素土边坡30 cm 埋深处测点S4和S5含水率在第3 次循环中出现大幅度增加，说明降雨入渗到坡体内部需要较长时间。相比之下，防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡相同测点含水率出现显著增长变化的时间均比素土边坡的长。在循环过程中，浅层土体含水率呈累计增加的趋势，雨水的总入渗量要大于总蒸发量，且土体越深，蒸发脱湿路径越长，蒸发速率越慢，因此，裂隙往下发育的速率也变慢，雨水难以向更深处土体入渗，使得3 组边坡测点S6，S7和S8的含水率在整个试验过程中均无明显变化。已有研究表明，砂土边坡降雨入渗速度较快且无明显滞后，降雨入渗深度较大，且入渗范围内易形成饱和区[26-27]；黄土边坡降雨入渗也具有一定滞后性，但滞后时间不长，且雨停后雨水入渗很快停止[28]。相比之下，膨胀土因其自身渗透性低的特性，膨胀土边坡降雨入渗的滞后时间较长，且降雨入渗受裂隙发育的影响较大，降雨结束后雨水会沿裂隙通道缓慢持续下渗，因此，降雨结束一段时间内，浅层土体测点含水率仍呈上升趋势。此外，素土边坡坡脚测点S3在第4 次循环、第2 次降雨过程中(311 h)含水率骤增然后降为0，这是坡脚该位置土体吸水饱和并遭受雨水冲蚀发生局部破坏使传感器暴露所致。由此可知，素土边坡含水率变化受降雨-蒸发作用的影响较另外2组边坡更显著。

由图3(b)可知：防渗护壁材料防护边坡因坡顶并未完全覆盖防渗护壁材料防护层，测点S1的含水率在第1次降雨-蒸发循环后开始发生明显变化，且其变化趋势与素土边坡的相似，但变化幅度较素土边坡的小。在防护层显著的防水抗入渗作用下，测点S2和S3含水率分别在第4次循环和第5次循环才有明显上升趋势，虽然前期含水率有所起伏，但总体保持平衡稳定。测点S4含水率在第5次循环呈上升趋势，其对降雨入渗的响应时间为337 h。其余测点含水率无明显变化，说明坡中和坡脚的雨水入渗速率远小于坡顶的雨水入渗速率。

除坡顶S1测点外，防渗护壁材料防护边坡各测点含水率对降雨入渗的响应时间最长，且含水率变化幅度最小。其主要原因是坡面防渗护壁材料防护层具有良好的防水抗入渗性能，起到截水与导水作用，坡表大部分雨水被拦截并在重力作用下汇聚成坡面径流沿防护层排出，使得坡表入渗面大面积减小并有效降低雨水入渗速率；同时，防渗护壁材料防护层大大减小了坡表的蒸发面，有效降低了坡体内水分的蒸发消散，形成抑制坡体内外部直接发生水汽循环的遮拦效应。此外，防渗护壁材料防护层良好的延展性能，使膨胀土边坡发生一定程度的胀缩变形，有利于膨胀土边坡保持稳定。因此，防渗护壁材料防护可以有效控制外界雨水的入渗和坡体内水分的蒸发，有利于保持坡体内水分的稳定，从而提高膨胀土边坡的稳定性，加上防渗护壁材料自身具有优良的耐久性能，将其应用于边坡防护可取得长期、稳定的护坡效果。

此外，三维植被网+防渗护壁材料防护边坡含水率发生变化的时间总体上较素土边坡的更长，变化幅度更小。这是因为三维植被网+防渗护壁材料防护层与防渗护壁材料防护层具有相似的功能，也具有截水和导水作用，雨水在坡表形成径流后沿三维网下流，加上坡脚与地面相连无法汇集雨水，故雨水难以入渗到坡脚土体。但因为防护层存在少量孔隙，坡表在反复降雨-蒸发循环作用下会逐渐形成裂隙，最终为雨水入渗提供一定的通道，因而坡脚土体含水率在后期增加。若在三维植被网+防渗护壁材料防护层上种植绿植，绿植根系可通过防护层上存在的少量孔隙生长至坡体内部土层，根系的加筋作用与防护层良好的防水抗入渗性能可提高膨胀土边坡的稳定性。

对比图3(a)和3(b)可知：素土边坡测点S1的含水率整体小于测点S2的含水率，而防渗护壁材料边坡测点S1的含水率大于测点S2的含水率，且这2个测点含水率均大于其他测点含水率。在降雨过程中，素土边坡坡顶不存留积水且雨水不断顺坡面下流，坡面的入渗面大于坡顶的入渗面，且坡肩处裂隙较为发育利于雨水入渗，导致素土边坡测点S1的含水率比测点S2的含水率小；防渗护壁材料护坡坡顶存在未被防护层覆盖的裸露面，裸露面存在一定裂隙便于雨水下渗，且裸露面与防渗护壁材防护层之间存在一定高差，这使得降雨结束后裸露面会存留一定积水然后缓慢下渗，而坡面因为防护层的覆盖雨水被导排走难以入渗，因此，该边坡测点S1的含水率比测点S2的含水率大。此外，防渗护壁材料防护边坡坡面中部右侧部分土体被冲刷且存在裂隙发育，而其他位置处因为防护层的存在，雨水被大量排走且少有裂隙发育，因此，测点S1和S2的含水率又均高于其他测点的含水率。三维植被网+防渗护壁材料防护边坡含水率变化特征及机制与防渗护壁材料防护边坡相似，其测点S3的含水率在前两次循环中有上下波动的现象。这主要是因为第1次循环中防护层的存在使裂隙发育缓慢，且雨水大量通过防护层被导排而无法直接入渗，但防护层上少量孔隙为土体水分蒸发提供了通道而形成小型裂隙，导致雨水入渗十分缓慢，因此，含水率在84 h 前后出现先减后增的现象；随着降雨-蒸发循环的进行，裂隙进一步发育，含水率再次出现该现象并在166 h后呈持续增大趋势。

经过对比分析可知，除坡顶测点S1外，防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡各测点的降雨入渗响应时间均比素土边坡的长，且土体越深降雨入渗响应时间的差值越大。降雨入渗响应时间越长，说明入渗速率越小，抗入渗性能越大，由此可得素土边坡的抗入渗性能最小。由表5可知：防渗护壁材料防护边坡测点S2和S3降雨入渗响应时间大约为素土边坡的1.3 倍，测点S4和S5降雨入渗响应时间大约为素土边坡的2倍；而三维植被网+防渗护壁材料防护边坡测点S2降雨入渗响应时间与素土边坡的一样，测点S3降雨入渗响应时间大约为素土边坡的1.3 倍，测点S4和S5降雨入渗响应时间为素土边坡的1.6～2.0 倍。综上分析，各组边坡的抗入渗能力由大到小依次为防渗护壁材料防护边坡、三维植被网+防渗护壁材料防护边坡和素土边坡。

表5 降雨入渗不同测点含水率变化响应时间Table 5 Response time of moisture content change at different measuring points after rainfall infiltration

2.2 孔隙水压力变化

图4所示为3 组边坡在降雨-蒸发循环过程中各测点孔隙水压力的变化趋势。由图4可知：3 组边坡浅层土体孔隙水压力变化与降雨-蒸发循环历程紧密相关，即在降雨和蒸发阶段分别呈上升和降低趋势。在试验过程中，3组边坡孔隙水压力的变化趋势总体相似，降雨雨水和空气中水分的入渗、超静孔隙水压力随时间的消散以及边坡土体水分的蒸发是引起孔隙水压力变化的主要外在因素和内在因素。孔隙水压力的变化也具有一定的滞后性，例如在第1 次循环、第2 次降雨(60.5 h)后，3组边坡坡顶测点P1的孔压仍继续减小，直到72 h时才逐渐增大。各组边坡30 cm埋深处测点P4和P5的孔隙水压力均在第2 次降雨-蒸发循环后有明显的起伏，但变化幅度较10 cm 埋深处小。此外，其余测点孔隙水压力变化较小，这与含水率的变化规律一致。

由图4还可知：在降雨开始前坡体内孔隙水压力有所起伏，这主要是因为土体内超静孔隙水压力随时间而引起。各组边坡浅层土体在每次循环中的最大孔隙水压力大部分出现在第2 次降雨后，且各测点在整个试验过程中最大孔隙水压力的出现时间也与之相似，如素土边坡和防渗护壁材料防护边坡测点P1的孔隙水压力分别在第2 次循环(162 h)和第3次循环中(200 h)达到最大，而三维植被网+防渗护壁材料防护边坡测点P1的孔隙水压力在第1 次循环后(82 h)达到最大，且该测点每次循环后均能达到较大的孔隙水压力并大于1 kPa，这是因为该边坡坡顶存在未被防护层覆盖的裸露面，裸露面与防护层的高差造成降雨后坡顶有少量积水，积水缓慢下渗造成孔隙水压力增加。

图4 降雨-蒸发循环过程中孔隙水压力变化曲线Fig.4 Pore water pressure curves during precipitationevaporation cycles

定义每次降雨-蒸发循环内孔隙水压力变化曲线最高点与最低点的差值为孔隙水压力峰值差Δumax。Δumax主要受降雨和蒸发作用的影响，且随着土体深度增加而减小。3 组边坡坡顶的Δumax均为最大，说明坡顶的降雨-蒸发循环效应最显著。同时，防渗护壁材料防护边坡坡脚的Δumax最小，其他2 组边坡中坡中的Δumax最小，说明防渗护壁材料可有效防止雨水入渗而降低土体强度，从而避免坡脚破坏。膨胀土边坡多从坡脚开始发生浅层逐级后退式滑坡破坏，因此，防渗护壁材料对坡脚的保护有利于增强边坡的整体稳定性。素土边坡在第4 次降雨-蒸发循环中坡脚处Δumax骤增，根据太沙基有效应力原理可知孔隙水压力增大会引起土体有效应力减小，从而导致土体强度降低，基质吸力逐渐消失。随着雨水继续入渗，土体自重增加并充满裂隙，土体下滑力增加，同时，雨水的冲击和地表径流的“裹挟作用”会进一步破坏坡面的整体性，在多种因素耦合作用下，坡脚处最终发生局部破坏。

对比图4和表6可知：除第4次循环(素土边坡坡脚发生局部破坏)和第5 次循环坡脚处，防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡在同一深度的Δumax均比素土边坡的大。裂隙发育是导致Δumax较大的主要原因，Δumax也可间接反映裂隙的发育程度。两组边坡发生该现象的原因相似。以防渗护壁材料防护边坡为例进行分析。在5次循环结束后，防渗护壁材料防护边坡坡顶防护层下方形成1条横向贯通的裂隙，该裂隙为雨水从左右两侧入渗提供了便利的直接通道，因此，孔隙水压力的变化值较大。该裂隙的形成原因是：防护层的存在使雨水顺坡流走无法入渗，坡面左右两侧未被防护层覆盖的接缝处在循环过程中首先产生裂隙，在加热蒸发过程中，黑色防护层快速吸热并传至坡体内部，土体吸热后水分会有向上运移趋势并通过土-气界面蒸发，但此时坡体内水分无法直接透过防护层并只能通过将水分运移至边坡两侧后蒸发，防护层下方土层随之因为失水收缩产生裂隙，裂隙随循环增加而逐渐发育并贯通。坡中和坡脚Δumax较大是因为边坡右侧土体在降雨和地表径流的作用下被冲蚀，并同样在防护层下方形成了主贯通裂隙利于雨水入渗。防渗护壁材料防护边坡的主裂隙发育导致降雨入渗和蒸发速率均较快，具体表现为每次循环内出现的孔隙水压力峰值更大且变化速度更快。防护层下方裂隙通道的形成也能从侧面反映出防渗护壁材料的防水抗入渗性能和抗蒸发性能较好。通过上述分析可知，若防渗护壁材料防护层完全覆盖坡面并与侧墙粘接，则雨水无法入渗且坡体内水分无法透过防护层蒸发而保持稳定，防护层下方坡面也无裂隙发育，边坡稳定性将得到提高。

表6 测点P2孔隙水压力峰值差ΔumaxTable 6 Response time of moisture content change at measuring point P2 after rainfall infiltration

2.3 径流量和土体冲刷量变化

2.3.1 径流量

边坡径流量主要受降雨强度、降雨时间、坡表裂隙发育程度、土体性质、坡度、坡表防护类型及防护面积等因素的影响。本试验在每次降雨过程中均采用集水容器收集泥水，将收集的泥水静置24 h 以上，待泥水分层后使用小型水泵将上层澄清水吸出，即可测得每次降雨过程的边坡径流量。图5所示为每次循环过程中的总径流量(即每次循环过程中第1次降雨和第2次降雨的径流量之和)随降雨-蒸发循环次数的关系曲线。从图5可知：防渗护壁材料和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡的径流量变化趋势相似，3组边坡径流量均随循环次数的增加呈“S”形变化。这说明在相同降雨强度和降雨时间下，坡面径流量在降雨-蒸发循环作用下并不呈线性增减，而是具有循环变化的特征，并随坡表裂隙的发育和闭合分别呈增加和减小趋势。试验中边坡径流量主要受坡表裂隙、坡表防护类型及坡面形态等因素的影响，在每次循环后坡面裂隙和坡面形态均发生变化，但不同防护层使得3组边坡的变化有所区别；坡面裂隙的变化直接影响到雨水下渗进而影响坡面径流量，坡面形态发生变化如形成冲沟和局部滑塌等会影响径流层的速度与厚度、覆盖局部裂隙或形成局部张拉裂隙，从而影响到雨水下渗和坡面径流，因此，径流量会随循环次数而有所波动。

图5 径流量与降雨-蒸发循环次数的关系曲线Fig.5 Relationship curves between runoff and precipitation-evaporation cycles

此外，防渗护壁材料防护边坡因具有良好的防水抗入渗性能，坡面裂隙发育程度及坡面形态变化程度均比其他2组边坡的小，因此，其径流量的波动最小，且其径流量要比其他两组边坡的大，即降雨入渗量最小，这表明防渗护壁材料防护层具有显著的截水作用和抗入渗性能。同时，三维植被网+防渗护壁材料防护边坡的径流量总体大于素土边坡的径流量(除第3 次循环外)，说明该防护层也具有一定的截水作用。

2.3.2 坡面冲蚀过程

降雨作用下一般会对边坡表面造成溅蚀、面蚀和沟蚀3 种类型的侵蚀破坏。图6所示为3 组边坡坡面随降雨-蒸发循环次数增加的变化过程。通过观察图6(a)以及循环过程中对坡面可知，素土边坡坡面经历了以下侵蚀破坏过程：溅蚀→面蚀→沟蚀(局部细沟→冲沟→贯通冲沟)→局部坍塌破坏(表现为两相邻冲沟间土脊吸湿软化后向冲沟倒塌，并重新填充满部分冲沟)。素土边坡在第1 次循环降雨前期由于雨滴的击溅作用产生溅蚀，随着降雨的进行发展为面蚀；在表层土体饱和后，无法下渗的雨水形成坡面径流，在重力作用下顺坡面下流，并随之带走坡表松散的土颗粒，逐渐沿径流的流道形成局部细沟。第1次循环结束时，素土边坡坡面中间自坡顶至坡脚形成1条主冲沟，并伴随有局部冲沟发育，此时，坡面平均冲沟深度为5.53 cm。第2 次循环结束时，主冲沟及局部冲沟受持续径流的影响逐渐变深，边坡两侧也形成2条较深的主要冲沟，坡面平均冲沟深度骤增至9.11 cm。坡面部分冲沟在第3 次循环后贯通，坡面平均冲沟深度继续增加至10.40 cm，虽然深度较上次循环结束后增加幅度不大，但冲沟的宽度在坡面径流作用下持续增加，相邻冲沟之间形成土脊，整个坡面下部靠近坡脚处呈现出“坑状”，边坡土体尤其是坡脚处土体遭到冲刷破坏而大量流失。在第4次循环结束时，冲沟增加至一定深度时，土脊在吸水饱和软化后向两侧冲沟倒塌，在坡脚处发生局部滑塌现象，部分冲沟因此被重新填充，但该过程中软化土体也极易被边坡径流冲刷裹挟而流失。随着坡脚处土体滑塌与流失，坡面中部以及坡肩处也相继出现小范围滑塌。在第5次循环结束时，坡面多处滑塌使冲沟被重新填充而形成“新的坡面”，但在持续降雨和径流的作用下坡面又逐渐形成1条主冲沟。由此可知，素膨胀土边坡坡面在降雨-蒸发循环作用下会经历“溅蚀→面蚀→沟蚀→局部滑塌→冲沟填充”的渐进性循环侵蚀破坏，使边坡从坡脚处局部滑塌开始诱发坡体发生后退式滑塌破坏，并造成坡面土体发生逐层侵蚀而流失，坡表土层厚度会随着循环侵蚀破坏的进行而削减。已有研究表明，砂土边坡在冲刷作用下，土颗粒不断向下剥落易形成底部近似平行于坡面的冲坑，且冲坑随时间而变大并连通，在长时间降雨冲刷作用下易发生滑动破坏[27,29]；黄土边坡在降雨冲刷作用下坡面会经历溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌、滑坡的过程，最终土体软化发生多级块体滑动破坏和流化破坏[30-31]，黄土边坡坡面冲刷过程与膨胀土边坡的相似，但膨胀土边坡主要发生局部滑塌和浅层滑动破坏。

图6 坡面随降雨-蒸发循环次数n增加的变化过程Fig.6 Changing processes of slope surface with increasing precipitation-evaporation cycles

防渗护壁材料以及三维植被网+防渗护壁材料与坡表黏结，形成上覆保护层，可拦截雨水避免对坡面土体的直接冲击并可有效降低径流对坡面的冲刷，因此，这2组边坡在防护层下的坡面难以发生溅蚀和沟蚀破坏。由图6(b)可知：防渗护壁材料防护边坡经历前2次循环后坡面无明显变化，在第3次循环后坡中右侧防渗护壁材料防护层发生局部凹陷形成侵蚀凹槽。这是因为坡面防护层两侧未直接与侧墙粘接，在坡面径流作用下两侧接缝处仍有少量土体被裹挟带走；前2次循环有少量土体通过此方式流失并沿两侧边接缝处形成细小的冲沟，第3次循环过程中接缝处土体继续流失导致冲沟加深，保护层侧边下方的土体进而在径流冲刷作用下而持续流失，由此导致第3次循环后坡面右侧凹槽的产生。第4次和第5次循环后右侧凹槽深度及凹槽面积继续增大，保护层两侧部分位置也呈现出下凹趋势，但变化并不明显，除两侧外坡面主体无冲刷破坏。

图6(c)所示为三维植被网+防渗护壁材料防护边坡坡面随降雨-蒸发循环次数增加的变化过程。由图6(c)可知：其变化过程与防渗护壁材料防护边坡的变化过程相似。在第2次循环后，坡面左右两侧坡肩下方的接缝处防护层产生侵蚀凹槽，其与防渗护壁材料防护边坡两侧产生凹槽的原因相同。在第5次循环结束时，两侧接缝处凹槽深度继续增大，且左侧凹槽区由坡肩延伸至坡中，凹槽面积显著增加。此外，三维植被网+防渗护壁材料防护边坡坡面防护层存在少量孔隙使坡面在降雨过程中发生面蚀，但由于该防护层良好的截水与导水作用，坡面仅存在轻微面蚀，具体表现为坡面少量土体通过孔隙流失。

2.3.3 土体冲刷量

边坡坡面的土体冲刷量与降雨强度、降雨历时、径流量、土体性质以及坡面防护等因素密切相关。图7所示为每次循环过程中的总土体冲刷量(即每次循环过程中第1次降雨和第2次降雨的土体冲刷量之和)随降雨-蒸发循环次数的关系曲线。由图7可知：素土边坡每次循环后产生的土体冲刷量远比其他2组边坡的大，且分别为防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡的16.1～58.1 倍和3.4～8.0 倍。3 组边坡土体冲刷量随循环次数增加均呈现出先增后减的规律，素土边坡和防渗护壁材料防护边坡的冲刷量均在第3次循环后达到最大值20.46 kg 和1.27 kg，而三维植被网+防渗护壁材料防护边坡的冲刷量在第2 次循环后达到最大值5.77 kg，这与边坡坡面出现显著冲蚀变化时的规律相同。采用二次函数将土体冲刷量与降雨-蒸发循环次数的关系进行拟合，拟合结果如表7所示。3 组边坡的拟合优度R2分别为0.987，0.941 和0.955，可见拟合效果较好，边坡土体冲刷量随降雨-蒸发循环次数的变化呈二次函数关系。这表明在连续雨季，膨胀土边坡的坡面土体冲刷量会经历连续且循环的先增后减过程，导致坡表土体持续流失并影响坡体稳定，因此，对于膨胀土边坡工程尤其是新开挖的膨胀土边坡，应该在雨季来临之前做好坡面防护措施。

图7 冲刷量与降雨-蒸发循环次数的关系曲线Fig.7 Relationship curves between scour amount and precipitation-evaporation cycles

表7 冲刷量与降雨-蒸发循环次数的拟合关系式Table 7 Fitting equations between scour amount and precipitation-evaporation cycles

考虑每次降雨-蒸发循环所对应降雨时长内引起土体冲刷重量所需的水量来表示各组边坡的抗冲刷性指标(即抗冲刷系数)，其计算公式为[32]

式中：Rs为抗冲刷系数，L·min/g；Q为每次循环过程中的径流量，L；t为每次循环过程中的降雨时间，min；W为每次循环过程中的土体冲刷量，g。

根据式(2)计算得到各组边坡在不同循环次数下的抗冲刷系数Rs如表8所示。由表8可知：各组边坡抗冲刷系数Rs均呈现出先减小后增大的趋势，与土体冲刷量的变化规律相反。同时，防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡的抗冲刷系数Rs均远比素土边坡的大，防渗护壁材料防护边坡的Rs最大可为素土边坡的61.9倍。抗冲刷系数越大说明边坡的抗冲刷性能越强，由此可知各组边坡的抗冲刷能力由大到小顺序为防渗护壁材料防护边坡、三维植被网+防渗护壁材料防护边坡和素土边坡。

表8 边坡的抗冲刷系数RsTable 8 Anti-scour coefficient of slopes

2.4 裂隙发育情况

在5 次降雨-蒸发循环结束时，将防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡坡脚的防护层撕开，在坡脚中间取30 cm×30 cm区域测量裂隙发育情况并取平均值，结果如表9所示。由表9可知：防渗护壁材料防护边坡在循环结束时裂隙宽度和深度均最小，而素土边坡的均最大，这说明素土边坡受降雨-蒸发循环作用的影响最显著。而其他2组边坡因防护层良好的抗入渗和抗蒸发作用极大地减小了降雨-蒸发循环对坡面的影响，坡体内外部水分在防护层的遮拦作用下无法直接进行交换，使得坡体内水分保持相对稳定，因此，裂隙发育缓慢。防渗护壁材料防护层不仅能提高膨胀土边坡工程中坡脚导排水的效率，而且可以减小干湿循环对坡脚的影响，防止坡脚裂隙发育及雨水入渗软化土体而造成边坡失稳。

表9 坡脚裂隙发育情况Table 9 Development of cracks at slope toe

3 结论

1)降雨入渗引起的含水率和孔隙水压力变化存在滞后性；防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡10 cm 埋深处的降雨入渗响应时间为素土边坡的1.02～1.35倍，30 cm埋深处的降雨入渗响应时间为素土边坡的1.61～2.03倍，且降雨入渗过程中含水率的响应时间均随土体深度增加而增大；各组边坡的抗入渗能力由大到小依次为防渗护壁材料防护边坡、三维植被网+防渗护壁材料防护边坡和素土边坡。

2)在相同深度处，防渗护壁材料防护边坡和三维植被网+防渗护壁材料防护边坡在各循环中的孔隙水压力峰值差Δumax总体比素土边坡的大，且均随深度增加而减小。理论上，若能在实际工程中扩大防渗护壁材料防护层的覆盖范围直至粘接排水沟平台，将坡面“密封”，则可保证坡体内含水率的稳定，有利于增加边坡稳定性。

3)边坡径流量总体上防渗护壁材料防护边坡最大，且3组边坡径流量均随循环次数增加呈“S”形变化；膨胀土边坡坡面在降雨-蒸发循环作用下会经历“溅蚀→面蚀→沟蚀→局部滑塌→冲沟填充”的渐进性循环侵蚀破坏，使边坡从坡脚处局部滑塌开始诱发坡体发生后退式滑塌破坏，坡表土层厚度随着循环侵蚀破坏的进行而削减。

4)土体冲刷量与降雨-蒸发循环次数的拟合效果较好，二者呈二次函数关系；在相同循环次数下，边坡抗冲刷系数Rs由大到小依次为防渗护壁材料防护边坡、三维植被网+防渗护壁材料防护边坡和素土边坡，说明防渗护壁材料防护边坡的抗冲刷性能最为显著；防渗护壁材料防护边坡受降雨-蒸发循环作用的影响较小，其坡脚裂隙发育宽度和深度最小。

5)防渗护壁材料防护层和三维植被网+防渗护壁材料防护的截水与导水作用可有效拦截雨水并降低其入渗速率，且防护层减小了坡表的蒸发面使得坡体内水分难以蒸发，有利于保持边坡水分稳定；同时，防护层对雨水的拦截可极大降低雨滴对坡面的直接冲击破坏，并降低径流作用对坡面的冲蚀，有效减小因降雨造成的坡面侵蚀破坏；此外，防护层能显著降低降雨-蒸发循环对坡体的影响，保证边坡的整体性，有利于边坡的长期稳定。