利用稻壳灰改善强风化泥岩边坡的渗流特性

为什么山坡公路会突然失稳

穿山而过的公路常常直接切入陡峭山坡。在中国河北北部，许多此类边坡由一种脆弱的岩层——强风化泥岩构成，遇湿膨胀、干燥收缩。强降雨能迅速浸入这种材料，削弱其强度并诱发小规模滑坡，威胁道路与行车安全。本研究探索了一种出人意料的辅助材料——稻壳灰，这种农业废弃物能否减缓雨水在边坡内部的移动，从而提升安全性。

把农废变成边坡防护材料

稻壳灰是在可控条件下燃烧稻壳产生的产物，富含二氧化硅并呈细小多孔结构。研究者将不同掺量（按质量计2%至8%）的稻壳灰掺入取自河北北部公路切坡的风化泥岩样品中，加入少量石灰作为激发剂，随后压实并养护近一个月，以模拟其在实际施工中的放置与固化过程。目标是观察这种简单混合料如何改变水分进入与在土体内部的迁移，以及是否存在最佳掺量能提供最佳防护效果。

观察水在土柱中的流动

为模拟降雨在边坡内部的行为，研究团队制作了约65厘米高的立式土柱，在四个深度布置了含水率与吸力传感器。顶部通过特殊瓶装供水装置以恒定压力供水，模拟稳定降雨。随着水渗入，传感器记录“湿润前沿”——干湿土体的分界面向下推进的速度，以及内部孔隙水压力随时间的变化。与此同时，科学家们在不同张力水平下测定土体的持水特性，并用数学曲线描述其行为。

稻壳灰如何改变水的通道

掺入稻壳灰后，水的迁移方式发生了显著变化。处理后的泥岩在开始排水前能保持更多水分，且随吸力增加失水更慢，这表明孔隙结构变得更细且更能吸附水分。在入渗试验中，随着稻壳灰含量增加，湿润前沿推进速度逐步减慢。在6%掺量时，湿润前沿达到40厘米所需时间相比未经处理的土体几乎翻倍。换言之，水更长时间才能渗透到较深处。测得的水力传导率——衡量水流易难的关键指标——在干燥条件下最多下降了两个数量级，尤其在较高掺量时更明显。显微图像解释了原因：在6%掺量下，颗粒间孔隙被均匀收窄，形成更弯曲、更阻水的通道。

找到兼顾安全与性能的最佳掺量

有趣的是，掺入越多并非总是更好。在8%掺量时，颗粒开始团聚并不均匀地堵塞部分孔隙，形成易饱和的局部斑块与强度降低的区域，反而使水流略有回升并降低了与6%配方相比的内聚力。为更好地预测这些复杂影响，团队将稻壳灰掺量和土体塑性指标融入经典入渗公式Green–Ampt模型，对其进行了修正。这个更新后的模型比传统模型更贴合实验数据，并优于其他常用公式，为工程师提供了更可靠的工具来估算处理后边坡中水分迁移的速度。

对实际公路的意义

研究表明，适量稻壳灰——约6%质量掺量——可显著改善弱风化泥岩边坡的控水性能：降雨入渗更慢、渗透更浅且不利的孔隙水压力积聚更少。结合稻壳灰作为稻作副产物的低成本特性，这一方法为在类似膨胀性泥岩区减少降雨诱发滑坡提供了一个有前景且更环保的思路，同时将农业副产物转化为保护基础设施的屏障。

引用: Cui, H., Ma, B., Hu, Z. et al. Improving seepage characteristics of strongly weathered mudstone slopes with rice husk ash. Sci Rep 16, 11966 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40499-2

关键词: 稻壳灰, 边坡稳定性, 降雨入渗, 膨胀性泥岩, 可持续土体改良