公路路基邊坡沖刷與防護(hù)措施分析

摘要 在降雨等外界環(huán)境變化的影響下，邊坡會(huì)出現(xiàn)表面侵蝕等現(xiàn)象，若未對(duì)路基邊坡表面的侵蝕采取針對(duì)性的防護(hù)措施，邊坡的整體穩(wěn)定性將會(huì)受到極大影響，增加道路通行的不安全性。為了提高公路路基邊坡的穩(wěn)定性，文章首先從坡面徑流、滲透、浸泡及軟化破壞等邊坡沖刷機(jī)理入手，研究了降雨特征、邊坡形態(tài)、壓實(shí)度、沖刷速度和沖刷時(shí)間對(duì)邊坡沖刷深度的影響，然后結(jié)合具體工程實(shí)例，分析了混凝土框架護(hù)坡防護(hù)措施的有效性，以期為同類(lèi)項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞 公路；路基邊坡；沖刷；防護(hù)措施；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào) U417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0057-03

0 引言

在進(jìn)行公路路基邊坡建設(shè)時(shí)，不可避免地會(huì)改變沿線(xiàn)原有生態(tài)條件及地形地貌，增加了出現(xiàn)水土流失的可能性。與此同時(shí)，建設(shè)過(guò)程中大量的挖填方，很大程度上改變了原狀土體結(jié)構(gòu)，使得路基邊坡的沖刷問(wèn)題更加突出[1]。在降雨等外界環(huán)境變化的影響下，邊坡會(huì)出現(xiàn)表面侵蝕等現(xiàn)象，若未對(duì)路基邊坡表面的侵蝕采取針對(duì)性的防護(hù)措施，邊坡的整體穩(wěn)定性將會(huì)受到極大影響，增加道路通行的不安全性。因此，對(duì)路基邊坡沖刷的影響因素和機(jī)理進(jìn)行分析，并針對(duì)性地做好防護(hù)措施，對(duì)于提高道路路基整體的穩(wěn)定性和安全性具有十分重要的意義。

1 公路路基邊坡沖刷機(jī)理分析

（1）坡面匯流

在下雨天，如果路基邊坡的滲透力小于降雨強(qiáng)度，此時(shí)路基邊坡坡面會(huì)出現(xiàn)匯流現(xiàn)象，從而增加邊坡出現(xiàn)侵蝕、失穩(wěn)等病害的概率。道路設(shè)施、路基路面及路基邊坡沖刷是降雨時(shí)公路出現(xiàn)的主要沖刷破壞。土體顆粒在降雨作用下出現(xiàn)分離、搬運(yùn)和堆積的現(xiàn)象稱(chēng)之為沖刷侵蝕。

（2）滲透

地面水的滲透隨著降雨的開(kāi)始而出現(xiàn)，影響滲透的因素較多，如邊坡的土體性質(zhì)、邊坡形態(tài)、降雨強(qiáng)度等。路基邊坡受到降雨滲透的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是隨著降雨的持續(xù)增加，一旦邊坡表層土的含水量出現(xiàn)飽和，坡面會(huì)產(chǎn)生匯流從而沖刷邊坡[2]；二是邊坡內(nèi)部含水量的增加會(huì)引起滲流場(chǎng)出現(xiàn)變化，增加水壓力，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，大大降低路基的整體穩(wěn)定性。

（3）浸泡

在降雨的持續(xù)作用下，一旦公路的排水設(shè)施不完善，將使得路基邊坡被水浸泡，也就意味著邊坡的土體處于暫時(shí)飽和狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，土體的強(qiáng)度會(huì)大幅降低，路基路面的黏聚力將隨之減少，增加路基出現(xiàn)水毀的概率。

（4）再次滲透

雨水的再次滲透會(huì)補(bǔ)充邊坡土體中的含水量，土體顆粒受到滲透壓力的作用，邊坡將出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，雨水會(huì)侵蝕邊坡內(nèi)部土體，使得土體顆粒的黏結(jié)力降低，土體結(jié)構(gòu)將變得松散，大大降低邊坡的穩(wěn)定性。

（5）軟化破壞

在上述過(guò)程的影響下，水分與邊坡土體充分作用，邊坡強(qiáng)度將持續(xù)下降，導(dǎo)致路基邊坡出現(xiàn)軟化破壞的現(xiàn)象，最終出現(xiàn)滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害[3]。路基邊坡坡面受到?jīng)_刷時(shí)，邊坡土體顆粒從表到里逐步受到侵蝕。較小顆粒的土體在沖刷初期受到水流作用而被帶走，逐漸降低較大顆粒土體與邊坡整體的連接力。一旦水流的作用超過(guò)連接力，較大顆粒的土體也將被水流帶走，邊坡坡面的土體慢慢被剝落，使得坡面下方土體裸露出來(lái)，導(dǎo)致沖刷侵蝕的影響越來(lái)越大。

2 公路路基邊坡沖刷影響因素分析

2.1 降雨特征

在引起邊坡沖刷的影響因素中，降雨至關(guān)重要。在降雨過(guò)程中，雨滴雖然相對(duì)較小，但其具有一定的速度和質(zhì)量，邊坡表面土體顆粒在雨滴的撞擊下，會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，從而變?yōu)樗缮顟B(tài)的顆粒，導(dǎo)致土體顆粒改變其原有位置而出現(xiàn)躍遷。雨滴與土體顆粒的撞擊不僅是邊坡沖刷一開(kāi)始的表現(xiàn)形式，而且在后續(xù)的邊坡徑流過(guò)程中，提供了相當(dāng)數(shù)量的松散土顆粒[4]。當(dāng)邊坡表面土體的滲入量小于外部降雨量時(shí)，大量的雨水會(huì)在邊坡匯集，從而形成坡面徑流。坡面徑流的沖蝕和搬運(yùn)作用是邊坡沖刷的主要?jiǎng)恿?。不同地區(qū)的公路由于所處自然條件、邊坡土體性質(zhì)等存在較大差異，因此沖刷侵蝕的狀況也大不相同。通常來(lái)說(shuō)，若公路沿線(xiàn)降雨量較大且土體性質(zhì)較差，邊坡坡面受到的坡面侵蝕往往比較嚴(yán)重。低等級(jí)的公路路基邊坡沖刷破壞相對(duì)較大，特別是排水設(shè)施不完善或者排水設(shè)施出現(xiàn)堵塞等情形時(shí)，路面的雨水出現(xiàn)匯流的可能性更大，一旦降雨量過(guò)大，路面匯流將會(huì)嚴(yán)重沖刷路基邊坡。

2.2 邊坡形態(tài)

邊坡的形態(tài)包括邊坡的坡度和坡長(zhǎng)，不同坡度和坡長(zhǎng)的邊坡，其沖刷侵蝕作用也不相同。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)邊坡為直線(xiàn)形時(shí)，邊坡上方和下方的坡度基本無(wú)變化，下部的邊坡由于徑流的流速較快，動(dòng)能較大，坡腳處出現(xiàn)沖刷的現(xiàn)象最明顯[5]。當(dāng)邊坡為凹形時(shí)，邊坡的中部通常是沖刷最為嚴(yán)重的區(qū)域，邊坡的上部和下部沖刷相對(duì)不明顯。若邊坡為凸形，徑流經(jīng)過(guò)邊坡上部較為緩和的坡面會(huì)積聚較大的動(dòng)能，而當(dāng)經(jīng)過(guò)凸形區(qū)域時(shí)，徑流會(huì)以較大的速度沖刷坡腳。與直線(xiàn)形邊坡相比，凸形邊坡的沖刷現(xiàn)象更為明顯，往往會(huì)產(chǎn)生淺溝、沖溝等。因此，邊坡的形態(tài)很大程度上會(huì)影響邊坡沖刷的強(qiáng)度，只有針對(duì)邊坡的形態(tài)等特性，采取針對(duì)性的防護(hù)措施才能有效保障邊坡的穩(wěn)定性。

邊坡的坡度對(duì)邊坡的沖刷強(qiáng)度有著重要影響。不同坡度的邊坡，其坡面徑流的加速度也不相同，從而使得徑流的速率存在較大差異。當(dāng)坡面匯水量相同時(shí)，在一定坡度范圍內(nèi)，坡度越大，水流對(duì)邊坡的沖刷強(qiáng)度越大。反之坡度越小，水流對(duì)邊坡的沖刷強(qiáng)度越小。但是，當(dāng)坡度大于臨界值時(shí)，邊坡的沖刷強(qiáng)度與坡度則會(huì)出現(xiàn)反比的關(guān)系。相關(guān)研究表明，路基邊坡的臨界坡度為37°～41°。

坡長(zhǎng)同樣影響著邊坡的沖刷強(qiáng)度，邊坡的徑流勢(shì)能與邊坡坡度、坡長(zhǎng)的關(guān)系如式（1）所示：

E=ρg "4 "BL2mSin2α （1）

式中，E——徑流勢(shì)能（J/m2）；ρ——水密度（kg/m3）；g——重力加速度（m/s2）；B——邊坡寬度（m）；L——邊坡坡長(zhǎng)（m）；m——降雨量（m3）；α——邊坡坡度（°）。

根據(jù)式（1）可以看出，徑流勢(shì)能與邊坡坡長(zhǎng)的平方成正比關(guān)系，坡長(zhǎng)越大，降雨對(duì)邊坡的沖刷越明顯。

2.3 壓實(shí)度、沖刷速度和沖刷時(shí)間

相關(guān)研究表明，不僅邊坡的形態(tài)對(duì)邊坡的沖刷強(qiáng)度具有明顯影響，邊坡的壓實(shí)度、沖刷時(shí)間和沖刷速度等也影響邊坡的沖刷深度。該文通過(guò)仿真模擬，探究壓實(shí)度、沖刷時(shí)間和沖刷速度對(duì)邊坡的沖刷作用。以黏性土路基邊坡為研究對(duì)象，重度為18.8 kN/m3，內(nèi)摩擦角為22°，黏聚力為25 kPa。選取80%、85%和90%的壓實(shí)度，0.1 cm/s、0.15 cm/s和0.2 cm/s的水流沖刷速度進(jìn)行模擬分析，壓實(shí)度、沖刷時(shí)間、沖刷速度與沖刷深度之間的關(guān)系分別如圖1～3所示。

從圖1可以看出，壓實(shí)度越小，邊坡的沖刷深度越大，沖刷深度與壓實(shí)度成反比關(guān)系。在相同的觀測(cè)點(diǎn)，當(dāng)邊坡的壓實(shí)度為80%時(shí)，其沖刷深度最大。如測(cè)點(diǎn)10，壓實(shí)度為80%時(shí)，沖刷深度為16 mm，壓實(shí)度為85%時(shí)，沖刷深度為13 mm，壓實(shí)度為90%時(shí)，沖刷深度為10 mm；測(cè)點(diǎn)16，壓實(shí)度為80%時(shí)，沖刷深度為20.5 mm，壓實(shí)度為85%時(shí)，沖刷深度為16 mm，壓實(shí)度為90%時(shí)，沖刷深度為13 mm。邊坡的沖刷深度隨著壓實(shí)度的減小而逐漸增大。

從圖2可以看出，隨著沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，邊坡的沖刷深度也在不斷增大。0～3 min，邊坡的沖刷深度隨時(shí)間緩慢增加；3～6 min，邊坡的沖刷深度隨時(shí)間急劇增加；時(shí)間超過(guò)6 min后，邊坡的沖刷深度雖然仍在持續(xù)增加，但趨勢(shì)減緩。

從圖3可以看出，沖刷速率越快，邊坡的沖刷深度越大，沖刷深度與沖刷速率成正比關(guān)系。如在5 min時(shí)，沖刷速率為0.2 cm/s時(shí)，邊坡沖刷深度為18 mm，沖刷速率為0.15 cm/s時(shí)，邊坡沖刷深度為12 mm，沖刷速率為0.1 cm/s時(shí)，邊坡沖刷深度為7 mm。與0.1 cm/s的沖刷速率相比，當(dāng)沖刷速率為0.2 cm/s時(shí)，沖刷深度增加了1.5倍。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

該文以某二級(jí)公路為例，該公路K120+600～K120+980路段位于剝蝕丘陵地帶，邊坡的最大高程為580 m，坡度為23°～32°，具有谷深且坡陡的地形特征。邊坡的表層土體結(jié)構(gòu)為5.6～7.2 m的碎石性黏性土。該路段填方段的地基材料不僅結(jié)構(gòu)松散，還具有較好的透水性，穩(wěn)定性不良。在降雨較大時(shí)，路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)較小，存在滑動(dòng)的可能性。為了提高路基的整體穩(wěn)定性，確保公路運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)該路基邊坡采取防護(hù)措施。

3.2 防護(hù)措施

根據(jù)前文的分析及項(xiàng)目實(shí)際的工程特點(diǎn)，該路基邊坡采用混凝土框架護(hù)坡?；炷量蚣芤环矫婵梢员苊獾乇硭疂B入，起到保護(hù)邊坡表面坡體的作用，另一方面也提高了坡體整體的穩(wěn)定性，減小了風(fēng)化作用的影響?；炷量蚣茏o(hù)坡不僅施工簡(jiǎn)單，投資額小，而且適用廣泛，可與其他防護(hù)措施結(jié)合使用，處治效果較好。該項(xiàng)目采用兩種形式的混凝土框架，距離滑動(dòng)面較近的混凝土框架，設(shè)置長(zhǎng)錨桿貫穿滑動(dòng)面，形成節(jié)點(diǎn)集中受力的框架系統(tǒng)；距離滑動(dòng)面較遠(yuǎn)的混凝土框架，設(shè)置短錨桿，將其與邊坡坡面形成受力整體。

3.3 穩(wěn)定性分析

防護(hù)前后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化如圖4所示。由圖4可以看出，未進(jìn)行防護(hù)前，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著時(shí)間的增加逐漸減小。采用混凝土框架和噴混凝土護(hù)坡后，極大地提高了邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，雖然隨著時(shí)間的增加，穩(wěn)定系數(shù)仍在減小，但其最小值已達(dá)到1.7，說(shuō)明路基邊坡的整體穩(wěn)定性有了很大提高，防護(hù)措施有效。

4 結(jié)語(yǔ)

公路路基作為公路重要的組成部分，其穩(wěn)定性關(guān)系公路運(yùn)營(yíng)安全。路基邊坡在降雨及其他因素的沖刷作用下，邊坡的強(qiáng)度和穩(wěn)定性可能會(huì)出現(xiàn)滿(mǎn)足不了安全運(yùn)營(yíng)要求的情況，因此保證路基邊坡的整體穩(wěn)定性是公路建設(shè)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。在進(jìn)行邊坡防護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的工程特點(diǎn)和邊坡出現(xiàn)損壞的原因，采取針對(duì)性的防護(hù)措施，以達(dá)到提高路基邊坡整體穩(wěn)定性的目的。

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