高速公路路基邊坡的沖刷與防護(hù)措施分析

高英樹

摘要 文章利用離散元PFC建立路基邊坡模型，明確壓實(shí)度、沖刷速度與沖刷時(shí)間對(duì)路基邊坡沖刷深度的影響。結(jié)論如下：砂性土路基邊坡沖刷深度主要受壓實(shí)度、沖刷時(shí)間和沖刷速度的影響。隨著壓實(shí)度增加砂性土邊坡模型中顆粒位移和沖刷量逐漸減小;從模擬結(jié)果可知，砂性土邊坡沖刷深度隨著壓實(shí)度的增大逐漸降低，隨著沖刷時(shí)間與沖刷速度的減小，路基邊坡的沖刷深度逐漸減低。

關(guān)鍵詞 路基邊坡;沖刷;防護(hù);PFC數(shù)值模擬

中圖分類號(hào) P64222 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0175-03

0 引言

我國(guó)關(guān)于公路水毀災(zāi)害研究較多，內(nèi)容比較廣泛。公路水毀的研究主要集中在水毀產(chǎn)生的原因和防護(hù)措施兩個(gè)方面。針對(duì)定性公路水毀原因以及基于實(shí)踐提出的防護(hù)措施的研究存在不足，分析不夠深入。

Tsuji等[1]最先使用離散元（PFC）方法模擬氣體在固體介質(zhì)顆粒中的運(yùn)動(dòng)。Shamy等[2]首次在巖土工程中使用流固耦合分析方法研究滲流影響。黃潤(rùn)秋[3]研究云南山區(qū)的公路水毀破壞特點(diǎn)，劃分水毀環(huán)境，進(jìn)行預(yù)報(bào)并給出相應(yīng)防災(zāi)對(duì)策。熊傳祥[4]使用流固耦合的分析方法，在模型邊界條件上設(shè)置壓力實(shí)行降雨，結(jié)果表明離散元（PFC）計(jì)算中使用流固耦合方法研究崩崗的過程是可行的。宋朋燃等[5]利用流固耦合的分析方法對(duì)降雨條件下邊坡的沖刷建立離散元（PFC）三維模型，對(duì)邊坡沖刷侵蝕的作用過程進(jìn)行整理歸納，分析降雨過程中路基邊坡的沖刷深度與水流的侵蝕力分布。劉興旺[6]研究路基邊坡雨水入滲過程與穩(wěn)定狀態(tài)，通過分析路基邊坡土體中滲透力的作用完成了不同降雨情況下的穩(wěn)定性研究。

離散元（PFC）仿真既可以用在不連續(xù)的大變形中，也可應(yīng)用在土顆粒受力與運(yùn)動(dòng)中。鑒于此，利用離散元（PFC）計(jì)算理論建立路基邊坡模型，仿真模型建立的重點(diǎn)是建模過程和參數(shù)選取，選取坡比1∶1.5路基邊坡，明確壓實(shí)度、沖刷速度與沖刷時(shí)間對(duì)路基邊坡沖刷深度的影響。

1 路基邊坡沖刷特性的仿真模擬

1.1 計(jì)算數(shù)值模型

模型如圖1，材料參數(shù)如表1所示。

建立模型第一步使土顆粒處于密實(shí)狀態(tài)，接下來讓所有粒子的半徑均勻減小，目的是使試樣達(dá)到目標(biāo)初始?jí)簯?yīng)力;下一步將浮點(diǎn)粒子與附近接觸少于三個(gè)的粒子刪除，通過粒子的刪除得到需要的孔隙率，此處模型孔隙率為0.1;再根據(jù)不同的壓實(shí)度要求將試樣中的小的顆粒刪除，得到需要的邊坡模型;最后給土顆粒施加一個(gè)沖刷速度，在沖刷條件下邊坡顆粒被剝落、搬移，模擬出路基邊坡的沖刷過程?？紤]到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，盡量在減小粒子尺寸的條件下將生成模型放大，目的是多生成土顆粒方便路基邊坡沖刷破壞的模擬。最終土顆粒的最小半徑為0.8 mm，最大為12 mm，路基邊坡生成4 125個(gè)顆粒單元。

1.2 實(shí)現(xiàn)過程

路基邊坡的沖刷深度受土體性質(zhì)、壓實(shí)度、沖刷時(shí)間與速度的影響比較大，因此，路基邊坡模擬將考慮不同因素對(duì)路基邊坡的沖刷影響。通過PFC內(nèi)置命令可以在生成模型時(shí)控制生成粒子的孔隙率，由于孔隙率與壓實(shí)度的關(guān)系得到壓實(shí)度。PFC軟件內(nèi)置有Fish程序語(yǔ)言，通過Fish程序語(yǔ)言中的條件循環(huán)函數(shù)在模擬實(shí)驗(yàn)開始時(shí)選擇邊坡表面顆粒、并通過命令賦予顆粒的初始速度，再利用函數(shù)控制粒子的重度，使其不斷地增加。以步長(zhǎng)為循環(huán)條件來重復(fù)識(shí)別邊坡表面粒子使其達(dá)到模擬實(shí)際邊坡沖刷效果，通過命令獲取沖刷一定時(shí)間后邊坡表面球體到傾斜墻體的距離。當(dāng)邊坡表面上顆粒遇水沖刷時(shí)，水會(huì)帶給土顆粒一定初速度，并且水滲入土體。隨著土體逐漸變得飽和，土顆粒重度也會(huì)隨之增大，所以增加一定速度與重度可以合理地模擬沖刷。

路基邊坡沖刷過程實(shí)現(xiàn)：

（1）邊坡顆粒模型的生成。

（2）對(duì)所有土顆粒賦予接觸。

（3）對(duì)路基邊坡坡面上的土顆粒進(jìn)行識(shí)別、分組與假設(shè)。

（4）刪除路基邊坡模型試樣的頂墻，設(shè)定邊坡便面顆粒的增重與速度，開始計(jì)算。

模型中邊坡土體選取砂性土，邊坡壓實(shí)度為80%、85%和90%，在水流沖刷速度分別為0.1 cm/s、0.16 cm/s和0.2 cm/s的條件下，給出路基邊坡的沖刷過程結(jié)果，文中選取坡比1∶1.5邊坡模型，給出路基邊坡沖刷過程中的不同形態(tài)，每過程以100 000步為單位。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)邊坡沖刷深度影響

路基邊坡沖刷深度與壓實(shí)度大小有關(guān)，路基邊坡上從坡頂?shù)狡碌拙鶆蛟O(shè)置測(cè)量點(diǎn)，其他條件相同情況下，測(cè)得不同壓實(shí)度的路基邊坡沖刷深度。

圖2可以看出，砂性土邊坡的沖刷深度較大，壓實(shí)度與沖刷深度的變化趨勢(shì)相反。在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)處，80%壓實(shí)度邊坡的沖刷深度最大，85%壓實(shí)度邊坡的沖刷深度較前一壓實(shí)度的沖刷深度小，90%壓實(shí)度邊坡的沖刷深度最小，表明隨著壓實(shí)度的增大路基邊坡各點(diǎn)處的沖刷深度逐漸減小。

2.2 沖刷時(shí)間對(duì)路基邊坡沖刷深度的影響

由圖3可知，砂性土路基邊坡的沖刷深度都隨著沖刷時(shí)間的增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

0～3 min時(shí)間內(nèi)曲線增長(zhǎng)緩慢，路基邊坡的沖刷深度較小，3～6 min曲線增長(zhǎng)變化劇烈，路基邊坡沖刷深度驟增，6 min以后曲線繼續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，邊坡沖刷深度緩慢增大。

2.3 沖刷速度對(duì)路基邊坡沖刷深度的影響

圖4是砂性土路基邊坡沖刷深度與沖刷速度的變化曲線圖。

由圖可知，邊坡沖刷深度都呈現(xiàn)遞增變化，隨著水流沖刷速度的增大路基邊坡的沖刷深度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。相同時(shí)間內(nèi)，0.2 cm/s流速條件下路基邊坡的沖刷深度最大，增長(zhǎng)迅速，水流速度降到0.16 cm/s時(shí)，沖刷深度明顯減小，曲線增長(zhǎng)變慢，0.1 cm/s流速下邊坡沖刷深度最小，相比于0.2 cm/s流速?zèng)_刷深度幾乎減小了一倍。由此可見，隨著水流沖刷速度減小路基邊坡沖刷深度逐漸降低。

3 高速公路路基邊坡沖刷防護(hù)措施

路基邊坡沖刷破壞的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一個(gè)具有復(fù)雜性的評(píng)價(jià)過程，主要表現(xiàn)為：影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素較多，各因素相互影響共同作用;評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義標(biāo)準(zhǔn)形式多樣;缺乏足夠評(píng)價(jià)信息資料。因此，路基邊坡沖刷穩(wěn)定性破壞研究具有不確定性。

3.1 排水防護(hù)技術(shù)

公路排水防護(hù)工程的主要措施有邊溝、截水溝、排水溝、急流槽與盲溝等。其中邊溝、截水溝與排水溝是低等級(jí)公路中最常見的防護(hù)措施。

3.2 工程防護(hù)技術(shù)

公路邊坡工程防護(hù)指使用水泥、砂漿、石灰等材料展開的防護(hù)，護(hù)面墻和植被混凝土這兩種形式是最常見的技術(shù)。護(hù)面墻通常情況下被用于易風(fēng)化的軟質(zhì)巖石與相對(duì)破碎的巖石邊坡的防護(hù)，是比較常見的上邊坡的防護(hù)形式，作用是減免邊坡表面的侵蝕、持續(xù)風(fēng)化以及部分坍塌與滑坡等破壞。護(hù)面墻的缺點(diǎn)是不能承受墻后邊坡土體的主動(dòng)土壓力，故邊坡的穩(wěn)定性限制了護(hù)面墻的使用。常見邊坡護(hù)面墻的形式有拱式、孔窗式等。

3.3 植被混凝土坡面防護(hù)

植物坡面防護(hù)的作用機(jī)理可分為植被根系的力學(xué)作用和植被的水文效應(yīng)兩大部分，兩個(gè)方面共同協(xié)作增加邊坡土體的穩(wěn)定性。該方法是一種新興起的防護(hù)技術(shù)，由植被防護(hù)、混凝土防護(hù)作用，同時(shí)擁有兩種防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。植被混凝土防護(hù)因其混合防護(hù)形式的特點(diǎn)應(yīng)用范圍廣，既能用于風(fēng)化巖石邊坡也可以用于土質(zhì)邊坡的沖刷防護(hù)。為了植被的優(yōu)良生長(zhǎng)以及坡面的觀賞性防護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合形式應(yīng)具有靈活性。骨架防護(hù)屬于植被混凝土防護(hù)的一種形式，通常設(shè)置在坡度較緩、相對(duì)穩(wěn)定的邊坡，采用混凝土或者漿砌片石修建成框架，將草種在其中。這種邊坡綜合防護(hù)措施既能減少路基邊坡的沖刷破壞也可以提高坡面的觀賞性。其防護(hù)形式主要有：

（1）種草。適用于邊坡穩(wěn)定、坡面沖刷輕微路堤或路塹邊坡，一般要求邊坡坡度不陡于1∶1，邊坡坡面水徑流速度不超過0.6 m/s，長(zhǎng)期浸水邊坡不適用。

（2）鋪草皮。適用于各種土質(zhì)邊坡，特別是坡面沖刷比較嚴(yán)重、邊坡較陡（可達(dá)60°）、徑流速度達(dá)0.6 m/s時(shí)。主要有平鋪、水平疊鋪、垂直坡面或與坡面成一半坡腳的傾斜疊置，以及采用片石等鋪砌成方格或拱形邊框、方格內(nèi)鋪草皮等。

（3）植樹。適用于各種土質(zhì)邊坡和風(fēng)化極嚴(yán)重的巖石邊坡，邊坡坡度不陡于1∶1.5，在路基邊坡和漫水河灘上種植植物，對(duì)于加固路基與防護(hù)河岸具有良好的效果?？梢越档退魉伲N在河灘上可促使泥沙淤積，防止水流直接沖刷路堤。植樹最好與植草相結(jié)合。高等級(jí)公路邊坡上嚴(yán)禁種喬木。

4 結(jié)論

利用PFC模擬軟件對(duì)路基邊坡沖刷進(jìn)行仿真，明確路基邊坡沖刷特點(diǎn)和影響因素。路基邊坡仿真模型建立的重點(diǎn)是建模過程和參數(shù)選取，結(jié)論如下：

（1）砂性土路基邊坡顆粒的位移和沖刷量較大，隨著壓實(shí)度的增加砂性土邊坡模型中顆粒的位移和沖刷量逐漸減小。隨著時(shí)間的增大邊坡模型顆粒的位移和沖刷量增加。

（2）路基邊坡的沖刷深度主要受壓實(shí)度、沖刷時(shí)間和沖刷速度的影響。從模擬結(jié)果可知，砂性土邊坡沖刷深度的增大變化較大，路基邊坡沖刷深度隨著壓實(shí)度的增大逐漸降低，隨著沖刷時(shí)間與沖刷速度的減小，路基邊坡的沖刷深度逐漸減低。

（3）路基邊坡防護(hù)措施主要可分為，排水防護(hù)與工程防護(hù)技術(shù)，宜根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的坡面防護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

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