高速公路紅砂巖路堤邊坡水毀機(jī)制現(xiàn)場試驗(yàn)研究

作者簡介：

劉洋銘（1988—），工程師，主要從事高速公路工程項(xiàng)目管理工作。

摘要：為探究紅砂巖路堤邊坡在沖刷作用下的水毀機(jī)制，文章以廣西南湛高速公路紅砂巖路堤邊坡為工程背景，設(shè)計(jì)了以沖刷量和壓實(shí)度為變量的試驗(yàn)方案，通過現(xiàn)場足尺模型試驗(yàn)研究了紅砂巖邊坡在不同壓實(shí)度和不同沖刷量下的邊坡沖刷深度和寬度的關(guān)系，探討了紅砂巖路堤邊坡的穩(wěn)定性和路基水毀機(jī)理。結(jié)果表明：降雨及徑流作用是影響紅砂巖邊坡水毀及失穩(wěn)的關(guān)鍵因素；邊坡的沖刷寬度和深度受出水流量和邊坡壓實(shí)度的影響；紅砂巖路堤邊坡水毀演繹過程具有鏈?zhǔn)教攸c(diǎn)，可分為坡面水流沖刷階段、土體侵蝕階段、邊坡坍塌階段、路面塌陷階段。研究成果可為紅砂巖路基邊坡沖刷防治提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：紅砂巖邊坡；穩(wěn)定性；抗沖刷；水毀機(jī)制；模型試驗(yàn)

中圖分類號：U416.1+2 A 21 069 4

0 引言

紅砂巖路堤邊坡的土體強(qiáng)度較低，固化能力差，且土體遇水后易軟化、易崩解，在降雨徑流的影響下邊坡極易發(fā)生水毀，并引起路堤邊坡失穩(wěn)破壞。因此，為了避免紅砂巖路堤邊坡在施工和運(yùn)營階段發(fā)生沖刷失穩(wěn)破壞，有必要開展紅砂巖路堤邊坡抗沖刷影響因素及水毀機(jī)制的研究。

近年來，眾多學(xué)者通過模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)開展了大量邊坡抗沖刷以及入滲穩(wěn)定性的研究，并取得了許多重要成果。如余靖輝等［1］通過邊坡降雨入滲變形機(jī)理試驗(yàn)，認(rèn)為坡體在不同變形階段其滲透系數(shù)大小不同，且滲透系數(shù)差異決定了坡體變形破壞的形態(tài)；高興杰［2］通過柔性防護(hù)技術(shù)試驗(yàn)，提出了采取考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法，研究了邊坡支護(hù)形式的合理選型，增加紅層邊坡的穩(wěn)定性，從而提高坡面的抗沖刷能力；郭威等［3］在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，紅砂巖路堤邊坡的高度相同時(shí)穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而降低；周龍華［4］比較了有限元法和極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，研究了彈性模量對邊坡穩(wěn)定性的影響；張雁等［5］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(yàn)，研究了路基降雨沖刷破壞的過程；Tu等［6］在黃土高原高速公路的黃土路塹邊坡上進(jìn)行了人工降雨的現(xiàn)場試驗(yàn)，基于土壤中體積含水量和基質(zhì)吸力的變化，提出了一種分析降雨入滲的方法；Tiwari等［7］研究了土體密度和坡度對邊坡滲流速度演化、變形機(jī)制和穩(wěn)定性的影響。

上述研究大多集中在黃土、紅層或一般土質(zhì)邊坡的沖刷及防護(hù)研究。然而，大量的紅砂巖地區(qū)公路建設(shè)實(shí)踐表明，紅砂巖邊坡的穩(wěn)定性差、病害多、抗水滲透能力和抗風(fēng)化能力極差，極易在降雨徑流作用下誘發(fā)邊坡坍塌、剝落和滑坡災(zāi)害?；诖?，本文依托廣西南寧-湛江高速公路南寧至博白那卜段的紅砂巖路堤邊坡，基于紅砂巖路堤邊坡現(xiàn)場足尺模型沖刷試驗(yàn)，探討了紅砂巖路堤邊坡穩(wěn)定性的影響因素及沖刷機(jī)理，分析了降雨作用下公路路堤邊坡的水毀機(jī)制，為今后的紅砂巖路基邊坡抗沖刷防治提供理論支撐。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

1.1 模型設(shè)計(jì)

研究所采用的現(xiàn)場足尺試驗(yàn)裝置主要包括紅砂巖邊坡、沉泥收集系統(tǒng)和沖刷系統(tǒng)。具體如下：

（1）邊坡試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)場地位于廣西南湛高速公路南寧至博白那卜段，共3個邊坡，邊坡編號分別為A、B、C。邊坡數(shù)據(jù)見表1，邊坡模型的設(shè)計(jì)效果如下頁圖1所示。

（2）沉泥收集系統(tǒng)。為了方便觀測沖刷時(shí)沖刷量的變化，在坡腳處修建長105 cm、寬105 cm、高55 cm的沉泥槽，槽內(nèi)設(shè)計(jì)出水口，口徑為10 cm。

（3）沖刷系統(tǒng)。包括水箱、變頻恒壓抽水泵、止回閥、UPVC水管、PVC鋼絲軟管及亞克力板。沖刷系統(tǒng)中，直徑為40 mm的PVC鋼絲軟管一端接水泵的入水口，另一端接止回閥放入1.5 t容重的水箱中，直徑為25 mm PVC鋼絲軟管一端接水泵的出水口，另一端接UPVC雨淋管，所有接口均用防水膠布處理后接入。恒壓抽水泵保證出水時(shí)流量流速恒定不變，亞克力板及UPVC雨淋管使水流平均分布，避免沖刷不均勻。

1.2 試驗(yàn)用土

本次紅砂巖邊坡沖刷試驗(yàn)用土均來自同一位置的紅砂巖，保證3組邊坡填筑時(shí)紅砂巖物理性質(zhì)一樣。土樣的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 邊坡填筑

采用人工分層填筑紅砂巖邊坡，通過每次夯實(shí)的力度和次數(shù)來控制壓實(shí)度，壓實(shí)過程中應(yīng)保持每次壓實(shí)力度基本相同。壓實(shí)過程中用環(huán)刀取樣，測其密度、含水率及壓實(shí)度，若壓實(shí)度不夠，再增加壓實(shí)次數(shù)。為了避免全坡坡度不同，在坡頂與坡腳處打入木樁，用白線連接，施工時(shí)按照白線的高度去填筑。

1.3.2 沖刷試驗(yàn)流程

試驗(yàn)以出水流速和壓實(shí)度為變量，邊坡A流速為3.5 L/S，壓實(shí)度為95%；邊坡B流速為3.5 L/S，壓實(shí)度為80%；邊坡C流速為1.4 L/S，壓實(shí)度為80%。沖刷過程分為3個階段：邊坡沖刷前期準(zhǔn)備、邊坡沖刷中、邊坡沖刷后。

邊坡沖刷前期準(zhǔn)備：在邊坡坡頂、坡中、坡腳處做標(biāo)記，分別記為1、2、3。用取土器在2組邊坡標(biāo)記處每隔10 cm深取一次土并用酒精燃燒法測其含水率，取至深度為40 cm處。水箱通過灑水車加滿水，接裝沖刷裝置，調(diào)節(jié)水泵壓強(qiáng)，計(jì)算水泵在壓強(qiáng)為0.43 Pa時(shí)出水的流量和流速。

邊坡沖刷過程中：放水后，從產(chǎn)流開始到結(jié)束，每隔30 s使用游標(biāo)卡尺測一次最大沖溝深度、寬度（測量時(shí)為了避免破壞坡面，在兩側(cè)階梯搭建木板），并用水桶收集該時(shí)間段沉泥槽中的泥水混合物。

邊坡沖刷后：沖刷后的邊坡靜置2 h，待坡面水分充分滲透后，使用取土器，分別在坡面標(biāo)記處按照前文方法，每隔10 cm取一次土，測其含水率，用水桶收集沉泥槽中的泥沙樣，待沉淀后將水倒出，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干測其沖刷量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 邊坡破壞過程

觀察整個沖刷試驗(yàn)過程，可以將其分為三個階段：

（1）侵蝕表面階段（0～90 s）：坡面漫流，水流將表面土顆粒帶走，坡面完整度較高，沒有形成明顯沖溝。

（2）細(xì)溝發(fā)展階段（90～150 s）：該階段紅砂巖邊坡坡面形成大量細(xì)溝，主要聚集在上半坡，沒有出現(xiàn)貫穿坡面的主沖溝。水流將大量的巖土顆粒帶走，此時(shí)邊坡開始軟化，邊坡強(qiáng)度迅速下降。

（3）細(xì)溝發(fā)育成熟階段（150～300 s）：這個階段的細(xì)溝深度和寬度不斷加深和拓寬，形成2條貫穿坡面的大沖溝，3個邊坡分別在180 s、210 s、240 s時(shí)坡頂處坡面結(jié)構(gòu)完全破壞，邊坡失穩(wěn)造成坡面崩塌。

2.2 沖刷最大深度

圖2為邊坡各測點(diǎn)沖刷最大寬度隨時(shí)間變化曲線；圖3為邊坡各測點(diǎn)沖刷最大深度隨時(shí)間變化曲線。由圖2～3可知，在0～90 s內(nèi)為沖刷前期，該階段為快沖階段，此時(shí)邊坡浮土與松散顆粒被沖離坡面，大量細(xì)小沖溝主要匯集在坡頂處及坡中處，坡頂處沖溝寬度及深度遠(yuǎn)大于坡腳處，且增長趨勢較大，坡中處增長速度較為穩(wěn)定，坡腳處坡面較為完整，出現(xiàn)少部分細(xì)小條紋（在0～60 s內(nèi)未形成沖溝，寬度及深度為0）。90～150 s為沖刷中期，該階段為持續(xù)階段，坡頂處大量細(xì)小沖溝匯聚為一條主沖溝，隨著匯流水的持續(xù)沖刷，坡面破壞逐漸加深，坡頂處沖溝沖刷深度及寬度加速增長。坡中及坡腳處表面浮土沖離邊坡，沖溝兩側(cè)砂土逐漸掉落，沖刷寬度增長速度加快。沖溝的底部土質(zhì)密實(shí)，匯流水對底部沖刷難度加大，沖刷深度增長速度減緩。150～300 s為累進(jìn)性沖刷階段，在坡頂處3組邊坡分別在180 s、210 s、240 s時(shí)坡面結(jié)構(gòu)完全破壞，邊坡失穩(wěn)造成坡面崩塌，坡中及坡腳處沖溝深度及寬度不斷加深及拓寬。

2.3 沖刷最大寬度

圖4為各邊坡同一測點(diǎn)沖刷最大寬度隨時(shí)間變化曲線；圖5為各邊坡同一測點(diǎn)沖刷最大深度隨時(shí)間變化曲線。對比3組邊坡沖刷寬度及深度隨著沖蝕時(shí)間的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：（1）在相同的出水流速下，隨沖蝕時(shí)間的延長，壓實(shí)度越高的邊坡沖刷最大寬度和深度的增長速度越小。在坡頂、坡中、坡腳處，邊坡B（80%）的最大寬度及深度的增長速度都大于邊坡A（95%）。（2）在相同的壓實(shí)度下，出水流速越大的邊坡最大寬度及深度增長速度越大，邊坡B（3.5 L/S）的最大寬度及深度增長速度大于邊坡C（1.4 L/S）。（3）對比邊坡C和邊坡A發(fā)現(xiàn)，流速的變化對沖刷最大寬度增長速度的影響高于壓實(shí)度的影響。邊坡A的增長速度大于邊坡C沖刷寬度的增長速度。（4）對比邊坡C和邊坡A發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度的變化對沖刷最大深度增長速度的影響高于出水流速的影響，邊坡C的增長速度大于邊坡A沖刷深度的增長速度。

3 邊坡水毀演繹機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場足尺模型試驗(yàn)結(jié)果，可以把紅砂巖邊坡沖刷破壞的演繹過程總結(jié)為濺蝕、片蝕→細(xì)溝沖蝕→切溝侵蝕→坍塌。紅砂巖路堤邊坡水毀的破壞過程具有鏈?zhǔn)教攸c(diǎn)，可以總結(jié)出4個破壞階段，即坡面水流沖刷階段、土體侵蝕階段、邊坡坍塌階段、路面塌陷階段，其中邊坡侵蝕和沖刷階段具有漸變性，而邊坡的坍塌和路基塌陷階段具有突變性。

坡面水流沖刷階段：在山區(qū)公路工程中，往往會由于邊溝的阻塞而造成在道路兩側(cè)堆積水流漫過道路，再流入邊坡。沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明，在邊坡表層產(chǎn)生水流后，會迅速地沿著細(xì)溝以匯聚成股水流的方向流淌下去，細(xì)溝逐步加深形成了侵蝕槽和切溝，而水流在對邊坡面的流轉(zhuǎn)下成為了對細(xì)槽和切溝的沖刷。在其運(yùn)動過程中，水流產(chǎn)生了相應(yīng)的動力和流速變化，當(dāng)水對斜坡表面顆粒沖擊時(shí)，就會沖散坡表層土粒，將其搬運(yùn)至坡底。如圖6（a）所示。

土體侵蝕階段：主要為坡體填料侵蝕。在沖刷過程中，沖溝被水流不斷地向下和向兩側(cè)沖蝕，溝形逐漸擴(kuò)大，在邊坡的薄弱位置和坡腳處會形成沖蝕溝槽；坡面穩(wěn)定性開始降低，出現(xiàn)差異性沖刷和坡面集中徑流的趨勢；接著由于沖刷路徑中深度變化導(dǎo)致水流流速加大，水流的攜沙能力增大，坡腳處和薄弱處的沖蝕溝槽開始擴(kuò)展。如圖6（b）所示。

邊坡坍塌階段：坡面被大范圍沖刷破壞后，局部地方的沖蝕坑逐漸向路基內(nèi)部延伸，當(dāng)擴(kuò)大到一定規(guī)模后，在重力作用下上部巖土體會發(fā)生拉裂塌落。在前兩個階段過程的多次重復(fù)后，路基邊坡塌陷程度逐漸增大，最后路基被掏空，路面外側(cè)懸空，在自身重力的影響下，內(nèi)部出現(xiàn)拉裂縫，尤其在車輛動荷載的影響下，裂縫規(guī)模加劇。如圖6（c）所示。

路面塌陷階段：當(dāng)路面裂縫逐漸發(fā)育到一定程度時(shí)，裂縫之間相互貫通，以致路面面板突然斷裂，連同路基一起塌陷。如圖6（d）所示。

4 結(jié)語

本文以廣西南湛高速公路紅砂巖路堤邊坡為工程背景，設(shè)計(jì)了以沖刷量和壓實(shí)度為變量的試驗(yàn)方案，通過現(xiàn)場足尺模型試驗(yàn)研究了紅砂巖邊坡在不同壓實(shí)度和不同沖刷量下的邊坡沖刷深度和寬度的關(guān)系，探討了紅砂巖路堤邊坡的穩(wěn)定性和路基水毀機(jī)理。主要研究結(jié)論如下：

（1）沖刷流速不變的情況下，在不斷沖刷的過程中，壓實(shí)度越高的邊坡最大沖刷寬度和深度的增長速度越??；在相同的壓實(shí)度下，出水流速越大的邊坡最大沖刷寬度及深度增長速度越大。

（2）流速的變化對最大沖刷寬度增長速度的影響高于壓實(shí)度的影響；壓實(shí)度的變化對最大沖刷深度增長速度的影響高于出水流速的影響。

（3）在一定程度強(qiáng)降雨下形成的降雨漫流沖刷，會形成降雨侵蝕，導(dǎo)致地下水位的上升，增加了坡體中的孔隙水壓力并使邊坡土體產(chǎn)生軟化，使滑動帶土體抗剪力下降，破壞了邊坡的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-10-12