膨脹土邊坡中CBS防護系統的計算模擬

黃月華，周 成,2，李紅梅

(1.四川大學 水電學院 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室， 江蘇 南京 210024；3.深圳市益田集團股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

膨脹土邊坡中CBS防護系統的計算模擬

黃月華1，周 成1,2，李紅梅3

(1.四川大學 水電學院 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室， 江蘇 南京 210024；3.深圳市益田集團股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

應用于干旱半干旱地區的CBS防護系統采用滲透系數較小、體積含水率較大的細粒土和滲透系數較大、體積含水率較小的粗粒土，構建具有毛細阻滯效果的儲水和輸水系統，能夠有效地攔截和輸導地面雨水，進而起到坡體安全防護和環境美化的作用。通過數值分析發現該種防護結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生，并提高膨脹土邊坡的穩定性。

膨脹土邊坡；水份控制；毛細阻滯作用；防護結構；穩定分析

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的這些問題就更為嚴重[1]。而膨脹土中的水份運移研究一直是學者研究的重點[1-5]。因為膨脹土中水份減少時會收縮開裂，水份增加時會膨脹軟化[1-2,6]。且在自然條件下膨脹土邊坡會因為降雨、蒸發的循環作用而開裂，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]，導致裂隙面附近土體軟化，同時降雨還會使得土體其他部位處的基質吸力降低，特別是坡腳部位，進而不利于邊坡的穩定[8-10]。

因此，在膨脹土邊坡的防護中，對水份的控制就非常重要。而現有的防護方案中，一般分為四種：一種是不考慮土坡內的水份變化及土坡變形的剛性防護，如錨桿格構梁、抗滑樁等等[6,11-12]；一種基于膨脹土改良為目標，降低其對水份的敏感性，例如摻拌石灰、粉煤灰或其他的化學試劑[1,13]；考慮到膨脹土邊坡在降雨入滲時不可能完全與水阻隔，進而允許相應變形的柔性防護方式，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方式的組合，往往也有較好的效果[16-17]。而對于膨脹土渠道而言，往往還會設計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渠坡穩定造成的影響[6]。但此類防護措施有一個缺點就是覆蓋層材料的熱力學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使得土體內的水份有較大的波動[18]。縱觀以上談及的防護措施，都沒有對膨脹土中的水份變化起到很好的控制。

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

鑒于此，本文通過數值分析對該防護結構應用于膨脹土邊坡的防護加以分析和討論。

1 CBS簡介與發展

CBS防護結構最初是運用于干旱和半干旱地區，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[19-26]。該種防護結構最大化地利用了表層細粒土的儲水能力及輸水能力，進而降低降雨對防護結構以下土體的影響。

但隨著降雨歷時增長，雨強增大，使得粗粒土表層基質吸力減小至該土體吸濕曲線上的進水壓力值時，該防護結構就會被擊穿，雨水將大量進入粗粒土中。因此在將其應用于比較濕潤的地區時就需要對該種防護結構進行相應的改進。且當該防護結構原本就有一定的坡度，那么滯留在表層細粒土中的降雨將在重力的驅動下沿粗粒土的表層運移，越接近坡腳處的粗粒土表層基質吸力值就越先達到進水壓力值[20，27-28]。因此如果想要將這種防護結構應用于邊坡的防護中，就必須對其原有的結構加以改造，以進一步提高其輸水能力，同時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用，CBS防護系統大致發展出了四種不同的形式。這四種防護形式簡圖見圖1。第一種方案(圖1中的(a)圖)對傳統防護結構沒有做出太大的調整，主要是保證粗粒土和細粒土的吸濕SWCC曲線中的某些特征值滿足相應的定量關系，以最大化地利用該防護結構的儲水和輸水能力[23]；同時考慮是否增加細粒土的厚度，以及選用合適的植被，通過植被的蒸散發作用以進一步耗散細粒土層中所含蓄的降雨滯水，同時還有助于邊坡的穩定性提高[24，29]。后面的三種方案則對傳統的防護結構作了較大的改進。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))，以提高該防護結構的輸水能力和距離，進而降低其被擊穿的風險。圖1中的圖(d)可以看成是圖(c)的改進。而圖1中的圖(b)則為了防止該防護結構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較低的黏土層以防止雨水的入滲[21]。但是該種結構中的黏土層在應用于干旱和半干旱地區時，卻有開裂的風險。因此在氣候較為濕潤的地區較為適合。

圖1不同類型的CBS防護結構

2 膨脹土邊坡中的CBS防護數值分析

膨脹土在我國干旱半干旱地區和濕潤地區均有分布[6]。而相應各個地區的氣候條件對膨脹土坡內部的滲流場有很大的影響。在干旱半干旱地區土體的蒸發量和植被的蒸騰作用的總和往往大于該地區的年降雨量；而濕潤地區則不然，其年降雨量往往會超過該土體的蒸發量和植被的蒸騰量。因此在將該防護結構應用于不同的地區時，設計的重點也應該有所不同。

對于干旱和半干旱地區，由于氣候環境因素導致的持續的蒸散發影響使得膨脹土坡內的水份不斷喪失，進而使得坡土開裂，再加上降雨作用，使得裂隙周圍土體的強度降低，將會增加邊坡失穩的風險。因此干旱半干旱地區膨脹土邊坡的防護設計重點應該放在土體的保溫設計上。而對于濕潤地區，由于降雨量較大，所以對于該地區膨脹土坡的防護設計，更多地會考慮如何增加該防護結構的輸水和排水能力。

鑒于篇幅所限，本文此處只是針對濕潤地區的膨脹土坡，并簡化氣候對其的影響，只考慮降雨的作用。

坡土中的滲流場分析和穩定分析分別采用SEEP/W軟件和SLOPE/W軟件，邊坡穩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

對某膨脹土坡的SWCC曲線采用V-G(Van Genuchten)模型進行預估，具體預估值見表1。由于膨脹土坡表面會有裂隙存在，在現場的勘察中，由于裂隙的影響，其初始的入滲率與其穩定入滲率相差在3～4個數量級之間[30-31]。在已有針對膨潤土表面裂隙對其滲流場的影響分析中，有直接采用擴大膨脹土飽和滲透系數的方法[32]，本文亦采用這種做法。無裂隙時膨脹土的飽和滲透系數為2.0×10-8m/s。

由于裂隙密度和寬度隨著深度會不斷變化，對于裂隙密度較大的強風化區的飽和滲透系數取為2.0×10-6m/s，裂隙密度較小弱風化區的飽和滲透系數取為2.0×10-7m/s。

所選用作為防護結構的土體的SWCC曲線值及滲透系數隨基質吸力的變化曲線均采用V-G模型進行預估，SWCC曲線的擬合參數和飽和滲透系數見表1。各個土體的SWCC曲線和滲透系數隨著基質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模型擬合參數和飽和滲透系數

由于膨脹土的抗剪強度具有非線性特征，而且低應力狀態下的抗剪強度對其淺層穩定性至關重要[6，32-33]。因此對于膨脹土，本文采用雙折線的抗剪強度以模擬其淺層穩定性，具體參數見表2、表3。

圖2 膨脹土和用于CBS防護結構土體的SWCC曲線

圖3 膨潤土和用于CBS防護結構土體的滲透系數隨基質吸力的變化曲線

表3 膨脹土的抗剪強度指標

為了反映坡土中基質吸力對于邊坡穩定性的影響，故采用Vanapalli在1996年提出公式以反應基質吸力對土體抗剪強度的影響。該公式適用于土坡中基質吸力小于500 kPa的情況。具體見式(1)[34]。選用作為防護結構土體的相關計算參數見表2、表3。SLOPE/W中也采用了該種方法對坡土中的基質吸力對邊坡穩定的影響加以考慮[35]。

(1)

式中：c′為有效黏聚力，kPa；σ為正應力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；φ′是與土體凈應力(σ-ua)有關的內摩擦角，(°)；θ為土體內的體積含水率；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。此次選擇計算的邊坡的坡度為1∶1.5。為了反映膨脹土坡中風化程度的不同對膨脹土坡穩定性的影響，因此在土坡中設定了0.9 m的強風化層和1.2 m的弱風化層。穩定滲流時，該邊坡左側的水頭為5 m，右側的水頭為4 m。

在沒有該防護結構時，模擬該膨脹土坡在降雨條件下的穩定性，采用雨強為0.04 m/d，降雨歷時為1 d。這個過程為瞬態滲流過程，此時的邊界條件為：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置為單位流量邊界。降雨時采用的是徑流型降雨，即當降雨量大于表面坡土的飽和滲透系數時，多余的水量將會沿著邊坡表面形成徑流。

在利用該種防護結構對膨脹土邊坡進行防護時，為了對比各種防護結構形式對膨脹土邊坡中水份控制和穩定性的影響，制定了3種防護方案加以分析，具體防護方案見表4。在表4中，方案1構建的CBS防護系統類似圖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防護結構在計算時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方案在建模中構建時，依照表4中土體從左到右的順序依次在數值模型從上到下依次構建。

2.3 數值分析結果

3種有CBS防護方案及沒有防護方案時該膨脹土坡在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定性，減少坡中部以上土體水份的波動，進而有利于減少坡體中部以上土體次生裂隙的產生。

這主要是因為方案1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，可以發現在礫石土表層的基質吸力達到其進水壓力值之前時，基質吸力會先達到砂土的進水壓力值，此時方案2中主要的輸水層為粉土層，而方案1主要的輸水層則變為了砂土層，從圖3中可以看出砂土的飽和滲透系數是粉土層的102到103倍，同時，又由于礫石土的進水壓力值較低，其與砂土層又組成了新的CBS系統。雖然方案2的下伏礫石土層較厚，在其被擊穿之后會有較大的輸水能力，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CBS系統被擊穿之后，大量雨水浸入到礫石層，而此時下伏的黏土層的滲透系數非常小，為一相對不透水層，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。

在圖7中，方案2更能維持坡腳處孔隙水壓力的穩定性。這主要因為坡腳處的CBS防護結構最先被擊穿，而防護方案中所選土體中飽和滲透系數最大的礫石在方案2中具有最大的厚度，因此其疏水能力也就越大，因此也越能維護坡腳處的孔隙水壓力穩定。

從數值分析結果整體可以看出，CBS防護結構能夠有效地含蓄和疏干膨脹土坡坡中以上的降雨滯水，進而阻止坡體中部以上土體的水份在大氣條件下發生劇烈的變化，有效地防止坡中部以上土體次生裂隙的產生。

同時從幾種防護結構在降雨時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極大地提高CBS防護系統的輸水能力。

但CBS防護系統較易在坡腳處被擊穿，進而使得坡腳處產生積水，使得該處的膨脹土體軟化、強度降低。為進一步減小膨脹土坡中濕度場的波動(特別是坡腳位置)，可以選擇加厚粗粒土層的厚度，或是將該防護結構與傳統的輸水結構相結合，比如在坡中部以下部位加一些水平排水層。

該三種防護方案的穩定安全系數隨降雨歷時的變化情況見圖8。

圖8穩定安全系數隨時間的變化

從圖8中可以看出，由于CBS防護結構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定。但是有意思的是應用了第1種防護方案的膨脹土坡在降雨之后其穩定安全系數并沒有如其他防護方案1般立馬有所回升，而是有所下降，這主要是因為方案1中的防護結構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。在降雨結束后，在方案1粉土層中入滲的雨水繼續沿著砂土層表層向坡腳運移富集，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，故而其穩定安全系數回升相對較快。

3 結 語

(1) CBS防護結構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定性。

(2) CBS防護結構能夠減小被防護膨脹土中的水份波動，進而減小土坡中次生裂隙的產生，特別是坡頂位置的次生裂隙的產生。

(3) 相較于傳統的CBS防護系統，帶有UDL的CBS防護系統和具有下伏不透水層的CBS防護系統具有更強的輸水能力。

(4) CBS防護結構的輸水距離有限，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，或是將該防護結構與傳統的排水結構相結合。

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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

國家自然科學基金項目(51579167)；水利部行業專項項目(201301022)；水利部土石壩坡壞機理與防控技術重點實驗室開放基金項目(YK915003)

黃月華(1992—)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向為環境巖土工程。E-mail:2416159751@qq.com

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

TU43

A

1672—1144(2017)05—0082—06