冲刷条件下的路基边坡水毁分析

2022-04-15李清华邱博超

黑龙江交通科技 2022年2期

肖田，李清华，陈明，邱博超

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300392；2.中交一公局第六工程有限公司，天津 300451；3.河北工业大学，天津 300401)

公路水毁是一种常见的道路工程灾害。目前，受水冲刷导致边坡坍塌、路基毁坏是公路水毁灾害的重点。道路工程水毁所引起的一些列问题已经成为公路的主要问题，对公路的正常使用产生了严重影响[1]。路基边坡的水毁破坏主要表现在两个方面：一是水量过大，在地表形成径流，直接浸泡整个路基边坡；二是长时间浸泡，水渗透到坡体内部，致使坡体下滑力增加，渗透水压力破坏土体结构，导致抗剪强度减小。国内外很多学者都对洪水冲刷浸泡路基边坡稳定性的破坏方式和作用机理进行了理论研究、数值模拟以及模型试验，并取得了一定的成果[2-3]。韩叙领对公路冲刷的破坏进行了全面分析，并提出了治理防护措施[4]。曾玲等人对边坡表面的冲刷防护临界坡度做了定量分析，并确定其与雨水、土壤质量和坡高等具有函数关系[5]。本文利用室内模型试验模拟汇水水流冲刷对边坡坡面的影响，针对雨水对路基边坡的冲刷、浸泡等水毁破坏机制进行了分析，为路基边坡稳定性防护提供理论依据。

1 路基边坡冲刷水毁试验模拟

1.1 水毁试验模型与控制条件

在条件许可的范围内，尽可能的尝试使用大比例的试验模型。根据重力相似的原则进行设计，边坡的高度设为0.8 m，坡顶路面长设为1.0 m，宽为0.6 m，边坡的角度为45°，在坡面上由坡顶至坡角均匀设置6个测量点。为探究不同土质的抗冲刷能力，取两种典型的土体，利用对比的试验方法，建造两个模型，填筑材料模型1用黏性土，模型2是砂性土，拟建试验模型如图1所示。

1-水泵；2-蓄水池；3-水管；4-水；5-挡水槽

1.2 实验控制条件

模型试验条件如表1所示，各土样的物理力学参数指标如表2所示。

表1 模型的试验条件

表2 模型的试验条件

在模型试验开始后，把水流的大小调节平衡稳定，边坡顶部水流的平均流速为0.016 cm/s，水流深度为1.5 cm；在土体出现破坏后，水流的速度逐渐增大，达到0.053 cm/s，这时边坡上水流深度为4.0 cm。在试验的全过程，分别对试验模型1和2的三种不同压实度下的边坡土体的冲刷浸泡破坏发展情况进行了记录。

1.3 水毁模型试验结果

边坡坡面被冲刷浸泡产生破坏是一个连续的进程。试验开始，当水刚好流过斜坡时，坡面土体的含水量立刻达到饱和，在整个斜坡上出现水流成股冲刷现象。斜坡1(模型1)上的水流干净清晰，斜坡2(模型2)的土壤表层因为上层浮土被冲走，水流相对混浊。

随着冲刷的持续发展，地面的水流侵蚀导致斜坡表面的破坏快速，变成细沟侵蚀，进而产生一定程度的浅沟和沟槽，同时拉伸裂缝出现在斜坡的上部，随着侵蚀沟的快速发展，边坡中的填料被清空直到完全被破坏，如图2和图3所示。

图3 砂性土边坡冲刷前后对比

图2(a)是90.0%压实度的边坡冲刷前后对比图，由图2可知，冲刷前后坡面侵蚀破坏的差别并不大；图2(b)是85.0%压实度的边坡冲刷前后对比情况，此压实度下坡面在冲刷后边坡表层出现剥落；图2(c)是压实度最低的土体边坡模型，被水冲刷后出现较大的沟蚀破坏，这主要是因为边坡土体局部压实度降低所导致。

图2 黏质土边坡冲刷前后对比

图3是砂性土体边坡表面冲刷前后的对比图，同样是三组压实度的对比情况，砂性土边坡的冲刷深度要比黏质土边坡的冲刷深度大很多。图3(a)是90.0%压实度的边坡冲刷前后对比情况。在此压实度下边坡表面产生小坑和细小的沟缝，侵蚀破坏并不是很强烈。当压实度降低到85.0%和80.0%时，边坡表面的冲刷毁坏程度增加，此时产生冲坑并出现较深的沟缝。这主要是因为土体内含水量和填料密实不均导致的土体内摩擦角和内部粘聚力不均匀、不连续，最终造成了冲刷破坏的多元性。

试验中黏性土和砂性土模型的土质边界条件相同，因为两个模型中的三组压实度不同，模型土体的参数也不同，压实度降低，边坡土体的破坏加大。

2 试验结果与分析

2.1 压实度对路基边坡冲刷深度的影响

图4(a)与图4(b)分别是黏性土与砂性土路基边坡冲刷深度与压实度关系图。

图4 路基边坡冲刷深度与压实度关系图

图4(a)是黏性土路基边坡冲刷深度受压实度影响变化曲线图。由图可知，自坡顶沿坡面向下9个测点，在相同测点处，压实度越大边坡冲刷深度越小。80%压实度边坡冲刷深度增长变化最大，破坏程度严重；当压实度增大为85%时，路基边坡的冲刷深度整体变小，边坡侵蚀程度减轻；90%压实度路基边坡的冲刷深度最小，破坏最小，因此随着压实度的增加路基边坡的冲刷深度逐渐减小。

图4(b)为砂性土路基边坡冲刷深度与压实度的关系图。由图可知，路基边坡压实度的变化对砂性土路基边坡冲刷深度的影响很大。同样是从坡顶沿坡面向下9个测量点，在相同测点处，路基边坡压实度越大冲刷深度越小。80%压实度路基边坡的冲刷深度最大，冲刷侵蚀程度严重；增加到85%压实度时，路基边坡的冲刷深度有所降低，但冲刷深度仍然很大，冲刷破坏程度依然较大；压实度达到90%，路基边坡的冲刷明显减小，与压实度90%黏性土边坡冲刷深度的变化趋势相近，此压实度边坡的冲刷破坏程度较小。

因此，随着压实度的增加路基边坡的冲刷深度呈减小趋势，路基边坡的破坏程度逐渐降低。

2.2 冲刷时间对路基边坡冲刷深度的影响

图5(a)与图5(b)分别是黏性土、砂性土在水流速度为0.16 m/s时，路基边坡冲刷深度随时间变化的实测曲线图。

图5 路基边坡冲刷深度与冲刷时间关系图

由图可知，冲刷时间越长路基边坡的冲刷深度越大。0～3 min属于快冲阶段，此时边坡浮土与松散颗粒被冲离坡面，冲刷深度的增长较快，出现细小冲沟；3～6 min时间段浮土冲离边坡，由于下方土质密实，汇流水对坡面冲刷的难度增加，所以边坡冲刷深度减缓，速度继续保持增长趋势；6 min之后为累进性冲刷阶段，随着时间的增加，坡面冲刷深度继续增大，边坡的冲沟加深，坡角有坍塌现象出现。因此，路基边坡的冲刷深度受冲刷时间影响，减小边坡的冲刷时间，边坡的冲刷深度会降低。

2.3 冲刷速度对路基边坡冲刷深度的影响

在设定压实度为90%的情况下，试验得出黏性土、砂性土路基边坡冲刷深度与冲刷速度关系如6(a)与图6(b)所示。

图6 路基边坡冲刷深度与冲刷时间关系图

由图可知，路基边坡的冲刷速度随水流速度的改变而变化。相同冲刷时间条件下，水流冲刷速度越大，路基边坡的冲刷深度越大。以黏性土路基边坡变化曲线为例说明，0.55 cm/s冲刷速度下的边坡冲刷深度呈现持续增长变化趋势；当冲刷速度降低为0.16 cm/s时，边坡的冲刷深度虽然仍呈现持续增长的趋势，但总体冲刷深度减小。因此，水流冲刷速度是路基边坡冲刷深度的影响因素，随着水流冲刷速度减小，路基边坡的冲刷深度逐渐降低。