基于新型防滲護壁材料的膨脹土邊坡抗入滲及抗沖刷特性

馬少坤，馬敏，韋榕寬,3，胡豫，邵羽，黃震

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧，530004；2.廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室，廣西南寧，530004；3.廣西公路檢測有限公司，廣西南寧，530012；4.西牛皮防水科技有限公司，廣西南寧，530002；5.廣西交通設計集團有限公司，廣西南寧，530029)

膨脹土是一種富含蒙脫石等親水礦物的特殊黏土，對水分變化極其敏感，具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂等特點[1-2]。膨脹土廣泛分布于我國華南地區(qū)，且華南地區(qū)氣候濕熱、雨季分明，降雨-蒸發(fā)效應顯著[3]。已有研究表明，降雨入滲導致膨脹土強度降低，是造成膨脹土邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要外因[4-6]。在降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下，膨脹土邊坡經(jīng)歷反復脹縮形成不規(guī)則裂隙破壞土體結構，同時含水量增加以及干濕循環(huán)等因素導致土體抗剪強度減小，極易誘發(fā)膨脹土邊坡發(fā)生淺層破壞。此外，膨脹土邊坡表層土體在自然營力作用下會形成強風化層[7]，在強降雨作用下，邊坡表層土體極易遭到?jīng)_蝕破壞，造成土體流失并影響邊坡穩(wěn)定。因此，開展膨脹土邊坡坡面防護抗入滲、抗沖刷性能的研究對膨脹土地區(qū)邊坡災害的防治極為重要。

為有效防治膨脹土邊坡災害問題的發(fā)生，許多學者從膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞因素及機理展開了系列研究。如NG 等[8]研究了在降雨入滲情況下邊坡內部滲流場變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)前期降雨持時是滑坡的促進因素，高強度降雨是滑坡的觸發(fā)因素；張雨灼等[9]通過室內膨脹土邊坡模型試驗研究了干濕循環(huán)作用下邊坡吸力、孔隙水壓力以及脹縮變形的變化規(guī)律；丁金華等[10]發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡淺層漸進性破壞機制的本質是水力邊界條件變化引起的膨脹土膨脹變形作用；司光武等[11]運用極限平衡法探討了土體重度、強度及膨脹力對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出土體軟化強度降低是邊坡失穩(wěn)的主要因素；KHAN等[12]在考慮裂隙影響的情況下采用PLAXIS有限元模擬研究了干濕循環(huán)條件下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，結果表明降雨入滲和淺層土體軟化是導致邊坡破壞的重要原因；CHEN等[13]研究發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡在降雨作用下會發(fā)生漸進性破壞，而干濕循環(huán)引起的裂隙發(fā)育、土體吸水飽和軟化是前提條件；鄧銘江等[14]通過離心模型試驗發(fā)現(xiàn)淺層膨脹土開裂是造成邊坡淺層破壞的決定因素，并提出了膨脹土邊坡的淺層破壞機制與加固措施；張家銘等[15]通過足尺模型試驗研究了降雨-蒸發(fā)作用下邊坡裂隙的發(fā)展規(guī)律；朱銳等[16]認為季節(jié)性供水變化引起的干濕循環(huán)會造成膨脹土裂隙發(fā)育并使土體強度降低，從而影響渠道邊坡的穩(wěn)定性。上述研究表明，裂隙發(fā)育和降雨入滲及其帶來的土體性質的變化是造成膨脹土邊坡失穩(wěn)的關鍵因素。但相關降雨的研究大多集中在入滲對坡體的影響，考慮降雨雨水本身對膨脹土邊坡沖蝕破壞以及提高邊坡自身抗入滲能力的研究較少。此外，部分學者根據(jù)已有膨脹土邊坡的研究，針對膨脹土邊坡防護進行了相關試驗和分析，并取得了一定成果[17-24]。目前，現(xiàn)有工程中使用較多的邊坡防護方式有剛性防護和柔性防護，剛性防護結構大多以混凝土材料為主體，其主要不足在于無法長時間承受不均勻的變形，而膨脹土邊坡在長期降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下易產(chǎn)生反復脹縮變形；在柔性防護中換填非膨脹土、使用土工袋等方法施工不便且工作量大，此外，現(xiàn)有基于土工材料的柔性防護對控制膨脹土邊坡脹縮變形方面具有較好的效果，但該類防護難以同時起到有效抗入滲、抗沖刷的作用，而降雨入滲又是導致膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要因素。因此，從長遠來看，若無法有效阻隔外界水環(huán)境的影響以保證坡體內水分的穩(wěn)定，膨脹土邊坡仍可能在長期降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下發(fā)生失穩(wěn)，邊坡的長期穩(wěn)定性難以得到保證，膨脹土公路邊坡正常服役也將受到不利影響。

基于此，本文作者提出將新型防滲護壁材料用于膨脹土邊坡防護，該材料相較其他材料兼具優(yōu)良的防水性能、延展性能及耐老化性能，在承受脹縮變形的過程中不易破壞，且該材料護坡的施工簡便，易于維修。本文以南寧膨脹土為基本研究對象，分別制作未防護素土邊坡、防滲護壁材料防護邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡共3組膨脹土邊坡模型，通過在坡體內不同深度埋設體積含水率傳感器、孔隙水壓力傳感器等監(jiān)測儀器，對比分析3 組邊坡在降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下邊坡土體體積含水率、孔隙水壓力、坡表徑流量、土體沖刷量、坡面沖蝕過程以及裂隙發(fā)育的變化規(guī)律，重點探究新型防滲護壁材料用于膨脹土邊坡的抗入滲、抗沖刷性能及作用機理。研究成果可為膨脹土地區(qū)邊坡工程的防護提供新的解決思路及理論依據(jù)。

1 試驗模型

1.1 試驗材料參數(shù)

試驗用土為南寧膨脹土，風干狀態(tài)下呈灰白色，膨脹土的基本物理性質參數(shù)見表1。本次試驗所使用三維植被網(wǎng)的規(guī)格為EM3，表示共由3層網(wǎng)組成，其中底部為2層雙向拉伸平面網(wǎng)，表層為經(jīng)點焊呈凹凸泡狀的擠出網(wǎng)(泡網(wǎng))，主要技術參數(shù)見表2。

表1 膨脹土基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of expansive soil

表2 三維植被網(wǎng)物理性能指標Table 2 Physical performance indexes of 3D vegetation net

試驗中用于膨脹土邊坡防護的新型防滲護壁材料是一種高固型水性橡膠高分子防水涂料，呈灰色膏狀。該材料主要是將固體橡膠、增粘樹脂、軟化劑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，其基本物理性質指標見表3。

表3 防滲護壁材料基本物理力學性能參數(shù)Table 3 Basic physical and mechanical properties of rubber polymer waterproof coating

1.2 邊坡模型設計

1.2.1 模型尺寸及測點布置

試驗場地模型槽高為230 cm。試驗模型槽內部凈空間長×寬×高為300 cm×100 cm×200 cm，模型槽內底面高于地面30 cm，端部設置排水管道，用于收集流失水土。試驗模型槽內壁涂刷一層防水涂料用來減小外界環(huán)境對邊坡水分的影響以及減小側面摩阻力，降低邊界效應的影響。試驗模型槽在澆筑時于內部正中間預留2 cm 深的凹槽，用于固定木板將其對半分隔，便于在左右兩側同時填筑邊坡并進行對照。

膨脹土邊坡模型長×寬×高為200 cm×50 cm×100 cm，坡頂寬為50 cm，坡比為1∶1.5。試驗填筑素土邊坡、防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡共3組。每個邊坡模型中分別埋設8 個體積含水率傳感器(測點編號為S1～S8)、8 個孔隙水壓力傳感器(測點編號為P1～P8)，3 組邊坡共埋設48 個傳感器。體積含水率傳感器及孔隙水壓力傳感器分別埋設在距離坡面10，30，50 和70 cm深度處，所有傳感器均沿邊坡模型縱向中心埋設，如圖1所示。

圖1 邊坡模型及傳感器布置圖Fig.1 Slope model and sensor layout diagrams

1.2.2 邊坡模型填筑

將風干后膨脹土均勻加水調配至最優(yōu)含水率為15.1%用于邊坡土體填筑。采用分層壓實法填筑邊坡，控制壓實度為90%，即填土干密度為1.57 g/cm3。分層填筑完成之后進行削坡處理。

第1 組為素土邊坡，無任何防護，如圖2(a)所示；第2組為防滲護壁材料防護邊坡，在填筑完成后將防滲護壁材料均勻噴涂于邊坡表面，并控制其防護層噴涂厚度在1.5 mm 左右，其中坡頂覆蓋距離為40 cm，考慮到邊界效應的影響，邊坡模型坡面防護層縱向邊界與兩側面之間距離為5 mm左右，即防滲護壁材料不直接與兩側墻面接觸，如圖2(b)所示；第3 組為三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡，在填筑完成之后將三維植被網(wǎng)鋪設于邊坡表面并用U 型釘固定，然后再將防滲護壁材料均勻噴涂于三維植被網(wǎng)上，其中防護層在坡頂表面覆蓋距離為30 cm，并將其端部余留10 cm 埋入坡頂，防護層縱向邊界與兩側墻面的處理方式與第2 組邊坡的相同，如圖2(c)所示。第3 組邊坡由于三維植被網(wǎng)的空間性，防滲護壁材料在噴涂上去后并不會將三維植被網(wǎng)的網(wǎng)格全部充填覆蓋，因此，該防護層會形成少量孔隙。在試驗過程中，防滲護壁材料的用量均為2.5 kg/m2，噴涂完成后養(yǎng)護時間為3 d。

圖2 膨脹土邊坡模型Fig.2 Expansive soil slope models

1.2.3 降雨-蒸發(fā)方案

結合南寧氣候特點，1 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)模擬需要完成1個氣候歷程，即陰天→雨天→陰天→雨天→陰天→晴天，每個天氣階段歷時時間見表4。每次循環(huán)過程中，陰天為自然蒸發(fā)風干，晴天采用浴霸升溫蒸發(fā)以模擬太陽照射，雨天采用霧化噴頭噴淋以模擬自然降雨。在每次循環(huán)過程中，2次雨天的降雨強度均為56 mm/h。試驗前對噴頭進行標定，并根據(jù)GB/T 50085—2007“噴灌工程技術規(guī)范”提出的降雨均勻系數(shù)Cu，采用式(1)進行計算得到降雨噴灑均勻系數(shù)Cu為0.86，滿足降雨均勻性要求。本試驗主要研究極端氣候下不同邊坡防護方式的防護效果，故單次循環(huán)中第1次降雨歷時0.5 h，降雨量為28 mm，以模擬自然界中中等強度的降雨；單次循環(huán)中第2 次降雨歷時2.5 h，降雨量為140 mm，以模擬自然界中大暴雨強度的降雨。整個試驗過程共完成5 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)，共歷時410 h。

表4 單次循環(huán)各天氣時間Table 4 Duration of each weather in a single cycle

式中：Cu為降雨噴灑均勻系數(shù)，%；h為噴灑水深的平均值，mm；Δh為噴灑水深的平均離差，mm。

體積含水率傳感器以及孔隙水壓力傳感器在試驗期間每0.5 h 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)。每次降雨過程通過試驗模型槽末端排水管道收集雨水和沖刷土壤，待泥水澄清分層后用小水泵吸出上部清水，然后烘干測定土壤含量。試驗結束后，將坡面防護層撕開，在每組邊坡坡腳中間位置取30 cm×30 cm區(qū)域觀察裂隙發(fā)育情況。

2 試驗結果及分析

2.1 體積含水率變化

圖3所示為3 組不同防護邊坡在降雨-蒸發(fā)循環(huán)過程中體積含水率的變化曲線。由圖3可知：3組邊坡淺層土體的含水率隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的增加整體呈增加趨勢；在第1次循環(huán)、第1次降雨時(24.5 h)，所有測點含水率均無明顯變化，這是因為此時坡表裂隙尚未完全發(fā)育，同時，膨脹土本身滲透系數(shù)很小(一般小于10-8m/s)[23]，當坡面表層土體達到飽和后，雨水無法繼續(xù)入滲，會形成坡面徑流排走。在第1次循環(huán)、第2次降雨結束時(63 h)，各組邊坡坡頂含水率開始出現(xiàn)不同幅度的增加，說明此時坡頂裂隙已經(jīng)發(fā)育到10 cm 深度處，且含水率的變化具有一定的滯后性。從圖3還可知：在降雨入滲下，當各測點含水率變化得到響應后，素土邊坡含水率的增加幅度均較大，說明素土邊坡裂隙最發(fā)育，雨水入滲速率最快。例如，素土邊坡測點S1，S2和S3含水率在第1次循環(huán)、第2 次降雨時(63 h)的增加幅度分別為48.27%，64.06%和43.19%，均遠比另外2組邊坡的大。

圖3 降雨-蒸發(fā)循環(huán)過程中體積含水率變化曲線Fig.3 Volumetric moisture content curves during precipitation-evaporation cycles

從圖3(a)可知：素土邊坡10 cm埋深處測點S1，S2和S3含水率在經(jīng)歷第1次循環(huán)、第2次降雨時(63 h)開始顯著增加且變化幅度較大，這是因為在第2次降雨前坡表已經(jīng)經(jīng)歷蒸發(fā)和降雨的過程，坡表與更深處土體之間形成含水率梯度，而相關研究表明含水率梯度是影響裂隙發(fā)育的關鍵因素[25]，故在這個過程中坡面裂隙持續(xù)向下發(fā)育并為雨水入滲提供通道。同時，隨著降雨-蒸發(fā)循環(huán)的進行，含水率梯度與裂隙持續(xù)向下發(fā)展，導致素土邊坡30 cm 埋深處測點S4和S5含水率在第3 次循環(huán)中出現(xiàn)大幅度增加，說明降雨入滲到坡體內部需要較長時間。相比之下，防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡相同測點含水率出現(xiàn)顯著增長變化的時間均比素土邊坡的長。在循環(huán)過程中，淺層土體含水率呈累計增加的趨勢，雨水的總入滲量要大于總蒸發(fā)量，且土體越深，蒸發(fā)脫濕路徑越長，蒸發(fā)速率越慢，因此，裂隙往下發(fā)育的速率也變慢，雨水難以向更深處土體入滲，使得3 組邊坡測點S6，S7和S8的含水率在整個試驗過程中均無明顯變化。已有研究表明，砂土邊坡降雨入滲速度較快且無明顯滯后，降雨入滲深度較大，且入滲范圍內易形成飽和區(qū)[26-27]；黃土邊坡降雨入滲也具有一定滯后性，但滯后時間不長，且雨停后雨水入滲很快停止[28]。相比之下，膨脹土因其自身滲透性低的特性，膨脹土邊坡降雨入滲的滯后時間較長，且降雨入滲受裂隙發(fā)育的影響較大，降雨結束后雨水會沿裂隙通道緩慢持續(xù)下滲，因此，降雨結束一段時間內，淺層土體測點含水率仍呈上升趨勢。此外，素土邊坡坡腳測點S3在第4 次循環(huán)、第2 次降雨過程中(311 h)含水率驟增然后降為0，這是坡腳該位置土體吸水飽和并遭受雨水沖蝕發(fā)生局部破壞使傳感器暴露所致。由此可知，素土邊坡含水率變化受降雨-蒸發(fā)作用的影響較另外2組邊坡更顯著。

由圖3(b)可知：防滲護壁材料防護邊坡因坡頂并未完全覆蓋防滲護壁材料防護層，測點S1的含水率在第1次降雨-蒸發(fā)循環(huán)后開始發(fā)生明顯變化，且其變化趨勢與素土邊坡的相似，但變化幅度較素土邊坡的小。在防護層顯著的防水抗入滲作用下，測點S2和S3含水率分別在第4次循環(huán)和第5次循環(huán)才有明顯上升趨勢，雖然前期含水率有所起伏，但總體保持平衡穩(wěn)定。測點S4含水率在第5次循環(huán)呈上升趨勢，其對降雨入滲的響應時間為337 h。其余測點含水率無明顯變化，說明坡中和坡腳的雨水入滲速率遠小于坡頂?shù)挠晁霛B速率。

除坡頂S1測點外，防滲護壁材料防護邊坡各測點含水率對降雨入滲的響應時間最長，且含水率變化幅度最小。其主要原因是坡面防滲護壁材料防護層具有良好的防水抗入滲性能，起到截水與導水作用，坡表大部分雨水被攔截并在重力作用下匯聚成坡面徑流沿防護層排出，使得坡表入滲面大面積減小并有效降低雨水入滲速率；同時，防滲護壁材料防護層大大減小了坡表的蒸發(fā)面，有效降低了坡體內水分的蒸發(fā)消散，形成抑制坡體內外部直接發(fā)生水汽循環(huán)的遮攔效應。此外，防滲護壁材料防護層良好的延展性能，使膨脹土邊坡發(fā)生一定程度的脹縮變形，有利于膨脹土邊坡保持穩(wěn)定。因此，防滲護壁材料防護可以有效控制外界雨水的入滲和坡體內水分的蒸發(fā)，有利于保持坡體內水分的穩(wěn)定，從而提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，加上防滲護壁材料自身具有優(yōu)良的耐久性能，將其應用于邊坡防護可取得長期、穩(wěn)定的護坡效果。

此外，三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡含水率發(fā)生變化的時間總體上較素土邊坡的更長，變化幅度更小。這是因為三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護層與防滲護壁材料防護層具有相似的功能，也具有截水和導水作用，雨水在坡表形成徑流后沿三維網(wǎng)下流，加上坡腳與地面相連無法匯集雨水，故雨水難以入滲到坡腳土體。但因為防護層存在少量孔隙，坡表在反復降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下會逐漸形成裂隙，最終為雨水入滲提供一定的通道，因而坡腳土體含水率在后期增加。若在三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護層上種植綠植，綠植根系可通過防護層上存在的少量孔隙生長至坡體內部土層，根系的加筋作用與防護層良好的防水抗入滲性能可提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

對比圖3(a)和3(b)可知：素土邊坡測點S1的含水率整體小于測點S2的含水率，而防滲護壁材料邊坡測點S1的含水率大于測點S2的含水率，且這2個測點含水率均大于其他測點含水率。在降雨過程中，素土邊坡坡頂不存留積水且雨水不斷順坡面下流，坡面的入滲面大于坡頂?shù)娜霛B面，且坡肩處裂隙較為發(fā)育利于雨水入滲，導致素土邊坡測點S1的含水率比測點S2的含水率小；防滲護壁材料護坡坡頂存在未被防護層覆蓋的裸露面，裸露面存在一定裂隙便于雨水下滲，且裸露面與防滲護壁材防護層之間存在一定高差，這使得降雨結束后裸露面會存留一定積水然后緩慢下滲，而坡面因為防護層的覆蓋雨水被導排走難以入滲，因此，該邊坡測點S1的含水率比測點S2的含水率大。此外，防滲護壁材料防護邊坡坡面中部右側部分土體被沖刷且存在裂隙發(fā)育，而其他位置處因為防護層的存在，雨水被大量排走且少有裂隙發(fā)育，因此，測點S1和S2的含水率又均高于其他測點的含水率。三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡含水率變化特征及機制與防滲護壁材料防護邊坡相似，其測點S3的含水率在前兩次循環(huán)中有上下波動的現(xiàn)象。這主要是因為第1次循環(huán)中防護層的存在使裂隙發(fā)育緩慢，且雨水大量通過防護層被導排而無法直接入滲，但防護層上少量孔隙為土體水分蒸發(fā)提供了通道而形成小型裂隙，導致雨水入滲十分緩慢，因此，含水率在84 h 前后出現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象；隨著降雨-蒸發(fā)循環(huán)的進行，裂隙進一步發(fā)育，含水率再次出現(xiàn)該現(xiàn)象并在166 h后呈持續(xù)增大趨勢。

經(jīng)過對比分析可知，除坡頂測點S1外，防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡各測點的降雨入滲響應時間均比素土邊坡的長，且土體越深降雨入滲響應時間的差值越大。降雨入滲響應時間越長，說明入滲速率越小，抗入滲性能越大，由此可得素土邊坡的抗入滲性能最小。由表5可知：防滲護壁材料防護邊坡測點S2和S3降雨入滲響應時間大約為素土邊坡的1.3 倍，測點S4和S5降雨入滲響應時間大約為素土邊坡的2倍；而三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡測點S2降雨入滲響應時間與素土邊坡的一樣，測點S3降雨入滲響應時間大約為素土邊坡的1.3 倍，測點S4和S5降雨入滲響應時間為素土邊坡的1.6～2.0 倍。綜上分析，各組邊坡的抗入滲能力由大到小依次為防滲護壁材料防護邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡和素土邊坡。

表5 降雨入滲不同測點含水率變化響應時間Table 5 Response time of moisture content change at different measuring points after rainfall infiltration

2.2 孔隙水壓力變化

圖4所示為3 組邊坡在降雨-蒸發(fā)循環(huán)過程中各測點孔隙水壓力的變化趨勢。由圖4可知：3 組邊坡淺層土體孔隙水壓力變化與降雨-蒸發(fā)循環(huán)歷程緊密相關，即在降雨和蒸發(fā)階段分別呈上升和降低趨勢。在試驗過程中，3組邊坡孔隙水壓力的變化趨勢總體相似，降雨雨水和空氣中水分的入滲、超靜孔隙水壓力隨時間的消散以及邊坡土體水分的蒸發(fā)是引起孔隙水壓力變化的主要外在因素和內在因素。孔隙水壓力的變化也具有一定的滯后性，例如在第1 次循環(huán)、第2 次降雨(60.5 h)后，3組邊坡坡頂測點P1的孔壓仍繼續(xù)減小，直到72 h時才逐漸增大。各組邊坡30 cm埋深處測點P4和P5的孔隙水壓力均在第2 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)后有明顯的起伏，但變化幅度較10 cm 埋深處小。此外，其余測點孔隙水壓力變化較小，這與含水率的變化規(guī)律一致。

由圖4還可知：在降雨開始前坡體內孔隙水壓力有所起伏，這主要是因為土體內超靜孔隙水壓力隨時間而引起。各組邊坡淺層土體在每次循環(huán)中的最大孔隙水壓力大部分出現(xiàn)在第2 次降雨后，且各測點在整個試驗過程中最大孔隙水壓力的出現(xiàn)時間也與之相似，如素土邊坡和防滲護壁材料防護邊坡測點P1的孔隙水壓力分別在第2 次循環(huán)(162 h)和第3次循環(huán)中(200 h)達到最大，而三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡測點P1的孔隙水壓力在第1 次循環(huán)后(82 h)達到最大，且該測點每次循環(huán)后均能達到較大的孔隙水壓力并大于1 kPa，這是因為該邊坡坡頂存在未被防護層覆蓋的裸露面，裸露面與防護層的高差造成降雨后坡頂有少量積水，積水緩慢下滲造成孔隙水壓力增加。

圖4 降雨-蒸發(fā)循環(huán)過程中孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Pore water pressure curves during precipitationevaporation cycles

定義每次降雨-蒸發(fā)循環(huán)內孔隙水壓力變化曲線最高點與最低點的差值為孔隙水壓力峰值差Δumax。Δumax主要受降雨和蒸發(fā)作用的影響，且隨著土體深度增加而減小。3 組邊坡坡頂?shù)摩max均為最大，說明坡頂?shù)慕涤?蒸發(fā)循環(huán)效應最顯著。同時，防滲護壁材料防護邊坡坡腳的Δumax最小，其他2 組邊坡中坡中的Δumax最小，說明防滲護壁材料可有效防止雨水入滲而降低土體強度，從而避免坡腳破壞。膨脹土邊坡多從坡腳開始發(fā)生淺層逐級后退式滑坡破壞，因此，防滲護壁材料對坡腳的保護有利于增強邊坡的整體穩(wěn)定性。素土邊坡在第4 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)中坡腳處Δumax驟增，根據(jù)太沙基有效應力原理可知孔隙水壓力增大會引起土體有效應力減小，從而導致土體強度降低，基質吸力逐漸消失。隨著雨水繼續(xù)入滲，土體自重增加并充滿裂隙，土體下滑力增加，同時，雨水的沖擊和地表徑流的“裹挾作用”會進一步破壞坡面的整體性，在多種因素耦合作用下，坡腳處最終發(fā)生局部破壞。

對比圖4和表6可知：除第4次循環(huán)(素土邊坡坡腳發(fā)生局部破壞)和第5 次循環(huán)坡腳處，防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡在同一深度的Δumax均比素土邊坡的大。裂隙發(fā)育是導致Δumax較大的主要原因，Δumax也可間接反映裂隙的發(fā)育程度。兩組邊坡發(fā)生該現(xiàn)象的原因相似。以防滲護壁材料防護邊坡為例進行分析。在5次循環(huán)結束后，防滲護壁材料防護邊坡坡頂防護層下方形成1條橫向貫通的裂隙，該裂隙為雨水從左右兩側入滲提供了便利的直接通道，因此，孔隙水壓力的變化值較大。該裂隙的形成原因是：防護層的存在使雨水順坡流走無法入滲，坡面左右兩側未被防護層覆蓋的接縫處在循環(huán)過程中首先產(chǎn)生裂隙，在加熱蒸發(fā)過程中，黑色防護層快速吸熱并傳至坡體內部，土體吸熱后水分會有向上運移趨勢并通過土-氣界面蒸發(fā)，但此時坡體內水分無法直接透過防護層并只能通過將水分運移至邊坡兩側后蒸發(fā)，防護層下方土層隨之因為失水收縮產(chǎn)生裂隙，裂隙隨循環(huán)增加而逐漸發(fā)育并貫通。坡中和坡腳Δumax較大是因為邊坡右側土體在降雨和地表徑流的作用下被沖蝕，并同樣在防護層下方形成了主貫通裂隙利于雨水入滲。防滲護壁材料防護邊坡的主裂隙發(fā)育導致降雨入滲和蒸發(fā)速率均較快，具體表現(xiàn)為每次循環(huán)內出現(xiàn)的孔隙水壓力峰值更大且變化速度更快。防護層下方裂隙通道的形成也能從側面反映出防滲護壁材料的防水抗入滲性能和抗蒸發(fā)性能較好。通過上述分析可知，若防滲護壁材料防護層完全覆蓋坡面并與側墻粘接，則雨水無法入滲且坡體內水分無法透過防護層蒸發(fā)而保持穩(wěn)定，防護層下方坡面也無裂隙發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性將得到提高。

表6 測點P2孔隙水壓力峰值差ΔumaxTable 6 Response time of moisture content change at measuring point P2 after rainfall infiltration

2.3 徑流量和土體沖刷量變化

2.3.1 徑流量

邊坡徑流量主要受降雨強度、降雨時間、坡表裂隙發(fā)育程度、土體性質、坡度、坡表防護類型及防護面積等因素的影響。本試驗在每次降雨過程中均采用集水容器收集泥水，將收集的泥水靜置24 h 以上，待泥水分層后使用小型水泵將上層澄清水吸出，即可測得每次降雨過程的邊坡徑流量。圖5所示為每次循環(huán)過程中的總徑流量(即每次循環(huán)過程中第1次降雨和第2次降雨的徑流量之和)隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關系曲線。從圖5可知：防滲護壁材料和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡的徑流量變化趨勢相似，3組邊坡徑流量均隨循環(huán)次數(shù)的增加呈“S”形變化。這說明在相同降雨強度和降雨時間下，坡面徑流量在降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下并不呈線性增減，而是具有循環(huán)變化的特征，并隨坡表裂隙的發(fā)育和閉合分別呈增加和減小趨勢。試驗中邊坡徑流量主要受坡表裂隙、坡表防護類型及坡面形態(tài)等因素的影響，在每次循環(huán)后坡面裂隙和坡面形態(tài)均發(fā)生變化，但不同防護層使得3組邊坡的變化有所區(qū)別；坡面裂隙的變化直接影響到雨水下滲進而影響坡面徑流量，坡面形態(tài)發(fā)生變化如形成沖溝和局部滑塌等會影響徑流層的速度與厚度、覆蓋局部裂隙或形成局部張拉裂隙，從而影響到雨水下滲和坡面徑流，因此，徑流量會隨循環(huán)次數(shù)而有所波動。

圖5 徑流量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關系曲線Fig.5 Relationship curves between runoff and precipitation-evaporation cycles

此外，防滲護壁材料防護邊坡因具有良好的防水抗入滲性能，坡面裂隙發(fā)育程度及坡面形態(tài)變化程度均比其他2組邊坡的小，因此，其徑流量的波動最小，且其徑流量要比其他兩組邊坡的大，即降雨入滲量最小，這表明防滲護壁材料防護層具有顯著的截水作用和抗入滲性能。同時，三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡的徑流量總體大于素土邊坡的徑流量(除第3 次循環(huán)外)，說明該防護層也具有一定的截水作用。

2.3.2 坡面沖蝕過程

降雨作用下一般會對邊坡表面造成濺蝕、面蝕和溝蝕3 種類型的侵蝕破壞。圖6所示為3 組邊坡坡面隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)增加的變化過程。通過觀察圖6(a)以及循環(huán)過程中對坡面可知，素土邊坡坡面經(jīng)歷了以下侵蝕破壞過程：濺蝕→面蝕→溝蝕(局部細溝→沖溝→貫通沖溝)→局部坍塌破壞(表現(xiàn)為兩相鄰沖溝間土脊吸濕軟化后向沖溝倒塌，并重新填充滿部分沖溝)。素土邊坡在第1 次循環(huán)降雨前期由于雨滴的擊濺作用產(chǎn)生濺蝕，隨著降雨的進行發(fā)展為面蝕；在表層土體飽和后，無法下滲的雨水形成坡面徑流，在重力作用下順坡面下流，并隨之帶走坡表松散的土顆粒，逐漸沿徑流的流道形成局部細溝。第1次循環(huán)結束時，素土邊坡坡面中間自坡頂至坡腳形成1條主沖溝，并伴隨有局部沖溝發(fā)育，此時，坡面平均沖溝深度為5.53 cm。第2 次循環(huán)結束時，主沖溝及局部沖溝受持續(xù)徑流的影響逐漸變深，邊坡兩側也形成2條較深的主要沖溝，坡面平均沖溝深度驟增至9.11 cm。坡面部分沖溝在第3 次循環(huán)后貫通，坡面平均沖溝深度繼續(xù)增加至10.40 cm，雖然深度較上次循環(huán)結束后增加幅度不大，但沖溝的寬度在坡面徑流作用下持續(xù)增加，相鄰沖溝之間形成土脊，整個坡面下部靠近坡腳處呈現(xiàn)出“坑狀”，邊坡土體尤其是坡腳處土體遭到?jīng)_刷破壞而大量流失。在第4次循環(huán)結束時，沖溝增加至一定深度時，土脊在吸水飽和軟化后向兩側沖溝倒塌，在坡腳處發(fā)生局部滑塌現(xiàn)象，部分沖溝因此被重新填充，但該過程中軟化土體也極易被邊坡徑流沖刷裹挾而流失。隨著坡腳處土體滑塌與流失，坡面中部以及坡肩處也相繼出現(xiàn)小范圍滑塌。在第5次循環(huán)結束時，坡面多處滑塌使沖溝被重新填充而形成“新的坡面”，但在持續(xù)降雨和徑流的作用下坡面又逐漸形成1條主沖溝。由此可知，素膨脹土邊坡坡面在降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下會經(jīng)歷“濺蝕→面蝕→溝蝕→局部滑塌→沖溝填充”的漸進性循環(huán)侵蝕破壞，使邊坡從坡腳處局部滑塌開始誘發(fā)坡體發(fā)生后退式滑塌破壞，并造成坡面土體發(fā)生逐層侵蝕而流失，坡表土層厚度會隨著循環(huán)侵蝕破壞的進行而削減。已有研究表明，砂土邊坡在沖刷作用下，土顆粒不斷向下剝落易形成底部近似平行于坡面的沖坑，且沖坑隨時間而變大并連通，在長時間降雨沖刷作用下易發(fā)生滑動破壞[27,29]；黃土邊坡在降雨沖刷作用下坡面會經(jīng)歷濺蝕、片蝕、溝蝕、坍塌、滑坡的過程，最終土體軟化發(fā)生多級塊體滑動破壞和流化破壞[30-31]，黃土邊坡坡面沖刷過程與膨脹土邊坡的相似，但膨脹土邊坡主要發(fā)生局部滑塌和淺層滑動破壞。

圖6 坡面隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)n增加的變化過程Fig.6 Changing processes of slope surface with increasing precipitation-evaporation cycles

防滲護壁材料以及三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料與坡表黏結，形成上覆保護層，可攔截雨水避免對坡面土體的直接沖擊并可有效降低徑流對坡面的沖刷，因此，這2組邊坡在防護層下的坡面難以發(fā)生濺蝕和溝蝕破壞。由圖6(b)可知：防滲護壁材料防護邊坡經(jīng)歷前2次循環(huán)后坡面無明顯變化，在第3次循環(huán)后坡中右側防滲護壁材料防護層發(fā)生局部凹陷形成侵蝕凹槽。這是因為坡面防護層兩側未直接與側墻粘接，在坡面徑流作用下兩側接縫處仍有少量土體被裹挾帶走；前2次循環(huán)有少量土體通過此方式流失并沿兩側邊接縫處形成細小的沖溝，第3次循環(huán)過程中接縫處土體繼續(xù)流失導致沖溝加深，保護層側邊下方的土體進而在徑流沖刷作用下而持續(xù)流失，由此導致第3次循環(huán)后坡面右側凹槽的產(chǎn)生。第4次和第5次循環(huán)后右側凹槽深度及凹槽面積繼續(xù)增大，保護層兩側部分位置也呈現(xiàn)出下凹趨勢，但變化并不明顯，除兩側外坡面主體無沖刷破壞。

圖6(c)所示為三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡坡面隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)增加的變化過程。由圖6(c)可知：其變化過程與防滲護壁材料防護邊坡的變化過程相似。在第2次循環(huán)后，坡面左右兩側坡肩下方的接縫處防護層產(chǎn)生侵蝕凹槽，其與防滲護壁材料防護邊坡兩側產(chǎn)生凹槽的原因相同。在第5次循環(huán)結束時，兩側接縫處凹槽深度繼續(xù)增大，且左側凹槽區(qū)由坡肩延伸至坡中，凹槽面積顯著增加。此外，三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡坡面防護層存在少量孔隙使坡面在降雨過程中發(fā)生面蝕，但由于該防護層良好的截水與導水作用，坡面僅存在輕微面蝕，具體表現(xiàn)為坡面少量土體通過孔隙流失。

2.3.3 土體沖刷量

邊坡坡面的土體沖刷量與降雨強度、降雨歷時、徑流量、土體性質以及坡面防護等因素密切相關。圖7所示為每次循環(huán)過程中的總土體沖刷量(即每次循環(huán)過程中第1次降雨和第2次降雨的土體沖刷量之和)隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關系曲線。由圖7可知：素土邊坡每次循環(huán)后產(chǎn)生的土體沖刷量遠比其他2組邊坡的大，且分別為防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡的16.1～58.1 倍和3.4～8.0 倍。3 組邊坡土體沖刷量隨循環(huán)次數(shù)增加均呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，素土邊坡和防滲護壁材料防護邊坡的沖刷量均在第3次循環(huán)后達到最大值20.46 kg 和1.27 kg，而三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡的沖刷量在第2 次循環(huán)后達到最大值5.77 kg，這與邊坡坡面出現(xiàn)顯著沖蝕變化時的規(guī)律相同。采用二次函數(shù)將土體沖刷量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關系進行擬合，擬合結果如表7所示。3 組邊坡的擬合優(yōu)度R2分別為0.987，0.941 和0.955，可見擬合效果較好，邊坡土體沖刷量隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的變化呈二次函數(shù)關系。這表明在連續(xù)雨季，膨脹土邊坡的坡面土體沖刷量會經(jīng)歷連續(xù)且循環(huán)的先增后減過程，導致坡表土體持續(xù)流失并影響坡體穩(wěn)定，因此，對于膨脹土邊坡工程尤其是新開挖的膨脹土邊坡，應該在雨季來臨之前做好坡面防護措施。

圖7 沖刷量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關系曲線Fig.7 Relationship curves between scour amount and precipitation-evaporation cycles

表7 沖刷量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的擬合關系式Table 7 Fitting equations between scour amount and precipitation-evaporation cycles

考慮每次降雨-蒸發(fā)循環(huán)所對應降雨時長內引起土體沖刷重量所需的水量來表示各組邊坡的抗沖刷性指標(即抗沖刷系數(shù))，其計算公式為[32]

式中：Rs為抗沖刷系數(shù)，L·min/g；Q為每次循環(huán)過程中的徑流量，L；t為每次循環(huán)過程中的降雨時間，min；W為每次循環(huán)過程中的土體沖刷量，g。

根據(jù)式(2)計算得到各組邊坡在不同循環(huán)次數(shù)下的抗沖刷系數(shù)Rs如表8所示。由表8可知：各組邊坡抗沖刷系數(shù)Rs均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，與土體沖刷量的變化規(guī)律相反。同時，防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡的抗沖刷系數(shù)Rs均遠比素土邊坡的大，防滲護壁材料防護邊坡的Rs最大可為素土邊坡的61.9倍。抗沖刷系數(shù)越大說明邊坡的抗沖刷性能越強，由此可知各組邊坡的抗沖刷能力由大到小順序為防滲護壁材料防護邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡和素土邊坡。

表8 邊坡的抗沖刷系數(shù)RsTable 8 Anti-scour coefficient of slopes

2.4 裂隙發(fā)育情況

在5 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)結束時，將防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡坡腳的防護層撕開，在坡腳中間取30 cm×30 cm區(qū)域測量裂隙發(fā)育情況并取平均值，結果如表9所示。由表9可知：防滲護壁材料防護邊坡在循環(huán)結束時裂隙寬度和深度均最小，而素土邊坡的均最大，這說明素土邊坡受降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用的影響最顯著。而其他2組邊坡因防護層良好的抗入滲和抗蒸發(fā)作用極大地減小了降雨-蒸發(fā)循環(huán)對坡面的影響，坡體內外部水分在防護層的遮攔作用下無法直接進行交換，使得坡體內水分保持相對穩(wěn)定，因此，裂隙發(fā)育緩慢。防滲護壁材料防護層不僅能提高膨脹土邊坡工程中坡腳導排水的效率，而且可以減小干濕循環(huán)對坡腳的影響，防止坡腳裂隙發(fā)育及雨水入滲軟化土體而造成邊坡失穩(wěn)。

表9 坡腳裂隙發(fā)育情況Table 9 Development of cracks at slope toe

3 結論

1)降雨入滲引起的含水率和孔隙水壓力變化存在滯后性；防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡10 cm 埋深處的降雨入滲響應時間為素土邊坡的1.02～1.35倍，30 cm埋深處的降雨入滲響應時間為素土邊坡的1.61～2.03倍，且降雨入滲過程中含水率的響應時間均隨土體深度增加而增大；各組邊坡的抗入滲能力由大到小依次為防滲護壁材料防護邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡和素土邊坡。

2)在相同深度處，防滲護壁材料防護邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡在各循環(huán)中的孔隙水壓力峰值差Δumax總體比素土邊坡的大，且均隨深度增加而減小。理論上，若能在實際工程中擴大防滲護壁材料防護層的覆蓋范圍直至粘接排水溝平臺，將坡面“密封”，則可保證坡體內含水率的穩(wěn)定，有利于增加邊坡穩(wěn)定性。

3)邊坡徑流量總體上防滲護壁材料防護邊坡最大，且3組邊坡徑流量均隨循環(huán)次數(shù)增加呈“S”形變化；膨脹土邊坡坡面在降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下會經(jīng)歷“濺蝕→面蝕→溝蝕→局部滑塌→沖溝填充”的漸進性循環(huán)侵蝕破壞，使邊坡從坡腳處局部滑塌開始誘發(fā)坡體發(fā)生后退式滑塌破壞，坡表土層厚度隨著循環(huán)侵蝕破壞的進行而削減。

4)土體沖刷量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的擬合效果較好，二者呈二次函數(shù)關系；在相同循環(huán)次數(shù)下，邊坡抗沖刷系數(shù)Rs由大到小依次為防滲護壁材料防護邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護邊坡和素土邊坡，說明防滲護壁材料防護邊坡的抗沖刷性能最為顯著；防滲護壁材料防護邊坡受降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用的影響較小，其坡腳裂隙發(fā)育寬度和深度最小。

5)防滲護壁材料防護層和三維植被網(wǎng)+防滲護壁材料防護的截水與導水作用可有效攔截雨水并降低其入滲速率，且防護層減小了坡表的蒸發(fā)面使得坡體內水分難以蒸發(fā)，有利于保持邊坡水分穩(wěn)定；同時，防護層對雨水的攔截可極大降低雨滴對坡面的直接沖擊破壞，并降低徑流作用對坡面的沖蝕，有效減小因降雨造成的坡面侵蝕破壞；此外，防護層能顯著降低降雨-蒸發(fā)循環(huán)對坡體的影響，保證邊坡的整體性，有利于邊坡的長期穩(wěn)定。