坡面沖刷對公路邊坡穩定性的探究

張華贊　李正南

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

關鍵詞：沖刷；公路邊坡；工程防護；理論依據

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修建公路時，線路開挖導致自然侵蝕加速，加速了沖刷的進程。同時，由于邊坡的常年裸露，邊坡發生變形、病害以及破壞的幾率增大，其中水流的沖刷破壞最為顯著，由于水流沖刷產生的邊坡破壞明顯增加，嚴重影響公路正常安全運營和增大養護費用。因此，進行沖刷防護的合理設計、沖刷機理分析和量化是不可缺少的。

1 坡面沖刷研究現狀

坡面沖刷研究很早就已經開始，經歷了將近幾十年的發展歷程，科學界對坡面沖刷已經形成了相對比較全面的認識。國內外對坡面沖刷進行了大量的研究。以坡面的流速研究為例，不同學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外坡面流流速的基礎上，結合自己的試驗數據，統計分析，得到黃土區坡面流速公式[1-2]。Guy等人系統地研究了坡面流流速的影響因素[3]，Foster首次利用模擬細溝模擬了流速與坡度相互關系[4]，Govesrs做了相關的室內試驗提出了坡度、流量、流速的函數關系[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，且流量對流速的影響大于坡度。

（2）沖刷與坡度無關，僅是流量的簡單函數。

（3）坡面沖刷中，流速沿細溝呈正態分布，主要受流量和坡度的影響且坡度的影響大于流量。通過分析發現：“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、泥沙轉移和沉積三大過程，其中徑流沖刷占據主導地位。降雨濺擊是形成沖刷的最初形式。當雨滴平均落速達到一定值時，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。雨滴落速繼續增大到一定程度時，隨著水流的繼續增大，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

坡面沖刷產生時，坡面上的土顆粒受到自身重力、粒間粘結力、滲透壓力等多個力的相互作用，土顆粒的運動形式表現為穩定狀態轉為運動狀態、遷移、趨于穩定沉積。主要體現在：

（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，當雨水流經土壤時，部分水流會入滲進入土壤，產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。當水流速度達到能使坡面活動的起始速度時，便產生了坡面滑動滑坡。

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。工程防護以土工結構物為主要防護措施，穩定性較高，但對自然生態的破壞特別嚴重；植物防護以栽種植物，利用植物的相關特性達到防護的目的，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合，兼顧了邊坡加固、邊坡水土保持及生態恢復，效果比較顯著。

4 結束語

（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系。

（2）路基的坡面沖刷存在臨界條件。只有當坡面上土達到起動拖曳力和起動流速時，才會產生坡面沖刷現象。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

[1]羅賓，王秉綱，王選倉.路基邊坡沖刷基本理論[J].公路交通科技，2002（08）：34-35.

[2]李志剛，王春輝.公路邊坡沖刷機理[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2003（06）：15-17+42.

[3]趙歡，田偉平，李家春，等.公路泥石流災害危險性分區研究[J].災害學，2016，31（2）：24-29.

[4]李鵬，李占斌，鄭良勇.黃土坡面徑流侵蝕產沙動力過程模擬與研究[J].水力學進展，2006（07）：30-33.

[5]趙歡，田偉平，齊洪亮，等.陜西公路邊坡災害危險性分區研究[J].災害學，2016，31（4）：75-80.

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