毛细阻滞覆盖层边坡防护技术研究综述
2022-05-22王甦宇刘爱华邹家强吴政洲张巍
王甦宇 刘爱华 邹家强 吴政洲 张巍
摘要:利用毛细阻滞覆盖层(CB)对边坡进行防护是减小降雨诱发滑坡危害的有效手段之一。毛细阻滞覆盖层不仅在边坡防渗方面有较好的表现,还能满足生态护坡的需要。针对毛细阻滞覆盖层的研究现状,分析了不同因素对其防渗效果的影响,包括几何构造、内部的渗流以及细/粗粒层材料的组成,指出了毛细阻滞覆盖层边坡防护技术的优势与不足,并进一步讨论了提高毛细阻滞覆层防护性能的改进措施和途径。研究表明:CB技术是未来边坡防护与生态护坡的一个重要发展方向。
关 键 词:毛细阻滞覆盖层(CB); 降雨滑坡; 边坡防护技术; 综述
中图法分类号: P642A
文献标志码: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.013
0 引 言
降雨是造成滑坡的一個重要诱因。国内外对降雨诱发滑坡的研究显示:降雨时,雨水会通过边坡土体中的孔隙渗透入土体深处,渗入的雨水不仅仅会增加土壤自重,同时还会增大边坡土壤饱和度,降低土壤基质吸力和抗剪强度,最终引发滑坡[1-5]。人们根据降雨诱发滑坡的机理对滑坡防治的方法展开了大量的理论与实践研究,提出了多种边坡防护方法。这些传统的边坡防护方法已具有较高的可靠性以及较为成熟的施工技术,但其在生态环保以及耐久性方面则面临着一些新挑战[6-7]。
大量研究表明防治降雨诱发滑坡的关键在于所用的防护措施能够在降雨期间实现有效的排水与抗渗。因此,有学者提出使用毛细阻滞覆盖层(Capillary Barrier,CB)来充当边坡防护层。CB在研发之初主要被用作填埋废弃物时的防渗层,但其优秀的抗渗能力也引起了人们的注意,于是科研人员开始尝试将其应用于边坡防渗中。传统CB是由一层细粒层与一层粗粒层相叠加而组成。当土体处在非饱和状态时,随着土体基质吸力的增大,土体的渗透系数会随之减小。当细/粗粒层交界面处的基质吸力高于进水压力值(即粗粒层材料的渗透系数等于细粒层材料的渗透系数时的基质吸力值)时,粗粒层的渗透系数会低于细粒层的渗透系数[8],同时,细粒层材料具有渗透系数低,饱和含水率高的特点,故入渗雨水会积蓄在细粒层中而难以渗入粗粒层,从而实现了阻止雨水下渗。上述这些因素使得CB能在降雨期间控制下方坡体的土壤含水率和孔隙水压力,起到抗渗与维持坡体稳定性的作用。同时CB之上允许植被生长,能够满足边坡绿化与环境保护的需要,最终实现边坡安全防护与生态护坡的目的。
CB边坡防护技术在近20多年内发展迅速,人们逐步根据实际需要对CB进行了多种改进。本文在归纳总结国内外研究成果的基础上,对现有关于毛细阻滞覆盖层的研究现状进行了归纳,分析了不同因素对毛细阻滞覆层及其防渗效果的影响,总结了毛细阻滞覆盖层边坡防护技术的优势与不足,并讨论了提高毛细阻滞覆层防护性能的有效改进措施与途径。总的来说,CB技术是未来边坡防护与生态护坡的一个重要发展方向。
1 CB边坡防护技术主要研究成果
在早期,有关CB的研究主要集中在其作为废弃物覆盖层的防渗效果上[9-12]。而在2003年后,研究的重心转向了分析不同因素对CB防渗效果的影响上,进而扩展到研究其作为边坡防护层的有效性。
近些年,国内外学者从多个角度对CB的抗渗能力进行了更系统深入的研究,主要归纳为以下3个方面:几何构造对CB的影响,各层内的渗流对CB的影响,细/粗粒层材料的组成对CB的影响。
1.1 几何构造对CB的影响
影响CB的几何构造因素有:铺设坡度、铺设长度以及粗粒层的厚度。对CB抗渗性的研究指出:随着CB坡度的增大,入渗雨水穿透CB所需的时间就越长,CB下方土壤含水率变化就越小[13]。CB的铺设长度虽然对坡顶处含水率的影响不大,但对土壤中沿斜坡方向的水分变化有着较大的影响[13]。同时,随着粗粒层厚度的增大,CB的毛细阻滞作用也会增强,但增强程度较为有限[14]。此外,当覆盖层的初始孔隙水压力越高时,孔隙水压力增长的速度就越快,CB被雨水击穿的时间就越短[15]。说明在CB施工过程中需要对铺设坡度进行计算,且需注意控制水分入渗下方土体,避免造成初始孔隙水压力过高,以尽可能增强CB的抗渗效果。
1.2 各层内的渗流对CB的影响
在CB防渗的过程中,入渗的雨水会在细粒层中形成渗流,而针对CB内部渗流现象的研究[16-17]指出:入渗细粒层中的雨水主要沿着饱和边缘横向流动,在渗透速率较低时,雨水会均匀流过细粒层,而当渗透速率较高时出现的优先流会使渗流模式变得不规则,同时,CB的水力特性决定了渗透水侧向运移时的流型以及压力水平,还决定了达到临界基质吸力时的渗透速率的大小[16]。此外,发生在细粒层中的优先流会使细粒层的实际储水量略小于理论值,因此在计算细粒层的实际最大储水量时,需要考虑到优先流对储水量的影响[17]。
1.3 细/粗粒层材料的组成对CB的影响
CB的抗渗性能与其细/粗粒层材料的组成具有密切关系。CB的基本结构如图1所示,覆盖在粗粒层之上的细粒层在降雨期间起着积蓄雨水的作用,故其蓄水能力的强弱将影响到CB抗渗性能的强弱;而细粒层的蓄水能力强弱又与细/粗粒层的材料组成有着一定的关系。针对不同粒径的细/粗粒层材料组成的CB的研究[18]指出,粗粒层材料的颗粒的质地越均匀,表面越粗糙,细粒层的最终蓄水量就越大,细/粗粒层间的阻滞效应就越明显。此外,对构筑在室外CB土柱的监测实验的结果[19]指出,CB的细粒层与粗粒层存在临界含水率,只有当细/粗粒层的含水率超过临界含水率时,CB才会被雨水击穿。细粗粒层的临界含水率可作为一个安全指标,帮助人们有效监测与评估CB的安全状况,在CB失效前及时做出相应的防范措施。
2 CB边坡防护技术的优缺点
2.1 优 势
(1) 更好的耐久性。这是因为CB主要是依靠细/粗粒层间的毛细阻滞效应来阻止雨水下渗,而粗粒层在高基质吸力下的低渗透性正是毛细阻滞效应形成的重要原因之一。由于构成粗粒层的粗颗粒(例如砾石,砂)之间并不是相互粘结,因此粗粒层既不会像黏土覆盖层一样容易因降雨后的干湿循环而出现裂隙,也不会像混凝土板或是水泥砂浆层一样容易因热胀冷缩而开裂;同时,相较于一些土工膜或土工织物,粗颗粒的性质更稳定,因此粗粒层不会轻易随时间推移而出现破损,这使得CB具有更好的耐久性。
(2) 更好地抑制下方土层开裂。这是因为CB的粗粒层相当于铺设在细粒层与边坡土体之间的夹砂层,而当土体中存在夹砂层时,夹砂层不仅仅会影响毛管水上升的速度,还会影响毛管水上升的高度,使下层土壤滯留更多的水分,能够有效抑制下层土壤中水分的蒸发强度和蒸发量[20-21],降低下方边坡土层因蒸发作用而开裂的风险。孙志忠等[22]针对粒径不同的两种块石层的研究显示块石层的孔隙性大,能够对下部土体起到热屏蔽作用。粗粒层的颗粒间存在大量的孔隙,同时粗粒层在基质吸力低时排水速度快,在基质吸力高时雨水不易渗入,因此粗粒层的含水量一般较低[8],孔隙中往往充盈着气体,能够对下方土体起到保温隔热的作用,从而降低了下方边坡土层因热胀冷缩而开裂的风险。
(3) 更好地满足环境保护的需求。在进行边坡防护时,若使用喷射砂浆或混凝土来覆盖坡面的方法或是往边坡土壤中加入土壤固化剂的方法,不仅会限制植物的生长,有时还会对边坡的土壤环境造成不可逆转的破坏。而不同于上述防护方法,CB之上允许植物生长,对生态环境影响较小。同时可将CB与一些植物防护的方法结合起来,在利用CB实现排水抗渗的同时,CB上生长的植物根系亦能对细/粗粒层起到一定的加固作用,且植物的蒸腾作用对于CB在强降雨过后功能的恢复也有着重要帮助[23]。CB在实现边坡防护的同时,还能兼顾到边坡的生态保护,更好地满足环境保护的需求。
同时,亦可将CB与一些传统的边坡防护方法或排水方法结合起来,进一步提高其整体稳定性、使用范围以及排水能力。几种边坡防护技术的对比如表1所示。
2.2 不 足
传统CB的基本结构只包含了一层细粒层与粗粒层,CB主要是利用了细粒层蓄水能力强和粗粒层在高基质吸力时渗透性较小的特性来阻止雨水下渗,虽然这种双层结构能够有效地阻止雨水下渗,但其也存在一些不足。
(1) 陡峭边坡上铺设存在较大限制。这是因为CB为两种土层相互堆叠的结构,当边坡的坡度较大时,CB的铺设会较为困难,同时,CB在陡峭边坡上的稳定性也需要进一步提高。
(2) 极端降雨条件下失效风险增大。当降雨时间较长时,雨水会使细粒层与粗粒层界面处的基质吸力逐渐下降,一旦粗粒层表面的基质吸力下降至进水压力值时,雨水便会开始入渗粗粒层,最终渗入下方坡体。
(3) 潮湿气候下防渗效果受到削弱。在气候较为湿润的情况下,细粒层的饱和度会较高,这会造成其蓄水能力的下降。同时,细粒层与粗粒层之间的界面的基质吸力也会因湿润的气候而有所下降,增大了CB在降雨时失效的风险。此外,较为湿润的气候也会减弱蒸腾作用,不利于CB在降雨后防渗功能的恢复。
2.3 改进方案
针对上述问题,研究人员对CB的结构进行了多种改进,主要的改进方案有以下几种。
(1) 不改变CB原有结构,通过将CB与一些现有的土工材料相结合的方式,来进一步提高CB的整体结构的稳定性。目前的改进方案主要有两类:一类是通过将细粒层材料填充压实在土工编织袋中,并利用土工格栅对CB下方土层进行加固,以此来构成Geo Barrier System (GBS);另一类是在CB的细粒层与粗粒层中均加入土工格栅,通过加固CB的细粒层与粗粒层的方式来提高CB整体结构的稳定性,针对覆盖有GBS的边坡与原始边坡的对比实验[24]和针对利用土工格栅加固的CB与原始边坡的对比实验[25]均指出,相较于原始边坡,这两类CB均能在降雨期间起到控制雨水入渗,维持下方土层孔隙水压力的作用。同时,在Rahardjo等[24]对GBS的实验中,边坡坡度达到了70°,说明GBS既能对边坡起到防渗作用,又能对近乎垂直的土坡起到一定的支挡作用,此方法使CB能被构筑在较为陡峭的边坡之上,大大提高了CB的实用性。
(2) 在粗粒层下方增加一层渗透系数更低的防护层,以构成下伏防护层的CB。在防渗效果方面,针对下伏黏土防护层的CB土柱渗透实验[26]与下伏黏土层的CB坡体降雨实验[27]的结果指出:当雨水击穿粗粒层时,由于黏土防护层的渗透性较低,雨水难以入渗其中。同时,由于黏土防护层与粗粒层之间的界面的水力传导度远大于防护层,因此雨水便能沿着粗粒层与防护层之间的界面快速排出。下伏防护层的CB克服了以往传统CB不耐潮和在长时间连续降雨时容易失效的缺点,应用在潮湿地区的边坡防护工程中,进一步提高了CB的安全性。此外,由于防护层位于细粒层与粗粒层之下,未与外部大气直接接触,且粗粒层又能对下方水分的蒸发起到一定的阻隔作用[21],故防护层因干湿循环而开裂的风险较低,防渗的可靠性较高[28]。在排水效果方面,下伏防护层的CB的排水效果与粗粒层的粒径和级配有着密切的关系[29],具体规律表现为:在同等条件下,随着粗粒层材料粒径变小,颗粒级配变好,CB的稳定排水率呈现出先减小后增大的趋势,而综合排水率则呈现出先增大后减小的趋势。
(3) 在细粒层与粗粒层之间增设非饱和排水层(Unsaturated Drained Layer,UDL),通过提高CB的排水能力,来降低细粒层与粗粒层之间的防护界面失效的风险。对含UDL的CB模型进行模拟降雨实验,结果表明UDL层在排水时存在最大排水速率,当穿过细粒层入渗UDL层的雨水量小于UDL的最大排水速率所能排出的水量时,雨水将沿着UDL层侧向排出CB,而不会继续下渗,因此增强细粒层对雨水渗入量的控制能力能有效提高含UDL层CB的抗渗效果[30]。此外,针对含UDL层CB的数值模拟实验指出,含UDL层的侧向导排长度与CB的细/粗粒层界面坡度成正比[31]。同时针对含UDL层CB,传统CB以及下伏防护层CB的对比实验[32]表明,含UDL层CB在输水排水以及维持下方土体孔隙水压力和边坡安全系数方面均优于传统CB。含UDL层CB在排水防渗方面具有更好的效果,更适用于气候湿润多雨的南方地区。
(4) 将多个CB在垂直方向进行叠加,构成多层CB防护层(Dual Capillary Barriers,DCB)来提高其蓄水与导排的能力。CB的防渗效果与其细粒层的蓄水能力有着密切关系,而湿润气候会使细粒层材料的饱和度升高,从而降低了细粒层的蓄水能力。而针对DCB和
传统单层CB(即Single Capillary Barrier,SCB)的一维土柱渗透试验[33]表明,一方面,DCB中包含两层细粒层与粗粒层,位于细粒层下方的粗粒层能使两者在交界面处产生毛细阻滞效应,从而减缓雨水下渗的速度。同时,由于位于粗粒层下方的细粒层渗透系数要小于粗粒层,因此当雨水透过上方的粗粒层时,下方的细粒层也能起到阻止雨水下渗的作用,因此雨水会积蓄于DCB中而难以继续下渗。另一方面,由于DCB中各层细粒层厚度均小于SCB的细粒层,因此DCB中的细粒层顶部的孔隙水压力值更容易接近其进气值,故其细粒层在被雨水穿透前的含水率更容易达到其饱和含水率,故DCB的细粒层在被雨水穿透前的储水量要高于SCB的细粒层,因此DCB整体的蓄水能力要强于SCB。Rahardjo等[34]对覆盖有DCB的边坡进行的数值模拟实验也证明了在降雨时,DCB能够有效阻止雨水下渗至DCB下方土层,大部分雨水将顺着坡度侧向排出。因此DCB的防渗能力要优于SCB,其在强降雨的情况下失效的风险更低,进一步提高了CB在降雨量较大且集中的地区使用时的安全性。
3 提高CB防护的主要措施
提高CB防护性能的关键在于提高细粒层的蓄水能力、增强细/粗粒层间的毛细阻滞作用以及减小气候因素对其的影响。现有的研究成果指出,可以通过在细粒层中加入生物炭等吸水材料的方式[35]来提高细粒层的蓄水能力,同时可以通过适当增大CB的铺设坡度[13-15]和适当增大粗粒层厚度的方式[14]来增强细粗粒层之间的毛细阻滞作用。针对气候因素的影响,人们也提出了多种改进CB结构的方案,通過在粗粒层下方增设防护层[26-29]来提高CB在强降雨条件下的抗渗与排水能力;通过在细粒层与粗粒层之间增设不饱和导排层[30-32]来提高CB的排水能力;以及通过将多个单层CB在竖直方向进行叠加以构成多层CB[33-34]以增强CB的抗渗性能。
现有的改进方式均能在一定程度上提高CB的防护效果,但在未来的研究中还可以通过将一些土工材料或支护结构与CB相结合,来提高CB抗渗性与整体结构的稳定性;或者是通过将植被加入CB设计中或是改进CB的材料组成来提高CB的抗渗与排水能力。这些改进措施能有效提高CB的稳定性和排水抗渗性,减小环境因素对CB使用的影响,让CB边坡防护技术在边坡防护工程中具有更高的使用价值。
3.1 将CB与防渗土工材料结合
现有的研究中,往往都是采用普通黏土和砾石土作为CB的构成材料,较少采用其他土工材料作为CB的构成材料。为了进一步提高CB的防护效果,有学者尝试将土工材料加入CB之中,Rahardjo等[36]就曾采用土工塑料排水带作为CB的粗粒层材料,并利用现场实测的方式,验证了其作为防渗层的有效性。故在未来的研究中,可以根据不同类型CB的防护特点,将一些防渗土工材料加入CB中,以提高CB的防护性能。
例如,下伏防护层的CB利用粗粒层下方增设的防护层来增强CB在强降雨条件下的抗渗性,其结构如图2所示。针对此特点,可以考虑使用红黏土与膨润土混合物作为防护层材料,以进一步提高防护层的抗渗性。目前国内的学者针对红黏土与膨润土混合物作为防渗层的抗渗性进行了许多实验[37-39],这些实验的结果显示:膨润土可以在吸水膨胀时进一步填充红黏土颗粒之间的间隙,提高了红黏土的抗渗性,膨润土的掺入也能弥补红黏土赋水性差的缺点,降低了红黏土-膨润土防护层在降雨结束后的干湿循环中开裂的风险。红黏土在中国南方地区分布较为广泛且容易获取,而膨润土不容易随环境变化而出现老化或是腐蚀现象,具有较好的耐久性。此外,膨润土既不会对人体产生危害,对环境的影响也较小,相对安全环保[40]。因此,在未来的研究中可以考虑以红黏土-膨润土作为CB防护层而进行研究,对其防渗与导排效果进行实验验证。
3.2 将CB与支护结构相结合
将CB与支护结构相结合,也是CB设计中的一种创新,目前多数CB都铺设在坡度相对较小的边坡上,而对于坡度较大的坡面,要想铺设CB是较为困难的,对于此类边坡而言,除了要预防降雨带来的滑坡,坡体自身也需要一定的支护结构进行加固。现实中很大一部分的边坡的坡度都较大,如何在较为陡峭的边坡上,使CB较好地发挥出加固与防护功能是CB在实际应用中的一个难点。针对这一问题,Rahardjo等[24]将 CB细粒层材料填充进土工袋中,并将土工袋铺设在用土工格栅加固的坡面上,以构成GBS,这样使得CB既能够实现降雨时的抗渗,还能起到
支护结构的作用,其结构如图3[24]所示。故将CB与支护结构相结合进行设计,也将是未来研究的一个重要方向。目前,这种堆叠土工袋构筑的支护结构的强度还有待进一步提高,在未来的研究中可以考虑在坡面上现浇钢筋混凝土框架,并在框架内部构筑CB,或是使用锚杆框架梁对构筑有CB的边坡进行二次加固,从而将两者的优势相结合,既能解决刚性支护结构在控制边坡土体内水分变化以及边坡土体排水的问题上的不足,又能解决CB在整体结构稳定性上的不足,具有重要的研究价值。
3.3 在CB设计中加入植被
CB之上允许植物生长,这也是CB的优势之一。分析植被对CB的影响是目前一个重要的研究方向,将植被的影响因素进行量化分析,并加入CB的设计之中也是提高CB防护性能的关键之一。因为植物的枝叶能够减弱雨水对于CB表面的直接冲刷,植被的根系亦能起到加固CB土层的作用。国内一些关于植被根系对边坡土壤加固作用的研究指出,植被的根系能够对边坡土体起到锚固与加筋的作用[41-42],根系对边坡的加固作用如图4[42]所示,这对提高CB细粒层的抗剪强度有着一定的作用。更为重要的一点是,植被的蒸腾作用能够将降雨过后积聚在土层中的雨水带出[42],这有助于加快CB的排水过程,从而加快CB在强降雨后功能的恢复,张文杰等[23]的研究结果也证明了这一点。但植被过于繁盛的根系也可能在CB中形成优先流通道,加快雨水的渗透,增加CB失效的风险。植被的根系、叶面积以及植被覆盖率对于CB功能的提高有着较为复杂的影响,目前关于这方面的数值模拟或是物理实验较少,现有的研究主要集中在通过直接监测种植有植被的CB模型在降雨前后土中含水率、孔隙水压力等参数的变化,来对植被对CB的影响进行定性分析。目前这项研究的难点在于将植被因素对CB的影响进行量化分析。在未来的研究中,如何量化分析植被对CB的影响将是一个研究重点,将植被的影响因素进行量化分析并加入CB的设计中,也有利于提高CB设计的准确性。
3.4 对细/粗粒层材料的改进
CB的抗渗能力与细粒层的蓄水能力有着密切的联系,故改进细粗粒层材料来提高细粒层蓄水能力是提高CB排水抗渗性能的有效方法之一。在细粒层中加入具有较强吸水能力的材料是提高细粒层的蓄水能力的有效手段,例如杨克[35]在CB的细粒层中掺入了生物炭,分别通过物理实验和数值模拟的方式对生物炭复合土毛细阻滞层的抗渗性能展开研究,实验结果说明生物炭
能够有效提高土壤的固水能力,且随着生物炭的掺量的增加,生物炭复合土毛细阻滞层的蓄水能力也随之增强,其抗渗性能也有所提高。在未来的研究中还可以考虑将丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物加入细粒层中。这种物质常被用作客土喷播的保水剂,具有较强吸水能力,可以在降雨期间将入渗细粒层的雨水吸附其中,有效提高细粒层的蓄水能力。同时,还能在干旱时期为生长在细粒层上的植被提供部分水分,可以在一定程度上增强植被对CB的加固作用。
3.5 其他环境友好型CB技术
绿色环保是CB边坡防护技术的一个重要优势,因此开发更多的环境友好型CB也会是未来的一个重要研究方向。目前,国内外的一些研究者正在尝试将一些建筑废料制成CB的组成材料,以实现变废为宝、绿色环保的目的。
Rahardjo等[36,43]通过对覆盖有以再生混凝土碎骨料(Recycled Crushed Concrete Aggregates,RCA)为粗粒层的CB的边坡以及原始边坡进行监测和分析来验证RCA作为CB粗粒层材料的有效性。实验结果显示:相较于原始边坡,覆盖有CB的边坡的孔隙水压力在降雨前后变化幅度更小,表明CB能有效维持下方土层的孔隙水压力值[36]。同時,覆盖有CB的边坡的安全系数在降雨前后,均高于原始边坡的安全系数[43]。这些实验均采用现场实测的形式去研究以RCA材料为粗粒层的CB在降雨条件下对边坡所起的防护作用,所获取的数据能较为真实地反映RCA作为CB粗粒层材料的有效性,为今后RCA作为CB的组成材料的应用提供了重要参考。
梅冬捷[44]根据再生混凝土集料的水力特性,以渣土与再生混凝土集料为材料制作了CB,通过模型槽实验研究其在持续降雨的条件下的水分运移状况,并以数值模拟的方式探讨了不同的粗粒层材料、细粒层厚度以及持续降雨时间对毛细阻滞覆盖层稳定性所产生的影响,其成果显示以再生混凝土集料作为粗粒层的CB在排水抗渗方面比传统CB具有更佳的性能。在未来的研究中还可以对一些与再生混凝土集料类似的建筑废料的水力特性与力学特性进行研究,寻找更多可以用于制造CB组成材料的建筑废料,以充分实现“以废治害”的目的。
4 结 论
在降雨的影响下,滑坡发生的频次会更高,破坏力会更强,影响范围会更大。对边坡进行防护是减小降雨诱发滑坡危害的有效手段之一。虽然毛细阻滞覆盖层在实际边坡工程防护中的使用还处于研发利用阶段,但毛细阻滞覆盖层在坡体防渗及生态护坡方面的良好表现,势必成为未来边坡防护工程技术措施的重要发展方向。通过对现有关于毛细阻滞覆盖层的研究成果进行综合分析,可以得出以下主要结论:
(1) 目前对毛细阻滞覆盖层的研究已经从分析其作为废弃物的覆盖层的抗渗性扩展到研究其作为边坡防护层的有效性方面。此外,人们也从不同角度研究得到了一些关键性因素对其抗渗性的影响规律,为该技术在边坡防护领域的运用奠定了良好基础。
(2) 相较于目前已有的多种人工边坡防护方法,毛细阻滞覆盖层在耐久性和生态环保方面具有更多的优势,且能对下方土层的开裂起到较好的抑制作用。但传统毛细阻滞覆盖层在陡峭边坡上的使用还存在较多限制,极端降雨与潮湿气候也会增大其失效的风险。
(3) 目前针对毛细阻滞覆层的不足所做出的改进主要可以归纳为:利用土工材料加强整体稳定性与通过改进结构与材料来提高排水防渗能力两方面。在未来,如何优化毛细阻滞覆盖层的材料组成与结构设计,以提高其排水抗渗能力与整体稳定性,减小气候因素对其性能的影响,增强其在不同环境下的适应能力,仍需进一步研究。
参考文献:
[1] KIM J,KIM Y,JEONG S,et al.Rainfall-induced landslides by deficit field matric suction in unsaturated soil slopes[J].Environmental Earth Sciences,2017,76(23):808.
[2] ZHANG G,WANG R,QIAN J Y,et al.Effect study of behavior of soil slope under rainfall conditions[J].Soils and Foundations,2012,52(4):634-643.
[3] FANG H,CUI P,PEI L Z,et al.Model testing on rainfall-induced landslide of loose soil in Wenchuan earthquake region[J].Natural Hazards and Earth System Sciences,2012,12(3):527-533.
[4] 彭世真.降雨对非饱和土质边坡稳定性影响的研究[J].工程建设,2006(3):8-12.
[5] 赵方利,崔华英,刘丽娜,等.降雨型滑坡临界启动降雨量确定方法[J].工程建设,2017,49(12):30-32,37.
[6] 罗丽娟,赵法锁.滑坡防治工程措施研究现状与应用综述[J].自然灾害学报,2009,18(4):158-164.
[7] 丁国权,袁俊平.膨胀土边坡防护机理分析及防护方法比较[J].岩土工程技术,2018,32(2):83-87.
[8] 張家发,刘晓明,焦赳赳.膨胀土渠坡兼有排水功能的双层结构防护方案[J].长江科学院院报,2009,26(11):37-41.
[9] STORMONT J C.The effectiveness of two capillary barriers on a 10% slope[J].Geotechnical and Geological Engineering,1996,14(4):243-267.
[10] MORRIS C E,STORMONT J C.Capillary barriers and subtitle d covers:estimating equivalency [J].Journal of Environmental Engineering,1997,123(1):3-10.
[11] TIDWELL V,GLASS R,CHOCAS C,et al.Visualization experiment to investigate capillary barrier performance in the context of a yucca mountain emplacement drift[J].Journal of Contaminant Hydrology,2003,62(3):287-301.
[12] TAMI D,RAHARDJO H,LEONG E,et al.A physical model for sloping capillary barriers[J].Geotechnical Testing Journal,2004,27(2):173-183.
[13] BUSSIERE B,AUBERTIN M,CHAPUIS R P.The behavior of inclined covers used as oxygen barriers[J].Canadian Geotechnical Journal,2003,40(3):512-535.
[14] QIAN T W,HUO L J,ZHAO D Y.Laboratory investigation into factors affecting performance of capillary barrier system in unsaturated soil[J].Water Air & Soil Pollution,2010,206:295-306.
[15] LI J H,DU L,CHEN R,et al.Numerical investigation of the performance of covers with capillary barrier effects in South China[J].Computers and Geotechnics,2013,48:304-315.
[16] KMPF M,HOLFELDER T,MONTENEGRO H.Identification and parameterization of flow processes in artificial capillary barriers[J].Water Resour. Res.,2003,39(10):21-29.
[17] ZHAN L T,L1 G Y,JIAO W G,et al.Field measurements of water storage capacity in a loess-gravel capillary barrier cover using rainfall simulation tests[J].Canadian Geotechnical Journal,2017,54(11):1523-1536.
[18] YANG H,RAHARDJO H,LEONG E C,et al.A study of infiltration on three sand capillary barriers [J].Canadian Geotechnical Journal,2004,41(4):629-643.
[19] ZHANG W J,SUN C,QIU Q W.Characterizing of a capillary barrier evapotranspirative cover under high precipitation conditions[J].Environmental Earth Sciences,2016,75(6):513.
[20] 史文娟,汪志荣,沈冰,等.夹砂层土体构型毛管水上升的实验研究[J].水土保持学报,2004,18(6):167-170.
[21] 张家发.地下水位匀速下降条件下层状非均质多孔介质给水度的初步研究[J].水利学报,1988,8:9-17.
[22] 孙志忠,马巍.块石层对其下部路基土体温度的影响[J].铁道工程学报,2003(4):59-61.
[23] 张文杰,林午,董林兵.垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验[J].岩土力学,2014,35(5):1263-1268.
[24] RAHARDJO H,KIM Y,GOFARA N,et al.Field instrumentations and monitoring of GeoBarrier system for steep slope protection[J].Transportation Geotechnics,2018,16:29-42.
[25] SATYANAGA A,RAHARDJO H,HUA C J.Numerical simulation of capillary barrier system under rainfall infiltration in Singapore[J].International Journal of Geoengineering Case Histories,2019,5(1):43-54.
[26] NG C W W,COO J L,CHENWATER Z K,et al.Water infiltration into a new three-layer landfill cover system[J].Journal of Environmental Engineering,2016,142(5):1-12.
[27] 吴庆华,张家发,武金博,等.非饱和导排结构控制降雨入渗的边坡物理模型试验[J].岩土工程学报,2017,39(1):154-160.
[28] TAN S H,WONG S W,CHIN D J,et al.Soil column infiltration tests on biomediated capillary barrier systems for mitigating rainfall-induced landslides[J].Environmental Earth Sciences,2018,77(16):589.
[29] 吳庆华,张家发,崔皓东,等.细/粗粒二元结构边坡的排水防渗效果试验研究[J].岩土力学,2017,38(2):392-399.
[30] 邓林恒,詹良通,陈云敏,等.含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能模型试验研究[J].岩土工程学报,2012,34(1):75-80.
[31] MORRIS C E,STORMONT J C.Parametric study of unsaturated drainage layers in a capillary barrier[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(12):1057-1065.
[32] 黄月华,周成,李红梅.膨胀土边坡中CBS防护系统的计算模拟[J].水利与建筑工程学报,2017,15(5):82-87.
[33] HARNAS F R,RAHARDJO H,LEONG E C,et al.Experimental study on dual capillary barrier using recycled asphalt pavement materials[J].Canadian Geotechnical Journal,2014,51(10):1165-1177.
[34] RAHARDJO H,SATYANAGA A,HARNAS F R,et al.Use of dual capillary barrier as cover system for a sanitary landfill in Singapore[J].Indian Geotechnical Journal,2016,46(3):228-238.
[35] 杨克.生物炭复合土毛细阻滞层环境岩土工程特性研究[D].福州:福州大学,2016,32-76.
[36] RAHARDJO H,SANTOSO V A,LEONG E C,et al.Use of recycled crushed concrete and Secudrain in capillary barriers for slope stabilization[J].Canadian Geotechnical Journal,2013,50(6):662-673.
[37] 彭玉林,龚爱民,孙海燕,等.垃圾填埋场中改性红黏土防渗料的性能研究[J].人民长江,2011,42(增2):163-165,169.
[38] 陈学军,李佳明,宋宇,等.纳米膨润土对桂林红黏土力学性质的影响[C]∥2017年全国工程地质学术年会论文集.北京:科学出版社,2017:207-212.
[39] 刘阳生,白庆中.膨润土改性天然粘土防渗材料的研究[J].应用基础与工程科学学报,2002(2):143-149.
[40] 董姝娟,孙颖,孙鹏飞.现有地下水防渗材料综述[J].广东化工,2015,42(12):113-114,130.
[41] 周成,路永珍,黄月华.香根草加固不同含水率膨胀土的侧限膨胀和直剪试验[J].岩土工程学报,2016,38(2):30-35.
[42] 李国荣,毛小青,倪三川,等.浅析灌木与草本植物护坡效应[J].草业科学,2007(6):86-89.
[43] RAHARDJO H,LEONG E C,ALFRENDO S,et al.Rainfall-induced slope failure and preventive measures in Singapore[M].Singapore:Nanyang Technological University,2014.
[44] 梅冬捷.建筑固废物的水力特性及其在降雨型滑坡的作用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.
(编辑:黄文晋)
Review on slope protection technique of capillary barrier
WANG Suyu,LIU Aihua,ZOU Jiaqiang,WU Zhengzhou,ZHANG Wei
(College of Water Conservancy and Civil Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
Abstract:
Using capillary barrier to protect the slope is one of the effective means to reduce the damage of rainfall-induced landslide.Capillary barrier has a good performance in slope anti-seepage,and can meet the needs of ecological slope protection.According to the research status of capillary barrier,the influence of different factors on capillary barrier and its anti-seepage effect,including geometric structure,internal seepage and the composition of fine/coarse grained materials were analyzed.The advantages and disadvantages of this technique were pointed out.The main improvement measures and ways to enhance the protective performance of capillary barrier were discussed as well.The results show that capillary barrier technology is an important development direction of slop protection and ecological slop protection in the future.
Key words:
capillary barrier;rainfall-induced landslide;slope protection technique;review