降雨条件下黏土边坡冲刷水毁试验研究

向 昊 余青霖 于云鹏

(四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000)

1 概述

公路水毁对公路交通的影响非常大，我国每年因边坡水毁产生的灾害，不仅会造成超过100亿的经济损失，个别情况还会造成人员伤亡，因此对公路边坡加强防护是关系经济与人民生命安全的大事[1]。公路水毁的六大类中，又以边坡水毁为主要类型。边坡的坍塌除自身坡体抗滑力差以外，往往都是在外界不利因素的诱导下发生和发展的，这些外界的因素主要导致坡体内剪应力增加或坡体抗剪能力下降，最终使得土体内的剪应力大于土的抗剪强度而造成滑动失稳。在所有滑坡的灾害中，降雨成为最主要的诱因之一，而受水的冲刷作用使得边坡失稳破坏成为主要的水毁类型之一[2]。围绕降雨条件下的黏性土边坡水毁展开研究，以期找出其水毁发展的规律，为公路边坡抗水毁的措施增加理论支持。

2 坡面发生冲刷的条件

采用理论分析的方法对此问题进行研究，前提需要建立一个合理、有效、误差较小的模型，这样才能得到较好的理论分析结果。一般将土颗粒简化为一个小单元，并假设土颗粒在坡面自上向下滑动过程中质量不发生改变[3]。土颗粒在坡面被冲刷时的受力分析如图1所示。

无论是国内还是国外对坡面冲刷发生条件的研究成果来看，总的来讲，就是当外界使土颗粒进行输移的力F大于坡体土壤抵抗侵蚀的力F阻时，便会发生坡面冲刷侵蚀的现象[4]。

3 黏性土物理、力学性质

3.1 黏性土物理性质

黏土是指渗透性弱、颗粒小，且具有可塑状态性质的土。试验中的黏土边坡的初始含水率在37.24%，液限49%，塑限24.8%，含水量、塑性指数和液性指数对黏性土边坡的工程性质有着极大的影响。

3.2 黏性土力学性质

黏性土的力学性质随含水量大小而变化，黏性土具有粘聚力，其抗剪强度由粘聚力和内摩擦阻力两部分组成，其计算公式为τ=σtanφ+C(其中，φ为内摩擦角；C为粘聚力)。通过进行黏性土样的直接剪切试验，可得出黏土边坡的力学指标内摩擦角为19°，粘聚力为8.7 kPa。黏土的力学指标受到物理特性含水率的影响，故了解黏性土的物理、力学性质是为室内模型试验提供理论支持[4]。

4 室内模型实验

4.1 实验条件

试验用模型箱尺寸采用长宽高分别为900 mm×900 mm×300 mm。模型箱材质选用木材进行加工，为保证雨水的均匀性，采用6个喷头进行降雨(如图2所示)，降雨强度由连接的水泵测得为38.48 mm/h。

4.2 黏土边坡的构筑

本试验黏土边坡在填筑坡体时为严格控制坡体内黏土的密实度和均匀性，采用人工分层填筑，分层压密的方式。由于边坡从力学方面来看是个平面应变问题，所以室内模型试验主要是研究在纵向截面上一部分坡体的冲刷水毁现象。本试验为比较边坡坡度对滑坡发生的影响和初探本性质黏土边坡的临界坡度，进行六种坡度在相同降雨强度下的冲刷试验，采用的坡度值分别为：56.3°，45°，36.9°，31°，26.6°和18.4°。

5 室内模型试验结果及分析

所有试验按照所设计室内模型冲刷试验方案进行，从而获得相同降雨强度下，不同坡度的黏土边坡冲刷量，从而可得到黏土边坡冲刷破坏的发展过程以及临界坡度。

5.1 试验过程

进行降雨条件下黏土边坡室内模型冲刷试验时，观察到黏土边坡坡面在发生水毁过程所表现出的现象如图3所示。

水流对坡面冲刷侵蚀是一个持续发展的过程，因黏土的渗透性弱，当雨水到达坡面时，水流不能及时渗透到坡体内，因此就会在坡体表层达到饱和状态，从而在整个坡面上产生面蚀现象。随着冲刷的发展，模型的坡面冲刷由面蚀迅速发展为细沟侵蚀，冲沟的长度和深度随着降雨的持续进行而不断加长、加深，最后直至贯穿整个黏土坡面。坡脚处雨水流量相对坡体更大，因而坡脚发生坡面侵蚀的效果更明显。

黏土边坡受到雨水侵蚀冲刷而破坏的过程，外在表现出具有整体性和综合性的过程。内在机理是黏土边坡的分解和土颗粒的搬运，其原因是具有一定能量的雨滴撞击坡面土层，持续性的撞击作用导致边坡土体结构遭到损坏，土颗粒发生分散，进而降低土颗粒之间的粘结力，即降低坡体的抗剪强度，最后在土体重力的作用下，直至崩塌。

5.2 临界坡度

降雨试验结束后，将每个坡度的冲刷量进行烘干称重，结果列于表1中。

表1 不同坡度的冲刷量结果

从表1可以看出，当坡度在36.9°时，冲刷量的值最大，因此，在本组试验中36.9°为临界坡度值(临界坡度为所对应的坡面侵蚀量最大时的坡度值)。

6 结语

通过模拟研究降雨环境下，坡面水流冲刷作用，研究黏土边坡冲刷的发生、发展和最终破坏形式。试验结论认为：黏性土边坡坡面冲刷破坏的过程是开始的坡面整体饱和导致的面蚀，到降雨的持续进行而发生的沟蚀，直至最后从坡脚开始发生的塌陷。降雨会诱发边坡的失稳，在工程中，做好边坡的排水措施，可以很好地降低边坡水毁发生的概率。

[1] 罗 斌,胡厚田,王秉纲.路基边坡坡面冲刷强度探讨[J].中国铁道科学,2002(3)：84-86.

[2] 赵艳茹,王 瑄,丘 野，等.模拟降雨下土壤剥蚀率和水流含沙量的关系[J].水土保持学报,2010,24(5)：97-100.

[3] 李志刚,钱七虎,陈云鹤.土工构造物边坡冲刷临界坡度的研究[J].土木工程学报,2004(2)：78-81.

[4] 张科利,秋吉康宏.坡面细沟侵蚀发生的临界水力条件研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1998,4(1)：41-45.