降雨條件下黏土邊坡沖刷水毀試驗研究

向 昊 余青霖 于云鵬

(四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000)

1 概述

公路水毀對公路交通的影響非常大，我國每年因邊坡水毀產(chǎn)生的災害，不僅會造成超過100億的經(jīng)濟損失，個別情況還會造成人員傷亡，因此對公路邊坡加強防護是關系經(jīng)濟與人民生命安全的大事[1]。公路水毀的六大類中，又以邊坡水毀為主要類型。邊坡的坍塌除自身坡體抗滑力差以外，往往都是在外界不利因素的誘導下發(fā)生和發(fā)展的，這些外界的因素主要導致坡體內(nèi)剪應力增加或坡體抗剪能力下降，最終使得土體內(nèi)的剪應力大于土的抗剪強度而造成滑動失穩(wěn)。在所有滑坡的災害中，降雨成為最主要的誘因之一，而受水的沖刷作用使得邊坡失穩(wěn)破壞成為主要的水毀類型之一[2]。圍繞降雨條件下的黏性土邊坡水毀展開研究，以期找出其水毀發(fā)展的規(guī)律，為公路邊坡抗水毀的措施增加理論支持。

2 坡面發(fā)生沖刷的條件

采用理論分析的方法對此問題進行研究，前提需要建立一個合理、有效、誤差較小的模型，這樣才能得到較好的理論分析結果。一般將土顆粒簡化為一個小單元，并假設土顆粒在坡面自上向下滑動過程中質(zhì)量不發(fā)生改變[3]。土顆粒在坡面被沖刷時的受力分析如圖1所示。

無論是國內(nèi)還是國外對坡面沖刷發(fā)生條件的研究成果來看，總的來講，就是當外界使土顆粒進行輸移的力F大于坡體土壤抵抗侵蝕的力F阻時，便會發(fā)生坡面沖刷侵蝕的現(xiàn)象[4]。

3 黏性土物理、力學性質(zhì)

3.1 黏性土物理性質(zhì)

黏土是指滲透性弱、顆粒小，且具有可塑狀態(tài)性質(zhì)的土。試驗中的黏土邊坡的初始含水率在37.24%，液限49%，塑限24.8%，含水量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)對黏性土邊坡的工程性質(zhì)有著極大的影響。

3.2 黏性土力學性質(zhì)

黏性土的力學性質(zhì)隨含水量大小而變化，黏性土具有粘聚力，其抗剪強度由粘聚力和內(nèi)摩擦阻力兩部分組成，其計算公式為τ=σtanφ+C(其中，φ為內(nèi)摩擦角；C為粘聚力)。通過進行黏性土樣的直接剪切試驗，可得出黏土邊坡的力學指標內(nèi)摩擦角為19°，粘聚力為8.7 kPa。黏土的力學指標受到物理特性含水率的影響，故了解黏性土的物理、力學性質(zhì)是為室內(nèi)模型試驗提供理論支持[4]。

4 室內(nèi)模型實驗

4.1 實驗條件

試驗用模型箱尺寸采用長寬高分別為900 mm×900 mm×300 mm。模型箱材質(zhì)選用木材進行加工，為保證雨水的均勻性，采用6個噴頭進行降雨(如圖2所示)，降雨強度由連接的水泵測得為38.48 mm/h。

4.2 黏土邊坡的構筑

本試驗黏土邊坡在填筑坡體時為嚴格控制坡體內(nèi)黏土的密實度和均勻性，采用人工分層填筑，分層壓密的方式。由于邊坡從力學方面來看是個平面應變問題，所以室內(nèi)模型試驗主要是研究在縱向截面上一部分坡體的沖刷水毀現(xiàn)象。本試驗為比較邊坡坡度對滑坡發(fā)生的影響和初探本性質(zhì)黏土邊坡的臨界坡度，進行六種坡度在相同降雨強度下的沖刷試驗，采用的坡度值分別為：56.3°，45°，36.9°，31°，26.6°和18.4°。

5 室內(nèi)模型試驗結果及分析

所有試驗按照所設計室內(nèi)模型沖刷試驗方案進行，從而獲得相同降雨強度下，不同坡度的黏土邊坡沖刷量，從而可得到黏土邊坡沖刷破壞的發(fā)展過程以及臨界坡度。

5.1 試驗過程

進行降雨條件下黏土邊坡室內(nèi)模型沖刷試驗時，觀察到黏土邊坡坡面在發(fā)生水毀過程所表現(xiàn)出的現(xiàn)象如圖3所示。

水流對坡面沖刷侵蝕是一個持續(xù)發(fā)展的過程，因黏土的滲透性弱，當雨水到達坡面時，水流不能及時滲透到坡體內(nèi)，因此就會在坡體表層達到飽和狀態(tài)，從而在整個坡面上產(chǎn)生面蝕現(xiàn)象。隨著沖刷的發(fā)展，模型的坡面沖刷由面蝕迅速發(fā)展為細溝侵蝕，沖溝的長度和深度隨著降雨的持續(xù)進行而不斷加長、加深，最后直至貫穿整個黏土坡面。坡腳處雨水流量相對坡體更大，因而坡腳發(fā)生坡面侵蝕的效果更明顯。

黏土邊坡受到雨水侵蝕沖刷而破壞的過程，外在表現(xiàn)出具有整體性和綜合性的過程。內(nèi)在機理是黏土邊坡的分解和土顆粒的搬運，其原因是具有一定能量的雨滴撞擊坡面土層，持續(xù)性的撞擊作用導致邊坡土體結構遭到損壞，土顆粒發(fā)生分散，進而降低土顆粒之間的粘結力，即降低坡體的抗剪強度，最后在土體重力的作用下，直至崩塌。

5.2 臨界坡度

降雨試驗結束后，將每個坡度的沖刷量進行烘干稱重，結果列于表1中。

表1 不同坡度的沖刷量結果

從表1可以看出，當坡度在36.9°時，沖刷量的值最大，因此，在本組試驗中36.9°為臨界坡度值(臨界坡度為所對應的坡面侵蝕量最大時的坡度值)。

6 結語

通過模擬研究降雨環(huán)境下，坡面水流沖刷作用，研究黏土邊坡沖刷的發(fā)生、發(fā)展和最終破壞形式。試驗結論認為：黏性土邊坡坡面沖刷破壞的過程是開始的坡面整體飽和導致的面蝕，到降雨的持續(xù)進行而發(fā)生的溝蝕，直至最后從坡腳開始發(fā)生的塌陷。降雨會誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)，在工程中，做好邊坡的排水措施，可以很好地降低邊坡水毀發(fā)生的概率。

[1] 羅 斌,胡厚田,王秉綱.路基邊坡坡面沖刷強度探討[J].中國鐵道科學,2002(3)：84-86.

[2] 趙艷茹,王 瑄,丘 野，等.模擬降雨下土壤剝蝕率和水流含沙量的關系[J].水土保持學報,2010,24(5)：97-100.

[3] 李志剛,錢七虎,陳云鶴.土工構造物邊坡沖刷臨界坡度的研究[J].土木工程學報,2004(2)：78-81.

[4] 張科利,秋吉康宏.坡面細溝侵蝕發(fā)生的臨界水力條件研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(1)：41-45.