某公路河灣段路基擋土墻在山洪沖刷條件下的失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

摘要 為探究山洪沖刷條件下公路河灣段路基擋土墻失穩(wěn)的破壞機(jī)理，提高公路路基防護(hù)效果，保證公路安全穩(wěn)定運(yùn)營，文章依托某山區(qū)省道案例，通過室內(nèi)沖刷模擬試驗(yàn)，對(duì)不同水深、流量、水流轉(zhuǎn)角條件下的河灣段路基擋土墻穩(wěn)定性實(shí)施模擬分析。結(jié)果顯示：（1）水流流量、深度對(duì)路基擋土墻穩(wěn)定性影響較大，水流轉(zhuǎn)角對(duì)擋土墻穩(wěn)定性影響較小，且在橫向沖刷深度較深的條件下，水流量越小，路基擋土墻穩(wěn)定性越低，越容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞；（2）在水流沖刷作用下，擋土墻臨河側(cè)基底土體被掏空，造成擋土墻單側(cè)受力過大，穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致?lián)跬翂υ獾絻A覆破壞。

關(guān)鍵詞 公路項(xiàng)目；河灣擋土墻；山洪沖刷；破壞機(jī)理

中圖分類號(hào) U417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0090-03

0 引言

山區(qū)地形條件復(fù)雜，公路工程建設(shè)時(shí)，為適應(yīng)地形、環(huán)境及道路線形需要，公路通常沿河布置，并在沿河側(cè)設(shè)置路基擋土墻，以增強(qiáng)路基的抗沖刷能力，保證公路運(yùn)營安全[1]。但受河水漲落及沖刷作用影響，河灣段路基擋土墻極易受到失穩(wěn)破壞，引發(fā)路基路面塌陷等問題，嚴(yán)重影響道路使用安全[2]。為此，該文結(jié)合某山區(qū)省道工程案例，借助室內(nèi)沖刷模型，系統(tǒng)分析了山洪沖刷作用下河灣段路基擋土墻的失穩(wěn)破壞機(jī)理，以期有效提升沿河公路路基的防護(hù)水平，保證公路運(yùn)營能力[3]。

1 工程概況

某山區(qū)省道項(xiàng)目，沿線地形以黃土丘陵為主，由于流水切割，地表破碎，溝壑縱橫，植被稀少，水土流失比較嚴(yán)重，為典型的侵蝕地貌類型。公路路基采用碎石土進(jìn)行填筑，內(nèi)部夾雜粉砂土，道路西側(cè)臨河，谷坡陡峻，谷道狹窄，河寬400～600 m，主要支流為縣川河、朱家川河，干流深切，支溝和河網(wǎng)密布，屬季節(jié)性河流，旱、雨兩季的河流流速差別較大。該山區(qū)公路沿線降雨充沛，年均降雨量為460 mm，主要集中在汛期7～8月，時(shí)空分布不均，具有很強(qiáng)的集中性和突發(fā)性，公路路基受山洪沖刷破壞較為嚴(yán)重。

通過現(xiàn)場調(diào)查，該山區(qū)公路河灣段路基破壞形式如下：

（1）凹岸沖蝕破壞。山區(qū)公路河灣段路基極易受到?jīng)_刷破壞，尤其對(duì)于凹岸位置，路基沖刷破壞最為嚴(yán)重，處治不及時(shí)將會(huì)造成道路塌陷[4]。

（2）水毀破壞。河灣段路基水毀破壞主要包括路面掩埋、路基垮塌、路基沉陷等三種類型。其中，路面掩埋破壞主要是在山洪水位較高的情形下，由于水流攜帶大量泥沙、碎石及雜物，當(dāng)水位下降后淤泥、碎石、雜物侵占道路，造成路基路面掩埋破壞；路基垮塌是由于山體滑坡、泥石流等的沖擊作用，導(dǎo)致路基擋墻垮塌，進(jìn)而引發(fā)道路垮塌；路基沉陷則是由于降雨與地下水作用，導(dǎo)致路基土體軟化，承載力下降，從而造成路基失

穩(wěn)沉陷[5]。

（3）防護(hù)失效破壞。這種破壞主要是由路基防護(hù)不到位或防護(hù)體系失穩(wěn)所導(dǎo)致，破壞性較大。

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在山區(qū)公路河灣段路基破壞中，水毀破壞、凹岸沖蝕破壞、防護(hù)失效破壞占比分別為43.3%、30.0%和26.7%。通過對(duì)比可以看出，河灣段路基水毀破壞占比較大，已成為影響山區(qū)公路正常使用的關(guān)鍵所在[6-8]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究山洪沖刷條件下河灣段路基的破壞情況，該文通過設(shè)置沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)各種沖刷條件下山區(qū)公路河灣段路基的破壞規(guī)律實(shí)施模擬分析。

2.1 沖刷試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)山區(qū)公路河灣段路基的實(shí)際情況，設(shè)置沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體見圖1所示。沖刷模型由河道、路基、沉淀池、蓄水池、水管、水泵、流量監(jiān)測儀等構(gòu)成。沉淀池采用尺寸為40 cm×40 cm×40 cm的無蓋箱體，蓄水池采用尺寸為50 cm×50 cm×50 cm的正方體；利用水泵抽水模擬山洪沖刷作用[9]。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）工況設(shè)計(jì)。模擬工況嚴(yán)格按照公路河灣段路基的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用天然河沙，分別設(shè)水深、流量、河道彎度三組變量。

（2）測點(diǎn)布設(shè)。該研究共設(shè)6個(gè)沖刷斷面，1#～3#斷面均位于直線段，且3#斷面位于入口部位；而4#～5#斷面均位于曲線段，且6#斷面位于出口部位。

2.3 試驗(yàn)流程

該模擬試驗(yàn)基本流程如下：

路基邊坡鋪設(shè)。根據(jù)山區(qū)公路實(shí)際情況，在模型河灣段左側(cè)設(shè)置邊坡，高20 cm，寬8 cm，并在其底部設(shè)置擋土墻，以阻擋河流的沖刷破壞。

鋪沙。沿河灣段內(nèi)側(cè)撒布一層河沙，并適當(dāng)進(jìn)行壓實(shí)處理，確保河沙和路基邊坡貼合緊密。

設(shè)定水流量。通過測試確定出水口的水流大小，并獲得水流流速，進(jìn)而合理設(shè)定出水口的水流量。

測量各點(diǎn)水流流速與深度。利用流量計(jì)測出各斷面的水流量，計(jì)算出各點(diǎn)水流流速，并通過鋼卷尺測量水流深度。

關(guān)閉水泵。水流流速及深度測量完畢，關(guān)掉水泵停止供水，并排除河道內(nèi)的水流。

沖刷深度量測。待河道內(nèi)部水流完全流盡后，采用鋼卷尺測量各點(diǎn)沙層厚度，并與初始鋪設(shè)厚度實(shí)施比較，通過計(jì)算求得沖刷深度。

橫向沖刷深度量測。待河道內(nèi)部水流完全流盡后，采用鋼卷尺測量路基邊坡寬度，并與初始鋪設(shè)寬度實(shí)施比較，通過計(jì)算求得橫向沖刷深度。

3 河灣段沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水流流速分析

該文重點(diǎn)針對(duì)河灣段路基的沖刷情況進(jìn)行探究，保持水流轉(zhuǎn)角不變，通過沖刷模擬試驗(yàn)分別獲得水深1.0 cm、3.0 cm條件下，各測點(diǎn)水流流速隨水流量變化的關(guān)系曲線，見圖2～3所示。

從圖2～3可以看出，在水流轉(zhuǎn)角與流量保持不變的條件下，水深越大，流速就越大。其中，水流轉(zhuǎn)角30°和流量2 m3/h條件下，水深1 cm和3 cm時(shí)河灣段的水流流速分別為9.12 cm/s和16.93 cm/s；相較于水深1 cm時(shí)，水深3 cm時(shí)河灣段的水流流速提高7.81 cm/s，提升幅度超過85.6%?？梢?，水深對(duì)流速具有重要影響。

3.2水流深度分析

通過沖刷模擬試驗(yàn)，得到不同水流量下河灣段入口部位的水深變化情況，見圖4所示：

從圖4可以看出，水流量越大，河灣段入口部位的水深就越大，且當(dāng)水流轉(zhuǎn)角相同時(shí)，相較于初始深度1 cm條件下，初始深度3 cm條件下的入口水深較大；但流量不變時(shí)，隨著水流轉(zhuǎn)角的變化，入口水深變化較小，說明水流轉(zhuǎn)角對(duì)入口部位的水流深度影響較小。

4 擋土墻穩(wěn)定性分析

在水流沖刷作用下，路基擋土墻基底土體被掏空，從而引發(fā)擋土墻失穩(wěn)，通過試驗(yàn)?zāi)M獲得各種流量與橫向沖刷深度條件下路基擋墻穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律如下：

（1）在水流量不變的條件下，橫向沖刷深度越大，其穩(wěn)定性系數(shù)就越小。其根本原因在于橫向沖刷深度增大，使得擋土墻臨河側(cè)基底脫空，造成擋土墻單側(cè)受力過大，容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。其中，水流量2 m3/h條件下，橫向沖刷深度為0.4 cm和2.8 cm時(shí)的擋土墻穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.32和0.62，與橫向沖刷深度0.4 cm相比，沖刷深度為2.8 cm時(shí)的擋土墻穩(wěn)定性系數(shù)降低0.7，降幅高達(dá)53.0%。

（2）在橫向沖刷深度不變的條件下，水流量越大，擋土墻穩(wěn)定性系數(shù)越小。其主要是由于水流量增大，使得河道內(nèi)的水流深度增加，從而導(dǎo)致?lián)跬翂εR河側(cè)壓力增大，有效阻擋擋土墻傾覆?？梢?，在橫向沖刷深度較深的條件下，水流量越小，路基擋土墻穩(wěn)定性越低，越容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)語

綜上所述，該文依托某山區(qū)省道沿河段實(shí)例，通過室內(nèi)沖刷模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了水流轉(zhuǎn)角、水深、水流量對(duì)河灣段路基穩(wěn)定性的影響，并詳細(xì)探究了山洪沖刷作用下河灣段路基擋土墻的失穩(wěn)破壞機(jī)理，所得結(jié)論如下：

（1）山區(qū)公路河灣段路基破壞主要包括凹岸沖蝕破壞、水毀破壞及防護(hù)失效破壞等三種形式，且以河灣段路基水毀破壞最為普遍，已成為影響山區(qū)公路正常使用的關(guān)鍵所在。

（2）在水流轉(zhuǎn)角與流量保持不變的條件下，水深越大，流速越大，且相較于水深1 cm時(shí)，水深3 cm時(shí)河灣段水流流速的提升幅度超過85.6%，說明水深對(duì)流速影響較大。

（3）在水流沖刷作用下，擋土墻臨河側(cè)基底土體被掏空，造成擋土墻單側(cè)受力過大，穩(wěn)定性下降，從而造成擋土墻傾覆破壞。

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收稿日期：2025-01-15

作者簡介：郝耀宗（1985—），男，本科，工程師，從事公路養(yǎng)護(hù)、資產(chǎn)管理、賬務(wù)審計(jì)工作。