骨架防護(hù)黃土邊坡坡面沖蝕模型試驗(yàn)研究*

原 澤 晏長(zhǎng)根 陶 悅 賈卓龍 楊萬(wàn)里 徐 偉 郜世泰

(①長(zhǎng)安大學(xué),公路學(xué)院,西安 710064,中國(guó))(②中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004,中國(guó))(③甘肅路橋公路投資有限公司,蘭州 730030,中國(guó))(④長(zhǎng)安大學(xué),地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710054,中國(guó))

0 引 言

隨著黃土地區(qū)交通基礎(chǔ)工程的大力發(fā)展,大量工程邊坡因高填深挖筑基處理而產(chǎn)生。有研究表明,20世紀(jì)以來(lái)我國(guó)邊坡破壞的數(shù)量已占到地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的一半以上(黃潤(rùn)秋等,2008)。針對(duì)這一情況,學(xué)者們相繼展開(kāi)邊坡防護(hù)技術(shù)研究,其中骨架結(jié)構(gòu)憑借施工快捷、易于綠化、護(hù)坡效果好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工程邊坡防護(hù)當(dāng)中(李萬(wàn)鵬,2006; 魏靜等,2006)。然而,在持續(xù)強(qiáng)降雨后,骨架結(jié)構(gòu)框格內(nèi)土壤的侵蝕破壞仍會(huì)發(fā)生,存在一定的安全隱患,如圖1所示。因此,開(kāi)展骨架防護(hù)邊坡坡面侵蝕試驗(yàn)研究,具有重要的實(shí)際工程意義。

骨架結(jié)構(gòu)指采用混凝土或漿砌片石等圬工材料經(jīng)人工構(gòu)筑而成的具有一定窗格式幾何形狀和尺寸的空間結(jié)構(gòu),主要有矩形、菱形、人字形和拱形等結(jié)構(gòu)形式,關(guān)于其作為邊坡防護(hù)措施的研究,已取得豐富成果:例如徐利鑫(2015)通過(guò)對(duì)不同拱形骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和模擬,歸納出接縫形式優(yōu)選扣縫,基礎(chǔ)采用漿砌片石的骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)最優(yōu)的結(jié)論; 蒙超容等(2017)對(duì)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,指出在其他條件滿足的情況下,人字形骨架尖角宜取較大值,以有效減小工程量; 聶憶華等(2018)對(duì)人字形防護(hù)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬,指出坡腳處為全局應(yīng)力最不利位置,坡頂為豎向位移最不利位置,并通過(guò)模型多級(jí)加載試驗(yàn)得到驗(yàn)證; Zhang et al.(2012)利用FLAC軟件計(jì)算了鉸鏈?zhǔn)交炷令A(yù)制塊防護(hù)邊坡的穩(wěn)定性因子,發(fā)現(xiàn)邊坡與塊體的最佳質(zhì)量組合,為邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考; 連繼峰等(2016,2017a,2017b)構(gòu)建了以工程造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,指出矩形骨架嵌土深度和豎向凈距是影響邊坡淺層穩(wěn)定性的主要因素,同時(shí)其指出骨架內(nèi)土體存在兩種破壞模式,一種為骨架內(nèi)土體整體滑動(dòng),一種類似擋土墻背庫(kù)侖土壓力破壞,前者破壞面為骨架嵌入土的深度且滑面與坡面平行,后者破壞面交于骨架底部和坡面,兩種破壞模式通過(guò)轉(zhuǎn)化閾值相互轉(zhuǎn)化。以上試驗(yàn)研究多集中于骨架結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)以及利用數(shù)值模擬對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化,但較少涉及到降雨條件對(duì)骨架防護(hù)邊坡坡面破壞的影響研究,對(duì)骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞的認(rèn)識(shí)還不夠充分。

實(shí)際上,降雨入滲引起的淺層土體含水率增大是導(dǎo)致邊坡淺層破壞的重要誘因。Lee et al.(2009)基于馬來(lái)西亞新山10年的降雨資料,指出邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵是降雨強(qiáng)度和土壤飽和滲透率的比值; 張碩等(2017)通過(guò)對(duì)黃土高填方支擋邊坡進(jìn)行降雨研究,指出在降雨條件下坡面裂隙是造成邊坡淺層滑動(dòng)的重要原因,并得出了高填方支擋邊坡的破壞形成機(jī)制; Wang et al.(2018)通過(guò)對(duì)呂梁機(jī)場(chǎng)某高填方黃土邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)增濕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)壓實(shí)不均的黃土?xí)a(chǎn)生裂隙,而雨水入滲會(huì)促使土體軟化,加速滑動(dòng)面的發(fā)展; 孫萍等(2019)指出降雨條件下坡肩的入滲深度和速度最大,邊坡破壞也是從坡肩開(kāi)始; 朱建東等(2019)指出坡體表層雨水入滲速率最快; 高英等(2019)指出黃土增濕會(huì)使得其土體骨架顆粒之間的強(qiáng)度降低,也會(huì)使得黃土的架空孔隙結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)崩解; 黃曉虎等(2015)通過(guò)室內(nèi)邊坡降雨沖刷模型,指出黃土邊坡侵蝕沖刷中的主要侵蝕能力參數(shù)與坡度和雨強(qiáng)之間存在相應(yīng)關(guān)系。

因此,本文以臨夏雙達(dá)高速公路作為工程依托,通過(guò)開(kāi)展人工模擬降雨沖蝕模型試驗(yàn),對(duì)比分析裸坡和骨架邊坡的坡面沖蝕過(guò)程、含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量,探討骨架結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果,分析骨架關(guān)鍵部位的坡面沖蝕規(guī)律,揭示強(qiáng)降雨誘發(fā)骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞機(jī)制。研究成果可為骨架結(jié)構(gòu)在邊坡防護(hù)工程的實(shí)踐應(yīng)用中提供理論參考和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料及邊坡模型

試驗(yàn)用土取自臨夏雙達(dá)高速某骨架防護(hù)的黃土邊坡(圖2),取樣深度為1.5～3.0m。該黃土為更新統(tǒng)的風(fēng)積黃土,外觀表現(xiàn)為疏松多孔,垂直節(jié)理發(fā)育。利用激光粒度分析儀對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行顆粒分析,結(jié)果如圖3所示,結(jié)果顯示:粉粒含量為83.61%,黏粒含量為6.78%。同時(shí)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)測(cè)得該黃土的基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料物理參數(shù)

圖2 取土現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 試驗(yàn)黃土的級(jí)配曲線

邊坡模型的試驗(yàn)主體砌筑于木制模型箱中,其具體尺寸為125cm×60cm×30cm(長(zhǎng)×寬×高),坡比為雙達(dá)高速現(xiàn)場(chǎng)施工的1︰1.5和1︰1.75; 試驗(yàn)填土采用分層夯實(shí)法,具體分3層進(jìn)行填筑,填筑過(guò)程中控制質(zhì)量含水率為18.2%,密度為1.88g·cm-3; 邊坡模型分為裸坡和骨架邊坡兩種:(1)裸坡模型直接在模型箱中填筑試驗(yàn)黃土,并在坡面頂端設(shè)置隔水塑料板,以阻擋頂端匯集的水流; (2)骨架邊坡模型采用拱形骨架結(jié)構(gòu),包括2個(gè)拱形單元,其形狀尺寸依據(jù)雙達(dá)高速骨架結(jié)構(gòu)施工文件進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì),模型拱形單元的拱圈直徑為50cm,高度為60cm,厚度為5cm,如圖4所示,圖中黃線表示隔水塑料板,以模擬擋水結(jié)構(gòu); 為模擬實(shí)際工程條件,邊坡模型填筑完成后,用塑料薄膜覆蓋坡面,在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行測(cè)試。

圖4 骨架邊坡模型示意

1.2 試驗(yàn)裝置及方案

本次試驗(yàn)采用DIK-6000型人工降雨器,產(chǎn)地日本,由雨滴產(chǎn)生裝置、供水箱和控制盤(pán)組成,如圖5所示,基本技術(shù)參數(shù)如表2所示,其中雨滴產(chǎn)生裝置的尺寸為1.4m×1.4m×2.5m(長(zhǎng)×寬×高,除突起部及小腳輪),采用針頭噴水加震動(dòng)模式,降雨均勻度高達(dá)95%以上,降雨偏差小于±10%。

表2 人工降雨模擬器的基本技術(shù)指標(biāo)

圖5 人工模擬降雨器

臨夏地區(qū)全年降雨分布不均,呈現(xiàn)集中降雨、持續(xù)性干旱的特殊氣象條件,降雨集中期約為每年的6～9月,局部強(qiáng)降雨最高可達(dá)約60mm·h-1(張錦泉等,2013)?；诖?本次試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

考慮到雨強(qiáng)一定的條件下,1h左右的短陣型降雨侵蝕力較大,更容易誘發(fā)土壤侵蝕(喬勇虎等,2017),本次沖蝕試驗(yàn)的持續(xù)降雨時(shí)間為1h。為確保人工降雨器的降雨均勻性及試驗(yàn)準(zhǔn)確性,試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行降雨均勻度測(cè)試,以確保均勻度都在90%以上。試驗(yàn)測(cè)試的具體步驟為:試驗(yàn)開(kāi)始后,采用高清晰度攝影實(shí)時(shí)記錄不同降雨時(shí)刻的坡面沖蝕情況; 試驗(yàn)過(guò)程中,采用水槽承接收集沖蝕徑流水樣來(lái)進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定; 試驗(yàn)結(jié)束后,采用刻度尺測(cè)量沖蝕深度。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

本次試驗(yàn)主要通過(guò)含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量等指標(biāo)定量評(píng)價(jià)骨架邊坡的抗沖蝕效果。試驗(yàn)過(guò)程中的取樣時(shí)間間隔安排為:前10min隔1min取1次徑流量,10～30min隔2min取1次徑流量,30～60min隔3min取1次徑流量,每次取樣時(shí)間為5s。在計(jì)算累計(jì)沖蝕量時(shí),用前后兩次含沙量的平均值來(lái)表示該時(shí)段的平均含沙量。具體計(jì)算公式(晏長(zhǎng)根等,2005)如下:

(1)

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 坡面沖蝕過(guò)程的對(duì)比分析

2.1.1 裸坡的沖蝕過(guò)程

圖6為坡比1︰1.75的裸坡沖蝕過(guò)程。由圖6可知,試驗(yàn)初期,降雨對(duì)坡面的沖蝕較小,坡面上部開(kāi)始出現(xiàn)圓形痕跡。隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng)至試驗(yàn)結(jié)束,坡頂逐漸出現(xiàn)陡坎現(xiàn)象,坡面逐漸出現(xiàn)圓形凹陷,并逐漸明顯,坡腳土體出現(xiàn)明顯的淘蝕,如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量可知,坡頂陡坎高度約為6～15mm,坡腳淘蝕最深約為28mm,最寬約為62mm。

圖6 裸坡的沖蝕過(guò)程

圖7 裸坡沖蝕坡面的局部特征(沖蝕60min)

分析認(rèn)為,沖蝕試驗(yàn)中的坡面損傷主要來(lái)自兩方面:一方面,雨滴對(duì)坡面的濺蝕作用。由于人工模擬降雨器采用震動(dòng)來(lái)控制雨量,且各針管震動(dòng)的雨滴互不干擾,導(dǎo)致雨滴沖擊下形成圓形痕跡,并逐漸演變?yōu)閳A形凹陷; 另一方面,坡面徑流對(duì)表層土體的沖蝕作用。隨著降雨量不斷補(bǔ)給,水流的深度和流速逐漸變大,土體孔隙水壓力增強(qiáng),土顆粒間摩阻力及黏聚力降低,坡面土體產(chǎn)生局部破壞,特別對(duì)坡腳土體而言,徑流回溯使得該處土體淘蝕破壞加劇。

2.1.2 骨架邊坡的沖蝕過(guò)程

圖8為坡比1︰1.75的骨架邊坡沖蝕過(guò)程。由圖8可知,骨架邊坡沖蝕過(guò)程與裸坡沖蝕過(guò)程具有一定的相似性,如坡頂出現(xiàn)陡坎,坡面局部出現(xiàn)圓形凹陷,坡腳出現(xiàn)一定的淘蝕,但總體來(lái)看,骨架邊坡坡面沖蝕損傷程度相對(duì)裸坡較輕。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量可知,坡頂陡坎高度約為4～14mm,而坡腳淘蝕最深約為12mm,最寬約為51mm,相比裸坡降低了57.1%,17.7%。需要強(qiáng)調(diào),試驗(yàn)結(jié)束后,骨架結(jié)構(gòu)框格邊緣處土體破壞相比坡面中部土體更為嚴(yán)重,如圖9所示,這也與骨架防護(hù)邊坡的侵蝕破壞頻發(fā)于骨架框格邊緣的實(shí)際情況(圖1)相吻合。

圖8 骨架邊坡的沖蝕過(guò)程

圖9 骨架邊坡沖蝕坡面的局部特征(沖蝕60min)

分析降雨條件下骨架邊坡的沖蝕過(guò)程出現(xiàn)這種情況的原因如下:隨著降雨初始下滲的快速完成,坡面形成徑流,但由于拱圈周?chē)嬖趽跛Y(jié)構(gòu),上層拱形單元內(nèi)的徑流不是匯集至下層拱形單元內(nèi),而是順著豎向支撐流出,從而使下層拱形單元的坡腳未發(fā)生較大的沖蝕; 同時(shí)坡面徑流還會(huì)向兩側(cè)流動(dòng),而兩側(cè)的擋水結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙水的漫流,導(dǎo)致雨水匯聚在框格邊緣形成較為強(qiáng)烈的徑流,造成框格邊緣的沖蝕作用相比坡面中間土體更為強(qiáng)烈。

2.2 坡面沖蝕含沙量的對(duì)比分析

圖10為不同邊坡模型含沙量隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明:(1)當(dāng)坡比不同時(shí),裸坡及骨架邊坡的含沙量均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,即坡比1︰1.5的邊坡含沙量大于坡比1︰1.75的邊坡; (2)當(dāng)坡比相同時(shí),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),裸坡和骨架邊坡的含沙量增加,而增幅逐漸降低。與此同時(shí),試驗(yàn)過(guò)程中的裸坡坡面沖蝕含沙量及增幅始終大于骨架邊坡,當(dāng)沖蝕60min時(shí),裸坡的含沙量為0.128g·mL-1(坡比1︰1.5),0.117g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡的含沙量為0.096g·mL-1(坡比1︰1.5),0.092g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架邊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)。分析認(rèn)為,在降雨初始階段,邊坡坡面形成水膜,表層土顆粒容易懸浮于水膜之中并被水流裹挾流失。對(duì)于裸坡而言,沖蝕能量自坡頂至坡腳逐漸增大,并在坡腳處產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致坡腳土體受到較強(qiáng)的沖蝕作用,含沙量持續(xù)增加; 而對(duì)于骨架邊坡而言,由于拱形骨架的剛度比周?chē)馏w的剛度大,當(dāng)邊坡土體受到?jīng)_刷作用時(shí),骨架可率先承受壓力或變形,并把本身所承受的負(fù)載傳導(dǎo)到下方的土層之中,從而削弱框格內(nèi)土體所承受的外源侵蝕力,使得骨架邊坡坡面沖蝕的含沙量相比裸坡降低。

圖10 不同邊坡模型含沙量隨時(shí)間的變化曲線

2.3 坡面沖蝕徑流量的對(duì)比分析

圖11為不同邊坡模型徑流量隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明:(1)當(dāng)坡比不同時(shí),裸坡與骨架邊坡的徑流量無(wú)明顯差異; (2)當(dāng)坡比相同時(shí),試驗(yàn)過(guò)程中裸坡的徑流量始終大于骨架邊坡。隨著時(shí)間的增長(zhǎng),裸坡的徑流量增加,增幅有所降低,而骨架邊坡的徑流量先增加后穩(wěn)定。當(dāng)沖蝕60min時(shí),裸坡坡面的徑流量為110.0 mL·s-1(坡比1︰1.5),102.0 mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡坡面的徑流量為73.0mL·s-1(坡比1︰1.5),70.0mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡的徑流量同比裸坡降低了33.6%(坡比1︰1.5),31.4%(坡比1︰1.75)。分析認(rèn)為,試驗(yàn)初始階段,坡面土體未達(dá)到飽和,大部分雨水滲入坡體內(nèi)部,導(dǎo)致坡面徑流量較小。隨著降雨的持續(xù)發(fā)生,裸坡坡面的雨水入滲過(guò)程逐漸完全,坡面土體趨于飽和,坡面徑流量不斷增加,且伴隨坡面破壞,坡面的粗糙度不斷增大,一定程度上抑制徑流量的增長(zhǎng)(Zhang et al.,2008)。相比之下,骨架邊坡坡面徑流由于還會(huì)受到框格單元凸起的阻隔作用,將匯集至骨架砌塊的排水通道上,從臨近的排水通道流走,總體起到一定的截流、擋水及分流作用,從而使得骨架邊坡的徑流量較低。

圖11 不同邊坡模型徑流量隨時(shí)間的變化曲線

2.4 坡面沖蝕累計(jì)沖蝕量的對(duì)比分析

圖12為不同邊坡模型累計(jì)沖蝕量隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明:不同邊坡模型的累計(jì)沖蝕量總體呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),即隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增加。沖蝕初始,不同邊坡模型的累計(jì)沖蝕量無(wú)明顯差異; 沖蝕13min時(shí),坡比1︰1.5的邊坡累計(jì)沖蝕量大于坡比1︰1.75的邊坡,裸坡坡面的累計(jì)沖蝕量大于骨架邊坡坡面; 沖蝕30min后,裸坡坡面累計(jì)沖蝕量的增長(zhǎng)速率繼續(xù)增加,但骨架邊坡累計(jì)沖蝕量的增長(zhǎng)速率趨于穩(wěn)定; 沖蝕60min時(shí),裸坡坡面的累計(jì)沖蝕量為36.5kg(坡比1︰1.5),30.0kg(坡比1︰1.75),骨架邊坡坡面的累計(jì)沖蝕量為20.6kg(坡比1︰1.75),18.0kg(坡比1︰1.75),骨架邊坡的累計(jì)沖蝕量相比裸坡降低了43.6%(坡比1︰1.5),40.0%(坡比1︰1.75)。分析認(rèn)為,骨架結(jié)構(gòu)在限制土顆粒運(yùn)移和削弱雨水沖蝕等方面起到了促進(jìn)作用,同時(shí)其截水型骨架節(jié)點(diǎn)可以對(duì)坡面徑流發(fā)揮截流、擋水及分流作用,宏觀表現(xiàn)為骨架防護(hù)邊坡的坡面具有一定的抗降雨沖蝕能力。

圖12 不同邊坡模型累計(jì)沖蝕量隨時(shí)間的變化曲線

3 骨架關(guān)鍵部位的坡面沖蝕規(guī)律

公路邊坡的沖蝕病害往往不是在一次降雨后就會(huì)形成,而是經(jīng)歷多次降雨逐漸累積形成的。因此,為更好模擬實(shí)際工程條件,基于前文試驗(yàn)結(jié)果(骨架邊坡,坡比1︰1.75),在次日進(jìn)行30min同等條件的沖蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中著重觀察拱形骨架兩端尖角及中間拱頂?shù)裙羌荜P(guān)鍵部位處的坡面沖蝕現(xiàn)象,厘清骨架邊坡關(guān)鍵部位的坡面沖蝕規(guī)律,如圖13所示。

圖13 骨架關(guān)鍵部位示意

圖14～圖15為骨架尖角與拱頂?shù)臎_蝕歷程。由圖14～圖15可知,骨架邊坡關(guān)鍵部位的初次沖蝕歷程與黃曉虎等(2015)、杜婷婷等(2018)的試驗(yàn)結(jié)果較為一致,歸納為:濺蝕、片蝕、細(xì)溝侵蝕、切溝侵蝕4個(gè)階段。具體描述如下:

圖14 骨架尖角沖蝕歷程

圖15 骨架拱頂沖蝕歷程

試驗(yàn)初期,坡面發(fā)生雨水濺蝕,但由于時(shí)間較短,且前文已提及,此處不在贅述。隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng),關(guān)鍵部位處的土體逐漸飽和,孔隙水壓力逐漸增強(qiáng),土粒逐漸懸浮于水膜中,又被水流裹挾,在邊坡表面留下鱗片狀的細(xì)小溝紋及紋狀溝紋,形成片蝕(宋朋燃,2013),如圖14a、圖15a所示。此后,關(guān)鍵部位邊緣處的徑流不斷匯集,其徑流量和沖蝕能量隨之增強(qiáng),且由于濺擊和片蝕而形成的凹陷對(duì)水流具有引流作用,使其在優(yōu)勢(shì)通道內(nèi)容易形成小型溝狀股流,即為細(xì)溝侵蝕。然而,由于拱圈較強(qiáng)的剛度及骨架節(jié)點(diǎn)的分流作用,削弱了雨水的沖蝕能量,導(dǎo)致關(guān)鍵部位處的細(xì)溝侵蝕分布較少。隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行,關(guān)鍵部位處的土體持續(xù)軟化,表層凹陷愈加明顯,一些溝壁由于局部失穩(wěn)而坍塌,并逐漸發(fā)展成切溝侵蝕,呈“梯田”狀(圖14b、圖14c)或“孔洞”狀(圖15b、圖15c)。而骨架邊坡關(guān)鍵部位的次日沖蝕歷程可分為:濺蝕、片蝕、切溝侵蝕3個(gè)階段,即關(guān)鍵部位處的土體飽和形成片蝕后,將直接進(jìn)入切溝侵蝕階段,如圖14d、圖15d所示。此后,隨著切溝下切侵蝕的不斷發(fā)展,水流發(fā)生回溯,不斷侵蝕關(guān)鍵部位邊緣處較深層的土體,表層土體產(chǎn)生坍塌,溝蝕深度逐漸加深,形成多條“V”字形切溝,如圖14e、圖15e所示。

對(duì)比骨架尖角處和拱頂處的最終沖蝕狀況發(fā)現(xiàn),尖角處的沖蝕深度和切溝發(fā)育情況要比拱頂處更為強(qiáng)烈。分析認(rèn)為,這是由于尖角截面的突然變小,水流的流速明顯增強(qiáng),螺旋流、漩渦明顯增多,加之擋水結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的邊緣匯流加劇,使得尖角及其邊緣土體沖蝕更為明顯。

4 強(qiáng)降雨誘發(fā)骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞機(jī)制探討

以上試驗(yàn)結(jié)果顯示,強(qiáng)降雨沖刷作用對(duì)坡比1︰1.5的邊坡影響大于坡比1︰1.75的邊坡,對(duì)裸坡影響大于骨架防護(hù)邊坡,對(duì)骨架框格邊緣土體影響大于對(duì)框格中間土體,對(duì)骨架尖角處土體影響大于拱頂處土體,這說(shuō)明骨架結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡具有一定的防護(hù)效力,但骨架尖角和拱頂處仍存在著侵蝕破壞的隱患。在強(qiáng)降雨沖刷過(guò)程中,裸坡受到雨滴濺蝕、徑流沖刷及雨水入滲軟化的影響,其含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量逐漸增大,坡面變化相對(duì)明顯,具體表現(xiàn)為:坡頂產(chǎn)生陡坎,坡面局部出現(xiàn)圓形凹陷,坡底淘蝕明顯。對(duì)比來(lái)看,強(qiáng)降雨沖刷條件下骨架邊坡模型的含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量的變化趨勢(shì)與裸坡模型的變化趨勢(shì)較為相似,但骨架邊坡的相應(yīng)指標(biāo)數(shù)值明顯較低,且其坡面變化主要集中于拱頂和尖角處,存在著陡坎、圓形凹陷和淘蝕。

由以上分析,可將強(qiáng)降雨誘發(fā)骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞機(jī)制歸納如下:當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)砌筑在黃土工程邊坡上時(shí),由于骨架結(jié)構(gòu)的剛度相較于其周?chē)馏w較強(qiáng),骨架結(jié)構(gòu)將率先承受雨水沖刷的壓力或變形,并把自身所承受的負(fù)載傳導(dǎo)至下方土層,從而削弱框格內(nèi)土體所承受的外營(yíng)力; 另外,在骨架結(jié)構(gòu)的截流、擋水及分流效應(yīng)下,坡面徑流匯集至骨架砌塊的排水通道上,并從臨近的排水通道流走,使得坡面徑流對(duì)表層土體的沖刷作用降低,但也使得雨水匯聚在框格邊緣形成較大的水流,造成框格邊緣土體受到較為強(qiáng)烈的沖蝕作用,一般情況下可忽略,總體起到較好的坡面防護(hù)作用。夏末秋初,臨夏地區(qū)降雨集中,局部有強(qiáng)降雨突發(fā),受強(qiáng)降雨天氣條件影響,骨架結(jié)構(gòu)的框格邊緣土體受到的沖蝕作用加劇,尤其是骨架尖角的截面突然減小,使得水流流速增強(qiáng),螺旋流、漩渦增多,加之擋水結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的邊緣匯流,致使該處土體出現(xiàn)濺蝕-片蝕-細(xì)溝侵蝕-切溝侵蝕(初次沖刷),或?yàn)R蝕-片蝕-切溝侵蝕(再次沖刷)的坡面沖蝕歷程。反復(fù)的強(qiáng)降雨作用使得切溝下切侵蝕不斷發(fā)展,水流回溯,表層土體逐漸被掏空,產(chǎn)生貫通形成新的排水通道,而坡面徑流將優(yōu)先沿排水通道流動(dòng),容易使得骨架下方的支撐土體侵蝕破壞,造成骨架結(jié)構(gòu)的局部懸空。

因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)充分考慮骨架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位處土體的防護(hù),還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)行骨架防護(hù)邊坡服役期間普遍發(fā)生的坡面局部侵蝕破壞問(wèn)題,如在骨架施工后應(yīng)檢查拱圈與土體間是否存在空隙,若施工空隙太大,則需采用擠密或回填改性土。同時(shí)為減少骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞的發(fā)生,建議采取以下措施:可在骨架框格內(nèi)植草,通過(guò)植物莖葉削弱雨滴的沖擊能量,減緩泥漿濺散的速度; 也可在骨架框格內(nèi)設(shè)置土工格室,從而增加徑流長(zhǎng)度,避免徑流集中沖蝕; 還可考慮改變骨架的形狀,盡量采用圓角處理,以避免出現(xiàn)水流集中等現(xiàn)象; 更可在骨架框格內(nèi)涂抹生態(tài)防護(hù)材料,如膠-筋固化黃土(賈卓龍等,2022),在改善坡面土體穩(wěn)定性同時(shí),提供適宜植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展人工模擬降雨沖蝕模型試驗(yàn),對(duì)比分析了裸坡和骨架邊坡的坡面沖蝕過(guò)程、含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量,探討了骨架結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果,厘清了骨架關(guān)鍵部位的坡面沖蝕規(guī)律,揭示了強(qiáng)降雨誘發(fā)骨架防護(hù)邊坡侵蝕破壞機(jī)制。主要得出以下結(jié)論:

(1)骨架結(jié)構(gòu)對(duì)于黃土邊坡具有一定的防護(hù)效力,但其框格邊緣土體存在侵蝕破壞的安全隱患。隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng),裸坡和骨架邊坡的含沙量、徑流量及累計(jì)沖蝕量均逐漸增加。相比裸坡,沖蝕60min時(shí)骨架邊坡的含沙量降低25%(坡比1︰1.5),21.4%(坡比1︰1.75),徑流量降低33.8%(坡比1︰1.5),31.1%(坡比1︰1.75),累計(jì)沖蝕量降低43.6%(坡比1︰1.5),39.7%(坡比1︰1.75)。

(2)骨架尖角和拱頂?shù)汝P(guān)鍵部位處的土體所承受的雨水沖刷作用相比框格中間的土體更強(qiáng),尤其是尖角處的沖蝕深度和切溝發(fā)育情況相對(duì)更為明顯,其邊緣土體的沖蝕演化歷程歸納為:濺蝕-片蝕-細(xì)溝侵蝕-切溝侵蝕(初次沖刷),或?yàn)R蝕-片蝕-切溝侵蝕(再次沖刷)。

(3)在強(qiáng)降雨條件下,骨架結(jié)構(gòu)會(huì)限制土顆粒運(yùn)移、削弱雨水沖蝕,并對(duì)坡面徑流起到截流、擋水及分流作用,但也會(huì)在骨架關(guān)鍵部位,尤其是尖角處產(chǎn)生較為明顯地“邊緣匯流”現(xiàn)象,容易造成骨架豎向支撐下方土體侵蝕破壞,造成骨架結(jié)構(gòu)的局部懸空。有關(guān)骨架防護(hù)邊坡坡面損傷的修復(fù)及預(yù)防等方面有待進(jìn)一步研究。