低等級公路路基邊坡徑流侵蝕特征分析

張 飛

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006）

0 引言

路基的破壞形式多種多樣, 最多見的就是道路表面雨水沖刷所造成的土體崩解現象[1-2]。 受到建設資金的限制,并且考慮到設計及施工水平普遍不高、道路維護手段缺乏, 我國的農村低等級道路建設常常會發生路基土體被徑流侵蝕而造成破壞的現象。 尤其是處于夏季雨水較多的時節, 低等級路面路基邊坡在長時間的路面徑流雨水侵蝕下,經常發生穩定性不足的現象。因此,為了提升低等級路面的道路使用性能, 并減少重復的維修工作造成的經濟投入,要加強對雨水對低等級的侵蝕影響。 路基邊坡土體流失的原因主要是在于路基邊坡在短時間內受到路面徑流雨水的大規模沖刷作用, 由此導致原本穩固的土壤顆粒發生崩解現象, 被隨后而來的徑流攜帶流失,并且會不斷加劇[3-4]。 如果忽略這一影響因素,任由低等級路面邊坡土壤顆粒受到不斷的沖刷,而不加以維護,將會嚴重影響路面的路用性能。

低等級公路路面邊坡受到地面徑流沖刷產生破壞的現象不止常見于我國,國外同樣也存在著這一問題,為此,國內外學者對其展開了深入的研究。 國外研究將土壤侵蝕分為可分性和便攜性[5]。 朱顯謨[6]將土壤被侵蝕的特性叫做土壤抗侵蝕性, 具體上又稱為土壤的抗蝕性和抗沖性。 抗沖性指的是土壤抵抗水對土壤顆粒的物理破壞,抗蝕性是指土壤防止水對最外層的土體的離散作用[7]。而道路雨水對低等級公路路基邊坡產生的破壞作用分為兩大類,一是水對土壤顆粒的物理破壞,二是水對土壤顆粒的分散懸浮作用,兩者同一時間都存在。 路基坡面侵蝕過程并非是一個簡單的作用效果, 其整個過程和效果將會是多方面綜合作用的結果[8]。植被面積、土體顆粒性質、降水大小、邊坡坡度、匯水面積、以及土體的最初含水率等等都會對低等級路面邊坡土壤顆粒受到徑流匯水效果產生影響[9]。

路基邊坡的侵蝕強度受水力因素和土壤因素的影響。 本文的室內試驗用于再現路基邊坡的侵蝕過程,有助于揭示邊坡侵蝕的機理,分析侵蝕強度的影響。 在此基礎上,探討了路面侵蝕和侵蝕破壞的防治。 研究了道路徑流匯水沖刷低等級道路邊坡的影響強度, 并對其產生的破壞機理進行了分析, 將會對路基邊坡低穩定性引起的山體滑坡等災害防治提供指導價值。 研究結果可為公路邊坡的侵蝕防護找到經濟有效的保護措施。

1 試驗模型

1.1 試驗背景

低等級路面因各方面原因,很容易發生路基邊坡土體的侵蝕沖刷問題, 如果不對此加以重視將會影響到正常的路面運輸功能, 甚至可能會導致泥石流以及山體滑坡等自然災害,造成難以估量的財產經濟損失。 為研究低等級公路路面徑流匯水對路基邊坡侵蝕的影響,進行了實地調查,該調查是在某城市的農村公路上進行。

1.2 試驗目標

本文進行了低等級公路路基侵蝕室內模擬試驗,旨在得到路基邊坡受到路面徑流匯水侵蝕機理, 并對侵蝕程度受土體顆粒性質的影響效果進行分析, 進行了以下的室內試驗。

(1)以路基邊坡土體的壓實度作為變量,研究其對土體侵蝕破壞強度的影響；

(2)以路基邊坡土體的土體顆粒性質作為變量,并控制其壓實度與上述實驗內容中保持一致, 從而研究其對土體侵蝕破壞強度的影響。

1.3 模型設計與制作

因試驗條件所限,以1.0∶1.6 的斜率來提出實驗模型。該試驗模型分為兩大部分, 分別是低等級公路邊坡的土體分布區以及沖刷雨水匯水區； 實驗模型的主要構成材料是水泥磚砌筑,整體長度為2.0m,寬度為0.8m,高度為1.5m。 供水設備將水運到沖刷雨水匯水區水箱,然后從水箱間隙沖到模擬路基邊坡,從而達到沖刷坡面的效果；填充槽壁上刻有記錄點, 便于在測試過程中記錄侵蝕狀況,測試模型如圖1 所示。

圖1 測試模型示意圖

2 試驗土樣狀況

針對不同土坡的侵蝕, 考慮到不同類型土壤的土體顆粒性質以及抗侵蝕能力對實驗結果的影響。 本實驗取用兩種的土壤顆粒類型的土體進行室內模擬實驗。 所選用土壤樣本取自某二級公路工程的粘性土和砂性土。

2.1 試驗模型內填土

在模型每層將測試土壤樣品撒上并均勻混合, 使土壤樣品的水分含量接近壓實的最佳水分含量, 并填充該層。每層填充約15cm,并用橡皮錘敲打。 在錘擊過程中應保持每個錘擊壓力程度基本相同。 錘擊的強度和數量根據所需的壓實程度進行調整, 從而確保實驗模型中的土壤樣本壓實程度處于同一水平。 為了避免產生土體樣本層間相對滑動現象, 要先處理好上一層土體的表面后方可繼續再填充下一層。 完成整體的填充工作后,還要對坡面適當處理。 完成上一項工作后,用環形切割器取斜坡邊緣的土壤,測量土體顆粒性質指標；同時不能忽略采樣而產生的坑槽要將其補平, 并保證坑槽處補平后的壓實度與之前保持一致。

2.2 模型內土樣數據測定

(1)土壤樣本壓實度

將土體樣本的壓實度定義為干密度和最大干密度的比值,樣本的壓實度具體測量方案為環刀法。 本試驗中所取用的粘土的最佳含水率為32.7%,最大干密度是1.69g/cm3。 砂土的最佳含水率為25.8%,最大干密度是1.47g/cm3。 采用環切法測定不同抗壓強度下土樣的干密度和壓實度,具體數值見表1。

表1 土壤樣品壓實度

(2)粘聚力和飽和粘聚力

本試驗選用快剪試驗來測定土壤樣本, 具體測定出的粘聚力包括兩個方面：一是指土體顆粒粘聚力；二是指土體顆粒處于飽和狀態下的粘聚力。 在同一壓實度條件下,取6 份土壤樣本,測量其中3 份的粘聚力,另外3 份用于測量飽和狀態下粘聚力。 表2 示出了試驗得到的不同壓實度下兩份土樣的粘聚力。

(3)初始入滲速率

本試驗中模型的兩側的斜坡較高, 水流沿斜坡中部沖洗,模型兩側的土壤不會被水流滲透。在沖刷試驗之后,為了表征斜坡上兩側土壤的初始入滲速率, 采用染色的方式對其進行標定。具體方式為：在邊坡模型表面傾倒染料,并在傾倒之初就開始進行計時,10s 后停止計時器并斷開染料,快速地切割斜面以獲得滲透深度。 每次測試需要以6 個深度進行平均取值, 每個斜坡需要5 個點用于染料測試。 最后,將其滲透深度的平均值作為此壓實深度下土壤的初始滲透深度,測試結果見表3。

表2 土壤樣本的測試情況

表3 土壤樣本的初始入滲速率

3 沖刷試驗

3.1 試驗方案

為了得到不同土體顆粒性質對地面徑流沖刷強度的影響, 本試驗模擬了匯水對路面邊坡土體的沖刷侵蝕全過程。 試驗中所用土體包括粘土和砂土兩種土體類型進行沖刷侵蝕實驗。 擬定出三個壓實度作為控制變量來進行試驗數據采集和分析, 得到不同壓實度對地面徑流沖刷強度的影響。

3.2 試驗過程

為了分析地面徑流對低等級公路路基邊坡的沖刷侵蝕特征,建立起室內模型,規定了以下的試驗步驟：

(1)使用土體樣本將模型填充完成并用3D 激光掃描儀掃描模型的斜率。 待掃描出模型斜率后,以鋼尺測出墻平面至斜面間高度。

(2)在模擬沖刷過程以前,首先將模型中水箱注滿,隨即令模擬的匯水從上至下沖刷路基模擬坡面, 以開始釋放水閥為時間開始的節點, 按下秒表。 當計時每隔6min時,記錄一次墻平面至斜面間高度,一直持續模擬侵蝕沖刷18min。 在模擬的整個過程中,要持續關注沖刷水流速度以及徑流深度。 依照記錄的高度進行計算差值,即為模擬沖刷深度。

(3)沖刷完成后,再次用3D 激光掃描儀掃描模型坡度,從而檢測得到土壤的侵蝕量。

4 試驗結果及分析

除了壓實度不同外, 模擬試驗中兩種土壤樣本的模型尺寸條件皆相同。 隨著斜坡填充土體壓實程度的調整,土壤的參數也會發生變化。 隨著壓實度的降低,坡面土壤侵蝕明顯增加。

圖2 為在模擬侵蝕試驗前后粘性土試驗模型的試驗結果對比情況,可以明顯發現：隨著土壤壓實度的降低,模擬沖刷深度上升非常明顯, 當壓實度為89.7 時(最左側圖),模擬路基邊坡的沖刷侵蝕情況并不明顯；當壓實度為81.5 時(中間圖),觀察到模擬侵蝕后的斜面土體表層在水力作用下侵蝕掉一層；當壓實度為75.8 時(最右側圖),在模擬邊坡斜面的上部觀察到有一較深的沖坑, 這可能是由于壓實不均導致的局部壓實度偏低。

圖3 為在模擬侵蝕試驗前后砂性土試驗模型的試驗結果對比情況,可以明顯發現：隨著土壤壓實度的降低,模擬沖刷深度同樣上升非常明顯, 并且其總體的侵蝕沖刷情況相較于粘性土更為明顯。當壓實度為91.0 時(最左側圖),試驗模型出現部分較淺的紋理；當壓實度為81.9 時(中間圖),水流沖刷影響明顯增大,已經開始出現沖坑；當壓實度為76.5 時(最右側圖),沖坑發展愈加明顯,最終形成窄條狀。 總體上來說,產生這種情況是因為砂性土壤的內部顆粒粘聚性相較于粘性土要差很多。

圖2 粘土沖刷模擬情況

圖3 砂土沖刷模擬情況

觀察粘土沖刷侵蝕深度曲線,可以發現當壓實度為89.7 時,其沖刷深度最低,并且較為穩定,從上至下沒有明顯的差別；當壓實度為81.5 時,其沖刷深度相較來說整體變大,并且從上至下開始也有著提升的趨勢；當壓實度為75.8 時,其沖刷深度最大,并且從上至下變化非常明顯,總體呈下降趨勢,這可能是因為壓實不均勻引起,如圖4 所示。

圖4 粘土侵蝕情況

觀察粘土沖刷侵蝕深度曲線,除了上述提到其總體的侵蝕沖刷情況,相較于粘性土更為明顯外,不同壓實度的模擬沖刷特征與粘性土組的情況較為類似,如圖5所示。

當土壤樣本的壓實度下降, 土體顆粒間的間隙將會變大,從而引起顆粒間的粘聚力下降,最終導致其更易被道路徑流匯水沖刷侵蝕。 觀察模擬沖刷侵蝕前后粘土樣本顆粒粒徑的分布情況, 可以明顯發現＜0.5mm 及0.5～1mm 粒徑范圍的粘土顆粒占比在模擬沖刷侵蝕后明顯降低, 而粒徑范圍為1～5mm 及＞5mm 粒徑范圍的粘土顆粒占比相對下降,如圖6 所示。

圖5 砂土侵蝕情況

圖6 粘土粒徑分布圖

相較于粘性土,砂土土樣中＜0.5mm 及0.5～1mm 粒徑范圍的土體顆粒占比情況明顯更大, 在模擬沖刷侵蝕后,其占比更明顯。 與粘土不同的是,在模擬沖刷侵蝕后得到的不同壓實度條件下的侵蝕土, 其粒徑分布情況基本一致,如圖7 所示。

圖7 砂土粒徑分布圖

5 結論

本文模擬了粘性土和砂性土坡面的侵蝕過程, 得出了以下結論：

(1)隨著土壤壓實度的降低,粘土模擬沖刷深度上升明顯,砂土模擬沖刷深度同樣上升明顯,并且其總體的侵蝕沖刷情況相較于粘性土更為大；

(2)＜0.5mm 及0.5～1mm 粒徑范圍的粘土顆粒占比在模擬沖刷侵蝕后明顯降低, 而粒徑范圍為1～5mm 及＞5mm 粒徑范圍的粘土顆粒占比相對下降。