稀性泥石流对路基沟岸侵蚀机理分析

2010-06-26仇伟淇

黑龙江水利科技 2010年1期

仇伟淇，江川，吴辉

(1.中交一航三公司，青岛 400067;2.中交二航院，武汉 400074;3.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200324)

泥石流(debris flow)是高浓度水砂砾复合异相混合流，是颗粒大小差异很大的固体(岩土体)和液体(水)的联合运动，其中沙、砾主要按滚动及跃动状态迁移。在小流域内，滑坡和泥石流通常相伴而生、互为因果，具有强烈的冲击、破坏作用。泥石流属于典型的灾害地貌现象及地貌过程，是山丘地区公路建设及养护过程中普遍存在且破坏作用极其强烈的公路水毁类型，是毁损穿越泥石流沟的公路路基、路面及相应防治结构物的重要外在动力机制[1]。

目前基本上均把泥石流作为一种公路水毁类型或不良地质现象予以防治。泥石流是最主要的公路水毁类型，我国每年因此而造成的直接经济损失数十亿元。我国西部地区的公路水毁70%左右源于泥石流，集中发育在川西的国道318线、319线、108线及省道西昌-木里藏区干线公路、西昌-美姑干线公路，新疆国道G213线(天山公路)，陕南G210线、G108线、G316线及紫阳公路，滇北楚雄-大理干线公路等等[1]。

山区公路沿河线，尤其是穿越泥石流沟岸的公路(见图1，图2)，由于泥石流体运动的惯性作用，易于冲击沟岸，岸坡的冲蚀必然导致路基坍塌毁损，形成路基水毁(图3，图4)。充分理解和认识路基沟岸冲蚀坍塌机理，对于路基防护工程起到指导意义。

1 稀性泥石流运动特性分析

按照泥石流的性质可分为稀性泥石流、过渡性泥石流、黏性和塑形泥石流[1-3]。稀性泥石流[4]属于紊流型二相流，组成液相的是水和较细的颗粒所组成的浆体，较粗的颗粒组成固相。0.2～2 cm的粗砂和砾石呈悬浮状态，更粗的颗粒则以滚动和跳跃的方式前进，运动速度要比浆体的速度慢的多，在近处可以听见石块的撞击声。

1.1 泥石流等效两相流模型

陈洪凯[5]基于两相流建立泥石流体的等效模型，即泥石流等效两相流模型，该模型是两相流模型的具体化。其基本思路是把泥石流体看成是由大量均质固相颗粒和均质浆体组成的两相流体，如图1所示。

在建立泥石流等效两相流模型时，应遵循下面两条等效原则。

1)两种泥石流体的容重相等，即:

式中，γcn、γcm分别为天然泥石流体和等效泥石流体的容重，kN/m3。

2)两种泥石流体所含的固体颗粒成分相似，使两者的黏度和静切力强度相等，即:

式中，Win和Wim分别为天然泥石流体和等效泥石流体中某组相应颗粒所占的重量百分比;ηcn和ηcm，τ0n和τ0m分别为天然泥石流体和等效泥石流体的黏度和静切力强度。

在等效两相流模型中，泥石流可看成是两种流体的混合物，一是真正的流体，一是固体颗粒的拟流体。通过把固体颗粒的直径作为不同尺寸颗粒的一个统计平均，可将尺寸不同的固相颗粒等效成颗粒粒径相同的球体。固体颗粒作为一种拟流体，其在运动过程中表现出流体的特性。模型中每一相都是充满整个流场的连续介质，其中颗粒项是与流体相相互渗透的拟流体，它与连续相流体一样采用在Euler坐标系中宏观连续介质原理中能量守恒方程。

图1 龙胆溪泥石流

图2 泥石流沟岸公路

图3 泥石流护岸工程

图4 某泥石流公路被冲毁后修筑的简易公路

图5 等效两相泥石流体模型

1.2 稀性泥石流运动特性

泥石流中颗粒组成的范围很大，这些颗粒尺寸差别很大的固体颗粒，在泥石流运动过程中由于承受的力不同，而出现不同的分布状态，如细颗粒泥沙，在运动过程中完全处于悬浮状态，很粗的颗粒则可能在床面附近以滚动、跳跃的形式存在。泥石流体中含有一定数量的细颗粒物质，一定程度上增加了泥石流体黏性，从而增强了泥石流体的结构效应，大大降低了粗颗粒的沉速，因此泥石流中泥沙的分布较普通含沙水流要复杂得多，因而也必然导致泥石流体中的能量分布更为复杂[9]。根据泥石流两相流模型，将稀性泥石流划分为液相与固相，由于细颗粒随水流流失，运动过程中粗细颗粒容易分离。因此将液相组成定义为细颗粒(d＜2 mm)与水流，粗颗粒(d＞2 mm)组成固相物质。液相运动紊流运动为主，固相以推移质形式存在，推移质在床面层中以滚动、滑动及跳跃的形式运动，在运动过程中不断和床面泥沙发生交换。在山区公路中，以稀性泥石流水毁最为普遍和严重，液相部分对沟岸进行剧烈冲刷，固相部分对沟岸进行强烈撞击，最终导致路基沟岸边坡失稳破坏。

2 侵蚀机理分析

2.1 液相对沟岸路基的淘刷

泥石流的紊动与普通挟沙水流的紊动基本相似，依然存在有脉动、涡动和环流，有时发育还比较完善。稀性泥石流与部分过渡性泥石流的流态一般多呈紊动流，其悬浮能力比水大。稀性泥石流液相对沟岸侵蚀发育机理与沿河公路路基被河流冲刷切割毁损的机理是相同的[6-8]，但是发育过程演化更为剧烈。

在河流弯道中，因环流的存在导致凹岸冲刷，凸岸淤积，沿河湾段路基边坡和坡脚受到水流的淘刷，有可能使沿河路基边坡坡脚淘空造成路基坍塌。所以，沿河弯凹岸的冲刷直接影响了沿河路基的稳定和安全。从山区到平原的各类河流，都是由无数的河湾和直段组成。山区河流受两岸地形限制，属于强制性河湾。山区公路每到汛期山洪爆发，来势汹猛，凹岸冲刷严重。弯曲型河道的挟沙水流运动有其自身的特点，由于弯道的存在，水流发生弯曲，这样的水流受到重力和离心惯性力的双重作用而形成弯道环流(图6)，其等压面不是水平的，而是与重力和离心惯性力的合力相垂直，因而水流沿横向呈曲线变化，凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。表层较清的水流向凹岸，造成凹岸冲刷，从凹岸向下转向凸岸的底层流携带大量泥沙，导致凸岸淤积。导致凹岸路基受弯道水流侵蚀的主要原因有:①河湾环流直接横向淘刷凹岸路基边坡导致岸坡被侵蚀。②弯道环流淘刷过程中，边坡上一部分土体失稳，沿某一滑动面发生移动、崩塌，滑入到坡脚附近或河槽内，导致岸坡的侵蚀后退.弯道水流直接作用于凹岸路基，冲动水面以下边坡上的表层土粒，并将它们带走，从而导致路基的淘刷。这是一种较常见的水流对路基的侵蚀方式(见图7)。

由于泥石流体流速较快、惯性大，因此泥石流体较一般水体有更加显著的弯道超高现象。弯道超高分两种情况:一种是当凹岸为平缓斜坡时，泥石流紧靠凹岸一侧且流速较快，流体增厚而产生超高现象，而在接近凸岸一侧泥石流体流速变慢，流体变薄;另一种是当凹岸为陡峭坡体时，泥石流不仅产生弯道超高，而且在凹岸底部还会产生强大的环流，泥石流冲击岸坡而造成强烈冲刷作用。

图6 弯道环流示意图

图7 泥石流对路基淘刷冲蚀过程

2.2 固相对沟岸路基的撞击磨蚀破坏

2.2.1 撞击破坏

泥石流流体中所含的巨大砾石具有极大的冲击力，往往是工程破坏的直接原因。公路路基边坡采用挡土墙、挡土墙与丁坝配合、挡土墙与护坦配合、挡土墙与丁坝和护坦配合等各种配合防护形式，稀性泥石流爆发过程中，除液相部分类似水流对沟岸冲蚀作用外，固相物质，尤其大粒径石块对沟岸防护结构的冲击磨蚀作用不可忽视。泥石流对工程建筑的破坏，往往是个别石块冲击所致。其中包含泥石流体中的固相颗粒，以点状接触碰撞建筑物，从而引起构件呈剪切或弯矩形式断裂而破坏。

2.2.2 磨蚀破坏

泥石流两相流体中固相颗粒对结构表面混凝土及沟床与岸坡主要产生切削作用[8]，其原因是面对承磨壁面介质的初始不均质性或砂浆被泥石流浆体磨蚀后出露的微凸起，在高速运动的泥石流固相颗粒冲击作用下发生切削(图8)。通常，泥石流固相颗粒随机地冲击壁面。对壁面而言，冲击力可分解为法向分力和切向分力。在法向分力作用下，颗粒的棱角刺入承磨介质表面;在切向分力作用下，颗粒沿平行于承磨介质表面滑动，带有锐利棱角并具有适合迎角的颗粒能切削表面而形成切屑，在切削过程中使混凝土表面材料产生一定程度的塑性变形或脆断。

图8 泥石流固相颗粒的切削作用

图9 平底拱断面布置图

3 路基的防护与加固措施

泥石流岸坡冲蚀防治的核心是调节泥石流冲击方向、控制泥石流对岸坡坡脚的掏蚀以及基于泥石流的冲击荷载建造防治结构类型[1]。防治以护岸、固底[9]为主，前者为岸坡的直接防治结构类型并具有一定的竖向及侧向承载力，后者为岸坡的间接防治结构类型。

固底防护分为:块石镶底，挑流坝，平底架拱，糙桩[9]常见几种类型。

3.1 块石镶底

适用于受泥石流冲刷和淘刷的路堤边坡和坡脚，在盛产石料(大砾石、卵石)和沿河线开山废石方较多的地区使用;块石的直径应大于泥石流流速能启动的最大石块直径[2]。如果使用石块固底，石块的长轴方向与水流方向一致，最短轴与水流方向垂直且保持水平，并用M10.0砂浆浆砌，也可以采用C15混凝土浇筑。在沟顶部应加大块石的粒径和埋深或采用格构锚固的措施，以防止沟顶破坏而使下部抗冲刷能力削弱。