毛细屏障带的作用机理及其在工程中的应用

毛细屏障带的作用机理及其在工程中的应用

谢潇 1 ,2,3,4

1. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安， 710075； 2. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安， 710075； 3. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安， 710075； 4. 陕西省土地整治工程技术研究中心，西安， 710075)

摘要：毛细屏障带是一种取材方便、造价低、耐久性好且环保的覆盖层系统。本文基于非饱和土力学的渗流理论对毛细屏障带的作用机理进行了概述，并综述了毛细屏障带在工程应用现状，通过对国内外关于毛细屏障带相关研究成果的总结认为毛细屏障带具有良好的环保效益及技术可行性，但国内相关的研究仍较匮乏，需要开展进一步的现场试验、数值模拟和工程实践。

关键词：毛细屏障带，作用机理，渗透系数，应用

Mechanism of capillary barrier and its application in engineering

XIE Xiao ^1,2,3,4*

(1. Shaanxi Province Land Engineering Construction Group, xi’an, 710075, China; 2. Institute of Shaanxi Land Engineering and Technology Co., Ltd. , Xi’an,710075, China;3. Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, the Ministry of Natural Resources, Xi’an 710075, China; 4. Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center, xi’an, 710075)

Abstract: Capillary barrier belt is a kind of covering system with convenient materials, low cost, good durability and environmental protection. Based on the seepage theory of unsaturated soil mechanics, this paper summarizes the mechanism of capillary barrier zone, and the application status of capillary barrier zone in engineering. Through the summary of the relevant research results at domestic and abroad, it is considered that the capillary barrier zone has good environmental benefits and technical feasibility, but the relevant research in China is still scarce, further field tests, numerical simulation and engineering practice are needed.

Key words: Capillary barrier, mechanism, permeability coefficient, engineering practice

0 引 言

毛细屏障带即毛细阻滞覆盖层是由粒径具有差异性不同土层组成的，具有相对较低渗透系数的一种土层结构(见图1)。毛细屏障带一般上层为颗粒粒径较小的粉土或粘土等细粒土，下层为粗粒土(砂砾石等)。利用两层土层之间的渗透系数差异减少水分由细粒土继续向下入渗，因而水分被阻滞在两层土界面之上，主要储存在细粒土中。毛细屏障带中细粒土的孔隙较小，可以近似看作是含众多联通小孔道的集合。通过毛细作用的吸力，使得入渗的水分阻滞在粗粒土层和细粒土层的交界面，形成毛细水带，从而限制了水的入渗，这一结构利用了水分在土中的毛细现象，因而被称为毛细屏障带。这种类型的结构取材方便、造价低、耐久性好，性能长期稳定，在需要控制渗漏的一些工程中得到广泛应用。

图1 典型的毛细屏障带结构

1 毛细屏障带的作用机理

如前所述，毛细屏障带一般由一层细粒土和一层粗粒土组成。其中细粒土的作用是储水，粗粒土的作用是作为基础层并与细粒土构成毛细屏障带。在干旱半干旱地区，因降雨量少而蒸发大， 土体常处于非饱和状态，而此时的粗粒土渗透系数远低于细粒土。这里将粗粒土和细粒土的渗透系数示意如下(图2)。如图2所示，在土体含水率较低，处于较干燥状态时(基质吸力较大)，即两层土的基质吸力相等之前，粗粒土的渗透系数远小于细粒土，而在土体含水率较高处于接近饱和状态时(基质吸力较小)，粗粒土的渗透系数高于细粒土。在土体处于相对较干燥状态两者的渗透系数差异促成了毛细屏障作用的产生。使得在一定范围内，水分入渗过程中水分主要储存在细粒土中。可使水分进入下层粗粒土的时间延缓，并且使细粒土的储水能力增强

^[1]。

图2 毛细屏障结构中粗细粒土的渗透系数

毛细屏障带发挥作用的过程如下：初期毛细屏障带土层处于干燥状态，两层土的基质吸力均较大，细粒土的渗透系数高于粗粒土，当水分慢慢入渗至上层细粒土层时，开始时细粒土层的含水率逐渐增大，基质吸力降低，渗透系数逐渐增大，但其渗透系数仍然远高于粗粒土，水分被阻滞在两层土交界面之上；随着水分的持续入渗，细粒土的基质吸力进一步减小，渗透系数增大，水分开始进入下层粗粒土层，粗粒土的含水率逐渐增大，基质吸力减小，渗透系数增大，当其增大到大于细粒土的渗透系数时，水分将大量进入到粗粒土层，毛细屏障作用失效^[2]。对于毛细屏障作用失效的条件，主要有两种观点， Stormcmt等^[3]认为毛细屏障作用失效的条件是粗细粒土的渗透系数相等。此后水分开始向粗粒中大量渗漏，并将这一时间认为是毛细阻滞作用失效的时间。而Benson等人^[4]则认为当两层土交界面处的基质吸力到达粗粒土的进水值时，毛细屏障作用失效。进水值为土吸湿土水特征曲线上残余含水率较平直段的切线与水分增大较快段斜线切线交点所对应的基质吸力。在水分入渗结束后，由于蒸发及上部植被的蒸腾作用等，土层中的水分会进一步发生变化，含水率降低，基质吸力逐渐增大，毛细屏障作用可以得到重建，恢复对水分的阻滞作用。

2 毛细屏障带在工程中的应用

毛细屏障作用是利用天然材料构成的一种防渗体系，与其他防渗材料，如防渗土工膜、混凝土、砌石防渗等方法相比，环保性和耐久性好，且该系统不会完全阻隔水、气及热量等的交换，因而，毛细阻滞系统在城市垃圾填埋场覆盖层、边坡防渗等方面得到了广泛应用。

随着我国城镇化进程的不断深入，城市人口不断增长，生活垃圾的年产量也不断增加，从而垃圾填埋场的数量和规模也在不断增长。而由于垃圾渗漏液的下渗，经过调查，垃圾堆放场周围地下水都有着或多或少的污染^[5]。因而在垃圾填埋场建设过程中需要考虑封场覆盖降雨入渗及填埋气的无组织释放问题。浙江大学岩土工程研究所在西安市最大的垃圾处理设施-西安市江村沟生活垃圾填埋场建立了黄土/碎石毛细阻滞型覆盖层现场试验基地，对毛细阻滞覆盖层的防渗性能和初步设计厚度等做了系统的研究，并验证了其毛细阻滞作用^[6-9]。

降水条件下会导致边坡土体含水率增大，基质吸力降低，稳定性变差甚至有可能会产生滑坡等地质灾害。Rahardjo, H在残积土质边坡上开展了现场试验，在其上铺设毛细阻滞系统，选取了不同的粗细粒土层组成材料，通过在斜坡表面下不同深度布设张力计来监测毛细屏障带的水分变化情况，其试验结果表明，毛细屏障系统有效降低了雨水的下渗，使在降雨条件下的边坡稳定性得到了提高^[10-11]。

随着我国社会经济的快速发展，高速公路建设的需求愈发突出。降雨的入渗可能会导致路基浸水，从而引起路基失稳及不均匀沉降等问题。吴跃东等^[12]提出了将毛细阻滞层作为路基的覆盖屏障，以防止路基浸水造成危害。黄俊文等^[13]采用数值模拟，分析了在湿润气候的极端降雨条件下，传统路基和含有毛细阻滞层的路基强度、变形和安全系数的变化。发现湿润气候下，毛细阻滞层仍能有效地减少降雨对路基内孔隙水压力分布的影响，从而减少路面变形，提高路基的稳定性。

同时，废弃矿山关闭后，需要采用覆盖层来控制雨水入渗，毛细阻滞系统也在其中得到了成功应用^[14]。有大量的研究表明，毛细屏障作用系统在干旱、半干旱地区及部分半湿润地区均能够发挥较好的防渗效果。

3 结论和展望

关于毛细屏障效应的现场试验及数值模拟国内外学者做了大量的研究工作，国外的学者在不同的地区进行了大量的相关监测和评估工作，取得了一系列具有指导意义的成果，但毛细屏障系统的作用复杂，相关的研究成果仍较少。而国内毛细屏障作用的研究及及覆盖层现场监测工作起步较晚，仍有许多问题有待深入研究，如毛细阻滞层材料的选择、不同材料组成的毛细阻滞系统水气扩散特性、毛细阻滞屏障带设计厚度确定等，并且对于毛细阻滞型覆盖层在湿润地区能否应用还存在争议。从环保性、耐久性的考虑，开展毛细屏障覆盖层的现场试验、数值模拟及相关评价工作是非常必要的。

参 考 文 献

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[2] Rahardjo H . Application of unsaturated soil mechanics in capillary barrier system[C]// Proceeding of the 3rd Asian Conference on Unsaturated Soils, 2007. Nanjing, China.

[3] John C. Stormont. Method to Estimate Water Storage Capacity of Capillary Barriers. 1998, 124(4):297-302.

[4] Benson C H. Final coves for waste containment systems: A north American Perspective. XVII Conference of Torin ”Control and Management of Subsoil Pollutants ”. November 23-25,1999. Torino, Italy.

[5] 李颖,郭爱军.城市垃圾填埋场设计指南[M].北京:中国环境科学出版社,2005.

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[11] RahardjoH.,SantosoV.A.,LeongE.C.,NgY.S.,TamC.P.H.,SatyanagaA.. Use of recycled crushed concrete and Secudrain in capillary barriers for slope stabilization[J]. NRC Research Press,2013,50(6):662-673.

[12] 吴跃东,刁红国,刘坚,等.一种有效防治路基湿化灾害的毛细阻滞路基结构以及施工方法:中国，201310408929. 3[P].2013.

[13] 黄俊文,吴跃东,刘坚,陈锐.湿润地区毛细阻滞层路基防渗作用的数值分析[J].公路工程,2017,42(01):31-34+84.

[14] 杨克. 生物炭复合土毛细阻滞层环境岩土工程特性研究[D].福州大学,2016.

1作者简介：谢潇(1992-)，女，陕西西安人，硕士，工程师，从事岩土工程研究。E-mail：1373669635@qq.com.