基于土工網的公路土石邊坡固土性能

尉紅彬， 李 娟， 喬建剛

(1.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司， 石家莊 050011； 2.天津路通建科技有限公司， 天津 300401； 3.北京交通大學海濱學院， 黃驊 061199； 4.河北工業(yè)大學土木與交通學院， 天津 300401)

公路邊坡水土流失，是影響公路邊坡穩(wěn)定性的重要因素[1]。中國幅員遼闊，地質環(huán)境復雜，不同降雨條件下邊坡固土性能成為保證公路安全的重要手段之一。由于公路邊坡土質不一，中外已報道一些關于邊坡穩(wěn)定性的相關研究。周宏博等[2]通過建立降雨雨型和降雨強度影響下的土坡仿真模型，分析不同雨型和強度對土坡穩(wěn)定性的影響。余勇[3]提出土工材料因施工方便、造價較低、質量較高，普遍應用于公路工程中。劉濤等[4]結合高速公路高邊坡防護工程實際，從防護方案的擬定和設計方法兩個方面，對高邊坡的防護方案進行優(yōu)化。趙云等[5]提出將三維網、襯砌拱形骨架與植被相結合，可以有效提高邊坡固土能力。葉萬軍等[6]提出加筋土工格柵作為柔性防護措施，可以有效減少坡體的位移變形，增大土體抗滑移強度，提高邊坡的穩(wěn)定性。Philipp等[7]利用元素示蹤研究方法和非侵入性無人機攝影測量技術探究邊坡水土流失規(guī)律。Komatsu等[8]通過研究紫色土壤小區(qū)域徑流試驗，得到了不同坡度和地表徑流之間的關系。Cho[9]利用蒙特卡羅模擬的概率計算方法，研究分析邊坡穩(wěn)定性的影響因素。陳洪凱等[10]提出山區(qū)公路土石邊坡泥石流水毀機制與研究進展。Gray[11]提出邊坡坡面土體形態(tài)影響邊坡穩(wěn)定性。油新華等[12]提出土石邊坡的含石量影響邊坡穩(wěn)定性。孔德剛[13]提出邊坡所處地形和土體組成是邊坡穩(wěn)定性的重要因素。陳泰徐等[14]提出以基材噴射植草和植生袋植草的生態(tài)防護方式適宜用于土石邊坡防護。邵帥等[15]提出塊石在土石混合體邊坡內部位置不同，對邊坡穩(wěn)定性的影響也不同。在理論方面取得了一些成果，可見從新型土工材料角度進行不同坡度、不同防護措施下的土石邊坡固土性能研究具有重要現(xiàn)實意義。但關于坡度、土工網對土石邊坡的綜合研究更少。

鑒于上述情況，利用室內模擬降雨沖刷裝置，以復合毯、三維網、單層網為防護材料，通過雨水沖刷模擬試驗，研究不同坡度、不同土工網防護土石邊坡的流失面積變化規(guī)律與模型，采用降雨量、土體累積流失量、侵蝕模量值、抗沖刷時間之間的相互關系，分析土工網類型、坡度對土石邊坡固土性能的影響，以期建立了在一定坡度下土體累積流失面積與時間關系的相關模型，提出不同土工網的使用條件，為土石邊坡土體防護提供新思路與合理參考。

1 試驗部分

1.1 主要材料

使用三維網墊(型號EM4)、復合毯、單層網(型號CE111)。三種土工網參數(shù)如表1所示。

表1 土工網種類及其參數(shù)

1.2 主要儀器與設備

降雨模擬裝置如圖1所示。模擬試驗裝置主要包括邊坡模擬裝置、降雨模擬裝置、雨水和沖刷土收集裝置三部分。試驗所用土體為某高速邊坡現(xiàn)場土體，試驗涉及坡度為某高速實際坡度，模型相似比為99%。邊坡模擬裝置包括一個可調節(jié)的鋼架支座、玻璃槽、木盒，玻璃槽中放置木盒(尺寸為長470 mm×寬290 mm×高50 mm、板厚15 mm)，木盒用于模擬邊坡，通過調節(jié)鋼架末端砝碼數(shù)量，獲得試驗所需的坡度；模擬降雨裝置主要包括三個噴淋管、一個流量計、一個水管閥門，噴淋管安放高度為距離坡面中部區(qū)域50 cm處，以保證雨水在任何坡度能夠較好地分散在坡面上；雨水和沖刷土收集裝置為一個圓形容器(尺寸為內徑300 mm、高150 mm)，定時更換容器，以保證收集足夠的水土流失物。

圖1 降雨模擬試驗裝置Fig.1 Rainfall simulation equipment

1.3 試驗方案及試驗工況

邊坡土石相關參數(shù)如表2、表3所示。試驗方案主要包括試驗準備、降雨沖刷、烘干稱重。試驗方案如圖2所示。

表2 邊坡土石相關參數(shù)

表3 不同土石粒徑顆粒占比

圖2 試驗方案Fig.2 Test scheme

另外，土石邊坡不同防護措施不同坡度下的相關試驗模擬工況如表4所示。

表4 不同坡度不同防護措施下土石邊坡模擬工況

2 結果與討論

2.1 不同土工網防護下土石邊坡流失現(xiàn)象分析

以坡度1∶1下試驗流失現(xiàn)象為例，通過對復合毯、三維網、單層網防護下水土流失現(xiàn)象進行拍照對比，再對不同坡度、不同防護措施下的全部工況進行分析。

如圖3所示，在降雨5 min時，雨水主要滲透至毯體，少量雨水在坡腳處匯集，坡面土質較濕；在降雨30 min時，因為大多石塊能較好鑲嵌在復合毯內部，坡面的表層土體與毯體材料緊密貼合，坡面中部有較多漂浮的土體顆粒，與降雨5 min相比，坡腳產生少量沖蝕破壞；在降雨60 min時，坡體網格產生較多長短不一的徑流淺溝。

圖3 1∶1坡度復合毯防護邊坡不同時間節(jié)點的土體侵蝕現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of soil erosion for the slope gradient of 1∶1 protected by composite geonet at different time

如圖4所示，在降雨5 min時，碎石土體被雨水浸透；在降雨30 min時，坡面已出現(xiàn)較多的“魚鱗波紋狀”淺溝、坡面較多沖刷情形，因為三維網內部存有較多網線，網線使雨水匯流在一起，改變了起始的水流軌跡，雨水在網包內匯流流走，帶走部分土質，所以，坡面呈“魚鱗波紋狀”；在降雨60 min時，坡面已發(fā)生流失面積占比較大的區(qū)域性流失，但是較多的碎石裸露在坡體表面，主要因為三維網孔徑與碎石粒徑不一致，所以較多的碎石裸露在坡體表面，未能有效鑲嵌至三維網中。

如圖5所示，在降雨20 min時，坡面已出現(xiàn)較多的“長溝”徑流，坡面底部出現(xiàn)明顯的雨水浸泡現(xiàn)象，坡腳的右下側出現(xiàn)較少區(qū)域的面蝕破壞現(xiàn)象，坡面中部較多土體呈現(xiàn)松動漂浮現(xiàn)象；在降雨25 min時，面蝕破壞已經發(fā)展到半個坡面；在降雨26 min時，單層網和土體已經沿坡面整體滑落。因為單層網孔徑較小，無法與土體顆粒較好鑲嵌，厚度較小，與三維網、復合毯相比，雨水引流效果相對較差，所以，較早出現(xiàn)坡面整體滑落。

圖4 降雨條件下1∶1坡度三維網防護邊坡不同時間節(jié)點的土體侵蝕現(xiàn)象Fig.4 Phenomenon of soil erosion for the slope gradient of 1∶1 protected by three-dimensional geonet at different time

圖5 降雨條件下1∶1坡度單層網防護邊坡不同時間節(jié)點的土體侵蝕現(xiàn)象Fig.5 Phenomenon of soil erosion for the slope gradient of 1∶1 protected by single-layer geonet at different time

2.2 不同土工網防護下土石邊坡流失面積分析

對比統(tǒng)一坡度、不同土工網邊坡累積流失面積-時間變化曲線。

如圖6所示，對于單層網、三維網，隨著降雨時間延長，坡度1∶1.25、坡度1∶0.75邊坡累積流失面積變化趨勢不斷增加；坡度1∶1邊坡累積流失面積變化趨勢先快后慢。對于復合毯，隨著降雨時間延長，坡度1∶1.25、坡度1∶1、坡度1∶0.75累積流失面變化趨勢先快后慢，趨于平穩(wěn)，均未達到100%。因為土石邊坡土體顆粒可以鑲嵌至復合毯，不易被雨水沖刷，所以，復合毯固土效果較好。

由此可見，土石邊坡累積流失面積隨著坡度增加而增加。隨著降雨時間增加，復合毯、三維網、單層網邊坡固土效果依次遞減。并且擬合復合毯、三維網、單層網邊坡(1∶1坡度)土體累積流失面積-時間曲線，相應擬合公式如下：

圖6 統(tǒng)一坡度三種土工網防護下邊坡土體累積流失面積-時間變化曲線Fig.6 Accumulated area of soil erosion-time curves for the same slope gradients protected by three kinds of geonets

復合毯邊坡擬合公式為

(1)

三維網邊坡擬合公式為

(2)

單層網邊坡：

(3)

式中：x為時間，min；y為土體累積流失面積，%。

2.3 不同土工網防護下土石邊坡土體累積流失量分析

對比統(tǒng)一坡度、不同土工網防護下土石邊坡的土體累積流失量。

如圖7(a)所示，對于1∶1.25坡度，三種防護邊坡土體累積流失量變化趨勢不完全相同，單層網防護邊坡的土體累積流失總量最大。三種防護邊坡均存在土體累積流失量拐點，12 L后單層網土體累積流失量曲線增長率較大，其他增長率較小，表明12 L后單層網邊坡出現(xiàn)較大坍塌。如圖7(b)所示，在2～6 L內，與復合毯、單層網相比，三維網邊坡流失量較小，因為降雨初期雨水對土體的滲透作用大于對土體的沖刷作用，而三維網的網孔有利于雨水滲透至坡底并及時排出雨水，從而減少雨水對坡面的徑流沖刷，所以三維網防護邊坡土體累積流失量相對較小。因為三維網防護邊坡易發(fā)生局部面蝕，局部面蝕發(fā)展迅速，易引發(fā)較大的水土流失。綜上所述，三維網、復合毯適宜用于坡度1∶1.25邊坡防護。

圖7 1∶1.25坡度三種土工網防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.7 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the slope gradient of 1∶1.25 protected by three kinds of geonets

如圖8(a)所示，單層網邊坡的土體累積流失量最終達到了標定值，拐點出現(xiàn)在10 L處。而復合毯、三維網邊坡有兩個拐點，分別在10、12 L處，其中在10 L處復合毯和三維網邊坡土體累積流失量相差較小，在12 L處復合毯邊坡土體累積流失量大于三維網，因為相同降雨量相同坡度條件下雨水對土體浸入性相差較小，單層網防護邊坡在10 L雨水沖刷下，部分土體含水量接近飽和，單層網不足以支撐土體的下滑力，故后期產生的土體累積流失量較大；三維網和復合毯邊坡在雨水浸入后，部分表層土體首先被沖刷流失，因為三維網和復合毯較厚，材料網肋較多，所以，待露出土工材料網肋后，網肋的雨水引流作用減少了坡面徑流作用，待網肋引流作用達到極限時，雨水繼續(xù)沖刷網肋下方的土體，導致復合毯、三維網邊坡的出現(xiàn)第二次較大量的土體流失，所以，復合毯、三維網邊坡存在兩個拐點。在10 L后，單層網邊坡流失量增長較快，出現(xiàn)較大坍塌；在10、12 L后，復合毯、三維網邊坡土體累積流失量增長情況遠小于單層網邊坡，表明在坡度1∶1時復合毯、三維網的減蝕效果較好。如圖8(b)所示，三種邊坡土體累積流失量近似線性，因此，在降雨初期土工網材料對土體減蝕效果較小，降雨后期對土體減蝕效果較大。

大多數(shù)試驗的土體累積流失量出現(xiàn)超過5 000 g，故將5 000 g劃定為標定參考值圖8 1∶1坡度三種土工網防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.8 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the slope gradient of 1∶1 protected by three kinds of geonets

如圖9所示，三維網、單層網邊坡的土體累積流失量變化趨勢大致相當，均呈反“L”形，最終均達到了標定值，其拐點分別在6、18 L處，在拐點后，這兩種邊坡土體累積流失量變化較大，發(fā)生整體滑移；而復合毯邊坡不存在拐點，土體流失量變化曲線近似線性，因為在相同降雨強度下，當坡面長度恒定時，雨水對邊坡表面的下滑力大于對土體垂直沖擊力，不斷降雨，在坡面產生一層水膜，雨水來不及滲透便沿坡面引流流失，所以在坡度較陡時復合毯立體結構引流效果更加突出，土體流失量也就相對較小。表明三維網、單層網不適合應用于較陡的邊坡防護。

圖9 1∶0.75坡度三種土工網防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.9 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the slope gradient of 1∶0.75 protected by three kinds of geonets

由此可見，復合毯適用范圍較廣，三種坡度均可，而三維網僅適用于較緩坡度(坡度1∶1、坡度1∶1.25)的邊坡防護。

2.4 不同坡度下土石邊坡土體累積流失量分析

整理、分析統(tǒng)一土工網、不同坡度下的土體累積流失量分析。

如圖10所示，對于復合毯邊坡，在降雨2～6 L內三種坡度邊坡的土體累積流失量大致呈線性關系，在同一降雨量下1∶1邊坡土體累積流失量最大；三個坡度邊坡的土體累積流失量拐點一樣，拐點之后，1∶1.25和1∶0.75坡度下的增長率在減小，而1∶1坡度邊坡土體累積流失量增長較快。因為復合毯材料內部為立體結構[16]，在坡度較陡時，雨水易于沿著材料網肋引流，雨水滲入沖刷土體較少，在坡度較緩時，邊坡表面未形成較大的坡面徑流，土體流失量同樣較小。綜上所述，坡度對復合毯邊坡的影響明顯。

圖10 不同坡度復合毯防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.10 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for slopes of different gradients protected by composite geonet

如圖11(a)所示，對于1∶0.75坡度，在拐點之后，三維網邊坡土體累積流失量變化較大，最終達到標定值，1∶1坡度、1∶1.25坡度邊坡在拐點之后土體累積流失量變化不大，表明三維網應用于1∶0.75坡度邊坡，邊坡會發(fā)生破壞，應用于1∶1坡度、1∶1.25坡度邊坡，其抗沖刷性能較好。如圖11(b)所示，在降雨初期，1∶1.25坡度、1∶0.75坡度邊坡土體累積流失量彼此相差較小，1∶1坡度邊坡土體累積流失量變化較大，因為1∶1.25坡度較緩，雨水下滑速度較慢，較多沿著材料網格引流，未滲入土體，1∶0.75坡度較陡，雨水在坡體表面形成一層水膜，快速留下，也未滲入土體，所以1∶1.25坡度、1∶0.75坡度邊坡土體流失量彼此相差較小。雨水降至1∶1坡度邊坡表面，一部分沿著網格引流，一部分滲入土體內部，引發(fā)土體流失，所以，1∶1坡度邊坡流失量變化較大。表明在降雨初期三維網材料對1∶1.25坡度、1∶0.75坡度土體減蝕效果較大，對1∶1坡度土體減蝕效果較小。

圖11 不同坡度三維網防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.11 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for slopes of different gradients protected by three-dimensional geonet

如圖12(a)所示，坡度1∶1、1∶0.75單層網邊坡最終土體累積流失量均達到標定值，1∶1.25、1∶1、1∶0.75坡度的土體累積流失量拐點值分別在12、10、6 L處，說明坡度越大，單層網的抗水毀能力降低。如圖12(b)所示，在2～6 L內坡度1∶1.25邊坡土體累積流失量相對較大，表明在降雨初期，單層網緩坡減蝕效果較小。因為降雨時間較短，坡度越緩，水體在邊坡下滑時間越長，單層網內部網格結構比復合毯、三維網較少，較多雨水滲透集聚單層網下方土體，雨水浸透土壤，土石邊坡中土壤與塊狀顆粒各占一定比例[17]，導致土壤與塊狀顆粒彼此摩擦力減小，引發(fā)表層土體流失，故其土體累積流失量較大。

圖12 不同坡度單層網防護下邊坡土體累積流失量-降雨累積量變化曲線Fig.12 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for slopes of different gradients protected by single-layer geonet

可見土工網土石邊坡防護早期效果明顯，且隨著坡度增大水土流失量越大。不同土工網出現(xiàn)的土石邊坡破壞拐點累積降雨量也不同，復合毯的累積降雨量>三維網的累積降雨量>單層網的累積降雨量。

圖13 不同坡度不同土工網防護下邊坡抗沖刷時間比較Fig.13 Comparison of anti-erosion time for slopes of different gradients protected by three kinds of geonets

圖14 不同坡度不同土工網防護下邊坡侵蝕模量值比較Fig.14 Comparison of erosion modulus for slopes of different gradients protected by three kinds of geonets

2.5 不同土工網防護下抗沖刷時間、侵蝕模量值分析

如圖13、圖14所示，在1∶1.25坡度下，三種防護邊坡均達到既定的降雨時間，復合毯、三維網侵蝕模量值較小，表明復合毯、三維網適合作為邊坡防護材料。在1∶1、1∶0.75坡度下，復合毯、三維網抗沖刷用時均大于單層網，復合毯侵蝕模量值較小，表明復合毯可用于較廣坡度邊坡防護，三維網適合用于較緩坡度(1∶1.25邊坡、1∶1坡度)邊坡防護。

3 結論

通過大量降雨沖刷試驗，得到以下結論。

(1)土工材料具有土石邊坡固土的功能，在同一坡度下，水土流失量與降雨強度成正比，且復合毯、三維網、單層網邊坡固土效果依次遞減。在不同邊坡條件下隨著坡度增大水土流失量越大，

(2)通過軟件擬合，可以擬合得到1∶1坡度下復合毯、三維網、單層網邊坡土體累積流失面積-時間曲線。

(3)得到不同土工網在不同坡度下的抗雨水沖刷模量的變化規(guī)律，提出了不同土工網邊坡防護的適用條件，為道路邊坡的防護提出了一種新思路。