降雨對黃土路基邊坡的沖刷規(guī)律

張 雁，高樹增，閆超群,2，黃 升，劉 彬，方新海，葛宜倫

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院,內(nèi)蒙古，呼和浩特 010018;2.中交第四公路工程有限公司,北京 100022;3.內(nèi)蒙古高等級公路建設開發(fā)有限責任公司呼和浩特分公司,內(nèi)蒙古，呼和浩特 010070)

降雨對黃土路基邊坡的沖刷規(guī)律

張 雁1，高樹增1，閆超群1,2，黃 升1，劉 彬1，方新海1，葛宜倫3

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院,內(nèi)蒙古，呼和浩特 010018;2.中交第四公路工程有限公司,北京 100022;3.內(nèi)蒙古高等級公路建設開發(fā)有限責任公司呼和浩特分公司,內(nèi)蒙古，呼和浩特 010070)

針對干旱半干旱地區(qū)分布的黃土，利用室內(nèi)路基模型通過沖刷試驗，研究路基降雨沖刷破壞的過程，并利用PFC進行流-固耦合模擬，旨在研究黃土路基遭受水流侵蝕的坡面沖刷規(guī)律，找出適用路基抗雨水沖刷穩(wěn)定性的邊坡坡率。路基模型的邊坡坡率為1∶0.50、1∶0.70、1∶1.00、1∶1.50、1∶1.75五個等級，模擬的降雨強度按4.0 mm/min、5.0 mm/min、7.0 mm/min、8.5 mm/min、10.0 mm/min五個等級，降雨歷時30 min，進行室內(nèi)降雨沖刷試驗和PFC顆粒流模擬試驗。獲得不同降雨強度和邊坡坡率條件下，降雨0 min、1 min、10 min、20 min、30 min的室內(nèi)降雨沖刷坡面性狀圖片和PFC軟件模擬的顆粒位移量，降雨30 min后坡面沖蝕的泥沙量。結(jié)果表明，不同的邊坡坡率、降雨強度、降雨歷時影響路基邊坡坡面的沖刷量，適宜干旱半干旱地區(qū)黃土路基邊坡坡率為1∶1.50～1∶1.75。

黃土路基邊坡；降雨沖刷；降雨強度；顆粒流模擬

黃土孔隙大，抗水性差，在降雨條件下易發(fā)生沖刷、剝落、滑坡等工程病害，因此研究黃土在降雨條件下的水穩(wěn)定性對于黃土地區(qū)的公路工程建設具有重要意義。目前國內(nèi)外關(guān)于黃土受水影響的工程性質(zhì)研究主要有：通過室內(nèi)模擬試驗研究黃土構(gòu)筑物的長期滲流作用、不同pH值滲流溶液對土體短期強度的影響，以及酸性溶液長期滲流作用下土中碳酸鈣含量與抗剪強度之間的關(guān)系[1]；壓實黃土在不同含水率下的固結(jié)性和抗剪性能[2]；黃土邊坡坡面降雨沖刷破壞特征的室內(nèi)模擬，運用PFC2D顆粒流軟件對黃土邊坡降雨沖刷過程進行流-固耦合模擬，從微觀角度分析研究坡體顆粒運動軌跡[3]；通過黃土邊坡的降雨、應力、位移、沖刷情況，得到降雨沖刷過程中入滲的水分含量對黃土滑坡的影響，以及未經(jīng)防護的黃土邊坡坡面形態(tài)在降雨沖刷作用下的變化規(guī)律[4]；在室內(nèi)模型模擬黃土坡面的沖刷破壞過程，根據(jù)影響坡面沖刷破壞過程的因素，分析坡面沖刷過程中土顆粒的受力及破壞機理[5]；對黃土的水-土力學耦合問題的研究[6]；非飽和黃土邊坡浸水后的含水率及水分擴散的研究[7-8]；分析降水條件下黃土的浸水條件和機理[9]；通過室內(nèi)黃土邊坡模型試驗研究不同流量大坡面徑流的含沙量和產(chǎn)沙量的規(guī)律[10]；模擬降雨室內(nèi)黃土邊坡受雨水侵蝕的特征及規(guī)律研究[11-13]；借用室內(nèi)模擬降雨設備研究邊坡坡面降雨沖刷破壞機制[13]；分析黃土邊坡坡度與水之間的作用關(guān)系[14]；用離心模型試驗研究黃土公路邊坡穩(wěn)定性[15]；用數(shù)值分析法FLAC進行黃土邊坡穩(wěn)定性分析[16]?？偨Y(jié)前人的研究成果，黃土路基邊坡坡面在降雨沖刷破壞過程中，降雨強度、降雨時長、坡度、坡長對黃土路基邊坡的穩(wěn)定性有較大影響，多數(shù)是從降雨對黃土坡面沖刷關(guān)系方面進行研究。本研究針對內(nèi)蒙古中部和山西省北部交界處清水河地區(qū)分布的黃土，依托內(nèi)蒙古地區(qū)清水河境內(nèi)路基工程項目，利用室內(nèi)路基模型沖刷試驗，研究路基沖刷剝落破壞的形態(tài)，利用PFC軟件進行流-固耦合模擬，分析黃土路基邊坡坡面遭受水流侵蝕的破壞規(guī)律，確定合理路基邊坡坡率，為黃土地區(qū)路基工程施工提出合理化建議。

1 材料及試驗方法

試驗用黃土取自內(nèi)蒙古清水河縣境內(nèi)路基土樣，按照試驗規(guī)程[17]中的方法，在室內(nèi)進行基本物理性質(zhì)指標試驗及顆粒分析，結(jié)果見表1。

表1 黃土的性質(zhì)

由表1試驗數(shù)據(jù)可判別此黃土為低液限粉質(zhì)黏土。按照最佳含水率拌制土樣，采用擊實法成型試件，高 170 mm，直徑152 mm，沖刷邊坡表面積為0.018 m2。

本研究采用下噴式人工降雨裝置(圖1)。噴頭噴出的雨霧應盡可能快速均勻，降雨最大徑流為152 mm；降雨裝置采用自來水泵供水，透明塑料軟管連接霧狀噴頭，噴頭距試件表面為30 cm；通過調(diào)節(jié)閥門控制降雨時間和降雨強度，降雨強度范圍為 4.0～10.0 mm/min，可模擬黃土高原的高強度降雨過程；通過調(diào)節(jié)墊塊和試件的角度，易于制成不同邊坡坡率的路基模型，路基邊坡坡率設計為1∶0.50，1∶0.70，1∶1.00，1∶1.50，1∶1.75；觀察降雨歷時30 min的沖刷坡面，用托盤接取時間間隔為1 min，5 min，10 min，20 min，30 min的沖蝕泥沙，計算沖刷量。

圖1 降雨沖刷裝置Fig.1 Rainfall flushing device

采用PFC軟件進行模擬路基邊坡沖刷試驗，研究黃土路基遭受水流侵蝕的坡面沖刷規(guī)律，確定適用于干旱半干旱地區(qū)黃土路基抗雨水沖刷穩(wěn)定性的邊坡坡率。

2 降雨沖刷試驗及結(jié)果

按照降雨沖刷試驗裝置進行坡面沖刷試驗，調(diào)整不同降雨強度和沖刷時間，觀測沖刷坡面狀態(tài)，接取沖刷歷時30 min的泥沙。

2.1 不同沖刷時間的邊坡沖刷

以降雨強度4.0 mm/min，坡度1∶1.50為例，不同沖刷時間條件下坡面沖刷情況見圖2。

圖2 不同歷時的坡面沖刷狀態(tài)Fig.2 Scouring state of slopes under different scouring time

由圖2看出，降雨歷時1 min時黃土表面有沖刷痕跡，黃土顆粒被水流帶走；5 min時沖蝕情況已較為明顯，有明顯沖溝，下部破壞比上部更加嚴重，溝深約2 mm；降雨10 min時黃土坡面沖刷更加嚴重，底部出現(xiàn)深約3 mm坑槽；降雨20 min時底部已經(jīng)產(chǎn)生多處細溝；降雨30 min時下部出現(xiàn)深溝約5 mm。

2.2 不同降雨強度的邊坡沖刷

降雨沖刷試驗后觀察發(fā)現(xiàn)同一沖刷時間同一坡度時，隨著降雨強度的增大，試件的沖刷破壞越來越嚴重，溝深從2～10 mm，隨著降雨強度的增大逐漸加深。以降雨歷時30 min，坡度1∶1.50為例，不同降雨強度的沖刷條件下坡面沖刷情況見圖3。

圖3 不同降雨強度的沖刷圖片(單位為：mm/min)Fig.3 Scouring pictures under different rainfall intensity

由圖3看出，同一沖刷時間同一坡度時，隨著降雨強度的增大，試件的沖刷狀況越來越嚴重。

2.3 不同坡度的邊坡沖刷

降雨沖刷試驗后觀察發(fā)現(xiàn)同一沖刷時間同一降雨強度時，坡率越大受到的沖刷越嚴重，1∶0.50的坡面大面積出現(xiàn)大于5 mm的深溝。以降雨歷時30 min，降雨強度5.0 mm/h，不同坡度條件下坡面沖刷情況見圖4。

圖4 不同坡率的沖刷圖片F(xiàn)ig.4 Scouring pictures under different slope

由圖4可知：同一沖刷時間同一降雨強度時，1∶0.70坡率受到的沖刷最為嚴重。

2.4 沖刷試驗結(jié)果分析

根據(jù)降雨沖刷歷時30 min，測定沖蝕下來的泥沙質(zhì)量，繪制坡率、沖刷強度與沖刷泥沙量之間的關(guān)系見圖5、圖6。

圖5 沖刷泥沙量與坡率的關(guān)系Fig.5 Relation of slope and sand mass

圖6 降雨強度與沖刷的泥沙質(zhì)量的關(guān)系Fig.6 Relation of rainfall intensity and sand mass

由圖5看出，不同降雨沖刷條件下，沖刷的泥沙質(zhì)量峰值都對應一個坡率，坡率小于和大于此值，沖刷泥沙質(zhì)量都較小，雨水對峰值對應的邊坡表面沖刷作用最大，峰值大多集中在1∶0.70～1∶1.30，因此在黃土邊坡坡率設計中，同時考慮到邊坡的穩(wěn)定性，邊坡坡率可選擇小于1∶1.30為宜。

由圖6看出，不同邊坡坡率條件下，沖刷泥沙量總體趨勢隨著降雨強度增加而增加，其中坡率為1∶1.00的邊坡沖刷量較大，且在降雨強度為8.5 mm/min時達到峰值；邊坡坡率為1∶0.50的坡面沖刷量較小；其余幾個坡率的坡面沖刷量近似；坡率為1∶1.75的坡面也存在一個峰值，約在降雨強度為8.5 mm/min處，對于坡率為1∶1.50的坡面，當降雨強度超過5.5 mm/min后，隨降雨強度的增加沖刷泥沙量增加較為緩慢。

通過軟件PFC模擬結(jié)果計算得到不同坡率的顆粒位移數(shù)量并計算沖刷率，隨著沖刷時間延長不同降雨強度下不同邊坡的沖刷率見圖7。

由圖7看出，不同邊坡坡率在不同降雨沖刷條件下，沖刷率變化可分為三個階段，在0～1 min階段，沖刷率極具增加；1～10 min相對變緩；大于10 min的沖刷率平穩(wěn)。在沖刷時間為0～10 min之內(nèi)沖刷率顯著增加，沖刷10 min后趨于平穩(wěn)。邊坡坡率大于1∶1.00的邊坡沖刷率較大，1∶1.50和1∶1.75兩個邊坡坡率的沖刷率較小。由于路基土是經(jīng)過壓實成型，在沖刷起始階段，沖刷較為嚴重是邊坡坡面和靠近坡面部分的土體受到雨水的沖刷而首先滑動；在經(jīng)歷時間延長之后，沖刷率降低是由于坡面內(nèi)部土體密實，抵抗沖刷破壞的能力較強，所以沖刷率比前期小。

圖7 不同邊坡坡率下沖刷時間與沖刷率間的關(guān)系Fig.7 Relationship between scouring time and scouring rate under different slopes

3 顆粒流模擬

降雨沖刷過程中雨水的滲透力使土體變形，變形的土體又對滲流區(qū)域產(chǎn)生影響，降雨與土顆粒之間形成復雜的非線性力學特性。本次顆粒流模擬試驗的關(guān)鍵是降雨沖刷時水的作用，顆粒流PFC計算程序中利用流-固耦合模型來考慮流體的作用。路基邊坡模型為三角形，斜邊為受降雨沖刷的邊坡。三角形內(nèi)圓盤模擬的黃土顆粒粒徑和密度與室內(nèi)沖刷試驗保持一致，起始圓盤數(shù)量見表2；顆粒流模型的顆粒、墻及水的參數(shù)見表3和表4。

表2 圓盤數(shù)量Table 2 Number of disk

表3 顆粒模型參數(shù)Table 3 Parameters of particles

表4 墻及模型參數(shù)Table 4 Parameters of wall and watert

3.1 不同沖刷時間的顆粒位移

以降雨強度4.0 mm/min，坡度1∶1.50為例，不同沖刷時間條件下的顆粒位移見圖8。

圖8 不同沖刷時間的顆粒位移Fig.8 Particle displacement under different scouring time

由圖8可知，沖刷歷時1 min，坡頂以下約1/4坡面以上的顆粒首先被沖刷下來移動至坡腳之外；隨著降雨歷時延長，被沖刷面積由坡頂向下延伸至1/2坡面，在1/2坡面至坡腳區(qū)段內(nèi)有沖刷下來的顆粒堆積；當歷時30 min時，沖刷量最大，且有大量顆粒被水流帶走移動至坡腳之外。

3.2 不同降雨強度的顆粒位移

以降雨歷時30 min，坡度1∶1.50為例，不同降雨強度條件下的顆粒位移見圖9。

圖9 不同降雨強度的顆粒位移(單位為：mm/min)Fig.9 The particles displacement under different rainfall

由圖9看出，沖刷面積由坡頂向下延伸至1/2坡面，在1/2坡面至坡腳區(qū)段內(nèi)有大量的顆粒堆積；不同的降雨強度的沖刷狀態(tài)差別不太明顯。

3.3 不同坡度的顆粒位移

降雨歷時30 min，降雨強度5.0 mm/min，不同邊坡坡率的顆粒位移見圖10。

圖10 不同邊坡坡率的顆粒位移Fig.10 The particles displacement under different slope

由圖10可看出，1∶1.75和1∶1.50兩個坡率的邊坡沖刷面積由坡頂向下延伸至1/2坡面，而1∶1.00、1∶0.70、1∶0.50三個坡面的沖刷面積從坡頂至距坡腳1/3處，且有較大量的顆粒堆積于坡腳處。

3.4 顆粒位移分析

由顆粒位移軌跡得出，位于邊坡坡頂處土顆粒首先在降雨沖刷下隨著水流剝蝕，隨著沖刷時間的延長、降雨沖刷強度的增加、邊坡坡率的增大，逐漸沿著邊坡坡頂向下發(fā)展。

3.5 不同邊坡不同降雨強度條件下沖刷率分析

根據(jù)PFC顆粒流模擬結(jié)果繪制沖刷歷時30 min的不同邊坡坡率不同降雨強度條件下沖刷率見圖11。

圖11 不同邊坡坡率不同降雨強度條件下的沖刷率Fig.11 Erosion rate of different slope ratio under different rainfall intensity

由圖11可知，降雨歷時30 min，隨著邊坡坡率減小，沖刷率隨著邊坡坡率減小而減少。其中邊坡坡率為1∶1.50和1∶1.75兩個邊坡的沖刷率受到降雨強度的影響較小。

顆粒流模擬試驗和室內(nèi)試驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)二者在試件破壞過程經(jīng)歷的階段類似，通過以上數(shù)據(jù)分析得出合理的邊坡坡率可選1∶1.50～1∶1.75。因此在黃土地區(qū)路基邊坡設計中首先考慮使用顆粒流模擬試驗的方法進行邊坡的設計是一種經(jīng)濟可靠的方法。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)降雨沖刷試驗及顆粒流模擬的數(shù)據(jù)分析，確定了不同降雨強度，不同邊坡坡度的黃土路基在雨水沖蝕下的變化規(guī)律為：

(1)同一降雨強度同一邊坡坡度時，黃土路基在降雨沖刷下的沖蝕量隨著降雨歷時的延長而加重。同一沖刷時間同一邊坡坡度條件下，隨著降雨強度的增大，試件的沖刷狀況更加嚴重。同一沖刷時間同一降雨強度時，黃土路基在降雨沖刷下的沖蝕量隨著坡度的增大而呈曲線變化。

(2)通過顆粒流模擬試驗分析，確定了不同降雨強度，不同坡度的黃土路基在雨水沖蝕下顆粒的位移情況，同一降雨強度同一坡度時，黃土路基在降雨沖刷下顆粒的位移隨著降雨歷時的延長而越加嚴重。同一沖刷時間同一坡度時，隨著降雨強度的增大，試件中的顆粒位移狀況越加嚴重，歷時30 min沖刷程度減少。同一沖刷時間同一降雨強度時，降雨沖刷顆粒位移相對增長率對于邊坡坡率為1∶0.60時較大，1∶1.75的沖刷較小，大于1∶1.75的沖刷均較大。

(3)室內(nèi)降雨沖刷試驗和PFC顆粒流軟件模擬試驗結(jié)果具有一致性，位于邊坡坡頂處土顆粒首先在降雨沖刷下受到剝蝕，隨著沖刷時間的延長、降雨沖刷強度的增加、邊坡坡率的增大，逐漸沿著邊坡坡頂向下發(fā)展，最終坡頂處的破損最為嚴重，因此在工程中應加強坡頂處路基的防護。確定清水河地區(qū)黃土適宜的路基邊坡坡率為1∶1.50～1∶1.75。

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Rainfallerosiononloesssubgradeslopes

ZHANG Yan1， GAO Shuzeng1, YAN Chaoqun1,2，HUANG Sheng1，LIU Bin1，F(xiàn)ANG Xinhai1，GE Yilun3

(1.CollegeofEnergyandTrafficEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China;2.TheFourthHighwayEngineeringco.,Ltd.,Beijing100022,China; 3.Hohhotbranch,InnerMongoliaHighwayConstructionandDevelopmentCo.,Ltd.,Huhhot,InnerMongolia010070,China)

In view of the the loess in arid and semi-arid regions, the process of erosion and damage of subgrade was researched by indoor subgrade model scouring test and PFC fluid solid coupling simulation.It is aim at to study on the law of erosion on the slope of the Loess subgrade and find the slope rate of the application of the stability of the subgrade against the rain.Tndoor subgrade model scouring test and PFC fluid solid coupling simulation were carried out with five varing slopes of 1∶0.50, 1∶0.70, 1∶1.00, 1∶1.50, 1∶1.75 and five rainfall intensities of 4.0 mm/min, 5.0 mm/min, 7.0 mm/min, 8.5 mm/min, 10.0 mm/minfive, and rainfall duration 30 min. Indoor rainfall erosion slope characteristics, PFC software simulation of the number of moving particles,and erosion quantity of slope after rainfall 30 min were obtained under different rainfall intensity and slope rate. Results show that different slope rate, rainfall intensity and rainfall duration affect the amount of erosion on the slope surface, and suitable for arid and semi arid area of loess subgrade slope rate was 1∶1.50～1∶1.75.

loess subgrade slopes; rainfall erosion; rainfall intensity; particle flow simulation

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.06

U416.1

A

1003-8035(2017)04-0034-06

2016-12-03;

2016-12-17

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目(2012MS0613)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學生創(chuàng)新基金項目

張 雁(1971-)，女，教授，研究方向為道路材料及路基性能。E-mail：zhangyanli@imau.edu.cn