坡面沖刷對公路邊坡穩(wěn)定性的探究

張華贊　李正南

摘 要：結(jié)合當(dāng)前公路邊坡沖刷防護研究的進(jìn)展，分析了天然降雨和徑流沖刷對邊坡穩(wěn)定性的影響，重點闡述了坡面沖刷形成的機理和相關(guān)影響因素，分析了坡面防護方法，為公路坡面沖刷防護提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖刷；公路邊坡；工程防護；理論依據(jù)

引言

路基坡面沖刷是公路沿線一個常見的病害問題，在我國北方黃土地區(qū)修建公路時，線路開挖導(dǎo)致自然侵蝕加速，加速了沖刷的進(jìn)程。同時，由于邊坡的常年裸露，邊坡發(fā)生變形、病害以及破壞的幾率增大，其中水流的沖刷破壞最為顯著，由于水流沖刷產(chǎn)生的邊坡破壞明顯增加，嚴(yán)重影響公路正常安全運營和增大養(yǎng)護費用。因此，進(jìn)行沖刷防護的合理設(shè)計、沖刷機理分析和量化是不可缺少的。

1 坡面沖刷研究現(xiàn)狀

坡面沖刷研究很早就已經(jīng)開始，經(jīng)歷了將近幾十年的發(fā)展歷程，科學(xué)界對坡面沖刷已經(jīng)形成了相對比較全面的認(rèn)識。國內(nèi)外對坡面沖刷進(jìn)行了大量的研究。以坡面的流速研究為例，不同學(xué)者通過各自的研究得到了不同的坡面流速公式。1978-1988年江忠善在全面收集國內(nèi)外坡面流流速的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析，得到黃土區(qū)坡面流速公式[1-2]。Guy等人系統(tǒng)地研究了坡面流流速的影響因素[3]，F(xiàn)oster首次利用模擬細(xì)溝模擬了流速與坡度相互關(guān)系[4]，Govesrs做了相關(guān)的室內(nèi)試驗提出了坡度、流量、流速的函數(shù)關(guān)系[5]。

在坡面沖刷方面，大致分為三種觀點：

（1）沖刷與流量和坡度都有關(guān)，且流量對流速的影響大于坡度。

（2）沖刷與坡度無關(guān)，僅是流量的簡單函數(shù)。

（3）坡面沖刷中，流速沿細(xì)溝呈正態(tài)分布，主要受流量和坡度的影響且坡度的影響大于流量。通過分析發(fā)現(xiàn)：“坡度的影響大于流量對坡面沖刷的影響”是目前主要的研究趨勢。

2坡面沖刷機理

坡面沖刷過程包括降雨濺擊和徑流沖刷引起土顆粒分離、泥沙轉(zhuǎn)移和沉積三大過程，其中徑流沖刷占據(jù)主導(dǎo)地位。降雨濺擊是形成沖刷的最初形式。當(dāng)雨滴平均落速達(dá)到一定值時，土顆粒受到侵蝕而濺起，又分為干濺階段、泥濺階段和層狀侵蝕階段。雨滴落速繼續(xù)增大到一定程度時，隨著水流的繼續(xù)增大，在坡度較陡的坡面上，形成了水深較淺的溝狀徑流。隨著水流的繼續(xù)增大，向下不斷地將侵蝕土壤分離、游離形成泥沙。

2.1 水流中土的受力分析

坡面沖刷產(chǎn)生時，坡面上的土顆粒受到自身重力、粒間粘結(jié)力、滲透壓力等多個力的相互作用，土顆粒的運動形式表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為運動狀態(tài)、遷移、趨于穩(wěn)定沉積。主要體現(xiàn)在：

（1）土顆粒浮容重。即土顆粒在水流中受到自身重力和水浮力的雙重作用下，形成的合力。

（2）滲透壓力。土壤自身具備一定的滲透性，當(dāng)雨水流經(jīng)土壤時，部分水流會入滲進(jìn)入土壤，產(chǎn)生與入滲方向一致的滲透壓力。

（3）土顆粒間的離散力。土顆粒運動過程中，不同顆粒運動方向不一致，相互摩擦碰撞，產(chǎn)生相互作用力，即為土顆粒間的離散力。除此以外，坡面滑動需要一個初始起動力。當(dāng)水流速度達(dá)到能使坡面活動的起始速度時，便產(chǎn)生了坡面滑動滑坡。

2.2 路基坡面沖刷強度

坡面沖刷強度可看作坡面流的沖刷能力，包括推移沖刷（土中粒徑較大部分）和懸移沖刷（土中粒徑較小部分）兩部分。故而產(chǎn)生了坡面流推移沖刷能力和坡面流懸移沖刷能力。顆粒在水流中以沉速ω下沉，但懸移質(zhì)的重心作為一個整體基本保持在一定高程，這意味著水流必須以ω的速度將顆粒群舉起。

3 坡面沖刷防護措施

對于坡面沖刷防護而言，工程中常用的防護技術(shù)可分為工程防護、植被防護和綜合防護三類。工程防護以土工結(jié)構(gòu)物為主要防護措施，穩(wěn)定性較高，但對自然生態(tài)的破壞特別嚴(yán)重；植物防護以栽種植物，利用植物的相關(guān)特性達(dá)到防護的目的，但對植物的要求較高，同時受地域影響比較重；綜合防護是將工程防護和植物防護相結(jié)合，兼顧了邊坡加固、邊坡水土保持及生態(tài)恢復(fù)，效果比較顯著。

4 結(jié)束語

（1）流速對路基坡面沖刷起到主要作用。坡面流流速與路基坡面坡度和坡面水流流量有直接關(guān)系。

（2）路基的坡面沖刷存在臨界條件。只有當(dāng)坡面上土達(dá)到起動拖曳力和起動流速時，才會產(chǎn)生坡面沖刷現(xiàn)象。并且在沖刷過程中，徑流平均流速并不是一直隨坡度增加而增加，而是存在一定的臨界值，平均單寬徑流能耗在隨坡度的變化過程中也存在臨界極值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張華贊（1989-），男，漢族，河南南陽人，長安大學(xué)碩士研究生，主要從事公路自然災(zāi)害防治方面的研究。