稀性泥石流對路基溝岸侵蝕機理分析

仇偉淇，江 川，吳 輝

(1.中交一航三公司，青島 400067;2.中交二航院，武漢 400074;3.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200324)

泥石流(debris flow)是高濃度水砂礫復合異相混合流，是顆粒大小差異很大的固體(巖土體)和液體(水)的聯合運動，其中沙、礫主要按滾動及躍動狀態遷移。在小流域內，滑坡和泥石流通常相伴而生、互為因果，具有強烈的沖擊、破壞作用。泥石流屬于典型的災害地貌現象及地貌過程，是山丘地區公路建設及養護過程中普遍存在且破壞作用極其強烈的公路水毀類型，是毀損穿越泥石流溝的公路路基、路面及相應防治結構物的重要外在動力機制[1]。

目前基本上均把泥石流作為一種公路水毀類型或不良地質現象予以防治。泥石流是最主要的公路水毀類型，我國每年因此而造成的直接經濟損失數十億元。我國西部地區的公路水毀70%左右源于泥石流，集中發育在川西的國道318線、319線、108線及省道西昌-木里藏區干線公路、西昌-美姑干線公路，新疆國道G213線(天山公路)，陜南G210線、G108線、G316線及紫陽公路，滇北楚雄-大理干線公路等等[1]。

山區公路沿河線，尤其是穿越泥石流溝岸的公路(見圖1，圖2)，由于泥石流體運動的慣性作用，易于沖擊溝岸，岸坡的沖蝕必然導致路基坍塌毀損，形成路基水毀(圖3，圖4)。充分理解和認識路基溝岸沖蝕坍塌機理，對于路基防護工程起到指導意義。

1 稀性泥石流運動特性分析

按照泥石流的性質可分為稀性泥石流、過渡性泥石流、黏性和塑形泥石流[1-3]。稀性泥石流[4]屬于紊流型二相流，組成液相的是水和較細的顆粒所組成的漿體，較粗的顆粒組成固相。0.2～2 cm的粗砂和礫石呈懸浮狀態，更粗的顆粒則以滾動和跳躍的方式前進，運動速度要比漿體的速度慢的多，在近處可以聽見石塊的撞擊聲。

1.1 泥石流等效兩相流模型

陳洪凱[5]基于兩相流建立泥石流體的等效模型，即泥石流等效兩相流模型，該模型是兩相流模型的具體化。其基本思路是把泥石流體看成是由大量均質固相顆粒和均質漿體組成的兩相流體，如圖1所示。

在建立泥石流等效兩相流模型時，應遵循下面兩條等效原則。

1)兩種泥石流體的容重相等，即:

式中，γcn、γcm分別為天然泥石流體和等效泥石流體的容重，kN/m3。

2)兩種泥石流體所含的固體顆粒成分相似，使兩者的黏度和靜切力強度相等，即:

式中，Win和Wim分別為天然泥石流體和等效泥石流體中某組相應顆粒所占的重量百分比;ηcn和ηcm，τ0n和τ0m分別為天然泥石流體和等效泥石流體的黏度和靜切力強度。

在等效兩相流模型中，泥石流可看成是兩種流體的混合物，一是真正的流體，一是固體顆粒的擬流體。通過把固體顆粒的直徑作為不同尺寸顆粒的一個統計平均，可將尺寸不同的固相顆粒等效成顆粒粒徑相同的球體。固體顆粒作為一種擬流體，其在運動過程中表現出流體的特性。模型中每一相都是充滿整個流場的連續介質，其中顆粒項是與流體相相互滲透的擬流體，它與連續相流體一樣采用在Euler坐標系中宏觀連續介質原理中能量守恒方程。

圖1 龍膽溪泥石流

圖2 泥石流溝岸公路

圖3 泥石流護岸工程

圖4 某泥石流公路被沖毀后修筑的簡易公路

圖5 等效兩相泥石流體模型

1.2 稀性泥石流運動特性

泥石流中顆粒組成的范圍很大，這些顆粒尺寸差別很大的固體顆粒，在泥石流運動過程中由于承受的力不同，而出現不同的分布狀態，如細顆粒泥沙，在運動過程中完全處于懸浮狀態，很粗的顆粒則可能在床面附近以滾動、跳躍的形式存在。泥石流體中含有一定數量的細顆粒物質，一定程度上增加了泥石流體黏性，從而增強了泥石流體的結構效應，大大降低了粗顆粒的沉速，因此泥石流中泥沙的分布較普通含沙水流要復雜得多，因而也必然導致泥石流體中的能量分布更為復雜[9]。根據泥石流兩相流模型，將稀性泥石流劃分為液相與固相，由于細顆粒隨水流流失，運動過程中粗細顆粒容易分離。因此將液相組成定義為細顆粒(d＜2 mm)與水流，粗顆粒(d＞2 mm)組成固相物質。液相運動紊流運動為主，固相以推移質形式存在，推移質在床面層中以滾動、滑動及跳躍的形式運動，在運動過程中不斷和床面泥沙發生交換。在山區公路中，以稀性泥石流水毀最為普遍和嚴重，液相部分對溝岸進行劇烈沖刷，固相部分對溝岸進行強烈撞擊，最終導致路基溝岸邊坡失穩破壞。

2 侵蝕機理分析

2.1 液相對溝岸路基的淘刷

泥石流的紊動與普通挾沙水流的紊動基本相似，依然存在有脈動、渦動和環流，有時發育還比較完善。稀性泥石流與部分過渡性泥石流的流態一般多呈紊動流，其懸浮能力比水大。稀性泥石流液相對溝岸侵蝕發育機理與沿河公路路基被河流沖刷切割毀損的機理是相同的[6-8]，但是發育過程演化更為劇烈。

在河流彎道中，因環流的存在導致凹岸沖刷，凸岸淤積，沿河灣段路基邊坡和坡腳受到水流的淘刷，有可能使沿河路基邊坡坡腳淘空造成路基坍塌。所以，沿河彎凹岸的沖刷直接影響了沿河路基的穩定和安全。從山區到平原的各類河流，都是由無數的河灣和直段組成。山區河流受兩岸地形限制，屬于強制性河灣。山區公路每到汛期山洪爆發，來勢洶猛，凹岸沖刷嚴重。彎曲型河道的挾沙水流運動有其自身的特點，由于彎道的存在，水流發生彎曲，這樣的水流受到重力和離心慣性力的雙重作用而形成彎道環流(圖6)，其等壓面不是水平的，而是與重力和離心慣性力的合力相垂直，因而水流沿橫向呈曲線變化，凹岸一側的水位恒高于凸岸一側，這一力學現象決定了彎道水流結構的特點。表層較清的水流向凹岸，造成凹岸沖刷，從凹岸向下轉向凸岸的底層流攜帶大量泥沙，導致凸岸淤積。導致凹岸路基受彎道水流侵蝕的主要原因有:①河灣環流直接橫向淘刷凹岸路基邊坡導致岸坡被侵蝕。②彎道環流淘刷過程中，邊坡上一部分土體失穩，沿某一滑動面發生移動、崩塌，滑入到坡腳附近或河槽內，導致岸坡的侵蝕后退.彎道水流直接作用于凹岸路基，沖動水面以下邊坡上的表層土粒，并將它們帶走，從而導致路基的淘刷。這是一種較常見的水流對路基的侵蝕方式(見圖7)。

由于泥石流體流速較快、慣性大，因此泥石流體較一般水體有更加顯著的彎道超高現象。彎道超高分兩種情況:一種是當凹岸為平緩斜坡時，泥石流緊靠凹岸一側且流速較快，流體增厚而產生超高現象，而在接近凸岸一側泥石流體流速變慢，流體變薄;另一種是當凹岸為陡峭坡體時，泥石流不僅產生彎道超高，而且在凹岸底部還會產生強大的環流，泥石流沖擊岸坡而造成強烈沖刷作用。

圖6 彎道環流示意圖

圖7 泥石流對路基淘刷沖蝕過程

2.2 固相對溝岸路基的撞擊磨蝕破壞

2.2.1 撞擊破壞

泥石流流體中所含的巨大礫石具有極大的沖擊力，往往是工程破壞的直接原因。公路路基邊坡采用擋土墻、擋土墻與丁壩配合、擋土墻與護坦配合、擋土墻與丁壩和護坦配合等各種配合防護形式，稀性泥石流爆發過程中，除液相部分類似水流對溝岸沖蝕作用外，固相物質，尤其大粒徑石塊對溝岸防護結構的沖擊磨蝕作用不可忽視。泥石流對工程建筑的破壞，往往是個別石塊沖擊所致。其中包含泥石流體中的固相顆粒，以點狀接觸碰撞建筑物，從而引起構件呈剪切或彎矩形式斷裂而破壞。

2.2.2 磨蝕破壞

泥石流兩相流體中固相顆粒對結構表面混凝土及溝床與岸坡主要產生切削作用[8]，其原因是面對承磨壁面介質的初始不均質性或砂漿被泥石流漿體磨蝕后出露的微凸起，在高速運動的泥石流固相顆粒沖擊作用下發生切削(圖8)。通常，泥石流固相顆粒隨機地沖擊壁面。對壁面而言，沖擊力可分解為法向分力和切向分力。在法向分力作用下，顆粒的棱角刺入承磨介質表面;在切向分力作用下，顆粒沿平行于承磨介質表面滑動，帶有銳利棱角并具有適合迎角的顆粒能切削表面而形成切屑，在切削過程中使混凝土表面材料產生一定程度的塑性變形或脆斷。

圖8 泥石流固相顆粒的切削作用

圖9 平底拱斷面布置圖

3 路基的防護與加固措施

泥石流岸坡沖蝕防治的核心是調節泥石流沖擊方向、控制泥石流對岸坡坡腳的掏蝕以及基于泥石流的沖擊荷載建造防治結構類型[1]。防治以護岸、固底[9]為主，前者為岸坡的直接防治結構類型并具有一定的豎向及側向承載力，后者為岸坡的間接防治結構類型。

固底防護分為:塊石鑲底，挑流壩，平底架拱，糙樁[9]常見幾種類型。

3.1 塊石鑲底

適用于受泥石流沖刷和淘刷的路堤邊坡和坡腳，在盛產石料(大礫石、卵石)和沿河線開山廢石方較多的地區使用;塊石的直徑應大于泥石流流速能啟動的最大石塊直徑[2]。如果使用石塊固底，石塊的長軸方向與水流方向一致，最短軸與水流方向垂直且保持水平，并用M10.0砂漿漿砌，也可以采用C15混凝土澆筑。在溝頂部應加大塊石的粒徑和埋深或采用格構錨固的措施，以防止溝頂破壞而使下部抗沖刷能力削弱。

3.2 平底架拱

當泥石流天然溝槽的坡降較大時，流體速度較快，產生的縱向剪切力較大，或從經濟的角度來考慮，全程采用順底鋪石就不是很合理，可以采用間隔一定距離鋪設平底拱，其構造如圖9所示。采用平底拱可以有效增強溝底的抗沖能力，而且減少了塊石的用量。

3.3 糙樁

泥石流天然溝槽坡度不均勻時，尤其是上陡下緩的情況，上游流速較快，下游坡緩速度變慢，不能滿足排泄上游的流量，就會發生溝道堵塞、漫流，產生一些不良的危害。在下游變坡，選用糙樁技術也可以達到理想的排導效果。

3.4 挑流壩

適用于路基受沖刷嚴重，需要改變泥石流流向，使路基坡腳淤積變坦的地段。在泥石流控制范圍內，若有重要建筑物工程，必須對泥石流的流向加以改造，緩和流勢，采用挑流壩是十分有效的，它可以規范泥石流流向，迫使泥石流流向溝心[9]。

護岸結構(Bank revetment)是指利用擋土墻或護面墻減小泥石流對岸坡的沖蝕確保岸坡穩定及岸坡公路建構筑物安全與穩定的防治結構型式。

護岸結構可為重力式擋土墻，由素混凝土或漿砌石現場澆筑;也可為鋼筋混凝土護面墻。設計時應注意3個關鍵問題:

1)護岸結構基礎埋置深度。以泥石流溝20 a內最大下切深度作為基礎埋深。

2)護岸結構強度。以泥石流在防治部位的最大沖擊、撞擊力作為外荷載，進行結構強度計算及基礎驗算。

3)護岸結構超高計算。設計時應充分考慮到泥石流陣性超高、彎道爬高，超高高度不低于20 a一遇泥石流陣性超高及彎道爬高2.0 m。

值得指出的是，岸坡防治結構設計中，應高度重視結構抗御泥石流沖撞以及結構基礎埋深設計，合理確定泥石流在易毀岸坡段的最大沖刷深度，確保結構體的整體穩定。

4 結論

1)本文通過對稀性泥石流特性分析，運用泥石流等效兩相流模型，將稀性泥石流劃分為固相及液相，液相以紊流運動為主，固相以滑動、翻滾、跳躍為主。

2)分別從液相及固相對路基溝岸侵蝕機理進行分析，液相以沖刷淘蝕作用為主，固相以撞擊磨蝕破壞為主。

3)針對稀性泥石流對路基溝岸侵蝕作用，分析了常見的不同防護型式的適用條件及范圍，在熟悉各種措施防治機理、適用條件的基礎上，才能有的放矢，采取相對應的防治措施，從而達到防治泥石流對路基溝岸破壞的目的。

[1] 陳洪凱，唐紅梅，馬永泰.公路泥石流研究及治理[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2] 吳積善，田連權，康志成，等.泥石流及其綜合治理[M].北京:科學出版社，1993，85-125.

[3] 康志成，李焯芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究[M].北京:科學出版社，2004.

[4] 錢寧，萬兆惠，等.泥沙運動力學[M].北京:科學出版社，1983.

[5] 陳洪凱，唐紅梅，白子培.山區公路水毀路基發育機制研究[J].重慶交通學院學報，1994，13(4):34-40.

[6] 祝曉寅，陳洪凱，翁其能，等.山區公路水毀機理與抗毀結構分析[J]. 重慶交通學院學報，2001，20(2):58-64.

[7] 肖盛燮，陳洪凱，吳國松，等.橋梁受洪災異相耦合破壞作用的形態及仿真雛議[J].重慶交通學院學報，1999，18(4):66-71.

[8] 陳洪凱.公路泥石流力學[M].北京:科學出版社，2007.

[9] 易朋瑩，唐紅梅，陳洪凱.溝谷泥石流護岸、固底與糙底技術研究[J]. 重慶交通學院學報，2003，22(02):88-92.