坡面沖刷對公路邊坡穩定性的研究

王帥朋，趙一博，李文莉，寇發達

（黃河科技學院工學部，河南鄭州 450000）

0 引言

路基坡面沖刷是公路沿線上較為普遍的現象，在我國北部黃土區域修筑公路時，路線開挖造成了自然侵蝕破壞現象的迅速化，進而使坡面沖刷的過程縮短加快。與此同時，因為邊坡一直裸露在外面，其產生變形和被破壞等問題的概率也大幅度的增加，尤其是水流的沖刷損壞問題最為嚴重。因為水流沖刷所造成的邊坡損壞現象顯著提升，導致公路不能穩定安全的使用，交通運輸線路收到了一定的影響，并且使維修保養的成本增加。所以，對水流的沖刷防護進行科學地設計、對危害造成的機理研究以及量化進而提出有關的保護措施是必不可少的。

1 坡面沖刷研究現狀

對于水流坡面沖刷的探究實驗在很久之前就早已開展，此項研究通過近幾十年的發展和完善，目前我們對坡面沖刷問題的發生早已有了較為整體和成熟的認知。國際和國內的學者對坡面沖刷都展開了無數次的實驗和分析，以對坡面的水流速率問題的分析來舉例，多數專家經過自身無數的實驗和總結獲得了各不相同的坡面水流速率表達式。1978 到1988 年江忠善在整體的綜合國內與國際坡面流速的前提條件下，與其自身的實驗數據相結合，并且整合研究獲得了黃土區域坡面水流速率表達式：V=2.0q0.5s0.35。Guy 等學者全面地分析了坡面流流速的作用元素，Foster 則第一次借助模擬細溝徑流進行了無數次的沖刷實驗，進而展現了流速和坡度之間的聯系，Govesrs 進行了與之相關的文獻資料的收集和整理且表達出了坡度、流量、速率之間的聯系。

在坡面沖刷的影響因素問題上，一般可以劃為三個觀點：

（1）它與流量以及坡度都有很大的關聯，并且流量對其產生的作用比坡度對其產生的作用要大。

（2）它和坡體角度的大小沒有關聯，只和流量的大小存在函數關系。

（3）在坡面沖刷這個問題上，流速沿細溝呈現正態分布，一般與流量以及坡體角度的大小都存在一定的關聯，并且坡度對其產生的作用比流量要大。而大量資料顯示：坡體角度對其產生的作用大于流量對坡面沖刷程度產生的作用，是當前重要的研究態勢。

2 坡面沖刷機理

坡面沖刷的進程涵蓋了降水沖擊與徑流沖刷帶來的土顆粒分解、泥沙移位與沉積三個環節，這幾個環節中徑流沖刷所占的比重較大。降水沖擊是造成水流沖刷的初期模式，當水滴的平均掉落速率達到了一定的程度，土顆粒由于遭受了沖擊而被激起，可以劃為干濺、泥濺以及層狀腐蝕三個時期。降水下降速率持續提高至一定數值時，伴隨水流的持續增加，在角度較大的坡面上，就呈現出了較小的溝形徑流。伴隨水流的持續增加，往下一直把侵蝕土顆粒分解、沖刷直至變成泥沙，如圖1 所示。

圖1 坡面沖刷機理

2.1 水流中土的受力研究

在形成坡面沖刷時，坡面上的土體受到自身重力、土體之間的黏結力、入滲壓力等多個方面之間的影響，土體的運動過程變化從穩定狀態變成運動狀態、移動、然后又開始沉積。這一般表現為：

（1）分子浮容重。這是土體在沖刷時遭受自身重力與水的浮力兩項力的影響下所呈現的合力。

（2）入滲壓力。土質自身具有一定程度的滲透性，當水流通過土體時，少許水流會滲透至土體內部，形成和滲透方向相同的入滲壓力。

（3）土體分子之間的離散力。土體分子移動的過程中，不同分子的移動方向也各不相同，之間產生碰撞進而形成互相作用的力，這就是土體份子相互的離散力。

除上述原因之外，坡面的運動也要求一個起始的起動力，當水流速率能夠大到使坡體移動的初始速度時，就導致了坡面移動滑坡的現象。

2.2 路基坡面沖刷程度

坡面沖刷程度能夠當作坡面流的沖刷性能，包括推移沖刷（土中個體徑略大的部分）以及懸移沖刷（土中個體徑略小的部分）兩個類型。因此造成了坡體流推移沖刷性能以及坡體流懸移沖刷性能。土質個體在水流內以沉速w 沉落，但懸移質的重心是一個整體大致平衡在一定高程，這就代表了水流需要以w 的沉速把個體群托起。

3 坡面沖刷防護方式

在坡面沖刷的防護方面，工程中較為普遍的技術手段能大致分成工程防護、植被防護以及綜合防護幾個類型。工程方面以土工結構物為重要的保護結構，較為穩定，但是這種方式對自然、生態的損害比較嚴重；植物保護手段以種植植物，借助植物的穩定特征來進行防護，但是需要達到一定標準的植物，并且這類方式受地域制約較為嚴重；綜合防護是把工程技術與植物保護手段進行融合，能夠做到邊坡穩固、防止水土流失和保護自然生態，是比較全面的措施，如圖2 所示。

3.1 災害治理

邊坡結構是公路安全運營的保障，不同種類的邊坡結構起到了不同的防護保護作用。公路是運輸系統的重要組成部分，它的結構功能和整體的區內運輸有著密切的聯系。因為公路工程結構的特殊情況，所以在運營使其要重視保護和管理方面，較少坡面沖刷等現象的出現。所以，施工部門要重視實際的施工情況，制定科學完善的工程監督管理機制，保障工程建設的質量安全。

3.2 完善結構

在公路工程中，需要對其實施監督的方面有很多，需要結合工程實施區域的各種因素，制定科學合理的質量監督系統，進而保障工程施工作業的平穩運行。在公路工程實際的施工作業中，混凝土結構是較為主要的構成元素，采用素混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土等性能穩定的構成元素，可以強化公路的抗害能力，并且達到大跨度運輸的需求。不過，因為混凝土結構具有特殊性，實施階段要完善傳統的維護計劃，全方位多層次的對其性維護，保證其耐受性和穩定性。

3.3 調整技術

從基礎方面對其進行維護，有利于提高公路邊坡的穩定性。比如，公路邊坡選擇現場施工技藝和技術規劃，為公路邊坡結構基本工程的實施提供參考。所以，施工部門要綜合實際施工條件，嚴格按照要求進行現場施工，保證其施工技術和效果滿足要求。

3.4 積極檢測

相關部門需嚴格按照質量監管原則，發揮監管作用以及在公路邊坡中的指導作用，對公路邊坡維護進行全面的監督指導。對于檢測到存在的弊端，要及時派遣專業人才開展維修和搶救，以免對后期公路的運營埋下安全隱患。

4 結語

（1）水流速率對公路的坡面沖刷發揮了重要作用。坡面流流速和公路坡面坡度以及坡面水流的流量有著直接的聯系。

（2）公路邊坡的坡面沖刷具有臨界條件。只有當坡面上土達到啟動拖曳力與啟動速率的時候，才能夠導致坡面沖刷情況的發生。而且在沖刷的整個過程中，徑流的一般速率也不會持續伴隨坡面角度的提高而增加，而是具備某個臨界值，平均單寬徑流能耗在伴隨坡體角度的改變過程中也具備一定的臨界極值。