黄月华，周 成,2，李红梅

(1.四川大学 水电学院 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 四川 成都 610065；2.南京水利科学研究院 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室， 江苏 南京 210024；3.深圳市益田集团股份有限公司, 广东 深圳 518053)

膨胀土边坡中CBS防护系统的计算模拟

黄月华1，周 成1,2，李红梅3

(1.四川大学 水电学院 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 四川 成都 610065；2.南京水利科学研究院 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室， 江苏 南京 210024；3.深圳市益田集团股份有限公司, 广东 深圳 518053)

应用于干旱半干旱地区的CBS防护系统采用渗透系数较小、体积含水率较大的细粒土和渗透系数较大、体积含水率较小的粗粒土，构建具有毛细阻滞效果的储水和输水系统，能够有效地拦截和输导地面雨水，进而起到坡体安全防护和环境美化的作用。通过数值分析发现该种防护结够能够有效控制膨胀土边坡中的降雨入渗，减小坡体中部以上次生裂隙的产生，并提高膨胀土边坡的稳定性。

膨胀土边坡；水份控制；毛细阻滞作用；防护结构；稳定分析

在世界各地或多或少都遇到过膨胀土带来的问题，而干旱和半干旱等降雨较少地区的这些问题就更为严重[1]。而膨胀土中的水份运移研究一直是学者研究的重点[1-5]。因为膨胀土中水份减少时会收缩开裂，水份增加时会膨胀软化[1-2,6]。且在自然条件下膨胀土边坡会因为降雨、蒸发的循环作用而开裂，由此形成的次生裂隙和土坡中已有的原生裂隙为雨水的外部入渗和内部富集提供了通道，使得裂隙周围土体的含水率高于附近其它土体的含水率[6-7]，导致裂隙面附近土体软化，同时降雨还会使得土体其他部位处的基质吸力降低，特别是坡脚部位，进而不利于边坡的稳定[8-10]。

因此，在膨胀土边坡的防护中，对水份的控制就非常重要。而现有的防护方案中，一般分为四种：一种是不考虑土坡内的水份变化及土坡变形的刚性防护，如锚杆格构梁、抗滑桩等等[6,11-12]；一种基于膨胀土改良为目标，降低其对水份的敏感性，例如掺拌石灰、粉煤灰或其他的化学试剂[1,13]；考虑到膨胀土边坡在降雨入渗时不可能完全与水阻隔，进而允许相应变形的柔性防护方式，如土工带、土工格栅等[14-15]；最后一种就是第一种和第三种防护方式的组合，往往也有较好的效果[16-17]。而对于膨胀土渠道而言，往往还会设计黏土或是喷射混凝土覆盖层以防止渠水渗漏或是降雨入渗对渠坡稳定造成的影响[6]。但此类防护措施有一个缺点就是覆盖层材料的热力学性能与膨胀土本身较为相近，由于土体中的水热耦合作用，那么由气候变化而造成的土体温度变化也会使得土体内的水份有较大的波动[18]。纵观以上谈及的防护措施，都没有对膨胀土中的水份变化起到很好的控制。

应用于干旱半干旱地区的垃圾填埋覆盖系统(Capillary Barrier System,简称CBS)具有毛细阻滞效果，能够有效地降低降雨入渗量[19-21]。并已被成功地应用在了新加坡残积土边坡的防护之中[22-25]。由于该防护结构出色的阻水和输水能力，其在膨胀土边坡的降雨防护中有较大的应用前景,而目前将CBS防护结构应用于膨胀土边坡的防护研究非常少见。

鉴于此，本文通过数值分析对该防护结构应用于膨胀土边坡的防护加以分析和讨论。

1 CBS简介与发展

CBS防护结构最初是运用于干旱和半干旱地区，其一般由两层土组成，与下层土相比，上层土往往具有较高的饱和含水率和较低的渗透系数[19-26]。该种防护结构最大化地利用了表层细粒土的储水能力及输水能力，进而降低降雨对防护结构以下土体的影响。

但随着降雨历时增长，雨强增大，使得粗粒土表层基质吸力减小至该土体吸湿曲线上的进水压力值时，该防护结构就会被击穿，雨水将大量进入粗粒土中。因此在将其应用于比较湿润的地区时就需要对该种防护结构进行相应的改进。且当该防护结构原本就有一定的坡度，那么滞留在表层细粒土中的降雨将在重力的驱动下沿粗粒土的表层运移，越接近坡脚处的粗粒土表层基质吸力值就越先达到进水压力值[20，27-28]。因此如果想要将这种防护结构应用于边坡的防护中，就必须对其原有的结构加以改造，以进一步提高其输水能力，同时保证足够长的输水距离。

随着这些问题的暴露与不断的探索和应用，CBS防护系统大致发展出了四种不同的形式。这四种防护形式简图见图1。第一种方案(图1中的(a)图)对传统防护结构没有做出太大的调整，主要是保证粗粒土和细粒土的吸湿SWCC曲线中的某些特征值满足相应的定量关系，以最大化地利用该防护结构的储水和输水能力[23]；同时考虑是否增加细粒土的厚度，以及选用合适的植被，通过植被的蒸散发作用以进一步耗散细粒土层中所含蓄的降雨滞水，同时还有助于边坡的稳定性提高[24，29]。后面的三种方案则对传统的防护结构作了较大的改进。第二种在粗粒土的表面加一层非饱和排水层(Unsaturated Drained Layer, UDL)[27-28](图1中的图(c))，以提高该防护结构的输水能力和距离，进而降低其被击穿的风险。图1中的图(d)可以看成是图(c)的改进。而图1中的图(b)则为了防止该防护结构被击穿之后雨水大量入渗，在粗粒土的底部增加了一层渗透系数较低的黏土层以防止雨水的入渗[21]。但是该种结构中的黏土层在应用于干旱和半干旱地区时，却有开裂的风险。因此在气候较为湿润的地区较为适合。

图1不同类型的CBS防护结构

2 膨胀土边坡中的CBS防护数值分析

膨胀土在我国干旱半干旱地区和湿润地区均有分布[6]。而相应各个地区的气候条件对膨胀土坡内部的渗流场有很大的影响。在干旱半干旱地区土体的蒸发量和植被的蒸腾作用的总和往往大于该地区的年降雨量；而湿润地区则不然，其年降雨量往往会超过该土体的蒸发量和植被的蒸腾量。因此在将该防护结构应用于不同的地区时，设计的重点也应该有所不同。

对于干旱和半干旱地区，由于气候环境因素导致的持续的蒸散发影响使得膨胀土坡内的水份不断丧失，进而使得坡土开裂，再加上降雨作用，使得裂隙周围土体的强度降低，将会增加边坡失稳的风险。因此干旱半干旱地区膨胀土边坡的防护设计重点应该放在土体的保温设计上。而对于湿润地区，由于降雨量较大，所以对于该地区膨胀土坡的防护设计，更多地会考虑如何增加该防护结构的输水和排水能力。

鉴于篇幅所限，本文此处只是针对湿润地区的膨胀土坡，并简化气候对其的影响，只考虑降雨的作用。

坡土中的渗流场分析和稳定分析分别采用SEEP/W软件和SLOPE/W软件，边坡稳定性分析方法采用土条间力假定最少的Morgenstern-Price方法。

2.1 土体参数

对某膨胀土坡的SWCC曲线采用V-G(Van Genuchten)模型进行预估，具体预估值见表1。由于膨胀土坡表面会有裂隙存在，在现场的勘察中，由于裂隙的影响，其初始的入渗率与其稳定入渗率相差在3～4个数量级之间[30-31]。在已有针对膨润土表面裂隙对其渗流场的影响分析中，有直接采用扩大膨胀土饱和渗透系数的方法[32]，本文亦采用这种做法。无裂隙时膨胀土的饱和渗透系数为2.0×10-8m/s。

由于裂隙密度和宽度随着深度会不断变化，对于裂隙密度较大的强风化区的饱和渗透系数取为2.0×10-6m/s，裂隙密度较小弱风化区的饱和渗透系数取为2.0×10-7m/s。

所选用作为防护结构的土体的SWCC曲线值及渗透系数随基质吸力的变化曲线均采用V-G模型进行预估，SWCC曲线的拟合参数和饱和渗透系数见表1。各个土体的SWCC曲线和渗透系数随着基质吸力的变化曲线分别见图2和图3。

表1 增湿过程中的V-G模型拟合参数和饱和渗透系数

由于膨胀土的抗剪强度具有非线性特征，而且低应力状态下的抗剪强度对其浅层稳定性至关重要[6，32-33]。因此对于膨胀土，本文采用双折线的抗剪强度以模拟其浅层稳定性，具体参数见表2、表3。

图2 膨胀土和用于CBS防护结构土体的SWCC曲线

图3 膨润土和用于CBS防护结构土体的渗透系数随基质吸力的变化曲线

表3 膨胀土的抗剪强度指标

为了反映坡土中基质吸力对于边坡稳定性的影响，故采用Vanapalli在1996年提出公式以反应基质吸力对土体抗剪强度的影响。该公式适用于土坡中基质吸力小于500 kPa的情况。具体见式(1)[34]。选用作为防护结构土体的相关计算参数见表2、表3。SLOPE/W中也采用了该种方法对坡土中的基质吸力对边坡稳定的影响加以考虑[35]。

(1)

式中：c′为有效黏聚力，kPa；σ为正应力，kPa；ua为孔隙气压力，kPa；uw为孔隙水压力，kPa；φ′是与土体净应力(σ-ua)有关的内摩擦角，(°)；θ为土体内的体积含水率；θs为饱和体积含水率；θr为残余体积含水率。

2.2 坡体尺寸及边界条件

原始坡体具体尺寸见图4。此次选择计算的边坡的坡度为1∶1.5。为了反映膨胀土坡中风化程度的不同对膨胀土坡稳定性的影响，因此在土坡中设定了0.9 m的强风化层和1.2 m的弱风化层。稳定渗流时，该边坡左侧的水头为5 m，右侧的水头为4 m。

在没有该防护结构时，模拟该膨胀土坡在降雨条件下的稳定性，采用雨强为0.04 m/d，降雨历时为1 d。这个过程为瞬态渗流过程，此时的边界条件为：边坡的底部为不透水边界，而边坡的表面、顶部平面和坡脚平面设置为单位流量边界。降雨时采用的是径流型降雨，即当降雨量大于表面坡土的饱和渗透系数时，多余的水量将会沿着边坡表面形成径流。

在利用该种防护结构对膨胀土边坡进行防护时，为了对比各种防护结构形式对膨胀土边坡中水份控制和稳定性的影响，制定了3种防护方案加以分析，具体防护方案见表4。在表4中，方案1构建的CBS防护系统类似图1中的(c)；方案2则类似图1中的(a)；方案3则类似图1中的(b)。

图4 原始边坡几何尺寸(单位：m)

CBS防护结构在计算时的具体布置是从边坡的坡顶平面一直沿坡面延伸到坡脚平面。每种CBS方案在建模中构建时，依照表4中土体从左到右的顺序依次在数值模型从上到下依次构建。

2.3 数值分析结果

3种有CBS防护方案及没有防护方案时该膨胀土坡在A-A断面、B-B断面和C-C断面的孔隙水压力分布见图5～图7。

图5 A-A断面处的孔隙水压力分布图

图6 B-B断面处的孔隙水压力分布图

从图5～图6可以看出方案1和方案3相较于方案2，更易维持坡中部以上的孔隙水压力的稳定性，减少坡中部以上土体水份的波动，进而有利于减少坡体中部以上土体次生裂隙的产生。

这主要是因为方案1相较于方案2在下伏砾石土之上填筑了一层厚0.3 m的砂土，通过观察图2，可以发现在砾石土表层的基质吸力达到其进水压力值之前时，基质吸力会先达到砂土的进水压力值，此时方案2中主要的输水层为粉土层，而方案1主要的输水层则变为了砂土层，从图3中可以看出砂土的饱和渗透系数是粉土层的102到103倍，同时，又由于砾石土的进水压力值较低，其与砂土层又组成了新的CBS系统。虽然方案2的下伏砾石土层较厚，在其被击穿之后会有较大的输水能力，但在没有被击穿之前，在下伏粗粒土表层增加一层UDL将极大地增加坡体的顺坡向排水能力。

图7 C-C断面处的孔隙水压力分布图

方案3相较于方案1，其在下伏砾石土上填筑了一层黏土层。通过观察图3，当CBS系统被击穿之后，大量雨水浸入到砾石层，而此时下伏的黏土层的渗透系数非常小，为一相对不透水层，使得入渗雨水以极快的速度沿着砾石土层疏干，而非直接入渗至膨胀土坡内。

在图7中，方案2更能维持坡脚处孔隙水压力的稳定性。这主要因为坡脚处的CBS防护结构最先被击穿，而防护方案中所选土体中饱和渗透系数最大的砾石在方案2中具有最大的厚度，因此其疏水能力也就越大，因此也越能维护坡脚处的孔隙水压力稳定。

从数值分析结果整体可以看出，CBS防护结构能够有效地含蓄和疏干膨胀土坡坡中以上的降雨滞水，进而阻止坡体中部以上土体的水份在大气条件下发生剧烈的变化，有效地防止坡中部以上土体次生裂隙的产生。

同时从几种防护结构在降雨时的疏水能力可以看出，UDL层的增加和粗粒土下伏黏土层的增加将会极大地提高CBS防护系统的输水能力。

但CBS防护系统较易在坡脚处被击穿，进而使得坡脚处产生积水，使得该处的膨胀土体软化、强度降低。为进一步减小膨胀土坡中湿度场的波动(特别是坡脚位置)，可以选择加厚粗粒土层的厚度，或是将该防护结构与传统的输水结构相结合，比如在坡中部以下部位加一些水平排水层。

该三种防护方案的稳定安全系数随降雨历时的变化情况见图8。

图8稳定安全系数随时间的变化

从图8中可以看出，由于CBS防护结构能够有效地排除膨胀土边坡中的降雨滞水，故而其有利于边坡的稳定。但是有意思的是应用了第1种防护方案的膨胀土坡在降雨之后其稳定安全系数并没有如其他防护方案1般立马有所回升，而是有所下降，这主要是因为方案1中的防护结构在坡脚以上部位的主要输水层为砂土层，而其它方案则为砾石层。在降雨结束后，在方案1粉土层中入渗的雨水继续沿着砂土层表层向坡脚运移富集，使得该处的地下水位慢慢抬升，而其他几种方案中由于砾石层的输水能力较强，故而其稳定安全系数回升相对较快。

3 结 语

(1) CBS防护结构能够有效地排除膨胀土边坡中的降雨滞水，有利于提高膨胀土边坡的稳定性。

(2) CBS防护结构能够减小被防护膨胀土中的水份波动，进而减小土坡中次生裂隙的产生，特别是坡顶位置的次生裂隙的产生。

(3) 相较于传统的CBS防护系统，带有UDL的CBS防护系统和具有下伏不透水层的CBS防护系统具有更强的输水能力。

(4) CBS防护结构的输水距离有限，易造成坡脚处的积水，为了更好地排除降雨滞水，可以将坡脚处的粗粒土层加厚，或是将该防护结构与传统的排水结构相结合。

[1] Nilson J D, Chao K C, Overton D D, et al. Foundation Engineering for Expansive Soils[M]. New York: John Wiley and Sons, 2015.

[2] AlHomoud A S, Basma A A, Malkawi A I H. et al. Cyclic swelling behavior of clays[J]. Journal of Geotechnical Engineering，1995,121(7):562-565.

[3] Chao K C, Kang J B, Nilson J D. Challenges in water migration modeling for expansive soils[C]//Soil Behavior and Geomechanics Geo-shanghai, 2014:204-213.

[4] Vu H Q, Fredlund D G. Challenges to modeling heave in expansive soils[J]. Journal of Canadian Geotechnical， 2006,43(12):1249-1272.

[5] Masia M J, Totoev Y Z, Kleeman P W. Modeling expansive sol movements beneath structures[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004,130(6):572-579.

[6] 陈展林,龚壁卫.膨胀土边坡[M].北京：科学出版社，2015.

[7] Zhan T L T, Chen R, Ng C W W. Wetting-induced softening behavior of an unsaturated expansive clay[J]. Landslide, 2014,11(6):1051-1061.

[8] Fredlund D G, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M]. New York: John wiley & Sons, INC. 1993.

[9] Ng C W W, Shi Q. A numerical Investigation of the stability of unsaturated soil slope subjected to transient seepage[J]. Computers and Geotechnics, 1998,22(1):1-28.

[10] Cai Fei, Ugai Keizo. Numerical analysis of rainfall effects on slope stability[J]. International Journal of Geomechanics, 2004,4(2):69-78.

[11] Sorochan E A. Use of piles in expansive soils[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1974,11(1):33-38.

[12] 吴礼舟,黄润秋.锚杆框架梁加固膨胀土边坡的数值模拟及优化[J].岩土力学,2006,27(4):605-608.

[13] 邱雪莲,王保田.膨胀土化学改良效果及其在边坡工程中应用的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2013,11(2):190-195.

[14] 史慧珍.土工布加固膨胀土地基施工技术[J].水利与建筑工程学报,2003,1(2):44-46.

[15] 殷宗泽,韦 杰,袁俊平,等.膨胀土边坡的失稳机理及其加固[J].水利学报,2010,41(1):1-6.

[16] 向远华.锚杆框架梁-双排抗滑桩支护膨胀土边坡工作特性分析[J].铁道科学与工程学报,2013,10(3):62-67.

[17] 雷云佩.膨胀土边坡双排抗滑桩—锚杆框架结构受力及变形特性研究[D].长沙：中南大学,2012.

[18] Calgary, Alberta. Vadose Zone Modelling with VADOSE/W 2007 Version[M]. Canada. GEO-SLOPE International Ltd, 2008.

[19] Khire M V, Benson C H, Bosscher P J. Capillary barriers: design variables and water balance[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000,126(8):695-708.

[20] Tami D, Rahardjo H, Leong E C, et al. Design and laboratory verification of a physical model of sloping capillary barrier[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2011,41(5):814-830.

[21] Ng C W W, Coo J L, Chenwater Z K, et al. Water infiltration into a new three-layer landfill cover system[J]. Journal of Environmental Engineering, 2016,142(5):1-12.

[22] Rahardjo H, Santoso V A, Leong E C, et al. Performance of an instrumented slope covered by a capillary barrier system[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2011,138(4):481-490.

[23] Rahardjo H, Santoso V A, Leonge C, et al. Use of recycled crushed concrete and secudrain in capillary barriers for slope stabilization[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013,50(6):662-673.

[24] Rahardjo H, Satyanaga A, Harnas F R, et al. Use of dual capillary barrier as cover system for a sanitary landfill in singapore[J]. Indian Geotechnical Journal, 2016,46(3):228-238.

[25] Rahardjo H, Leong E C, Alfrendo S, et al. Rainfall-induced Slope Failure and Preventive Measures in Singapore[M]. Singapore: Nanyang Technological University，2014.

[26] Stormont J C, Anderson C E. Capillary barrier effect from underlying coarser soil layer[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1999,125(8):641-648.

[27] Morris C E, Stormont J C. Parametric study of unsaturated drainage layers in a capillary barrier[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1999,125(12):1057-1065.

[28] Stormont J C. The effectiveness of two capillary barriers on a 10% slope[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1996,14(4):243-267.

[29] 张文杰,林 午,董林兵.垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验[J].岩土力学,2014,35(5):1263-1268.

[30] Zhan T L, Ng C W W, Fredlund D G. Field study of rainfall infiltration into a grassed unsaturated expansive soil slope[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007，44(44):392-408.

[31] 李雄威,孔令伟,郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究[J].岩土力学,2009,30(7):2069-2074.

[32] 肖 杰,杨和平,李晗峰，等.膨胀土边坡浅层破坏稳定性分析[J].交通运输工程学报,2014(2):21-27.

[33] 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.

[34] Vanapalli S K, Fredlund D G, Pufahl D E, et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996,33(3):379-392.

[35] Calgary, Alberta. Stability Modelling with SLOPE/W 2007 Version[M]. Canada: GEO-SLOPE International Ltd, 2008.

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

国家自然科学基金项目(51579167)；水利部行业专项项目(201301022)；水利部土石坝坡坏机理与防控技术重点实验室开放基金项目(YK915003)

黄月华(1992—)，男，重庆人，硕士研究生，研究方向为环境岩土工程。E-mail:2416159751@qq.com

周 成(1970—)，男，江苏赣榆人，教授，主要从事环境岩土工程研究工作。E-mail:czhou@scu.edu.cn

TU43

A

1672—1144(2017)05—0082—06