骨架防护黄土边坡坡面冲蚀模型试验研究*

原 泽 晏长根 陶 悦 贾卓龙 杨万里 徐 伟 郜世泰

(①长安大学,公路学院,西安 710064,中国)(②中国有色桂林矿产地质研究院,桂林 541004,中国)(③甘肃路桥公路投资有限公司,兰州 730030,中国)(④长安大学,地质工程与测绘学院,西安 710054,中国)

0 引 言

随着黄土地区交通基础工程的大力发展,大量工程边坡因高填深挖筑基处理而产生。有研究表明,20世纪以来我国边坡破坏的数量已占到地质灾害数量的一半以上(黄润秋等,2008)。针对这一情况,学者们相继展开边坡防护技术研究,其中骨架结构凭借施工快捷、易于绿化、护坡效果好等特点,广泛应用于工程边坡防护当中(李万鹏,2006; 魏静等,2006)。然而,在持续强降雨后,骨架结构框格内土壤的侵蚀破坏仍会发生,存在一定的安全隐患,如图1所示。因此,开展骨架防护边坡坡面侵蚀试验研究,具有重要的实际工程意义。

骨架结构指采用混凝土或浆砌片石等圬工材料经人工构筑而成的具有一定窗格式几何形状和尺寸的空间结构,主要有矩形、菱形、人字形和拱形等结构形式,关于其作为边坡防护措施的研究,已取得丰富成果:例如徐利鑫(2015)通过对不同拱形骨架结构进行监测和模拟,归纳出接缝形式优选扣缝,基础采用浆砌片石的骨架护坡结构最优的结论; 蒙超容等(2017)对比分析了不同尖角的人字形骨架的流量、排水能力和工程量,指出在其他条件满足的情况下,人字形骨架尖角宜取较大值,以有效减小工程量; 聂忆华等(2018)对人字形防护边坡进行数值模拟,指出坡脚处为全局应力最不利位置,坡顶为竖向位移最不利位置,并通过模型多级加载试验得到验证; Zhang et al.(2012)利用FLAC软件计算了铰链式混凝土预制块防护边坡的稳定性因子,发现边坡与块体的最佳质量组合,为边坡防护设计和应用提供了参考; 连继峰等(2016,2017a,2017b)构建了以工程造价为目标函数的结构优化模型,指出矩形骨架嵌土深度和竖向净距是影响边坡浅层稳定性的主要因素,同时其指出骨架内土体存在两种破坏模式,一种为骨架内土体整体滑动,一种类似挡土墙背库仑土压力破坏,前者破坏面为骨架嵌入土的深度且滑面与坡面平行,后者破坏面交于骨架底部和坡面,两种破坏模式通过转化阈值相互转化。以上试验研究多集中于骨架结构的工艺技术以及利用数值模拟对骨架结构进行尺寸优化,但较少涉及到降雨条件对骨架防护边坡坡面破坏的影响研究,对骨架防护边坡侵蚀破坏的认识还不够充分。

实际上,降雨入渗引起的浅层土体含水率增大是导致边坡浅层破坏的重要诱因。Lee et al.(2009)基于马来西亚新山10年的降雨资料,指出边坡失稳的关键是降雨强度和土壤饱和渗透率的比值; 张硕等(2017)通过对黄土高填方支挡边坡进行降雨研究,指出在降雨条件下坡面裂隙是造成边坡浅层滑动的重要原因,并得出了高填方支挡边坡的破坏形成机制; Wang et al.(2018)通过对吕梁机场某高填方黄土边坡进行现场监测和室内增湿试验,发现压实不均的黄土会产生裂隙,而雨水入渗会促使土体软化,加速滑动面的发展; 孙萍等(2019)指出降雨条件下坡肩的入渗深度和速度最大,边坡破坏也是从坡肩开始; 朱建东等(2019)指出坡体表层雨水入渗速率最快; 高英等(2019)指出黄土增湿会使得其土体骨架颗粒之间的强度降低,也会使得黄土的架空孔隙结构体系失稳崩解; 黄晓虎等(2015)通过室内边坡降雨冲刷模型,指出黄土边坡侵蚀冲刷中的主要侵蚀能力参数与坡度和雨强之间存在相应关系。

因此,本文以临夏双达高速公路作为工程依托,通过开展人工模拟降雨冲蚀模型试验,对比分析裸坡和骨架边坡的坡面冲蚀过程、含沙量、径流量及累计冲蚀量,探讨骨架结构的防护效果,分析骨架关键部位的坡面冲蚀规律,揭示强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制。研究成果可为骨架结构在边坡防护工程的实践应用中提供理论参考和技术支撑。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料及边坡模型

试验用土取自临夏双达高速某骨架防护的黄土边坡(图2),取样深度为1.5～3.0m。该黄土为更新统的风积黄土,外观表现为疏松多孔,垂直节理发育。利用激光粒度分析仪对试验土样进行颗粒分析,结果如图3所示,结果显示:粉粒含量为83.61%,黏粒含量为6.78%。同时参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)测得该黄土的基本物理参数如表1所示。

表1 试验材料物理参数

图2 取土现场照片

图3 试验黄土的级配曲线

边坡模型的试验主体砌筑于木制模型箱中,其具体尺寸为125cm×60cm×30cm(长×宽×高),坡比为双达高速现场施工的1︰1.5和1︰1.75; 试验填土采用分层夯实法,具体分3层进行填筑,填筑过程中控制质量含水率为18.2%,密度为1.88g·cm-3; 边坡模型分为裸坡和骨架边坡两种:(1)裸坡模型直接在模型箱中填筑试验黄土,并在坡面顶端设置隔水塑料板,以阻挡顶端汇集的水流; (2)骨架边坡模型采用拱形骨架结构,包括2个拱形单元,其形状尺寸依据双达高速骨架结构施工文件进行缩尺设计,模型拱形单元的拱圈直径为50cm,高度为60cm,厚度为5cm,如图4所示,图中黄线表示隔水塑料板,以模拟挡水结构; 为模拟实际工程条件,边坡模型填筑完成后,用塑料薄膜覆盖坡面,在室内自然条件下养护24h后进行测试。

图4 骨架边坡模型示意

1.2 试验装置及方案

本次试验采用DIK-6000型人工降雨器,产地日本,由雨滴产生装置、供水箱和控制盘组成,如图5所示,基本技术参数如表2所示,其中雨滴产生装置的尺寸为1.4m×1.4m×2.5m(长×宽×高,除突起部及小脚轮),采用针头喷水加震动模式,降雨均匀度高达95%以上,降雨偏差小于±10%。

表2 人工降雨模拟器的基本技术指标

图5 人工模拟降雨器

临夏地区全年降雨分布不均,呈现集中降雨、持续性干旱的特殊气象条件,降雨集中期约为每年的6～9月,局部强降雨最高可达约60mm·h-1(张锦泉等,2013)。基于此,本次试验方案设计如表3所示。

表3 试验方案设计表

考虑到雨强一定的条件下,1h左右的短阵型降雨侵蚀力较大,更容易诱发土壤侵蚀(乔勇虎等,2017),本次冲蚀试验的持续降雨时间为1h。为确保人工降雨器的降雨均匀性及试验准确性,试验前应进行降雨均匀度测试,以确保均匀度都在90%以上。试验测试的具体步骤为:试验开始后,采用高清晰度摄影实时记录不同降雨时刻的坡面冲蚀情况; 试验过程中,采用水槽承接收集冲蚀径流水样来进行相应指标的测定; 试验结束后,采用刻度尺测量冲蚀深度。

1.3 测定指标及方法

本次试验主要通过含沙量、径流量及累计冲蚀量等指标定量评价骨架边坡的抗冲蚀效果。试验过程中的取样时间间隔安排为:前10min隔1min取1次径流量,10～30min隔2min取1次径流量,30～60min隔3min取1次径流量,每次取样时间为5s。在计算累计冲蚀量时,用前后两次含沙量的平均值来表示该时段的平均含沙量。具体计算公式(晏长根等,2005)如下:

(1)

(2)

2 试验结果分析

2.1 坡面冲蚀过程的对比分析

2.1.1 裸坡的冲蚀过程

图6为坡比1︰1.75的裸坡冲蚀过程。由图6可知,试验初期,降雨对坡面的冲蚀较小,坡面上部开始出现圆形痕迹。随着降雨时间增长至试验结束,坡顶逐渐出现陡坎现象,坡面逐渐出现圆形凹陷,并逐渐明显,坡脚土体出现明显的淘蚀,如图7所示。试验结束后测量可知,坡顶陡坎高度约为6～15mm,坡脚淘蚀最深约为28mm,最宽约为62mm。

图6 裸坡的冲蚀过程

图7 裸坡冲蚀坡面的局部特征(冲蚀60min)

分析认为,冲蚀试验中的坡面损伤主要来自两方面:一方面,雨滴对坡面的溅蚀作用。由于人工模拟降雨器采用震动来控制雨量,且各针管震动的雨滴互不干扰,导致雨滴冲击下形成圆形痕迹,并逐渐演变为圆形凹陷; 另一方面,坡面径流对表层土体的冲蚀作用。随着降雨量不断补给,水流的深度和流速逐渐变大,土体孔隙水压力增强,土颗粒间摩阻力及黏聚力降低,坡面土体产生局部破坏,特别对坡脚土体而言,径流回溯使得该处土体淘蚀破坏加剧。

2.1.2 骨架边坡的冲蚀过程

图8为坡比1︰1.75的骨架边坡冲蚀过程。由图8可知,骨架边坡冲蚀过程与裸坡冲蚀过程具有一定的相似性,如坡顶出现陡坎,坡面局部出现圆形凹陷,坡脚出现一定的淘蚀,但总体来看,骨架边坡坡面冲蚀损伤程度相对裸坡较轻。试验结束后测量可知,坡顶陡坎高度约为4～14mm,而坡脚淘蚀最深约为12mm,最宽约为51mm,相比裸坡降低了57.1%,17.7%。需要强调,试验结束后,骨架结构框格边缘处土体破坏相比坡面中部土体更为严重,如图9所示,这也与骨架防护边坡的侵蚀破坏频发于骨架框格边缘的实际情况(图1)相吻合。

图8 骨架边坡的冲蚀过程

图9 骨架边坡冲蚀坡面的局部特征(冲蚀60min)

分析降雨条件下骨架边坡的冲蚀过程出现这种情况的原因如下:随着降雨初始下渗的快速完成,坡面形成径流,但由于拱圈周围存在挡水结构,上层拱形单元内的径流不是汇集至下层拱形单元内,而是顺着竖向支撑流出,从而使下层拱形单元的坡脚未发生较大的冲蚀; 同时坡面径流还会向两侧流动,而两侧的挡水结构会阻碍水的漫流,导致雨水汇聚在框格边缘形成较为强烈的径流,造成框格边缘的冲蚀作用相比坡面中间土体更为强烈。

2.2 坡面冲蚀含沙量的对比分析

图10为不同边坡模型含沙量随时间的变化曲线。结果表明:(1)当坡比不同时,裸坡及骨架边坡的含沙量均表现出相似的变化规律,即坡比1︰1.5的边坡含沙量大于坡比1︰1.75的边坡; (2)当坡比相同时,随着时间的增长,裸坡和骨架边坡的含沙量增加,而增幅逐渐降低。与此同时,试验过程中的裸坡坡面冲蚀含沙量及增幅始终大于骨架边坡,当冲蚀60min时,裸坡的含沙量为0.128g·mL-1(坡比1︰1.5),0.117g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架边坡的含沙量为0.096g·mL-1(坡比1︰1.5),0.092g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架边坡的含沙量相比裸坡降低了25%(坡比1︰1.5),21.4%(坡比1︰1.75)。分析认为,在降雨初始阶段,边坡坡面形成水膜,表层土颗粒容易悬浮于水膜之中并被水流裹挟流失。对于裸坡而言,冲蚀能量自坡顶至坡脚逐渐增大,并在坡脚处产生涡流,导致坡脚土体受到较强的冲蚀作用,含沙量持续增加; 而对于骨架边坡而言,由于拱形骨架的刚度比周围土体的刚度大,当边坡土体受到冲刷作用时,骨架可率先承受压力或变形,并把本身所承受的负载传导到下方的土层之中,从而削弱框格内土体所承受的外源侵蚀力,使得骨架边坡坡面冲蚀的含沙量相比裸坡降低。

图10 不同边坡模型含沙量随时间的变化曲线

2.3 坡面冲蚀径流量的对比分析

图11为不同边坡模型径流量随时间的变化曲线。结果表明:(1)当坡比不同时,裸坡与骨架边坡的径流量无明显差异; (2)当坡比相同时,试验过程中裸坡的径流量始终大于骨架边坡。随着时间的增长,裸坡的径流量增加,增幅有所降低,而骨架边坡的径流量先增加后稳定。当冲蚀60min时,裸坡坡面的径流量为110.0 mL·s-1(坡比1︰1.5),102.0 mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架边坡坡面的径流量为73.0mL·s-1(坡比1︰1.5),70.0mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架边坡的径流量同比裸坡降低了33.6%(坡比1︰1.5),31.4%(坡比1︰1.75)。分析认为,试验初始阶段,坡面土体未达到饱和,大部分雨水渗入坡体内部,导致坡面径流量较小。随着降雨的持续发生,裸坡坡面的雨水入渗过程逐渐完全,坡面土体趋于饱和,坡面径流量不断增加,且伴随坡面破坏,坡面的粗糙度不断增大,一定程度上抑制径流量的增长(Zhang et al.,2008)。相比之下,骨架边坡坡面径流由于还会受到框格单元凸起的阻隔作用,将汇集至骨架砌块的排水通道上,从临近的排水通道流走,总体起到一定的截流、挡水及分流作用,从而使得骨架边坡的径流量较低。

图11 不同边坡模型径流量随时间的变化曲线

2.4 坡面冲蚀累计冲蚀量的对比分析

图12为不同边坡模型累计冲蚀量随时间的变化曲线。结果表明:不同边坡模型的累计冲蚀量总体呈现出相似的变化趋势,即随着时间增长而增加。冲蚀初始,不同边坡模型的累计冲蚀量无明显差异; 冲蚀13min时,坡比1︰1.5的边坡累计冲蚀量大于坡比1︰1.75的边坡,裸坡坡面的累计冲蚀量大于骨架边坡坡面; 冲蚀30min后,裸坡坡面累计冲蚀量的增长速率继续增加,但骨架边坡累计冲蚀量的增长速率趋于稳定; 冲蚀60min时,裸坡坡面的累计冲蚀量为36.5kg(坡比1︰1.5),30.0kg(坡比1︰1.75),骨架边坡坡面的累计冲蚀量为20.6kg(坡比1︰1.75),18.0kg(坡比1︰1.75),骨架边坡的累计冲蚀量相比裸坡降低了43.6%(坡比1︰1.5),40.0%(坡比1︰1.75)。分析认为,骨架结构在限制土颗粒运移和削弱雨水冲蚀等方面起到了促进作用,同时其截水型骨架节点可以对坡面径流发挥截流、挡水及分流作用,宏观表现为骨架防护边坡的坡面具有一定的抗降雨冲蚀能力。

图12 不同边坡模型累计冲蚀量随时间的变化曲线

3 骨架关键部位的坡面冲蚀规律

公路边坡的冲蚀病害往往不是在一次降雨后就会形成,而是经历多次降雨逐渐累积形成的。因此,为更好模拟实际工程条件,基于前文试验结果(骨架边坡,坡比1︰1.75),在次日进行30min同等条件的冲蚀试验。试验过程中着重观察拱形骨架两端尖角及中间拱顶等骨架关键部位处的坡面冲蚀现象,厘清骨架边坡关键部位的坡面冲蚀规律,如图13所示。

图13 骨架关键部位示意

图14～图15为骨架尖角与拱顶的冲蚀历程。由图14～图15可知,骨架边坡关键部位的初次冲蚀历程与黄晓虎等(2015)、杜婷婷等(2018)的试验结果较为一致,归纳为:溅蚀、片蚀、细沟侵蚀、切沟侵蚀4个阶段。具体描述如下:

图14 骨架尖角冲蚀历程

图15 骨架拱顶冲蚀历程

试验初期,坡面发生雨水溅蚀,但由于时间较短,且前文已提及,此处不在赘述。随着降雨时间增长,关键部位处的土体逐渐饱和,孔隙水压力逐渐增强,土粒逐渐悬浮于水膜中,又被水流裹挟,在边坡表面留下鳞片状的细小沟纹及纹状沟纹,形成片蚀(宋朋燃,2013),如图14a、图15a所示。此后,关键部位边缘处的径流不断汇集,其径流量和冲蚀能量随之增强,且由于溅击和片蚀而形成的凹陷对水流具有引流作用,使其在优势通道内容易形成小型沟状股流,即为细沟侵蚀。然而,由于拱圈较强的刚度及骨架节点的分流作用,削弱了雨水的冲蚀能量,导致关键部位处的细沟侵蚀分布较少。随着试验继续进行,关键部位处的土体持续软化,表层凹陷愈加明显,一些沟壁由于局部失稳而坍塌,并逐渐发展成切沟侵蚀,呈“梯田”状(图14b、图14c)或“孔洞”状(图15b、图15c)。而骨架边坡关键部位的次日冲蚀历程可分为:溅蚀、片蚀、切沟侵蚀3个阶段,即关键部位处的土体饱和形成片蚀后,将直接进入切沟侵蚀阶段,如图14d、图15d所示。此后,随着切沟下切侵蚀的不断发展,水流发生回溯,不断侵蚀关键部位边缘处较深层的土体,表层土体产生坍塌,沟蚀深度逐渐加深,形成多条“V”字形切沟,如图14e、图15e所示。

对比骨架尖角处和拱顶处的最终冲蚀状况发现,尖角处的冲蚀深度和切沟发育情况要比拱顶处更为强烈。分析认为,这是由于尖角截面的突然变小,水流的流速明显增强,螺旋流、漩涡明显增多,加之挡水结构所导致的边缘汇流加剧,使得尖角及其边缘土体冲蚀更为明显。

4 强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制探讨

以上试验结果显示,强降雨冲刷作用对坡比1︰1.5的边坡影响大于坡比1︰1.75的边坡,对裸坡影响大于骨架防护边坡,对骨架框格边缘土体影响大于对框格中间土体,对骨架尖角处土体影响大于拱顶处土体,这说明骨架结构对边坡具有一定的防护效力,但骨架尖角和拱顶处仍存在着侵蚀破坏的隐患。在强降雨冲刷过程中,裸坡受到雨滴溅蚀、径流冲刷及雨水入渗软化的影响,其含沙量、径流量及累计冲蚀量逐渐增大,坡面变化相对明显,具体表现为:坡顶产生陡坎,坡面局部出现圆形凹陷,坡底淘蚀明显。对比来看,强降雨冲刷条件下骨架边坡模型的含沙量、径流量及累计冲蚀量的变化趋势与裸坡模型的变化趋势较为相似,但骨架边坡的相应指标数值明显较低,且其坡面变化主要集中于拱顶和尖角处,存在着陡坎、圆形凹陷和淘蚀。

由以上分析,可将强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制归纳如下:当骨架结构砌筑在黄土工程边坡上时,由于骨架结构的刚度相较于其周围土体较强,骨架结构将率先承受雨水冲刷的压力或变形,并把自身所承受的负载传导至下方土层,从而削弱框格内土体所承受的外营力; 另外,在骨架结构的截流、挡水及分流效应下,坡面径流汇集至骨架砌块的排水通道上,并从临近的排水通道流走,使得坡面径流对表层土体的冲刷作用降低,但也使得雨水汇聚在框格边缘形成较大的水流,造成框格边缘土体受到较为强烈的冲蚀作用,一般情况下可忽略,总体起到较好的坡面防护作用。夏末秋初,临夏地区降雨集中,局部有强降雨突发,受强降雨天气条件影响,骨架结构的框格边缘土体受到的冲蚀作用加剧,尤其是骨架尖角的截面突然减小,使得水流流速增强,螺旋流、漩涡增多,加之挡水结构所导致的边缘汇流,致使该处土体出现溅蚀-片蚀-细沟侵蚀-切沟侵蚀(初次冲刷),或溅蚀-片蚀-切沟侵蚀(再次冲刷)的坡面冲蚀历程。反复的强降雨作用使得切沟下切侵蚀不断发展,水流回溯,表层土体逐渐被掏空,产生贯通形成新的排水通道,而坡面径流将优先沿排水通道流动,容易使得骨架下方的支撑土体侵蚀破坏,造成骨架结构的局部悬空。

因此,在实际工程应用中应充分考虑骨架结构关键部位处土体的防护,还应重点关注现行骨架防护边坡服役期间普遍发生的坡面局部侵蚀破坏问题,如在骨架施工后应检查拱圈与土体间是否存在空隙,若施工空隙太大,则需采用挤密或回填改性土。同时为减少骨架防护边坡侵蚀破坏的发生,建议采取以下措施:可在骨架框格内植草,通过植物茎叶削弱雨滴的冲击能量,减缓泥浆溅散的速度; 也可在骨架框格内设置土工格室,从而增加径流长度,避免径流集中冲蚀; 还可考虑改变骨架的形状,尽量采用圆角处理,以避免出现水流集中等现象; 更可在骨架框格内涂抹生态防护材料,如胶-筋固化黄土(贾卓龙等,2022),在改善坡面土体稳定性同时,提供适宜植物生长的土壤环境。

5 结 论

本文通过开展人工模拟降雨冲蚀模型试验,对比分析了裸坡和骨架边坡的坡面冲蚀过程、含沙量、径流量及累计冲蚀量,探讨了骨架结构的防护效果,厘清了骨架关键部位的坡面冲蚀规律,揭示了强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制。主要得出以下结论:

(1)骨架结构对于黄土边坡具有一定的防护效力,但其框格边缘土体存在侵蚀破坏的安全隐患。随着降雨时间增长,裸坡和骨架边坡的含沙量、径流量及累计冲蚀量均逐渐增加。相比裸坡,冲蚀60min时骨架边坡的含沙量降低25%(坡比1︰1.5),21.4%(坡比1︰1.75),径流量降低33.8%(坡比1︰1.5),31.1%(坡比1︰1.75),累计冲蚀量降低43.6%(坡比1︰1.5),39.7%(坡比1︰1.75)。

(2)骨架尖角和拱顶等关键部位处的土体所承受的雨水冲刷作用相比框格中间的土体更强,尤其是尖角处的冲蚀深度和切沟发育情况相对更为明显,其边缘土体的冲蚀演化历程归纳为:溅蚀-片蚀-细沟侵蚀-切沟侵蚀(初次冲刷),或溅蚀-片蚀-切沟侵蚀(再次冲刷)。

(3)在强降雨条件下,骨架结构会限制土颗粒运移、削弱雨水冲蚀,并对坡面径流起到截流、挡水及分流作用,但也会在骨架关键部位,尤其是尖角处产生较为明显地“边缘汇流”现象,容易造成骨架竖向支撑下方土体侵蚀破坏,造成骨架结构的局部悬空。有关骨架防护边坡坡面损伤的修复及预防等方面有待进一步研究。