高速公路紅砂巖路堤邊坡水毀機制現場試驗研究

作者簡介：

劉洋銘（1988—），工程師，主要從事高速公路工程項目管理工作。

摘要：為探究紅砂巖路堤邊坡在沖刷作用下的水毀機制，文章以廣西南湛高速公路紅砂巖路堤邊坡為工程背景，設計了以沖刷量和壓實度為變量的試驗方案，通過現場足尺模型試驗研究了紅砂巖邊坡在不同壓實度和不同沖刷量下的邊坡沖刷深度和寬度的關系，探討了紅砂巖路堤邊坡的穩定性和路基水毀機理。結果表明：降雨及徑流作用是影響紅砂巖邊坡水毀及失穩的關鍵因素；邊坡的沖刷寬度和深度受出水流量和邊坡壓實度的影響；紅砂巖路堤邊坡水毀演繹過程具有鏈式特點，可分為坡面水流沖刷階段、土體侵蝕階段、邊坡坍塌階段、路面塌陷階段。研究成果可為紅砂巖路基邊坡沖刷防治提供理論支撐。

關鍵詞：紅砂巖邊坡；穩定性；抗沖刷；水毀機制；模型試驗

中圖分類號：U416.1+2 A 21 069 4

0 引言

紅砂巖路堤邊坡的土體強度較低，固化能力差，且土體遇水后易軟化、易崩解，在降雨徑流的影響下邊坡極易發生水毀，并引起路堤邊坡失穩破壞。因此，為了避免紅砂巖路堤邊坡在施工和運營階段發生沖刷失穩破壞，有必要開展紅砂巖路堤邊坡抗沖刷影響因素及水毀機制的研究。

近年來，眾多學者通過模擬試驗、現場試驗開展了大量邊坡抗沖刷以及入滲穩定性的研究，并取得了許多重要成果。如余靖輝等［1］通過邊坡降雨入滲變形機理試驗，認為坡體在不同變形階段其滲透系數大小不同，且滲透系數差異決定了坡體變形破壞的形態；高興杰［2］通過柔性防護技術試驗，提出了采取考慮樁-土相互作用的強度折減法，研究了邊坡支護形式的合理選型，增加紅層邊坡的穩定性，從而提高坡面的抗沖刷能力；郭威等［3］在大量試驗研究基礎上發現，紅砂巖路堤邊坡的高度相同時穩定性隨干濕循環次數的增大而降低；周龍華［4］比較了有限元法和極限平衡法在邊坡穩定性分析中的應用，研究了彈性模量對邊坡穩定性的影響；張雁等［5］針對干旱、半干旱地區分布的黃土，利用室內路基模型通過沖刷試驗，研究了路基降雨沖刷破壞的過程；Tu等［6］在黃土高原高速公路的黃土路塹邊坡上進行了人工降雨的現場試驗，基于土壤中體積含水量和基質吸力的變化，提出了一種分析降雨入滲的方法；Tiwari等［7］研究了土體密度和坡度對邊坡滲流速度演化、變形機制和穩定性的影響。

上述研究大多集中在黃土、紅層或一般土質邊坡的沖刷及防護研究。然而，大量的紅砂巖地區公路建設實踐表明，紅砂巖邊坡的穩定性差、病害多、抗水滲透能力和抗風化能力極差，極易在降雨徑流作用下誘發邊坡坍塌、剝落和滑坡災害。基于此，本文依托廣西南寧-湛江高速公路南寧至博白那卜段的紅砂巖路堤邊坡，基于紅砂巖路堤邊坡現場足尺模型沖刷試驗，探討了紅砂巖路堤邊坡穩定性的影響因素及沖刷機理，分析了降雨作用下公路路堤邊坡的水毀機制，為今后的紅砂巖路基邊坡抗沖刷防治提供理論支撐。

1 現場試驗方案

1.1 模型設計

研究所采用的現場足尺試驗裝置主要包括紅砂巖邊坡、沉泥收集系統和沖刷系統。具體如下：

（1）邊坡試驗模型。試驗場地位于廣西南湛高速公路南寧至博白那卜段，共3個邊坡，邊坡編號分別為A、B、C。邊坡數據見表1，邊坡模型的設計效果如下頁圖1所示。

（2）沉泥收集系統。為了方便觀測沖刷時沖刷量的變化，在坡腳處修建長105 cm、寬105 cm、高55 cm的沉泥槽，槽內設計出水口，口徑為10 cm。

（3）沖刷系統。包括水箱、變頻恒壓抽水泵、止回閥、UPVC水管、PVC鋼絲軟管及亞克力板。沖刷系統中，直徑為40 mm的PVC鋼絲軟管一端接水泵的入水口，另一端接止回閥放入1.5 t容重的水箱中，直徑為25 mm PVC鋼絲軟管一端接水泵的出水口，另一端接UPVC雨淋管，所有接口均用防水膠布處理后接入。恒壓抽水泵保證出水時流量流速恒定不變，亞克力板及UPVC雨淋管使水流平均分布，避免沖刷不均勻。

1.2 試驗用土

本次紅砂巖邊坡沖刷試驗用土均來自同一位置的紅砂巖，保證3組邊坡填筑時紅砂巖物理性質一樣。土樣的物理力學參數指標如表2所示。

1.3 試驗步驟

1.3.1 邊坡填筑

采用人工分層填筑紅砂巖邊坡，通過每次夯實的力度和次數來控制壓實度，壓實過程中應保持每次壓實力度基本相同。壓實過程中用環刀取樣，測其密度、含水率及壓實度，若壓實度不夠，再增加壓實次數。為了避免全坡坡度不同，在坡頂與坡腳處打入木樁，用白線連接，施工時按照白線的高度去填筑。

1.3.2 沖刷試驗流程

試驗以出水流速和壓實度為變量，邊坡A流速為3.5 L/S，壓實度為95%；邊坡B流速為3.5 L/S，壓實度為80%；邊坡C流速為1.4 L/S，壓實度為80%。沖刷過程分為3個階段：邊坡沖刷前期準備、邊坡沖刷中、邊坡沖刷后。

邊坡沖刷前期準備：在邊坡坡頂、坡中、坡腳處做標記，分別記為1、2、3。用取土器在2組邊坡標記處每隔10 cm深取一次土并用酒精燃燒法測其含水率，取至深度為40 cm處。水箱通過灑水車加滿水，接裝沖刷裝置，調節水泵壓強，計算水泵在壓強為0.43 Pa時出水的流量和流速。

邊坡沖刷過程中：放水后，從產流開始到結束，每隔30 s使用游標卡尺測一次最大沖溝深度、寬度（測量時為了避免破壞坡面，在兩側階梯搭建木板），并用水桶收集該時間段沉泥槽中的泥水混合物。

邊坡沖刷后：沖刷后的邊坡靜置2 h，待坡面水分充分滲透后，使用取土器，分別在坡面標記處按照前文方法，每隔10 cm取一次土，測其含水率，用水桶收集沉泥槽中的泥沙樣，待沉淀后將水倒出，帶回實驗室烘干測其沖刷量。

2 試驗結果與分析

2.1 邊坡破壞過程

觀察整個沖刷試驗過程，可以將其分為三個階段：

（1）侵蝕表面階段（0～90 s）：坡面漫流，水流將表面土顆粒帶走，坡面完整度較高，沒有形成明顯沖溝。

（2）細溝發展階段（90～150 s）：該階段紅砂巖邊坡坡面形成大量細溝，主要聚集在上半坡，沒有出現貫穿坡面的主沖溝。水流將大量的巖土顆粒帶走，此時邊坡開始軟化，邊坡強度迅速下降。

（3）細溝發育成熟階段（150～300 s）：這個階段的細溝深度和寬度不斷加深和拓寬，形成2條貫穿坡面的大沖溝，3個邊坡分別在180 s、210 s、240 s時坡頂處坡面結構完全破壞，邊坡失穩造成坡面崩塌。

2.2 沖刷最大深度

圖2為邊坡各測點沖刷最大寬度隨時間變化曲線；圖3為邊坡各測點沖刷最大深度隨時間變化曲線。由圖2～3可知，在0～90 s內為沖刷前期，該階段為快沖階段，此時邊坡浮土與松散顆粒被沖離坡面，大量細小沖溝主要匯集在坡頂處及坡中處，坡頂處沖溝寬度及深度遠大于坡腳處，且增長趨勢較大，坡中處增長速度較為穩定，坡腳處坡面較為完整，出現少部分細小條紋（在0～60 s內未形成沖溝，寬度及深度為0）。90～150 s為沖刷中期，該階段為持續階段，坡頂處大量細小沖溝匯聚為一條主沖溝，隨著匯流水的持續沖刷，坡面破壞逐漸加深，坡頂處沖溝沖刷深度及寬度加速增長。坡中及坡腳處表面浮土沖離邊坡，沖溝兩側砂土逐漸掉落，沖刷寬度增長速度加快。沖溝的底部土質密實，匯流水對底部沖刷難度加大，沖刷深度增長速度減緩。150～300 s為累進性沖刷階段，在坡頂處3組邊坡分別在180 s、210 s、240 s時坡面結構完全破壞，邊坡失穩造成坡面崩塌，坡中及坡腳處沖溝深度及寬度不斷加深及拓寬。

2.3 沖刷最大寬度

圖4為各邊坡同一測點沖刷最大寬度隨時間變化曲線；圖5為各邊坡同一測點沖刷最大深度隨時間變化曲線。對比3組邊坡沖刷寬度及深度隨著沖蝕時間的變化曲線可以發現：（1）在相同的出水流速下，隨沖蝕時間的延長，壓實度越高的邊坡沖刷最大寬度和深度的增長速度越小。在坡頂、坡中、坡腳處，邊坡B（80%）的最大寬度及深度的增長速度都大于邊坡A（95%）。（2）在相同的壓實度下，出水流速越大的邊坡最大寬度及深度增長速度越大，邊坡B（3.5 L/S）的最大寬度及深度增長速度大于邊坡C（1.4 L/S）。（3）對比邊坡C和邊坡A發現，流速的變化對沖刷最大寬度增長速度的影響高于壓實度的影響。邊坡A的增長速度大于邊坡C沖刷寬度的增長速度。（4）對比邊坡C和邊坡A發現，壓實度的變化對沖刷最大深度增長速度的影響高于出水流速的影響，邊坡C的增長速度大于邊坡A沖刷深度的增長速度。

3 邊坡水毀演繹機理

根據現場足尺模型試驗結果，可以把紅砂巖邊坡沖刷破壞的演繹過程總結為濺蝕、片蝕→細溝沖蝕→切溝侵蝕→坍塌。紅砂巖路堤邊坡水毀的破壞過程具有鏈式特點，可以總結出4個破壞階段，即坡面水流沖刷階段、土體侵蝕階段、邊坡坍塌階段、路面塌陷階段，其中邊坡侵蝕和沖刷階段具有漸變性，而邊坡的坍塌和路基塌陷階段具有突變性。

坡面水流沖刷階段：在山區公路工程中，往往會由于邊溝的阻塞而造成在道路兩側堆積水流漫過道路，再流入邊坡。沖刷試驗結果表明，在邊坡表層產生水流后，會迅速地沿著細溝以匯聚成股水流的方向流淌下去，細溝逐步加深形成了侵蝕槽和切溝，而水流在對邊坡面的流轉下成為了對細槽和切溝的沖刷。在其運動過程中，水流產生了相應的動力和流速變化，當水對斜坡表面顆粒沖擊時，就會沖散坡表層土粒，將其搬運至坡底。如圖6（a）所示。

土體侵蝕階段：主要為坡體填料侵蝕。在沖刷過程中，沖溝被水流不斷地向下和向兩側沖蝕，溝形逐漸擴大，在邊坡的薄弱位置和坡腳處會形成沖蝕溝槽；坡面穩定性開始降低，出現差異性沖刷和坡面集中徑流的趨勢；接著由于沖刷路徑中深度變化導致水流流速加大，水流的攜沙能力增大，坡腳處和薄弱處的沖蝕溝槽開始擴展。如圖6（b）所示。

邊坡坍塌階段：坡面被大范圍沖刷破壞后，局部地方的沖蝕坑逐漸向路基內部延伸，當擴大到一定規模后，在重力作用下上部巖土體會發生拉裂塌落。在前兩個階段過程的多次重復后，路基邊坡塌陷程度逐漸增大，最后路基被掏空，路面外側懸空，在自身重力的影響下，內部出現拉裂縫，尤其在車輛動荷載的影響下，裂縫規模加劇。如圖6（c）所示。

路面塌陷階段：當路面裂縫逐漸發育到一定程度時，裂縫之間相互貫通，以致路面面板突然斷裂，連同路基一起塌陷。如圖6（d）所示。

4 結語

本文以廣西南湛高速公路紅砂巖路堤邊坡為工程背景，設計了以沖刷量和壓實度為變量的試驗方案，通過現場足尺模型試驗研究了紅砂巖邊坡在不同壓實度和不同沖刷量下的邊坡沖刷深度和寬度的關系，探討了紅砂巖路堤邊坡的穩定性和路基水毀機理。主要研究結論如下：

（1）沖刷流速不變的情況下，在不斷沖刷的過程中，壓實度越高的邊坡最大沖刷寬度和深度的增長速度越小；在相同的壓實度下，出水流速越大的邊坡最大沖刷寬度及深度增長速度越大。

（2）流速的變化對最大沖刷寬度增長速度的影響高于壓實度的影響；壓實度的變化對最大沖刷深度增長速度的影響高于出水流速的影響。

（3）在一定程度強降雨下形成的降雨漫流沖刷，會形成降雨侵蝕，導致地下水位的上升，增加了坡體中的孔隙水壓力并使邊坡土體產生軟化，使滑動帶土體抗剪力下降，破壞了邊坡的穩定性。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-12