黃月華，周 成,2，李紅梅

(1.四川大學(xué) 水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學(xué)研究院 水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210024；3.深圳市益田集團(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

膨脹土邊坡中CBS防護(hù)系統(tǒng)的計(jì)算模擬

黃月華1，周 成1,2，李紅梅3

(1.四川大學(xué) 水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學(xué)研究院 水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210024；3.深圳市益田集團(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)的CBS防護(hù)系統(tǒng)采用滲透系數(shù)較小、體積含水率較大的細(xì)粒土和滲透系數(shù)較大、體積含水率較小的粗粒土，構(gòu)建具有毛細(xì)阻滯效果的儲(chǔ)水和輸水系統(tǒng)，能夠有效地?cái)r截和輸導(dǎo)地面雨水，進(jìn)而起到坡體安全防護(hù)和環(huán)境美化的作用。通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)該種防護(hù)結(jié)夠能夠有效控制膨脹土邊坡中的降雨入滲，減小坡體中部以上次生裂隙的產(chǎn)生，并提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

膨脹土邊坡；水份控制；毛細(xì)阻滯作用；防護(hù)結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定分析

在世界各地或多或少都遇到過膨脹土帶來的問題，而干旱和半干旱等降雨較少地區(qū)的這些問題就更為嚴(yán)重[1]。而膨脹土中的水份運(yùn)移研究一直是學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-5]。因?yàn)榕蛎浲林兴轀p少時(shí)會(huì)收縮開裂，水份增加時(shí)會(huì)膨脹軟化[1-2,6]。且在自然條件下膨脹土邊坡會(huì)因?yàn)榻涤?、蒸發(fā)的循環(huán)作用而開裂，由此形成的次生裂隙和土坡中已有的原生裂隙為雨水的外部入滲和內(nèi)部富集提供了通道，使得裂隙周圍土體的含水率高于附近其它土體的含水率[6-7]，導(dǎo)致裂隙面附近土體軟化，同時(shí)降雨還會(huì)使得土體其他部位處的基質(zhì)吸力降低，特別是坡腳部位，進(jìn)而不利于邊坡的穩(wěn)定[8-10]。

因此，在膨脹土邊坡的防護(hù)中，對(duì)水份的控制就非常重要。而現(xiàn)有的防護(hù)方案中，一般分為四種：一種是不考慮土坡內(nèi)的水份變化及土坡變形的剛性防護(hù)，如錨桿格構(gòu)梁、抗滑樁等等[6,11-12]；一種基于膨脹土改良為目標(biāo)，降低其對(duì)水份的敏感性，例如摻拌石灰、粉煤灰或其他的化學(xué)試劑[1,13]；考慮到膨脹土邊坡在降雨入滲時(shí)不可能完全與水阻隔，進(jìn)而允許相應(yīng)變形的柔性防護(hù)方式，如土工帶、土工格柵等[14-15]；最后一種就是第一種和第三種防護(hù)方式的組合，往往也有較好的效果[16-17]。而對(duì)于膨脹土渠道而言，往往還會(huì)設(shè)計(jì)黏土或是噴射混凝土覆蓋層以防止渠水滲漏或是降雨入滲對(duì)渠坡穩(wěn)定造成的影響[6]。但此類防護(hù)措施有一個(gè)缺點(diǎn)就是覆蓋層材料的熱力學(xué)性能與膨脹土本身較為相近，由于土體中的水熱耦合作用，那么由氣候變化而造成的土體溫度變化也會(huì)使得土體內(nèi)的水份有較大的波動(dòng)[18]?？v觀以上談及的防護(hù)措施，都沒有對(duì)膨脹土中的水份變化起到很好的控制。

應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)的垃圾填埋覆蓋系統(tǒng)(Capillary Barrier System,簡稱CBS)具有毛細(xì)阻滯效果，能夠有效地降低降雨入滲量[19-21]。并已被成功地應(yīng)用在了新加坡殘積土邊坡的防護(hù)之中[22-25]。由于該防護(hù)結(jié)構(gòu)出色的阻水和輸水能力，其在膨脹土邊坡的降雨防護(hù)中有較大的應(yīng)用前景,而目前將CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于膨脹土邊坡的防護(hù)研究非常少見。

鑒于此，本文通過數(shù)值分析對(duì)該防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于膨脹土邊坡的防護(hù)加以分析和討論。

1 CBS簡介與發(fā)展

CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)最初是運(yùn)用于干旱和半干旱地區(qū)，其一般由兩層土組成，與下層土相比，上層土往往具有較高的飽和含水率和較低的滲透系數(shù)[19-26]。該種防護(hù)結(jié)構(gòu)最大化地利用了表層細(xì)粒土的儲(chǔ)水能力及輸水能力，進(jìn)而降低降雨對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)以下土體的影響。

但隨著降雨歷時(shí)增長，雨強(qiáng)增大，使得粗粒土表層基質(zhì)吸力減小至該土體吸濕曲線上的進(jìn)水壓力值時(shí)，該防護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)被擊穿，雨水將大量進(jìn)入粗粒土中。因此在將其應(yīng)用于比較濕潤的地區(qū)時(shí)就需要對(duì)該種防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。且當(dāng)該防護(hù)結(jié)構(gòu)原本就有一定的坡度，那么滯留在表層細(xì)粒土中的降雨將在重力的驅(qū)動(dòng)下沿粗粒土的表層運(yùn)移，越接近坡腳處的粗粒土表層基質(zhì)吸力值就越先達(dá)到進(jìn)水壓力值[20，27-28]。因此如果想要將這種防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于邊坡的防護(hù)中，就必須對(duì)其原有的結(jié)構(gòu)加以改造，以進(jìn)一步提高其輸水能力，同時(shí)保證足夠長的輸水距離。

隨著這些問題的暴露與不斷的探索和應(yīng)用，CBS防護(hù)系統(tǒng)大致發(fā)展出了四種不同的形式。這四種防護(hù)形式簡圖見圖1。第一種方案(圖1中的(a)圖)對(duì)傳統(tǒng)防護(hù)結(jié)構(gòu)沒有做出太大的調(diào)整，主要是保證粗粒土和細(xì)粒土的吸濕SWCC曲線中的某些特征值滿足相應(yīng)的定量關(guān)系，以最大化地利用該防護(hù)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)水和輸水能力[23]；同時(shí)考慮是否增加細(xì)粒土的厚度，以及選用合適的植被，通過植被的蒸散發(fā)作用以進(jìn)一步耗散細(xì)粒土層中所含蓄的降雨滯水，同時(shí)還有助于邊坡的穩(wěn)定性提高[24，29]。后面的三種方案則對(duì)傳統(tǒng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)作了較大的改進(jìn)。第二種在粗粒土的表面加一層非飽和排水層(Unsaturated Drained Layer, UDL)[27-28](圖1中的圖(c))，以提高該防護(hù)結(jié)構(gòu)的輸水能力和距離，進(jìn)而降低其被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。圖1中的圖(d)可以看成是圖(c)的改進(jìn)。而圖1中的圖(b)則為了防止該防護(hù)結(jié)構(gòu)被擊穿之后雨水大量入滲，在粗粒土的底部增加了一層滲透系數(shù)較低的黏土層以防止雨水的入滲[21]。但是該種結(jié)構(gòu)中的黏土層在應(yīng)用于干旱和半干旱地區(qū)時(shí)，卻有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此在氣候較為濕潤的地區(qū)較為適合。

圖1不同類型的CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)

2 膨脹土邊坡中的CBS防護(hù)數(shù)值分析

膨脹土在我國干旱半干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)均有分布[6]。而相應(yīng)各個(gè)地區(qū)的氣候條件對(duì)膨脹土坡內(nèi)部的滲流場有很大的影響。在干旱半干旱地區(qū)土體的蒸發(fā)量和植被的蒸騰作用的總和往往大于該地區(qū)的年降雨量；而濕潤地區(qū)則不然，其年降雨量往往會(huì)超過該土體的蒸發(fā)量和植被的蒸騰量。因此在將該防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同的地區(qū)時(shí)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也應(yīng)該有所不同。

對(duì)于干旱和半干旱地區(qū)，由于氣候環(huán)境因素導(dǎo)致的持續(xù)的蒸散發(fā)影響使得膨脹土坡內(nèi)的水份不斷喪失，進(jìn)而使得坡土開裂，再加上降雨作用，使得裂隙周圍土體的強(qiáng)度降低，將會(huì)增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此干旱半干旱地區(qū)膨脹土邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)該放在土體的保溫設(shè)計(jì)上。而對(duì)于濕潤地區(qū)，由于降雨量較大，所以對(duì)于該地區(qū)膨脹土坡的防護(hù)設(shè)計(jì)，更多地會(huì)考慮如何增加該防護(hù)結(jié)構(gòu)的輸水和排水能力。

鑒于篇幅所限，本文此處只是針對(duì)濕潤地區(qū)的膨脹土坡，并簡化氣候?qū)ζ涞挠绊懀豢紤]降雨的作用。

坡土中的滲流場分析和穩(wěn)定分析分別采用SEEP/W軟件和SLOPE/W軟件，邊坡穩(wěn)定性分析方法采用土條間力假定最少的Morgenstern-Price方法。

2.1 土體參數(shù)

對(duì)某膨脹土坡的SWCC曲線采用V-G(Van Genuchten)模型進(jìn)行預(yù)估，具體預(yù)估值見表1。由于膨脹土坡表面會(huì)有裂隙存在，在現(xiàn)場的勘察中，由于裂隙的影響，其初始的入滲率與其穩(wěn)定入滲率相差在3～4個(gè)數(shù)量級(jí)之間[30-31]。在已有針對(duì)膨潤土表面裂隙對(duì)其滲流場的影響分析中，有直接采用擴(kuò)大膨脹土飽和滲透系數(shù)的方法[32]，本文亦采用這種做法。無裂隙時(shí)膨脹土的飽和滲透系數(shù)為2.0×10-8m/s。

由于裂隙密度和寬度隨著深度會(huì)不斷變化，對(duì)于裂隙密度較大的強(qiáng)風(fēng)化區(qū)的飽和滲透系數(shù)取為2.0×10-6m/s，裂隙密度較小弱風(fēng)化區(qū)的飽和滲透系數(shù)取為2.0×10-7m/s。

所選用作為防護(hù)結(jié)構(gòu)的土體的SWCC曲線值及滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線均采用V-G模型進(jìn)行預(yù)估，SWCC曲線的擬合參數(shù)和飽和滲透系數(shù)見表1。各個(gè)土體的SWCC曲線和滲透系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的變化曲線分別見圖2和圖3。

表1 增濕過程中的V-G模型擬合參數(shù)和飽和滲透系數(shù)

由于膨脹土的抗剪強(qiáng)度具有非線性特征，而且低應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度對(duì)其淺層穩(wěn)定性至關(guān)重要[6，32-33]。因此對(duì)于膨脹土，本文采用雙折線的抗剪強(qiáng)度以模擬其淺層穩(wěn)定性，具體參數(shù)見表2、表3。

圖2 膨脹土和用于CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)土體的SWCC曲線

圖3 膨潤土和用于CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)土體的滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線

表3 膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

為了反映坡土中基質(zhì)吸力對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，故采用Vanapalli在1996年提出公式以反應(yīng)基質(zhì)吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。該公式適用于土坡中基質(zhì)吸力小于500 kPa的情況。具體見式(1)[34]。選用作為防護(hù)結(jié)構(gòu)土體的相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表2、表3。SLOPE/W中也采用了該種方法對(duì)坡土中的基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響加以考慮[35]。

(1)

式中：c′為有效黏聚力，kPa；σ為正應(yīng)力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；φ′是與土體凈應(yīng)力(σ-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角，(°)；θ為土體內(nèi)的體積含水率；θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率。

2.2 坡體尺寸及邊界條件

原始坡體具體尺寸見圖4。此次選擇計(jì)算的邊坡的坡度為1∶1.5。為了反映膨脹土坡中風(fēng)化程度的不同對(duì)膨脹土坡穩(wěn)定性的影響，因此在土坡中設(shè)定了0.9 m的強(qiáng)風(fēng)化層和1.2 m的弱風(fēng)化層。穩(wěn)定滲流時(shí)，該邊坡左側(cè)的水頭為5 m，右側(cè)的水頭為4 m。

在沒有該防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，模擬該膨脹土坡在降雨條件下的穩(wěn)定性，采用雨強(qiáng)為0.04 m/d，降雨歷時(shí)為1 d。這個(gè)過程為瞬態(tài)滲流過程，此時(shí)的邊界條件為：邊坡的底部為不透水邊界，而邊坡的表面、頂部平面和坡腳平面設(shè)置為單位流量邊界。降雨時(shí)采用的是徑流型降雨，即當(dāng)降雨量大于表面坡土的飽和滲透系數(shù)時(shí)，多余的水量將會(huì)沿著邊坡表面形成徑流。

在利用該種防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行防護(hù)時(shí)，為了對(duì)比各種防護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)膨脹土邊坡中水份控制和穩(wěn)定性的影響，制定了3種防護(hù)方案加以分析，具體防護(hù)方案見表4。在表4中，方案1構(gòu)建的CBS防護(hù)系統(tǒng)類似圖1中的(c)；方案2則類似圖1中的(a)；方案3則類似圖1中的(b)。

圖4 原始邊坡幾何尺寸(單位：m)

CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算時(shí)的具體布置是從邊坡的坡頂平面一直沿坡面延伸到坡腳平面。每種CBS方案在建模中構(gòu)建時(shí)，依照表4中土體從左到右的順序依次在數(shù)值模型從上到下依次構(gòu)建。

2.3 數(shù)值分析結(jié)果

3種有CBS防護(hù)方案及沒有防護(hù)方案時(shí)該膨脹土坡在A-A斷面、B-B斷面和C-C斷面的孔隙水壓力分布見圖5～圖7。

圖5 A-A斷面處的孔隙水壓力分布圖

圖6 B-B斷面處的孔隙水壓力分布圖

從圖5～圖6可以看出方案1和方案3相較于方案2，更易維持坡中部以上的孔隙水壓力的穩(wěn)定性，減少坡中部以上土體水份的波動(dòng)，進(jìn)而有利于減少坡體中部以上土體次生裂隙的產(chǎn)生。

這主要是因?yàn)榉桨?相較于方案2在下伏礫石土之上填筑了一層厚0.3 m的砂土，通過觀察圖2，可以發(fā)現(xiàn)在礫石土表層的基質(zhì)吸力達(dá)到其進(jìn)水壓力值之前時(shí)，基質(zhì)吸力會(huì)先達(dá)到砂土的進(jìn)水壓力值，此時(shí)方案2中主要的輸水層為粉土層，而方案1主要的輸水層則變?yōu)榱松巴翆?，從圖3中可以看出砂土的飽和滲透系數(shù)是粉土層的102到103倍，同時(shí)，又由于礫石土的進(jìn)水壓力值較低，其與砂土層又組成了新的CBS系統(tǒng)。雖然方案2的下伏礫石土層較厚，在其被擊穿之后會(huì)有較大的輸水能力，但在沒有被擊穿之前，在下伏粗粒土表層增加一層UDL將極大地增加坡體的順坡向排水能力。

圖7 C-C斷面處的孔隙水壓力分布圖

方案3相較于方案1，其在下伏礫石土上填筑了一層黏土層。通過觀察圖3，當(dāng)CBS系統(tǒng)被擊穿之后，大量雨水浸入到礫石層，而此時(shí)下伏的黏土層的滲透系數(shù)非常小，為一相對(duì)不透水層，使得入滲雨水以極快的速度沿著礫石土層疏干，而非直接入滲至膨脹土坡內(nèi)。

在圖7中，方案2更能維持坡腳處孔隙水壓力的穩(wěn)定性。這主要因?yàn)槠履_處的CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)最先被擊穿，而防護(hù)方案中所選土體中飽和滲透系數(shù)最大的礫石在方案2中具有最大的厚度，因此其疏水能力也就越大，因此也越能維護(hù)坡腳處的孔隙水壓力穩(wěn)定。

從數(shù)值分析結(jié)果整體可以看出，CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地含蓄和疏干膨脹土坡坡中以上的降雨滯水，進(jìn)而阻止坡體中部以上土體的水份在大氣條件下發(fā)生劇烈的變化，有效地防止坡中部以上土體次生裂隙的產(chǎn)生。

同時(shí)從幾種防護(hù)結(jié)構(gòu)在降雨時(shí)的疏水能力可以看出，UDL層的增加和粗粒土下伏黏土層的增加將會(huì)極大地提高CBS防護(hù)系統(tǒng)的輸水能力。

但CBS防護(hù)系統(tǒng)較易在坡腳處被擊穿，進(jìn)而使得坡腳處產(chǎn)生積水，使得該處的膨脹土體軟化、強(qiáng)度降低。為進(jìn)一步減小膨脹土坡中濕度場的波動(dòng)(特別是坡腳位置)，可以選擇加厚粗粒土層的厚度，或是將該防護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的輸水結(jié)構(gòu)相結(jié)合，比如在坡中部以下部位加一些水平排水層。

該三種防護(hù)方案的穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化情況見圖8。

圖8穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

從圖8中可以看出，由于CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地排除膨脹土邊坡中的降雨滯水，故而其有利于邊坡的穩(wěn)定。但是有意思的是應(yīng)用了第1種防護(hù)方案的膨脹土坡在降雨之后其穩(wěn)定安全系數(shù)并沒有如其他防護(hù)方案1般立馬有所回升，而是有所下降，這主要是因?yàn)榉桨?中的防護(hù)結(jié)構(gòu)在坡腳以上部位的主要輸水層為砂土層，而其它方案則為礫石層。在降雨結(jié)束后，在方案1粉土層中入滲的雨水繼續(xù)沿著砂土層表層向坡腳運(yùn)移富集，使得該處的地下水位慢慢抬升，而其他幾種方案中由于礫石層的輸水能力較強(qiáng)，故而其穩(wěn)定安全系數(shù)回升相對(duì)較快。

3 結(jié) 語

(1) CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地排除膨脹土邊坡中的降雨滯水，有利于提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

(2) CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠減小被防護(hù)膨脹土中的水份波動(dòng)，進(jìn)而減小土坡中次生裂隙的產(chǎn)生，特別是坡頂位置的次生裂隙的產(chǎn)生。

(3) 相較于傳統(tǒng)的CBS防護(hù)系統(tǒng)，帶有UDL的CBS防護(hù)系統(tǒng)和具有下伏不透水層的CBS防護(hù)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的輸水能力。

(4) CBS防護(hù)結(jié)構(gòu)的輸水距離有限，易造成坡腳處的積水，為了更好地排除降雨滯水，可以將坡腳處的粗粒土層加厚，或是將該防護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的排水結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

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NumericalSimulationofCapillaryBarrierCoverSystemDesignedforExpansiveSoilSlope

HUANG Yuehua1, ZHOU Cheng1,2, LI Hongmei3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,CollegeofWaterResource&Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu,Sichuan610065,China; 2.KeylaboffailureMechanismandSafetyControlTechniquesofEarthRockDamoftheMinistryofWaterResources,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu210024,China；3.ShenzhenYitianGroupCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518053,China)

The capillary barrier cover system applied in the arid and semi-arid regions composes of fined-grained soil, which has relatively higher saturated water content and lower coefficient of permeability, and coarse-grained soil, whose saturated water content is lower and permeability is much better, compared with fine-grained soil. Such cover system is capable of storing and transporting large quantity of rain water, moreover it's good to the slope stabilization and friendly to the environment. According to the numerical simulation results, such cover system shows a great capability in minimizing the quantity of infiltrating rain water, secondary fissures and stabilizing the slope.

expansivesoilslope;moisturecontrol;capillarybarriereffect;protecting-measure;stabilityanalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.014

2017-05-30

2017-06-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579167)；水利部行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(201301022)；水利部土石壩坡壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(YK915003)

黃月華(1992—)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土工程。E-mail:2416159751@qq.com

周 成(1970—)，男，江蘇贛榆人，教授，主要從事環(huán)境巖土工程研究工作。E-mail:czhou@scu.edu.cn

TU43

A

1672—1144(2017)05—0082—06