细粗粒覆盖层对膨胀土边坡防渗效果数值研究

摘要：

为了研究由一层细粒土层下覆一层粗粒土层组成的毛细阻滞护坡结构对膨胀土边坡防渗效果的影响，采用初应变法将膨胀土中湿度应力以类似温度应力场的形式施加到土体上，通过数值软件实现对膨胀土边坡吸湿膨胀的数值模拟，将等效塑性应变完全贯通作为边坡稳定性的判别准则。数值模拟结果表明：毛细阻滞护坡结构层形成强透水层，能有效防止降雨入渗，达到较好的护坡效果；0.5 m厚细粒土层+0.2 m厚粗粒土层组成的毛细阻滞结构护坡效果与1.5 m水泥改性土护坡结构相当。毛细阻滞生态护坡结构对膨胀土边坡有较好的护坡效果。研究成果可以为相关膨胀土边坡防护提供理论和设计依据。

关" 键" 词：

粗粒土覆盖层； 膨胀土边坡； 毛细阻滞护坡结构； 吸湿膨胀； 数值模拟； 防渗效果

中图法分类号： TU43

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.029

收稿日期：

2023-11-28

；接受日期：

2024-02-12

基金项目：

安徽省引江济淮集团有限公司科技项目（YJJH-ZT-ZX-20230118528，YJJH-ZT-ZX-20191031216）；国家自然科学基金青年基金项目（52208329）

作者简介：

权" 全，男，高级工程师，主要从事水利工程建设管理。E-mail：602419226@qq.com

通信作者：

邱金伟，男，高级工程师，博士，主要从事环境岩土工程、膨胀土边坡等方面的研究。E-mail：jinwei_qiu@foxmail.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0221-08

引用本文：

权全，邱金伟，胡波，等.细粗粒覆盖层对膨胀土边坡防渗效果数值研究

［J］.人民长江，2024，55（7）：221-228.

0" 引 言

由于膨胀土干缩湿胀的工程特性，未采取任何防护措施的膨胀土边坡在干湿循环的不断作用下会产生裂缝（最深可达2 m）。雨天水分沿裂缝入渗至膨胀土边坡深层，膨胀土吸湿膨胀产生膨胀应力挤压周边土体，进而产生顺坡向的剪切力，当剪切力超过抗剪强度后产生塑性变形，并逐步向上发展直至贯通，最终导致浅层滑坡［1-2］。因此想要防止此类边坡失稳，应抑制膨胀变形的产生。含水量控制和压重是抑制膨胀变形的两种手段［3］。由于在工程建设和运行中控制土体含水量的变化较难实现，压重是当前工程中最常用的方式，即将边坡表层膨胀土换填成非膨胀土。为了实现压重的目的，表层换填土厚度通常超过1 m。换填层通常为非膨胀黏性土、水泥改性膨胀土、土工格栅加筋膨胀土、石灰改性膨胀土等［4］，对原料的需求较大，且最常用的水泥改性膨胀土、石灰改性膨胀土等换填土层会造成土壤碱化、板结，破坏了天然土的生态功能，短期内无法生长植被，不利于生态修复［5］。

毛细阻滞护坡结构由一层细粒土层下覆一层粗粒土层组成，利用两土层渗透性差异形成毛细阻滞作用，可以有效防止雨水的入渗［6-8］。毛细阻滞结构最初被用于填埋场的封场覆盖中，后被学者拓展应用于边坡的防护工程中［9-12］。毛细阻滞护坡结构通过含水量控制和压重双层作用抑制膨胀变形，具备更好的耐久性，适合种植植被，满足环保要求。一些学者通过室内试验证实了毛细阻滞护坡结构良好的护坡效果。Yang等［13］开展了一系列毛细阻滞护坡结构室内试验研究，结果表明粗粒层的阻水效果显著，且土层颗粒越粗阻碍效果越明显。Tami等［12］研究了多种降雨条件下毛细阻滞护坡结构的护坡效果，试验结果表明毛细阻滞护坡结构具有良好的阻水能力，当降雨强度较大时细粒土层的持水能力对排水效果影响较大。吴庆华等［8］研究了毛细阻滞护坡结构的排水防渗效果，试验结果表明该结构具有较好的防渗排水效果，其稳定排水效率和综合排水效率分别介于80%～100%和43%～79%之间。

当前通过数值模拟研究毛细阻滞结构对膨胀土边坡稳定性作用的研究较少。陈冠一等［14］通过数值模拟研究了几种不同毛细阻滞护坡结构治理膨胀土边坡的渗流及稳定性，考虑了土层的非饱和特性，然而没能考虑膨胀土边坡的吸湿膨胀作用。赵思奕等［15］研究表明，考虑膨胀性后，膨胀土边坡的滑动面沿着裂隙区底部发展，破坏模式表现为浅层滑塌式破坏，与普通黏性土的深层圆弧形滑动面具有较大的不同。张恒晟［16］研究了膨胀变形对膨胀土边坡稳定的影响，结果表明膨胀变形对边坡稳定影响显著，是控制膨胀土边坡稳定的重要因素之一。张良以等［17］研究了降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏，结果表明膨胀土的膨胀性、强度参数对坡体破坏形式具有显著的影响。综上，研究毛细阻滞结构作用下膨胀土边坡的稳定性时有必要考虑膨胀土吸湿膨胀的影响。

本文利用有限元数值软件研究细/粗毛细阻滞结构对膨胀土边坡的护坡效果，采用初应变法将膨胀土中湿度应力以类似温度应力场的形式施加到土体上，实现对膨胀土边坡吸湿膨胀的数值模拟，分析细/粗土层渗透系数及厚度对护坡效果的影响，为实际工程中选取适合的毛细阻滞护坡结构提供借鉴。

1" 考虑膨胀性的边坡稳定分析方法

1.1" 膨胀土的本构模型

此处采用理想弹塑性本构模型来揭示膨胀土边坡在膨胀变形作用下内部应力的变化规律，选用Mohr-Coulomb强度准则。模型参数依据饱和原状样的三轴试验确定。弹性模量与泊松比取常量，弹性模量取土体达到峰值应变时的割线模量，强度参数选用饱和峰值强度参数。Mohr-Coulomb强度理论表达式如下［18］：

τ=c+σtanφ（1）

式中：τ为受剪切面上的剪应力；σ为受剪切面上的法向正应力；c为土体黏聚力；φ为内摩擦角。

1.2" 膨胀土的湿度应力场理论

膨胀土的湿度应力场理论由缪协兴等［19］首先提出。膨胀土的湿度应力场理论的基本思路如下：

（1） 膨胀土吸水后产生的体积膨胀类似于材料的温度效应，即材料温度升高时会产生体积膨胀；

（2） 当受到某个热源作用时，材料内会形成一个受热传导方程控制的温度变化场，类似地，当膨胀土受到某个水源作用时，内部也会形成一个受水分扩散方程控制的湿度（含水率）变化场；

（3） 由于湿度场变化产生的应力场类似于温度应力场，可以采用温度应力场理论中的应力应变分析和计算方法来计算湿度应力场。

基于以上思路，缪协兴等［19］给出了膨胀土湿度应力场理论的数学表达，在这一理论基础上，廖协兴编制了非线性大变形有限元计算程序对膨胀岩巷道围岩变形进行了模拟计算［20］。此后这一理论被广泛应用于膨胀土边坡的稳定性分析中［2，21-22］。

1.3" 膨胀土的膨胀模型

考虑膨胀作用的膨胀土边坡稳定分析应正确模拟膨胀土的膨胀特性及其影响因素。膨胀土吸水后产生体积膨胀和软化。当土体受到某个水源（或湿空气）作用时，土体内会形成一个湿度变化场。对于湿度应力的计算可采取初应变法，即以类似温度应力场的形式施加到土体上。膨胀土膨胀模型可由三轴膨胀试验得到，对于初始含水率和压实度一定的膨胀土，在充分吸湿至终了含水率后，其体积膨胀率与平均主应力的对数呈较好的线性关系。球应力状态膨胀率可用下式来统一表示［1-2，23］：

εv=a+bln（1+σm）（2）

式中：εv为膨胀土充分吸湿引起的体积膨胀率，%；σm为平均主应力，kPa；a、b为与初始含水率有关的模型参数。

三轴应力状态膨胀模型中，终了含水率（即膨胀土边坡模拟结束时最终状态的含水率）与平均主应力的关系表达式为［1，24］

ωult=d+eln（1+σmp0）（3）

式中：ωult为膨胀土充分吸湿的终了含水率，%；d、e为与终了含水率有关的模型参数；p0=1 kPa。

1.4" 考虑膨胀性的边坡稳定性判别准则

膨胀土边坡的有限元分析有其特殊性，膨胀变形在土体中以内力重分布的形式释放出来，是一个逐步自平衡的过程，此处采用广义塑性应变的塑性开展区作为失稳判据，可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定性。长江科学院研究团队经过长时间探索，提出在膨胀土边坡稳定计算中可将等效塑性应变从坡脚到坡面某一范围完全贯通作为边坡失稳的标志［1-2］。

1.5" 稳定性分析方法实现步骤

稳定性分析方法实现步骤如下：

（1） 分析确定边坡土体的本构模型及膨胀模型的模型参数；

（2） 建立边坡有限元分析模型，由式（2）计算增湿区单元由天然含水率至饱和状态的膨胀应变；

（3） 将各单位的膨胀应变视作初始应变，由初始应变法计算边坡中最终应力和应变；

（4） 将等效塑性应变完全贯通作为边坡失稳的判别准则。

2" 毛细阻滞生态护坡结构的数值模型

设计如图1所示断面结构来分析毛细阻滞生态护坡结构的护坡效果。底层为风化岩层，膨胀土层位于风化岩层上部，采用0.5 m细粒土层和0.2 m粗粒土层组成的双层结构进行护坡。边坡坡高10 m，坡比为1∶3，渠道设计水位3 m。膨胀土取自引江济淮Y003标段重粉质壤土，强度参数如表1所示。为了简化计算，在数值模型中，假设土层的渗透系数为常数。利用Abaqus软件模拟36 mm/d降雨强度下毛细阻滞生态护坡结构的护坡效果，降雨持续3 d。并对工程中常用的1.5 m厚水泥改性土护坡结构作用下的膨胀土边坡和未经任何护坡的原始边坡进行模拟作为对照。图2所示为降雨过程曲线。表2所示为边坡各土层计算参数。

采用VG模型作为非饱和水分运动参数的理论模型。VG模型表达式为

θ=θr+（θs-θr）11+（αψ）nm（4）

式中：θ为体积含水率；θr为最小体积含水率；θs为最大体积含水率；ψ为基质吸力；α为与进气值有关的参数；m和n为拟合参数，m=1-1/n。

膨胀土、细粒土、粗粒土的土水特征曲线VG模型拟合参数见表3，对应的土水特征曲线见图3［1］。本文不考虑风化岩和水泥改性土的非饱和特性。

三轴膨胀试验采用压实度为96%、初始含水率为20.0%试样，得到不同三轴应力状态下充分吸湿引起的体积膨胀率（即体变）和终了含水率，三轴吸湿膨胀变形试验结果如图4所示。根据试验结果确定膨胀土体积膨胀率和终了含水率的相关计算参数。

3" 模拟结果分析

3.1" 膨胀土边坡含水率变化

图5～7分别给出了初始时刻，以及降雨持续24，48 h和72 h对应的边坡含水率分布。从图5中可以直观看出膨胀土裸坡整体含水率的最终变化情况，即表层（包含坡面和边坡顶部）达到饱和，雨水进一步往边坡深处渗入，靠近坡面和坡顶处的边坡内部相较于其他部位含水率要小一些。对比3种边坡的含水率随时间变化可以看出，原始裸坡在降雨作用下含水率增长最显著，其次是1.5 m厚水泥改性土护坡下的边坡，最后是毛细阻滞护坡结构对应的边坡，这表明毛细阻滞护坡结构阻止雨水渗入的能力要强于1.5 m厚水泥改性土护坡。

3.2" 膨胀土边坡塑性区对比

长江科学院研究团队经过长时间探索，提出在膨胀土边坡稳定计算中可将等效塑性应变从坡脚到坡面某一范围完全贯通作为边坡失稳的标志［1-2］。本文对膨胀土边坡的塑性区进行计算，根据塑性区的大小、是否贯通来判断边坡稳定性状态，并以此评判毛细阻滞护坡结构的护坡效果。

图8所示分别为3种边坡对应的塑性区分布。从图8（a）可以看出，原始膨胀土裸坡在降雨作用下，由于膨胀土吸湿膨胀，边坡内部已经形成了贯通的塑性区。

图8（b）、（c）表明，水泥改性土和毛细阻滞生态护坡作用下的膨胀土边坡塑性区均聚集在渠道设计水位与边坡坡面交汇处，并沿着坡面向上延伸了一段距离，此处的毛细阻滞护坡边坡的塑性区较水泥改性土边坡的塑性区范围小。而在边坡上表面处，毛细阻滞护坡边坡的塑性区分布面积要略大于水泥改性土边坡的塑性区分布面积。这是因为1.5 m厚的水泥改性土相对0.7 m的毛细阻滞护坡结构压重作用更大，抑制了坡面下覆膨胀土的部分膨胀变形。毛细阻滞护坡结构利用粗粒层及时将雨水排至坡脚，延缓雨水聚集导致的坡面塑性区的形成，进而极大延缓塑性区贯通。表4给出了3种边坡的最大等效塑性应变值，结果表明水泥改性土边坡对应的最大等效塑性应变值均小于毛细阻滞结构边坡，这是因为1.5 m厚水泥改性土对膨胀土边坡的压重效果较好。整体而言，毛细阻滞护坡结构的防护效果较好，能够有效延缓边坡内部塑性区的贯通。

3.3" 护坡结构效果分析

选取不同厚度的细粒土层和粗粒土层组合，研究毛细阻滞护坡结构中细、粗土层厚度对其护坡效果的影响，计算工况如表5所列。图9为5种工况对应的塑性区分布图，表6为不同护坡结构作用下边坡的最大等效塑性应变。

工况1～3的塑性区分布图比较直观地表明了随着细粒土层厚度的增大，边坡的塑性区分布范围和最大等效塑性应变均逐渐减小。工况2中，当细粒土层厚度降至0.4 m时，膨胀土边坡内部出现了贯通的塑性区，表明毛细阻滞护坡结构对于细粒土层的厚度有一定要求，如若细粒土层厚度不达标会导致整个护坡结构的护坡效果大打折扣。工况1和工况3的塑性区分布范围相差较小，但工况1的最大塑性应变为工况3的2.56倍。这些变化表明，毛细阻滞护坡结构受细粒土层厚度的影响较大。

为了直观地表达毛细阻滞结构的护坡效果，采取与水泥改性土结构的护坡效果作对比。图10给出了1.0，1.5 m和2.0 m的水泥改性土护坡结构作用下的膨胀土边坡塑性区分布图。工况1的塑性区分布范围介于1.5 m水泥改性土与2.0 m水泥改性土之间，但最大塑性应变要大于1.5 m水泥改性土，这表明工况1对应的毛细阻滞结构具备良好的防雨水入渗效果，能够有效避免雨水渗入至膨胀土层，但当雨水入渗后，由于毛细阻滞结构厚度较1.5 m水泥改性土薄，压重

效果要弱一些，导致雨水入渗部分的膨胀土塑性位移较大。工况2和4的塑性区分布范围与最大塑性应变均要大于1 m水泥改性土作用下的膨胀土边坡。工况3的塑性区分布范围要远小于1.5 m水泥改性土对应的塑性区分布范围，而略大于2.0 m水泥改性土对应的塑性区分布范围，由于工况3对应毛细阻滞结构的良好护坡性能，其最大塑性应变与2 m水泥改性土作用下的最大塑性应变相当。工况5的塑性区分布范围和最大塑性应变略大于2.0 m水泥改性土对应的情形，均小于1.5 m水泥改性土对应的情形。综上，0.5 m细粒土层+0.2 m粗粒土层组成的毛细阻滞结构护坡性能整体与1.5 m水泥改性土护坡结构相当，0.6 m细粒土层+0.2 m粗粒土层以及0.5 m细粒土层+0.3 m粗粒土层组成的毛细阻滞结构的护坡性能好于1.5 m水泥改性土护坡结构，而略次于2 m水泥改性土护坡结构。0.4 m细粒土层+0.2 m粗粒土层和0.5 m细粒土层+0.1 m粗粒土层组成的毛细阻滞结构的护坡性能均较1.0 m水泥改性土护坡结构差。

4" 结 论

本文利用有限元数值软件研究了细/粗毛细阻滞结构对膨胀土边坡的护坡效果。采用初应变法将膨胀土中湿度应力以类似温度应力场的形式施加到土体上，实现了对膨胀土边坡吸湿膨胀的数值模拟，分析细/粗土层渗透系数及厚度对护坡效果的影响，主要结论如下：

（1） 毛细阻滞结构具有良好的膨胀土边坡护坡效果，利用上层细粒土和下覆粗粒土渗透系数差异形成的毛细阻滞作用，在膨胀土边坡表层形成强透水层。在降雨条件下，能快速形成表面径流，防止降雨入渗，同时，还利用上覆土层的压重效果，防止下卧膨胀土层的膨胀变形，是一种生态友好的膨胀土边坡护坡结构。

（2） 在本文所选取的工况条件下，0.5 m细粒土层+0.2 m粗粒土层组成的毛细阻滞结构护坡效果与1.5 m水泥改性土护坡结构相当，0.5 m细粒土层+0.3 m粗粒土层组成的毛细阻滞结构的护坡效果接近于2 m水泥改性土护坡结构。

参考文献：

［1］" 程展林，龚壁卫.膨胀土边坡［M］.北京：科学出版社出版，2015.

［2］" 程展林，李青云，郭熙灵，等.膨胀土边坡稳定性研究［J］.长江科学院院报，2011，28（10）：102-111.

［3］" 徐永福，程岩，唐宏华.膨胀土边坡失稳特征及其防治技术标准化［J］.中南大学学报（自然科学版），2022，53（1）：1-20.

［4］" 邹维列，蔺建国，韩仲，等.膨胀土边坡加固技术研究进展［J］.中南大学学报（自然科学版），2022，53（1）：126-139.

［5］" 张丽娅.南水北调中线渠道边坡防护的植物适应性研究：以河南新郑段为例［D］.郑州：华北水利水电大学，2019.

［6］" 王甦宇，刘爱华，邹家强，等.毛细阻滞覆盖层边坡防护技术研究综述［J］.人民长江，2022，53（4）：79-85，97.

［7］" 李宁，潘行，张茂建，等.降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究［J］.岩土力学，2022，43（6）：1546-1556.

［8］" 吴庆华，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.

［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 subtitled 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］YANG H，RAHARDJO H，LEONG E C，et al.A study of infiltration on three sand capillary barriers［J］.Canadian Geotechnical Journal，2004，41：629-643.

［14］陈冠一，肖杰，陈强，等.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［J］.中南大学学报（自然科学版），2022，53（1）：199-213.

［15］赵思奕，石振明，鲍燕妮，等.考虑吸湿膨胀及软化的膨胀土边坡稳定性分析［J］.工程地质学报，2021，29（3）：777-785.

［16］张恒晟.膨胀变形对膨胀土边坡稳定的影响［D］.武汉：长江科学院，2020.

［17］张良以，陈铁林，张顶立.降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏研究［J］.岩土工程学报，2019，41（1）：70-77.

［18］东南大学，浙江大学，湖南大学，等.土力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

［19］缪协兴，杨成永，陈至达.膨胀岩体中的湿度应力场理论［J］.岩土力学，1993，14（4）：49-55.

［20］缪协兴.用湿度应力场理论分析膨胀岩巷道围岩变形［J］.中国矿业大学学报，1995，24（1）：58-63.

［21］丁金华，陈仁朋，童军，等.基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究［J］.岩土力学，2015，36（增1）：159-168.

［22］黄斌，程展林，徐晗.膨胀土膨胀模型及边坡工程应用研究［J］.岩土力学，2014，35（12）：3550-3555.

［23］饶锡保，黄斌，吴云刚，等.膨胀土击实样膨胀特性试验研究［J］.武汉大学学报（工学版），2011，4（44）：212-215.

［24］李明艳，童军，徐超.膨胀土的有荷膨胀模型研究及其应用初探［J］.工程地质学报，2023，31（5）：1543-1551.

（编辑：黄文晋）

Numerical study on anti-seepage effect of expansive soil slope treated by fine coarse grain cover layers

QUAN Quan1，QIU Jinwei2，HU Bo2，LI Tao3，LIU Minghua3，SONG Cheng1，WU Hao1

（1.Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-Huaihe Water Diversion，Hefei 230000，China；" 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；" 3.Anhui Survey and Design Institute of Water Resource and Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230000，China）

Abstract：

This study investigates the anti-seepage effect of a capillary barrier consisting of a layer of fine-grained soil underlying and a layer of coarse-grained soil on expansive soil slopes through the numerical model.The moisture stress in expansive soil is applied to the soil in the form of a temperature stress field using the initial strain method，and the numerical simulation of hygroscopic expansion of expansive soil slope is realized by numerical software.The criterion for determining slope stability is whether the equivalent plastic strain zone is completely penetrated or not.The numerical simulation results indicate that the capillary barrier cover layer forming a strong permeable layer can effectively prevent rainfall infiltration and achieve a good slope protection effect.Under the selected operating conditions in this article，the slope protection effect of the capillary barrier cover layer composed of 0.5 m fine-grained soil layer and 0.2 m coarse-grained soil layer is equivalent to that of 1.5 m cement modified soil.The capillary blocking ecological slope protection structure has a good slope protection effect on expansive soil slopes.The research results can provide a theoretical and designed basis for related expansive soil slope protection.

Key words：

coarse grain cover layer； expansive soil slope； capillary barrier cover layers； hygroscopic expansion； numerical simulation； anti-seepage effect