基于新型防滲護(hù)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(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧，530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧，530004；3.廣西公路檢測(cè)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(shè)計(jì)集團(tuán)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(duì)水分變化極其敏感，具有吸水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂等特點(diǎn)[1-2]。膨脹土廣泛分布于我國(guó)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(yīng)顯著[3]。已有研究表明，降雨入滲導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)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(fù)脹縮形成不規(guī)則裂隙破壞土體結(jié)構(gòu)，同時(shí)含水量增加以及干濕循環(huán)等因素導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)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(yíng)力作用下會(huì)形成強(qiáng)風(fēng)化層[7]，在強(qiáng)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(kāi)展膨脹土邊坡坡面防護(hù)抗入滲、抗沖刷性能的研究對(duì)膨脹土地區(qū)邊坡災(zāi)害的防治極為重要。

為有效防治膨脹土邊坡災(zāi)害問(wèn)題的發(fā)生，許多學(xué)者從膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞因素及機(jī)理展開(kāi)了系列研究。如NG 等[8]研究了在降雨入滲情況下邊坡內(nèi)部滲流場(chǎng)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)前期降雨持時(shí)是滑坡的促進(jìn)因素，高強(qiáng)度降雨是滑坡的觸發(fā)因素；張雨灼等[9]通過(guò)室內(nèi)膨脹土邊坡模型試驗(yàn)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(jìn)性破壞機(jī)制的本質(zhì)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(yùn)用極限平衡法探討了土體重度、強(qiáng)度及膨脹力對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出土體軟化強(qiáng)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(jié)果表明降雨入滲和淺層土體軟化是導(dǎo)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(huì)發(fā)生漸進(jìn)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(guò)離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淺層膨脹土開(kāi)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(jī)制與加固措施；張家銘等[15]通過(guò)足尺模型試驗(yàn)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(rèn)為季節(jié)性供水變化引起的干濕循環(huán)會(huì)造成膨脹土裂隙發(fā)育并使土體強(qiáng)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(lái)的土體性質(zhì)的變化是造成膨脹土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。但相關(guān)降雨的研究大多集中在入滲對(duì)坡體的影響，考慮降雨雨水本身對(duì)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(xué)者根據(jù)已有膨脹土邊坡的研究，針對(duì)膨脹土邊坡防護(hù)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)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(hù)方式有剛性防護(hù)和柔性防護(hù)，剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)大多以混凝土材料為主體，其主要不足在于無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間承受不均勻的變形，而膨脹土邊坡在長(zhǎng)期降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下易產(chǎn)生反復(fù)脹縮變形；在柔性防護(hù)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(hù)對(duì)控制膨脹土邊坡脹縮變形方面具有較好的效果，但該類(lèi)防護(hù)難以同時(shí)起到有效抗入滲、抗沖刷的作用，而降雨入滲又是導(dǎo)致膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要因素。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，若無(wú)法有效阻隔外界水環(huán)境的影響以保證坡體內(nèi)水分的穩(wěn)定，膨脹土邊坡仍可能在長(zhǎng)期降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下發(fā)生失穩(wěn)，邊坡的長(zhǎng)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(hù)壁材料用于膨脹土邊坡防護(hù)，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(guò)程中不易破壞，且該材料護(hù)坡的施工簡(jiǎn)便，易于維修。本文以南寧膨脹土為基本研究對(duì)象，分別制作未防護(hù)素土邊坡、防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡共3組膨脹土邊坡模型，通過(guò)在坡體內(nèi)不同深度埋設(shè)體積含水率傳感器、孔隙水壓力傳感器等監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)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(guò)程以及裂隙發(fā)育的變化規(guī)律，重點(diǎn)探究新型防滲護(hù)壁材料用于膨脹土邊坡的抗入滲、抗沖刷性能及作用機(jī)理。研究成果可為膨脹土地區(qū)邊坡工程的防護(hù)提供新的解決思路及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗(yàn)材料參數(shù)

試驗(yàn)用土為南寧膨脹土，風(fēng)干狀態(tài)下呈灰白色，膨脹土的基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。本次試驗(yàn)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(diǎn)焊呈凹凸泡狀的擠出網(wǎng)(泡網(wǎng))，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

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

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

試驗(yàn)中用于膨脹土邊坡防護(hù)的新型防滲護(hù)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(shù)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(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

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

1.2 邊坡模型設(shè)計(jì)

1.2.1 模型尺寸及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)場(chǎng)地模型槽高為230 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)部?jī)艨臻g長(zhǎng)×寬×高為300 cm×100 cm×200 cm，模型槽內(nèi)底面高于地面30 cm，端部設(shè)置排水管道，用于收集流失水土。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)壁涂刷一層防水涂料用來(lái)減小外界環(huán)境對(duì)邊坡水分的影響以及減小側(cè)面摩阻力，降低邊界效應(yīng)的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒墼跐仓r(shí)于內(nèi)部正中間預(yù)留2 cm 深的凹槽，用于固定木板將其對(duì)半分隔，便于在左右兩側(cè)同時(shí)填筑邊坡并進(jìn)行對(duì)照。

膨脹土邊坡模型長(zhǎng)×寬×高為200 cm×50 cm×100 cm，坡頂寬為50 cm，坡比為1∶1.5。試驗(yàn)填筑素土邊坡、防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡共3組。每個(gè)邊坡模型中分別埋設(shè)8 個(gè)體積含水率傳感器(測(cè)點(diǎn)編號(hào)為S1～S8)、8 個(gè)孔隙水壓力傳感器(測(cè)點(diǎn)編號(hào)為P1～P8)，3 組邊坡共埋設(shè)48 個(gè)傳感器。體積含水率傳感器及孔隙水壓力傳感器分別埋設(shè)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(shè)，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(fēng)干后膨脹土均勻加水調(diào)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(shí)法填筑邊坡，控制壓實(shí)度為90%，即填土干密度為1.57 g/cm3。分層填筑完成之后進(jìn)行削坡處理。

第1 組為素土邊坡，無(wú)任何防護(hù)，如圖2(a)所示；第2組為防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡，在填筑完成后將防滲護(hù)壁材料均勻噴涂于邊坡表面，并控制其防護(hù)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(yīng)的影響，邊坡模型坡面防護(hù)層縱向邊界與兩側(cè)面之間距離為5 mm左右，即防滲護(hù)壁材料不直接與兩側(cè)墻面接觸，如圖2(b)所示；第3 組為三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡，在填筑完成之后將三維植被網(wǎng)鋪設(shè)于邊坡表面并用U 型釘固定，然后再將防滲護(hù)壁材料均勻噴涂于三維植被網(wǎng)上，其中防護(hù)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(hù)層縱向邊界與兩側(cè)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(hù)壁材料在噴涂上去后并不會(huì)將三維植被網(wǎng)的網(wǎng)格全部充填覆蓋，因此，該防護(hù)層會(huì)形成少量孔隙。在試驗(yàn)過(guò)程中，防滲護(hù)壁材料的用量均為2.5 kg/m2，噴涂完成后養(yǎng)護(hù)時(shí)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(jié)合南寧氣候特點(diǎn)，1 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)模擬需要完成1個(gè)氣候歷程，即陰天→雨天→陰天→雨天→陰天→晴天，每個(gè)天氣階段歷時(shí)時(shí)間見(jiàn)表4。每次循環(huán)過(guò)程中，陰天為自然蒸發(fā)風(fēng)干，晴天采用浴霸升溫蒸發(fā)以模擬太陽(yáng)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(guò)程中，2次雨天的降雨強(qiáng)度均為56 mm/h。試驗(yàn)前對(duì)噴頭進(jìn)行標(biāo)定，并根據(jù)GB/T 50085—2007“噴灌工程技術(shù)規(guī)范”提出的降雨均勻系數(shù)Cu，采用式(1)進(jìn)行計(jì)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(yàn)主要研究極端氣候下不同邊坡防護(hù)方式的防護(hù)效果，故單次循環(huán)中第1次降雨歷時(shí)0.5 h，降雨量為28 mm，以模擬自然界中中等強(qiáng)度的降雨；單次循環(huán)中第2 次降雨歷時(shí)2.5 h，降雨量為140 mm，以模擬自然界中大暴雨強(qiáng)度的降雨。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程共完成5 次降雨-蒸發(fā)循環(huán)，共歷時(shí)410 h。

表4 單次循環(huán)各天氣時(shí)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(yàn)期間每0.5 h 讀取并記錄1 次數(shù)據(jù)。每次降雨過(guò)程通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒勰┒伺潘艿朗占晁蜎_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(cè)定土壤含量。試驗(yàn)結(jié)束后，將坡面防護(hù)層撕開(kāi)，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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 體積含水率變化

圖3所示為3 組不同防護(hù)邊坡在降雨-蒸發(fā)循環(huán)過(guò)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(shì)；在第1次循環(huán)、第1次降雨時(shí)(24.5 h)，所有測(cè)點(diǎn)含水率均無(wú)明顯變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)坡表裂隙尚未完全發(fā)育，同時(shí)，膨脹土本身滲透系數(shù)很小(一般小于10-8m/s)[23]，當(dāng)坡面表層土體達(dá)到飽和后，雨水無(wú)法繼續(xù)入滲，會(huì)形成坡面徑流排走。在第1次循環(huán)、第2次降雨結(jié)束時(shí)(63 h)，各組邊坡坡頂含水率開(kāi)始出現(xiàn)不同幅度的增加，說(shuō)明此時(shí)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(dāng)各測(cè)點(diǎn)含水率變化得到響應(yīng)后，素土邊坡含水率的增加幅度均較大，說(shuō)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(cè)點(diǎn)S1，S2和S3含水率在第1次循環(huán)、第2 次降雨時(shí)(63 h)的增加幅度分別為48.27%，64.06%和43.19%，均遠(yuǎn)比另外2組邊坡的大。

圖3 降雨-蒸發(fā)循環(huán)過(guò)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(cè)點(diǎn)S1，S2和S3含水率在經(jīng)歷第1次循環(huán)、第2次降雨時(shí)(63 h)開(kāi)始顯著增加且變化幅度較大，這是因?yàn)樵诘?次降雨前坡表已經(jīng)經(jīng)歷蒸發(fā)和降雨的過(guò)程，坡表與更深處土體之間形成含水率梯度，而相關(guān)研究表明含水率梯度是影響裂隙發(fā)育的關(guān)鍵因素[25]，故在這個(gè)過(guò)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(shí)，隨著降雨-蒸發(fā)循環(huán)的進(jìn)行，含水率梯度與裂隙持續(xù)向下發(fā)展，導(dǎo)致素土邊坡30 cm 埋深處測(cè)點(diǎn)S4和S5含水率在第3 次循環(huán)中出現(xiàn)大幅度增加，說(shuō)明降雨入滲到坡體內(nèi)部需要較長(zhǎng)時(shí)間。相比之下，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡相同測(cè)點(diǎn)含水率出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)變化的時(shí)間均比素土邊坡的長(zhǎng)。在循環(huán)過(guò)程中，淺層土體含水率呈累計(jì)增加的趨勢(shì)，雨水的總?cè)霛B量要大于總蒸發(fā)量，且土體越深，蒸發(fā)脫濕路徑越長(zhǎng)，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(cè)點(diǎn)S6，S7和S8的含水率在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中均無(wú)明顯變化。已有研究表明，砂土邊坡降雨入滲速度較快且無(wú)明顯滯后，降雨入滲深度較大，且入滲范圍內(nèi)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(shí)間不長(zhǎng)，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(shí)間較長(zhǎng)，且降雨入滲受裂隙發(fā)育的影響較大，降雨結(jié)束后雨水會(huì)沿裂隙通道緩慢持續(xù)下滲，因此，降雨結(jié)束一段時(shí)間內(nèi)，淺層土體測(cè)點(diǎn)含水率仍呈上升趨勢(shì)。此外，素土邊坡坡腳測(cè)點(diǎn)S3在第4 次循環(huán)、第2 次降雨過(guò)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡因坡頂并未完全覆蓋防滲護(hù)壁材料防護(hù)層，測(cè)點(diǎn)S1的含水率在第1次降雨-蒸發(fā)循環(huán)后開(kāi)始發(fā)生明顯變化，且其變化趨勢(shì)與素土邊坡的相似，但變化幅度較素土邊坡的小。在防護(hù)層顯著的防水抗入滲作用下，測(cè)點(diǎn)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(shì)，雖然前期含水率有所起伏，但總體保持平衡穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)S4含水率在第5次循環(huán)呈上升趨勢(shì)，其對(duì)降雨入滲的響應(yīng)時(shí)間為337 h。其余測(cè)點(diǎn)含水率無(wú)明顯變化，說(shuō)明坡中和坡腳的雨水入滲速率遠(yuǎn)小于坡頂?shù)挠晁霛B速率。

除坡頂S1測(cè)點(diǎn)外，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡各測(cè)點(diǎn)含水率對(duì)降雨入滲的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，且含水率變化幅度最小。其主要原因是坡面防滲護(hù)壁材料防護(hù)層具有良好的防水抗入滲性能，起到截水與導(dǎo)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(hù)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(shí)，防滲護(hù)壁材料防護(hù)層大大減小了坡表的蒸發(fā)面，有效降低了坡體內(nèi)水分的蒸發(fā)消散，形成抑制坡體內(nèi)外部直接發(fā)生水汽循環(huán)的遮攔效應(yīng)。此外，防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(hù)壁材料防護(hù)可以有效控制外界雨水的入滲和坡體內(nèi)水分的蒸發(fā)，有利于保持坡體內(nèi)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(hù)壁材料自身具有優(yōu)良的耐久性能，將其應(yīng)用于邊坡防護(hù)可取得長(zhǎng)期、穩(wěn)定的護(hù)坡效果。

此外，三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡含水率發(fā)生變化的時(shí)間總體上較素土邊坡的更長(zhǎng)，變化幅度更小。這是因?yàn)槿S植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)層與防滲護(hù)壁材料防護(hù)層具有相似的功能，也具有截水和導(dǎo)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(wú)法匯集雨水，故雨水難以入滲到坡腳土體。但因?yàn)榉雷o(hù)層存在少量孔隙，坡表在反復(fù)降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用下會(huì)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(hù)壁材料防護(hù)層上種植綠植，綠植根系可通過(guò)防護(hù)層上存在的少量孔隙生長(zhǎng)至坡體內(nèi)部土層，根系的加筋作用與防護(hù)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(duì)比圖3(a)和3(b)可知：素土邊坡測(cè)點(diǎn)S1的含水率整體小于測(cè)點(diǎn)S2的含水率，而防滲護(hù)壁材料邊坡測(cè)點(diǎn)S1的含水率大于測(cè)點(diǎn)S2的含水率，且這2個(gè)測(cè)點(diǎn)含水率均大于其他測(cè)點(diǎn)含水率。在降雨過(guò)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(dǎo)致素土邊坡測(cè)點(diǎn)S1的含水率比測(cè)點(diǎn)S2的含水率??；防滲護(hù)壁材料護(hù)坡坡頂存在未被防護(hù)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(hù)壁材防護(hù)層之間存在一定高差，這使得降雨結(jié)束后裸露面會(huì)存留一定積水然后緩慢下滲，而坡面因?yàn)榉雷o(hù)層的覆蓋雨水被導(dǎo)排走難以入滲，因此，該邊坡測(cè)點(diǎn)S1的含水率比測(cè)點(diǎn)S2的含水率大。此外，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡面中部右側(cè)部分土體被沖刷且存在裂隙發(fā)育，而其他位置處因?yàn)榉雷o(hù)層的存在，雨水被大量排走且少有裂隙發(fā)育，因此，測(cè)點(diǎn)S1和S2的含水率又均高于其他測(cè)點(diǎn)的含水率。三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡含水率變化特征及機(jī)制與防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡相似，其測(cè)點(diǎn)S3的含水率在前兩次循環(huán)中有上下波動(dòng)的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榈?次循環(huán)中防護(hù)層的存在使裂隙發(fā)育緩慢，且雨水大量通過(guò)防護(hù)層被導(dǎo)排而無(wú)法直接入滲，但防護(hù)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(dǎo)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(jìn)行，裂隙進(jìn)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(shì)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知，除坡頂測(cè)點(diǎn)S1外，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡各測(cè)點(diǎn)的降雨入滲響應(yīng)時(shí)間均比素土邊坡的長(zhǎng)，且土體越深降雨入滲響應(yīng)時(shí)間的差值越大。降雨入滲響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡測(cè)點(diǎn)S2和S3降雨入滲響應(yīng)時(shí)間大約為素土邊坡的1.3 倍，測(cè)點(diǎn)S4和S5降雨入滲響應(yīng)時(shí)間大約為素土邊坡的2倍；而三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡測(cè)點(diǎn)S2降雨入滲響應(yīng)時(shí)間與素土邊坡的一樣，測(cè)點(diǎn)S3降雨入滲響應(yīng)時(shí)間大約為素土邊坡的1.3 倍，測(cè)點(diǎn)S4和S5降雨入滲響應(yīng)時(shí)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和素土邊坡。

表5 降雨入滲不同測(cè)點(diǎn)含水率變化響應(yīng)時(shí)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(guò)程中各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的變化趨勢(shì)。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(guān)，即在降雨和蒸發(fā)階段分別呈上升和降低趨勢(shì)。在試驗(yàn)過(guò)程中，3組邊坡孔隙水壓力的變化趨勢(shì)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(shí)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(nèi)在因素?？紫端畨毫Φ淖兓簿哂幸欢ǖ臏笮?，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(cè)點(diǎn)P1的孔壓仍繼續(xù)減小，直到72 h時(shí)才逐漸增大。各組邊坡30 cm埋深處測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(kāi)始前坡體內(nèi)孔隙水壓力有所起伏，這主要是因?yàn)橥馏w內(nèi)超靜孔隙水壓力隨時(shí)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(cè)點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中最大孔隙水壓力的出現(xiàn)時(shí)間也與之相似，如素土邊坡和防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡測(cè)點(diǎn)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(dá)到最大，而三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡測(cè)點(diǎn)P1的孔隙水壓力在第1 次循環(huán)后(82 h)達(dá)到最大，且該測(cè)點(diǎn)每次循環(huán)后均能達(dá)到較大的孔隙水壓力并大于1 kPa，這是因?yàn)樵撨吰缕马敶嬖谖幢环雷o(hù)層覆蓋的裸露面，裸露面與防護(hù)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(guò)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(nèi)孔隙水壓力變化曲線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)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(shuō)明坡頂?shù)慕涤?蒸發(fā)循環(huán)效應(yīng)最顯著。同時(shí)，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡腳的Δumax最小，其他2 組邊坡中坡中的Δumax最小，說(shuō)明防滲護(hù)壁材料可有效防止雨水入滲而降低土體強(qiáng)度，從而避免坡腳破壞。膨脹土邊坡多從坡腳開(kāi)始發(fā)生淺層逐級(jí)后退式滑坡破壞，因此，防滲護(hù)壁材料對(duì)坡腳的保護(hù)有利于增強(qiáng)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(yīng)力原理可知孔隙水壓力增大會(huì)引起土體有效應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，基質(zhì)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(shí)，雨水的沖擊和地表徑流的“裹挾作用”會(huì)進(jìn)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(duì)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡在同一深度的Δumax均比素土邊坡的大。裂隙發(fā)育是導(dǎo)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡為例進(jìn)行分析。在5次循環(huán)結(jié)束后，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡頂防護(hù)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(cè)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(hù)層的存在使雨水順坡流走無(wú)法入滲，坡面左右兩側(cè)未被防護(hù)層覆蓋的接縫處在循環(huán)過(guò)程中首先產(chǎn)生裂隙，在加熱蒸發(fā)過(guò)程中，黑色防護(hù)層快速吸熱并傳至坡體內(nèi)部，土體吸熱后水分會(huì)有向上運(yùn)移趨勢(shì)并通過(guò)土-氣界面蒸發(fā)，但此時(shí)坡體內(nèi)水分無(wú)法直接透過(guò)防護(hù)層并只能通過(guò)將水分運(yùn)移至邊坡兩側(cè)后蒸發(fā)，防護(hù)層下方土層隨之因?yàn)槭湛s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?yàn)檫吰掠覀?cè)土體在降雨和地表徑流的作用下被沖蝕，并同樣在防護(hù)層下方形成了主貫通裂隙利于雨水入滲。防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的主裂隙發(fā)育導(dǎo)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(nèi)出現(xiàn)的孔隙水壓力峰值更大且變化速度更快。防護(hù)層下方裂隙通道的形成也能從側(cè)面反映出防滲護(hù)壁材料的防水抗入滲性能和抗蒸發(fā)性能較好。通過(guò)上述分析可知，若防滲護(hù)壁材料防護(hù)層完全覆蓋坡面并與側(cè)墻粘接，則雨水無(wú)法入滲且坡體內(nèi)水分無(wú)法透過(guò)防護(hù)層蒸發(fā)而保持穩(wěn)定，防護(hù)層下方坡面也無(wú)裂隙發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性將得到提高。

表6 測(cè)點(diǎn)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(qiáng)度、降雨時(shí)間、坡表裂隙發(fā)育程度、土體性質(zhì)、坡度、坡表防護(hù)類(lèi)型及防護(hù)面積等因素的影響。本試驗(yàn)在每次降雨過(guò)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(cè)得每次降雨過(guò)程的邊坡徑流量。圖5所示為每次循環(huán)過(guò)程中的總徑流量(即每次循環(huán)過(guò)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(guān)系曲線。從圖5可知：防滲護(hù)壁材料和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的徑流量變化趨勢(shì)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(shuō)明在相同降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)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(shì)。試驗(yàn)中邊坡徑流量主要受坡表裂隙、坡表防護(hù)類(lèi)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(hù)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(jìn)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(huì)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(huì)隨循環(huán)次數(shù)而有所波動(dòng)。

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

此外，防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(dòng)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(hù)壁材料防護(hù)層具有顯著的截水作用和抗入滲性能。同時(shí)，三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(shuō)明該防護(hù)層也具有一定的截水作用。

2.3.2 坡面沖蝕過(guò)程

降雨作用下一般會(huì)對(duì)邊坡表面造成濺蝕、面蝕和溝蝕3 種類(lèi)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(guò)程。通過(guò)觀察圖6(a)以及循環(huán)過(guò)程中對(duì)坡面可知，素土邊坡坡面經(jīng)歷了以下侵蝕破壞過(guò)程：濺蝕→面蝕→溝蝕(局部細(xì)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(jìn)行發(fā)展為面蝕；在表層土體飽和后，無(wú)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(xì)溝。第1次循環(huán)結(jié)束時(shí)，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(shí)，坡面平均沖溝深度為5.53 cm。第2 次循環(huán)結(jié)束時(shí)，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(cè)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(jié)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(gè)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(jié)束時(shí)，沖溝增加至一定深度時(shí)，土脊在吸水飽和軟化后向兩側(cè)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(guò)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(jié)束時(shí)，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(huì)經(jīng)歷“濺蝕→面蝕→溝蝕→局部滑塌→沖溝填充”的漸進(jìn)性循環(huán)侵蝕破壞，使邊坡從坡腳處局部滑塌開(kāi)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(huì)隨著循環(huán)侵蝕破壞的進(jìn)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(shí)間而變大并連通，在長(zhǎng)時(shí)間降雨沖刷作用下易發(fā)生滑動(dòng)破壞[27,29]；黃土邊坡在降雨沖刷作用下坡面會(huì)經(jīng)歷濺蝕、片蝕、溝蝕、坍塌、滑坡的過(guò)程，最終土體軟化發(fā)生多級(jí)塊體滑動(dòng)破壞和流化破壞[30-31]，黃土邊坡坡面沖刷過(guò)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(dòng)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(guò)程Fig.6 Changing processes of slope surface with increasing precipitation-evaporation cycles

防滲護(hù)壁材料以及三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料與坡表黏結(jié)，形成上覆保護(hù)層，可攔截雨水避免對(duì)坡面土體的直接沖擊并可有效降低徑流對(duì)坡面的沖刷，因此，這2組邊坡在防護(hù)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡經(jīng)歷前2次循環(huán)后坡面無(wú)明顯變化，在第3次循環(huán)后坡中右側(cè)防滲護(hù)壁材料防護(hù)層發(fā)生局部凹陷形成侵蝕凹槽。這是因?yàn)槠旅娣雷o(hù)層兩側(cè)未直接與側(cè)墻粘接，在坡面徑流作用下兩側(cè)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(guò)此方式流失并沿兩側(cè)邊接縫處形成細(xì)小的沖溝，第3次循環(huán)過(guò)程中接縫處土體繼續(xù)流失導(dǎo)致沖溝加深，保護(hù)層側(cè)邊下方的土體進(jìn)而在徑流沖刷作用下而持續(xù)流失，由此導(dǎo)致第3次循環(huán)后坡面右側(cè)凹槽的產(chǎn)生。第4次和第5次循環(huán)后右側(cè)凹槽深度及凹槽面積繼續(xù)增大，保護(hù)層兩側(cè)部分位置也呈現(xiàn)出下凹趨勢(shì)，但變化并不明顯，除兩側(cè)外坡面主體無(wú)沖刷破壞。

圖6(c)所示為三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡面隨降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)增加的變化過(guò)程。由圖6(c)可知：其變化過(guò)程與防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的變化過(guò)程相似。在第2次循環(huán)后，坡面左右兩側(cè)坡肩下方的接縫處防護(hù)層產(chǎn)生侵蝕凹槽，其與防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡兩側(cè)產(chǎn)生凹槽的原因相同。在第5次循環(huán)結(jié)束時(shí)，兩側(cè)接縫處凹槽深度繼續(xù)增大，且左側(cè)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡面防護(hù)層存在少量孔隙使坡面在降雨過(guò)程中發(fā)生面蝕，但由于該防護(hù)層良好的截水與導(dǎo)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(guò)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(qiáng)度、降雨歷時(shí)、徑流量、土體性質(zhì)以及坡面防護(hù)等因素密切相關(guān)。圖7所示為每次循環(huán)過(guò)程中的總土體沖刷量(即每次循環(huán)過(guò)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(guān)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(yuǎn)比其他2組邊坡的大，且分別為防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡的沖刷量均在第3次循環(huán)后達(dá)到最大值20.46 kg 和1.27 kg，而三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的沖刷量在第2 次循環(huán)后達(dá)到最大值5.77 kg，這與邊坡坡面出現(xiàn)顯著沖蝕變化時(shí)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(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)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(jiàn)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(guān)系。這表明在連續(xù)雨季，膨脹土邊坡的坡面土體沖刷量會(huì)經(jīng)歷連續(xù)且循環(huán)的先增后減過(guò)程，導(dǎo)致坡表土體持續(xù)流失并影響坡體穩(wěn)定，因此，對(duì)于膨脹土邊坡工程尤其是新開(kāi)挖的膨脹土邊坡，應(yīng)該在雨季來(lái)臨之前做好坡面防護(hù)措施。

圖7 沖刷量與降雨-蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)的關(guān)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(guān)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(duì)應(yīng)降雨時(shí)長(zhǎng)內(nèi)引起土體沖刷重量所需的水量來(lái)表示各組邊坡的抗沖刷性指標(biāo)(即抗沖刷系數(shù))，其計(jì)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(guò)程中的徑流量，L；t為每次循環(huán)過(guò)程中的降雨時(shí)間，min；W為每次循環(huán)過(guò)程中的土體沖刷量，g。

根據(jù)式(2)計(jì)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(shì)，與土體沖刷量的變化規(guī)律相反。同時(shí)，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的抗沖刷系數(shù)Rs均遠(yuǎn)比素土邊坡的大，防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(shuō)明邊坡的抗沖刷性能越強(qiáng)，由此可知各組邊坡的抗沖刷能力由大到小順序?yàn)榉罎B護(hù)壁材料防護(hù)邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(jié)束時(shí)，將防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡坡腳的防護(hù)層撕開(kāi)，在坡腳中間取30 cm×30 cm區(qū)域測(cè)量裂隙發(fā)育情況并取平均值，結(jié)果如表9所示。由表9可知：防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡在循環(huán)結(jié)束時(shí)裂隙寬度和深度均最小，而素土邊坡的均最大，這說(shuō)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(hù)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(duì)坡面的影響，坡體內(nèi)外部水分在防護(hù)層的遮攔作用下無(wú)法直接進(jìn)行交換，使得坡體內(nèi)水分保持相對(duì)穩(wěn)定，因此，裂隙發(fā)育緩慢。防滲護(hù)壁材料防護(hù)層不僅能提高膨脹土邊坡工程中坡腳導(dǎo)排水的效率，而且可以減小干濕循環(huán)對(duì)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(jié)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡10 cm 埋深處的降雨入滲響應(yīng)時(shí)間為素土邊坡的1.02～1.35倍，30 cm埋深處的降雨入滲響應(yīng)時(shí)間為素土邊坡的1.61～2.03倍，且降雨入滲過(guò)程中含水率的響應(yīng)時(shí)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和素土邊坡。

2)在相同深度處，防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(shí)際工程中擴(kuò)大防滲護(hù)壁材料防護(hù)層的覆蓋范圍直至粘接排水溝平臺(tái)，將坡面“密封”，則可保證坡體內(nèi)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(hù)壁材料防護(hù)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(huì)經(jīng)歷“濺蝕→面蝕→溝蝕→局部滑塌→沖溝填充”的漸進(jìn)性循環(huán)侵蝕破壞，使邊坡從坡腳處局部滑塌開(kāi)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(jìn)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(guān)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(hù)壁材料防護(hù)邊坡、三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡和素土邊坡，說(shuō)明防滲護(hù)壁材料防護(hù)邊坡的抗沖刷性能最為顯著；防滲護(hù)壁材料防護(hù)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(hù)壁材料防護(hù)層和三維植被網(wǎng)+防滲護(hù)壁材料防護(hù)的截水與導(dǎo)水作用可有效攔截雨水并降低其入滲速率，且防護(hù)層減小了坡表的蒸發(fā)面使得坡體內(nèi)水分難以蒸發(fā)，有利于保持邊坡水分穩(wěn)定；同時(shí)，防護(hù)層對(duì)雨水的攔截可極大降低雨滴對(duì)坡面的直接沖擊破壞，并降低徑流作用對(duì)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(hù)層能顯著降低降雨-蒸發(fā)循環(huán)對(duì)坡體的影響，保證邊坡的整體性，有利于邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定。