防护方式对膨胀土边坡径渗流的影响

苏伟胜, 马敏, 黄震,3*, 罗鹏, 邵羽

(1.广西新发展交通集团有限公司, 广西南宁530029;2.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004;3.特色金属材料与组合结构全寿命安全省部共建国家重点实验室, 广西南宁530004;4.广西交通设计集团有限公司, 广西南宁530029)

0 引言

膨胀土是一种典型的特殊土,富含蒙脱石等亲水矿物,具有显著的水敏感性[1]。膨胀土在世界范围内广泛分布,已经有超过40个国家和地区发现了膨胀土[2]。我国膨胀土储量较多,膨胀土的不良工程特性往往会给工程建设带来巨大的威胁和挑战,因此膨胀土也被称为工程“癌症”[3]。膨胀土边坡失稳滑坡主要发生在雨季,是一种常见的地质灾害。有针对性地开展降雨条件下膨胀土边坡的有效防护研究十分重要。

膨胀土边坡灾害的发生往往会造成巨大的经济损失,关于膨胀土边坡失稳机制的相关研究引起了诸多学者的关注。模型试验、离心试验和数值模拟分析是主要研究手段[4]。研究普遍认为,降雨入渗及其引发的边坡水分变化是造成膨胀土边坡滑坡的关键因素[5]。首先,周期性干湿交替导致坡面土体形成不规则且深浅不同的裂缝,破坏了土体的整体性,为雨水入渗提供了直接通道[6-7];其次,降雨后雨水沿裂隙渗入,使土体软化膨胀,抗剪强度降低,同时增加了土体的渗透压和下滑力,随着降雨的进行极易导致膨胀土边坡发生滑坡破坏[8-9],因此,膨胀土边坡的防护重点是加强排水和保湿的能力。

目前已有大量国内外学者对膨胀土边坡防护进行了研究。Mohamed等[10]通过现场监测发现膨胀土对挡土墙结构分布的侧向膨胀压力与土体深度、含水量及膨胀土类型有关。张雪东等[11]通过现场试验研究了浆砌片石对膨胀土边坡的防护效果,发现浆砌片石防护可降低雨水对坡体水分及膨胀变形的影响。吕建航等[12]通过开展模型试验发现土工格栅加筋可以减小膨胀土边坡含水率的变化。Chen等[13]采用数值模拟对土工格栅加筋膨胀土边坡进行研究,得到了不同降雨和加固条件下膨胀土边坡的安全系数和滑面深度。唐咸远等[14]对土工格栅和土工格室2种柔性支护方式进行了分析和现场应用。Liu等[15]将土工袋应用于南水北调工程沿线膨胀土边坡,总结出土工袋可防止水分迁移并抑制侧向位移。此外,董宏源等[16]进行了不同坡度下的膨胀土边坡模型试验,发现仅靠放缓坡度并不利于边坡水分的稳定。上述针对膨胀土边坡防护的研究取得了诸多有益的成果,然而,刚性防护协调变形能力较差,不合适对膨胀土边坡进行长期支护。目前应用较多的柔性防护也难以实现高效的防水、导排作用,无法从根本上解决降雨入渗引起的坡内外水分变化,膨胀土边坡工程的长期稳定性仍然面临挑战。马少坤等[17]通过模型试验研究了护壁材料防护下边坡的抗冲刷及抗入渗特性。Ma等[18-19]通过模型试验验证了高分子防水涂料对膨胀土边坡的防护效果,并研究了防护层覆盖率对雨水入渗特性的影响。相关研究均未考虑不同坡度下防护方式对膨胀土边坡降雨径流及入渗规律的影响,因此需进一步进行边坡防护研究。

本研究基于防渗护壁材料开展3种防护类型及3种坡度下的膨胀土边坡模型试验,监测并分析边坡产流时间、径流量、径流速率和土体含水率随时间的变化规律,探讨防护方式对膨胀土边坡径渗流的影响,研究成果可为不同坡度下的膨胀土边坡防护及控制边坡含水率稳定提供指导和借鉴意义。

1 试验材料

1.1 膨胀土

研究区域位于中国华南地区,雨热资源丰富,膨胀土分布广泛。本试验所用膨胀土取自南宁市兴宁区,土体干燥后呈灰白色。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对膨胀土的基本物理参数进行测定。试验膨胀土的基本物理指标见表1。

表1 试验膨胀土的基本物理指标Tab.1 Basic physical indices of test expansive soil

1.2 防渗护壁材料

试验所用的防渗护壁材料是一种具有高固体质量浓度的水性橡胶基高分子防水涂料,液态外观呈灰黑色膏状,干燥固化后形成具有一定弹塑性的黑色防水涂层,防渗护壁材料如图1所示。护壁材料的主要原材料包括固体橡胶、软化剂、增黏树脂、抗老化剂、抗氧剂及填料等。制作护壁材料的主要工序包括混合改性、乳化及搅拌等。护壁材料具有优异的防水性能、抗窜水性能、耐热性能及延展性能。根据《建筑构件连接处防水密封膏》(JG/T 501—2016)对护壁材料的物理力学性能进行测试,护壁材料的基本物理力学性能见表2。

(a) 液态

表2 护壁材料的基本物理力学性能Tab.2 Basic physical and mechanical properties of polymer waterproof coating material

此外,选用径厚比较大、呈片状结构的云母粉作为填料,当护壁材料固化时,片状结构在表面张力作用下逐渐平行、堆叠排列,最终形成致密的层状结构涂层,使得水分难以在涂层中进行迁移和渗透,同时护壁材料的吸水率(48 h)仅为3.8%,说明护壁材料不易变形和渗水,耐水性能优异。

1.3 土工材料

试验中用到的土工材料如图2所示。图2中的高性能无纺布是一种皮芯结构的材料,其延伸性和强度性能优异。在实际工程应用中,一般将高性能无纺布与护壁材料结合使用,以形成更高强度、更耐磨损的护壁材料防护层。该护壁材料防护层为夹心结构,即最上和最下层为护壁材料,中间层为无纺布。试验所用三维植被网的主要成分为高密度聚乙烯,其表层为波浪状的泡网,底部2层为双向拉伸的平面网。土工材料的性能参数见表3。

(a) 无纺布

表3 土工材料的性能参数Tab.3 Performance parameters of geosynthetics

2 试验方案

2.1 试验装置

本试验采用自行设计的降雨装置如图3所示。降雨装置的尺寸为1 660 mm×1 220 mm×2 400 mm(长度×宽度×高度)。降雨装置主要由降雨架、降雨喷淋系统、模型箱以及雨水收集装置等构成。降雨架主体由不同规格的型钢焊接而成,降雨喷淋系统包括蓄水箱、水泵、输水管及雾化喷头。模型箱的尺寸为1 350 mm×400 mm×250 mm(长度×宽度×高度)。模型箱的端部设置梯形出水口模块,高度为50 mm,宽度为150 mm。在模型箱另一侧端部挡板上预留引线孔,便于埋设传感器时将导线引出。在模型箱接缝处涂刷防水涂料,以减小对边坡水分及径流量的影响。

图3 降雨装置Fig.3 Rainfall test device

降雨架顶部安装输水管及雾化喷头,每个模型箱正上方均匀设置3个喷头。降雨架中层通过焊接预设3个活动框,用以放置并固定模型箱,可通过上下转动活动框以模拟不同角度的膨胀土边坡。降雨装置四周安装防水布,减小外界环境及空气流动对试验过程的影响。

2.2 边坡模型填筑

将膨胀土进行晒干、粉碎处理,过孔径为2 mm筛。测定膨胀土的风干含水率,再均匀加水使膨胀土达到试验所需的含水率(15.1%),在密封箱中焖制24 h。采用分层压实的方法进行边坡模型的填筑,每层土体压实高度为25 mm。边坡模型填筑过程中控制膨胀土的压实度为90%,土体密度为1.8 g/cm3。

膨胀土边坡模型的尺寸为1 200 mm×400 mm×200 mm (长度×宽度×高度),边坡坡面与出水口齐平,便于雨水排出。试验共填筑3种类型的膨胀土边坡,膨胀土边坡模型如图4所示。第一种为裸露无防护边坡(一类边坡)。第二种为护壁材料防护的边坡(二类边坡),该类边坡依次在坡面进行喷涂护壁材料、铺设PET无纺布、再次喷涂护壁材料的工序,形成厚度约为1.5 mm的护壁材料防护层并完全覆盖坡面。第三种为三维植被网和护壁材料共同防护的边坡(三类边坡),该类边坡首先铺设并固定三维植被网,然后再喷涂护壁材料,形成三维植被网+护壁材料防护层。由于三维植被网表层泡网的存在,在喷涂护壁材料的过程中涂料无法完全覆盖网格,因此在表面形成少量孔隙。护壁材料每平方米的用量为2.5 kg,均匀施工,施工结束后需对其养护72 h。

(a) 一类边坡

2.3 传感器布置

每个边坡模型中均埋设有4个土壤水分传感器,可监测土壤体积含水率的变化规律。传感器尺寸为70 mm×45 mm×18.5 mm (长度×宽度×高度),其探针长度为62 mm。土壤水分传感器分别埋设在靠近坡脚和坡中的位置,埋设深度分别为垂直坡面以下50 mm和150 mm,传感器编号及具体布置方式如图5所示。图5中M1、M2、M3、M4分别为埋设的含水率传感器。传感器的导线通过引线孔引出后连接数据采集仪,可避免导线从坡面引出时雨水沿导线渗入边坡从而影响含水率变化规律。

图5 水分传感器布置图Fig.5 Moisture sensor arrangement diagram

2.4 试验方法

3类边坡均分别填筑30°、45°和60°这3个坡度进行模型试验,共计填筑9组边坡模型。根据《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085—2007)提出的公式对降雨喷洒均匀系数进行测定,其表达式为

(1)

式中：Cu为降雨喷洒均匀系数,%;Δh为降雨喷洒水深的平均离差,mm;h为降雨喷洒水深的平均值,mm。其中,参数Δh和h可分别通过公式(2)和公式(3)计算得到。

(2)

(3)

式中hi为测点的降雨喷洒水深,mm。经测定降雨喷洒均匀系数大于80%,满足降雨均匀性要求。

从打开降雨装置开始计时,到出水口有水流产出的时间记为坡面产流时间,即坡面径流汇聚产生的时间。试验过程中每间隔5 min更换一次模型箱出水口下方的集水箱,试验结束后对集水箱中的过滤清水进行测定,得到的结果即为坡面径流量。单次降雨持续时间为150 min,降雨结束后继续对边坡含水率进行监测,一次完整试验时长为720 min。

3 试验结果与分析

3.1 膨胀土边坡产流时间变化规律

不同防护类型膨胀土边坡的产流时间及其拟合曲线如图6所示。从图6中可看出,防护方式对坡面产流时间的影响显著,二类边坡的产流时间明显短于一类、三类边坡。二类边坡为防渗护壁材料防护边坡,防水性能较好,雨水无法渗透护壁材料防护层。当降雨开始后,雨水直接在防护层表面凝聚并顺坡面排出。一类边坡无防护,雨水首先渗入土体,当表层土体接近饱和、持水能力减弱后,坡面才逐渐形成径流,因此其产流时间显著长于其他边坡。三类边坡的三维植被网与护壁材料结合形成了凹凸形状的防护层,雨水在防护层上产生径流时其流向不断被改变导致形成大量的小涡流,径流向下的势能受到损失,流速下降[20]。同时,防护层存在的孔隙允许少量雨水入渗,因此三类边坡虽具有良好的防水性能,但坡面产流时间较长。

由图6可知,在相同防护方式下,边坡坡度越大,产流时间越短。坡度越大,坡面径流受到的下滑力更大,从而使流速增加,产流时间变短。对边坡产流时间与坡度之间的关系进行拟合,拟合效果较好。一类、三类边坡的产流时间与坡度之间呈幂函数关系,二类边坡产流时间与坡度之间近似呈线性关系,说明坡度越大具有越好的截水导排性能;但陡坡稳定性较差,缓坡导排速度慢易积水,均不利于边坡稳定,因此实际工程中宜对膨胀土边坡适当放缓坡度,并加强坡面防水。此外,二类边坡在不同坡度下的产流时间相差较小,主要原因是由于护壁材料防护层的防水性较好,表面粗糙度较低。试验结果表明,坡面防护方式及防护层形态对产流时间的影响显著。

3.2 膨胀土边坡径流规律

不同防护类型不同坡度膨胀土边坡在降雨过程中径流量的变化规律如图7所示。由图7可知,3种边坡径流量变化规律一致,均随时间的增加而增大。二类边坡的径流量最大,三类边坡的径流量与二类边坡的接近。一类边坡的径流量最小,与坡面防护层的防水抗入渗性能相关。此外,在相同防护方式下,径流量随坡度的增加表现出减小趋势。在本试验中,降雨喷头位置固定,在向上旋转模型箱以增加边坡坡度的同时,坡面在水平面上的投影范围逐渐缩小。与此同时,竖直方向上雨水落在坡面的量减少,相当于有效降雨范围减小,因此导致坡度增大后径流量有减小趋势。

(a) 30°边坡

为了更好地反映边坡坡面径流量的大小和增加程度,考虑将单位时间内通过单位坡面面积的径流量定义为径流速率,其计算公式为

(4)

式中：Kr为径流速率,L/(min·m2);V为单次收集得到的径流量,L;T为单次径流量收集的持续时间,min;S为降雨坡面的面积,m2。边坡径流速率越大则表示该段时间内径流量越大,径流速率的增减幅度可反映径流量的增加快慢。

不同防护类型及坡度膨胀土边坡在降雨过程中径流速率的变化规律如图8所示。从图8中可看出,二类边坡前期的径流速率远大于一类、三类边坡。一类边坡前期雨水入渗量较大导致径流量较小,同时三类边坡前期由于三维立体防护层的截水阻流作用、孔隙处雨水下渗同样致使径流量较小,因此这2类边坡前期的径流速率较小。一类、三类边坡的径流速率在前15 min从较小的值迅速增加,说明这段时间径流量的增加幅度较大。二类边坡的径流速率在前15 min小幅增加,然后基本保持稳定,说明护壁材料防护层具有高效且稳定的导排水效果。一类边坡降雨中期的径流速率基本保持稳定,但在降雨后期呈现出小幅增加趋势,原因可能是此时表层土体趋于饱和、雨水不再入渗所致。此外,在相同防护方式下,坡度越大,径流速率越小,这是由径流量的变化规律而导致。

(a) 30°边坡

由上述分析可知,一类边坡径流速率的变化模式为迅速大幅增加→基本稳定→缓慢增加;二类边坡径流速率的变化模式为小幅增加→基本稳定;三类边坡径流速率的变化模式为迅速大幅增加→基本稳定。3类边坡的径流速率最终趋于相同,但使用护壁材料进行防护的二类、三类边坡能更早地达到稳定的径流速率。由此可见,加强膨胀土边坡坡面防护结构的防水性能意义重大,可加速坡面雨水的排出,使边坡快速达到高效稳定的排水状态,保持边坡水分稳定。

3.3 膨胀土边坡含水率变化规律

边坡防护方式的防水性能是影响雨水入渗量的重要因素,同时雨水入渗会直接引起土体含水率变化。3种不同防护方式下30°膨胀土边坡含水率随时间的变化规律如图9所示。从图9中可见,降雨对一类边坡土体含水率的影响较大,且浅层土体含水率的变化幅度显著大于深层土体。一类边坡测点的含水率最早从140 min开始显著增加,三类边坡测点的含水率从400 min开始小幅增加,说明降雨引起的含水率变化具有滞后性。二类边坡含水率无明显变化。边坡含水率变化主要集中在50 mm埋深处,且一类边坡50 mm深度处土体含水率的变化值显著大于其他边坡。含水率变化幅度可间接反映雨水的入渗程度,试验结果说明一类边坡的雨水入渗量显著大于二类、三类边坡的。

(a) 坡脚测点

不同防护方式下45°和60°边坡含水率的变化规律分别如图10、11所示。从图10中可分别看出,45°和60°边坡含水率的变化模式与30°边坡相似,一类边坡含水率的变化幅度远大于其他边坡的。不同坡度下各类边坡50 mm埋深处测点含水率变化值见表4。以30°边坡测点M1为例,一类边坡的含水率变化值为13.01%,而二类、三类边坡的含水率变化值仅为0.07%和1.22%。同时,同一边坡坡脚含水率的变化幅度大于坡中的,这是由于雨水在重力作用下向下渗流所致。此外,随着边坡坡度的增大,测点含水率的变化幅度呈减小趋势。

(a) 坡脚测点

(a) 坡脚测点

表4 各边坡50 mm埋深处测点含水率变化值Tab.4 Variation of water content at 50 mm depth of measuring points of each slope %

结合图9—11可看出,一类、三类边坡3个坡度下的土体含水率仅在50 mm埋深处表现出明显变化,这是由于膨胀土的渗透系数较小,雨水难以入渗所致,深层土体含水率基本保持稳定。二类边坡3个坡度下的含水率均无明显变化,说明通过有效的防护方式抑制雨水渗入边坡的重要性。降雨入渗及其引起的土体含水率变化是造成膨胀土边坡滑坡的关键因素。通过采用防渗护壁材料对膨胀土边坡进行防护,即使在降雨条件下,各个坡度下膨胀土边坡的含水率均能保持稳定,有利于边坡稳定。

4 结论

采用防渗护壁材料对膨胀土边坡进行防护,通过开展9组不同防护方式以及不同坡度下的膨胀土边坡模型试验,研究了降雨条件下边坡雨水径流和入渗的相关特性及变化规律,得到以下主要结论：

①膨胀土边坡坡面防护方式对边坡产流时间的影响显著,坡面防护层防水性能越好,产流时间越短。同时,边坡坡度越大,坡面产流时间越短。一类、三类边坡的产流时间与坡度呈幂函数关系,二类边坡的产流时间与坡度呈线性关系。

②在相同降雨条件下,二类边坡的总径流量最大,三类、一类边坡次之。3种边坡的径流速率具有不同的变化模式。使用防渗护壁材料防护的膨胀土边坡表现出更好的截水导排性能,可保证边坡在雨季及时将坡面径流高效排出。

③降雨入渗对二类边坡含水率的影响显著小于其他2类边坡的。使用护壁材料进行防护效果显著,防护层可有效抑制雨水入渗。护壁材料防护边坡在多种坡度下均表现出较好的水稳性能,有利于保持膨胀土边坡的稳定性。从高效排水及防渗的角度考虑,建议在实际工程中增强膨胀土边坡坡面防护结构的防水和导排性能。