CN112663630A - 带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带毛细导排槽的膨胀土边坡浅‑表层控水防护覆盖系统，属于属于岩土工程及地质工程领域。该系统自上至下依次为植被层、细粒层、抽吸层、粗粒层。在本系统中，膨胀土边坡浅‑表层水分调控依赖于细粒层与粗粒层组合构成的毛细阻滞层、沿坡向均匀覆盖和垂直坡向分段分布的毛细导排槽。本发明在降雨时采用阻滞、存储、导排的方式调控坡体浅‑表层水分，防止降雨渗入边坡土体，提高传统毛细阻滞覆盖层的疏水能力，减少降水入渗对边坡稳定性的影响，增强边坡整体稳定性并能减少干湿循环对膨胀土边坡的影响，且具有防护效果好、耐久性好、造价低等特点。

Description

带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统

技术领域

本发明涉及一种带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，属于岩土工程及地质工程领域。

背景技术

边坡失稳会产生滑坡等严重的工程事故，而膨胀土边坡相比起普通的边坡具有浅层性、牵引性、季节性、平缓性等特点。根据文献1《论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J]》(殷宗泽,袁俊平,韦杰,曹雪山,刘华强,徐彬.岩土工程学报,2012,34(12):2155-2161.)的研究，工程上在达到了边坡设计的强度时，膨胀土边坡有时仍会发生滑坡灾害。这些现象出现的原因是膨胀土具有膨胀性，当膨胀土的水分发生变化时，土体抗剪强度降低，导致边坡失稳。由于坡脚接受坡面径流和地下水的双重补给，水分变化最为明显，所以膨胀土边坡往往从坡脚开始出现滑移失稳，继而产生牵引式的破坏面。而随着蒸发和继续降雨，膨胀土边坡将会产生裂隙，这会使得更深处的土体被水分侵入，进而产生更加严重的破坏。因此，解决膨胀土边坡破坏问题的关键是解决边坡降雨入渗的问题。

压实粘土覆盖层被用于进行膨胀土边坡防渗处置，由于压实后的粘土具有较低的渗透系数，可以有效地隔绝水分对下覆边坡土体的侵入。但是，该方法在长期服役情况下，往往会因为粘土表面出现裂缝而失效。土工膜作为新型的土工合成材料在工程中被广泛应用，有学者利用土工膜对膨胀土边坡进行防护，文献2《膨胀土边坡防护方案比选研究[J]》(袁俊平,韩春雷,丁巍,王强林,丁国权..水利水电科技进展,2017,37(01):68-72.)发现土工膜具有控制边坡土体含水率变化，维持边坡土体非饱和状态，从而保持土体的较高强度和边坡的稳定性。但是，土工膜在实际应用中由于现场施工的问题可能会产生搭接不齐的问题，导致水分从接缝处下渗；同时，土工膜表面的压实土也存在在干湿循环作用下开裂导致土工膜失稳的问题。

文献3《含非饱和导排层的毛细阻滞覆盖层长期性能分析[J]》(焦卫国,詹良通,季永新,贺明卫.浙江大学学报(工学版),2019,53(06):1101-1109.)指出，毛细阻滞覆盖层是一种新兴的边坡防渗处置手段它包含由细粒土组成的储水层和由粗粒土组成的毛细突破层，利用非饱和土力学的原理，当水分入渗至粗粒土和细粒土的交界面处时，由于基质吸力不同，水分会被隔绝在细粒层中，形成毛细隔水带，从而储存水分防止下渗。毛细阻滞覆盖层最早应用在干旱/半干旱地区的垃圾填埋场，因此，其储水能力和阻水能力有限，不能有效适应湿润地区的降雨情况。而我国膨胀土发育地区多受亚热带季风气候的影响，降雨发育较多，因此，传统的毛细阻滞覆盖层不能直接适用于我国的膨胀土边坡防护。

综上所述，现有的膨胀土边坡防护覆盖系统存在以下问题：

1.压实粘土覆盖层的长期性能不佳，在降雨多发的湿润地区覆盖层结构会产生破坏。

2.土工膜覆盖层由于施工工艺问题会在接缝处产生水分下渗，同时，边坡易在土工膜的界面发生滑坡。

3.传统的毛细阻滞覆盖层无法提供较好的排水能力，在湿润地区的连续降雨情况下，覆盖层会发生突破，从而失去作用。

4.传统的毛细阻滞覆盖层在降雨时，水分会沿坡面不均匀分布，从而导致坡脚的水分积聚，使突破时间提前。

即膨胀土边坡坡体水分入侵和坡面水分的不均匀分布是膨胀土边坡防护的关键，因此，需要对传统的毛细阻滞覆盖层进行改进设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是膨胀土边坡坡体水分入侵和坡面不均匀的问题。本发明提供一种带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，该系统借助依赖于细粒层和粗粒层形成的毛细阻滞作用，将水分阻隔在细粒层中的毛细隔水带以上，通过设计细粒层的层厚及压实度，使其起到储存水分的作用。同时，利用毛细抽吸层的毛细抽吸结构，将水分抽吸导排出防护体系外。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供一种带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，该系统由上至下依次为植被层、细粒层、毛细抽吸层和粗粒层，粗粒层均匀覆盖在边坡的坡面上，边坡的坡脚处与粗粒层接触位置设有排水渠；

所述毛细抽吸层由N个相同结构的抽吸单元组成，N为正整数；每个抽吸单元由一个抽吸导排层和一个抽吸蒸腾结构组成；所述抽吸导排层为一块正方形的土工布构成，即土工布平铺在粗粒层上构成抽吸导排层；所述抽吸蒸腾结构由四块相同的土工布组成，四块形状相同的土工布构成一个横截面为菱形的空心网格垂直布设在抽吸导排层上；所述抽吸蒸腾结构的高度与细粒层的层厚相同，即构成抽吸蒸腾结构的土工布完全嵌入到细粒层中；

所述土工布由经线和纬线编织而成，其中，经线为毛细导水纤维，毛细导水纤维的截面呈珊瑚型，即土工布的经线中形成了多条与经线平行的毛细导排槽；抽吸导排层的土工布铺设时，抽吸导排层中的经线与边坡的斜面平行，抽吸蒸腾结构的土工布布设时，抽吸蒸腾结构中的经线与抽吸导排层垂直。

优选地，所述毛细导排槽的槽宽为6μm—50μm。

优选地，所述土工布的厚度为1cm-5cm。

优选地，所述毛细导水纤维为聚酯纤维，聚酯纤维的直径为30μm-100μm，所述经线和纬线的比例为1:1-2:1。

优选地，所述植被层的层厚为0.15m-0.4m，饱和渗透系数为1×10^-6m/s-1×10^-5m/s。

优选地，所述细粒层的层厚为0.2m-0.6m，细粒层的材料为粉土，粉土的压实度为90％，粉土的饱和渗透系数不低于1×10^-7m/s。

优选地，所述粗粒层的层厚为0.15m-0.3m，粗粒层的材料为碎石，碎石的进气值不大于1.5kPa，碎石粒径为10mm-50mm。

优选地，所述覆盖系统在制作过程中分层压实并整平。

优选地，所述边坡的坡度S≤0.65，其中S为边坡的垂直高度与水平高度之比。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明具有更好的持水能力。本发明通过毛细阻滞作用将降雨时入渗的水分阻滞在细粒层中，同时也可以防止膨胀土边坡土体内的水分向上运移。

2、本发明具有更好的排水能力。本发明通过亲水吸湿纤维结构的材料及毛细导排槽的抽吸作用主动排出细粒层中的水分，使得覆盖系统能应对更频繁的降雨情况。

3、本发明具有更好的生态效益，通过细粒层储存的水分以及毛细抽吸层对水分的抽吸重分布，可以为植物提供更好的生长条件。

4、本发明的维护成本较低，除去施工过程中的成本外，后期仅需就植被进行维护。

附图说明

图1为本发明覆盖系统的使用状态示意图。

图2为本发明覆盖系统的结构展开图。

图3为本发明覆盖系统的侧向剖面图。

图4为本发明中土工布的结构示意图。

图5为本发明中毛细导水纤维的截面结构示意图。

图中：1、植被层；2、细粒层；3、毛细抽吸层；4、粗粒层；5、边坡；6、排水渠；7、抽吸导排层；8、抽吸蒸腾结构；9、毛细导排槽；10、土工布；11、经线；12、毛细导水纤维的截面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明覆盖系统的使用状态示意图，图2为本发明覆盖系统的结构展开图，图3为本发明覆盖系统的侧向剖面图。

由图1、图2，图3可见，本发明一种带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，该系统由上至下依次为植被层1、细粒层2、毛细抽吸层3和粗粒层4，粗粒层4均匀覆盖在边坡5的坡面上，边坡5的坡脚处与粗粒层4接触位置设有排水渠6。

在本实施例中，覆盖系统在制作过程中分层压实并整平。另外，所述边坡5的坡度S≤0.65，其中S为边坡5的垂直高度与水平高度之比。

所述毛细抽吸层3由N个相同结构的抽吸单元组成，N为正整数。每个抽吸单元由一个抽吸导排层7和一个抽吸蒸腾结构8组成。所述抽吸导排层7为一块正方形的土工布10构成，即土工布10平铺在粗粒层4上构成抽吸导排层7。所述抽吸蒸腾结构8由四块相同的土工布10组成，四块形状相同的土工布10构成一个横截面为菱形的空心网格垂直布设在抽吸导排层7上。所述抽吸蒸腾结构8的高度与细粒层2的层厚相同，即构成抽吸蒸腾结构8的土工布10完全嵌入到细粒层2中。在具体实施时，先将抽吸导排层7平铺在粗粒层4，再在抽吸导排层7布设抽吸蒸腾结构8，然后再进行细粒层2的铺设。

在本实施例中，菱形的空心网格的边长为1.5m-2.5m。

图4为本发明中土工布的结构示意图，图5为本发明中毛细导水纤维的截面结构示意图。由图4、图5可见，所述土工布10由经线11和纬线编织而成，其中，经线11为毛细导水纤维，毛细导水纤维的截面12呈珊瑚型，即土工布的经线11中形成了多条与经线11平行的毛细导排槽9。抽吸导排层7的土工布10铺设时，抽吸导排层7中的经线11与边坡5的斜面平行，抽吸蒸腾结构8的土工布10布设时，抽吸蒸腾结构8中的经线11与抽吸导排层7垂直。。即由于采用了毛细导水纤维作为土工布材料，在抽吸导排层7中形成了多条从坡顶-坡底的毛细导排槽9，在抽吸蒸腾结构8中形成了多条垂直与坡面的毛细导排槽9。

在本实施例中，所述毛细导排槽9的槽宽为6μm—50μm。

在本实施例中，所述土工布10的厚度为1cm-5cm。

在本实施例中，所述毛细导水纤维为聚酯纤维，聚酯纤维的直径为30μm-100μm，所述经线和纬线的比例为1:1-2:1。所述纬线为棉线，棉线的直径为0.8mm-1.2mm。

在本实施例中，所述植被层1的层厚为0.15m-0.4m，饱和渗透系数为1×10^-6m/s-1×10^-5m/s。

在本实施例中，所述细粒层2的层厚为0.2m-0.6m，细粒层2的材料为粉土，粉土的压实度为90％，粉土的饱和渗透系数不低于1×10^-7m/s。

在本实施例中，所述粗粒层4的层厚为0.15m-0.3m，粗粒层4的材料为碎石，碎石的进气值不大于1.5kPa，碎石粒径为10mm-50mm。

由以上结构可见，本发明的防护覆盖系统可以同时起到阻水、储水和排水功能。

本发明的阻水功能实现如下：采用毛细阻滞覆盖层进行水分的阻滞，毛细阻滞覆盖层包括储水层和毛细突破层，细粒层2的粉土构成储水层，粗粒层4的碎石构成毛细突破层。在非饱和土力学中，土颗粒之间存在毛细管现象。对于毛细阻滞覆盖系统，储水层和毛细突破层之间的土体孔隙半径不同，储水层的孔隙较小，毛细突破层的孔隙较大，两层基质吸力有差值，从而保证水分渗透到两层交界面时被阻滞，从而可以实现阻滞水分下渗的作用。

本发明的储水功能实现如下：当水分入渗到细粒层2和粗粒层4的交界面时，由于毛细阻滞作用，水分无法渗入粗粒层4，通过对细粒层2的压实度和厚度的设计，使水分储存在细粒层2中。这一方面可以起到阻止水分入渗的作用，另一方面，细粒层2中的水分也可以为植被层1的植被提供水分。

本发明的排水功能实现如下：通过毛细抽吸层3进行水分的导排。由以上结构可见，毛细抽吸层3的材料为含有毛细导水纤维的土工布10，且毛细导水纤维的截面12呈珊瑚型，即毛细导水纤中有多个毛细导排槽9，这些毛细导排槽9组成了多条6-50微米的微细通道，提供了更大的比表面积。由于细粒层2为非饱和土，微小的孔隙通道将会带来更大的吸水势能，从而可以将细粒层2中的水分抽吸进入土工布10的内部。毛细抽吸层3采用两种不同的结构布设，一种是沿坡面将土工布10平行布设于细粒层2与粗粒层4之间构成抽吸导排层7，另一种是垂直于坡面方向以菱形的结构将土工布10布置于细粒层2内构成抽吸蒸腾结构8。细粒层2中的水分被抽吸到抽吸蒸腾结构8中，一部分通过大气的蒸腾作用蒸发，另一部分进入抽吸导排层7中。抽吸导排层7接收抽吸蒸腾结构8的水分补给，同时，还可以利用毛细抽吸作用对细粒层2形成的隔水带中的水分进行抽吸，并利用重力作用通过排水渠6排出覆盖系统，从而保证覆盖系统不会发生毛细突破。

Claims (9)

1.一种带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，该系统由上至下依次为植被层(1)、细粒层(2)、毛细抽吸层(3)和粗粒层(4)，粗粒层(4)均匀覆盖在边坡(5)的坡面上，边坡(5)的坡脚处与粗粒层(4)接触位置设有排水渠(6)；

所述毛细抽吸层(3)由N个相同结构的抽吸单元组成，N为正整数；每个抽吸单元由一个抽吸导排层(7)和一个抽吸蒸腾结构(8)组成；所述抽吸导排层(7)为一块正方形的土工布(10)构成，即土工布(10)平铺在粗粒层(4)上构成抽吸导排层(7)；所述抽吸蒸腾结构(8)由四块相同的土工布(10)组成，四块形状相同的土工布(10)构成一个横截面为菱形的空心网格垂直布设在抽吸导排层(7)上；所述抽吸蒸腾结构(8)的高度与细粒层(2)的层厚相同，即构成抽吸蒸腾结构(8)的土工布(10)完全嵌入到细粒层(2)中；

所述土工布(10)由经线(11)和纬线编织而成，其中，经线(11)为毛细导水纤维，毛细导水纤维的截面(12)呈珊瑚型，即土工布的经线(11)中形成了多条与经线(11)平行的毛细导排槽(9)；抽吸导排层(7)的土工布(10)铺设时，抽吸导排层(7)中的经线(11)与边坡(5)的斜面平行，抽吸蒸腾结构(8)的土工布(10)布设时，抽吸蒸腾结构(8)中的经线(11)与抽吸导排层(7)垂直。

2.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述毛细导排槽(9)的槽宽为6μm-50μm。

3.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述土工布(10)的厚度为1cm-5cm。

4.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述毛细导水纤维为聚酯纤维，聚酯纤维的直径为30μm-100μm，所述经线和纬线的比例为1∶1-2∶1。

5.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述植被层(1)的层厚为0.15m-0.4m，饱和渗透系数为1×10^-6m/s-1×10^-5m/s。

6.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述细粒层(2)的层厚为0.2m-0.6m，细粒层(2)的材料为粉土，粉土的压实度为90％，粉土的饱和渗透系数不低于1×10^-7m/s。

7.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述粗粒层(4)的层厚为0.15m-0.3m，粗粒层(4)的材料为碎石，碎石的进气值不大于1.5kPa，碎石粒径为10mm-50mm。

8.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述覆盖系统在制作过程中分层压实并整平。

9.根据权利要求1所述的带毛细抽吸结构的膨胀土边坡浅-表层控水防护覆盖系统，其特征在于，所述边坡(5)的坡度S≤0.65，其中S为边坡(5)的垂直高度与水平高度之比。

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