邊坡抗沖刷型護坡砌塊防護室內(nèi)沖刷模型試驗研究

謝力峰

（攸縣水利局 株洲市 412200）

引言

降雨對高速公路土質(zhì)邊坡的沖刷，會沖走坡面表層土體甚至引發(fā)大面積土體滑落，影響交通安全，因此采用合理的方法對邊坡進行抗沖刷防護是非常必要的。生態(tài)防護技術(shù)既有抗沖刷的功能又有一定的綠化效果，是較為理想的邊坡防護技術(shù)。目前，各種生態(tài)防護技術(shù)與防護形式[1-10]層出不窮，應(yīng)用較多的防護形式如孔洞型護坡砌塊[7,8]、三維網(wǎng)[9,11,12]、土工格室（格柵）[10-14]等，但從大量工程實際情況看，目前仍存在不少問題：如傳統(tǒng)的孔洞型護坡砌塊，其成孔方向為垂直于坡面，往往需要通過降低孔洞率的方法來減小降雨的沖刷量，但這樣會降低綠化效果。

本文采用長沙理工大學(xué)的專利成孔水平的孔洞型護坡砌塊，如圖1 所示（專利名稱：一種包土型植生混凝土砌塊專利號：201020261275.8）該空心砌塊的縱截面為平行四邊形，所述空心砌塊上設(shè)有至少一個通孔并且通孔的兩個端口設(shè)置在空心砌塊的相對面上，平行四邊形兩斜邊的傾斜角度與邊坡的傾斜角度相匹配，通孔與水平面之間設(shè)有夾角,該空心砌塊具有可防雨水沖刷、可控雨水入滲、低成本、易施工且能植被綠化等特點，用于巖土邊坡的防護，較傳統(tǒng)孔洞型砌塊能更好地減少降雨引起的坡面沖刷。

作為一種新型的護坡砌塊，對于它的抗沖刷性能仍缺少研究。因此本文依托湖南省汝郴高速工程實際，對采用不同護坡形式、不同坡度及不同降雨強度的邊坡模型進行室內(nèi)沖刷試驗對比研究，分析抗沖刷型植生混凝土砌塊的抗沖刷效果。

1 室內(nèi)模型沖刷試驗設(shè)計

圖1 成孔水平的孔洞型護坡砌塊

室內(nèi)模型沖刷防護試驗是最基本的沖刷理論試驗，是驗證理論分析成果和總結(jié)沖刷規(guī)律的模擬試驗。由于試驗與實際情況僅存在相似關(guān)系，所以不能直接得出沖刷的相關(guān)參數(shù)和防護沖刷的能力，只能定性分析路基邊坡的防護形式與路基邊坡沖刷量的關(guān)系，進而評價砌塊的抗沖刷效果。

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

參考鄧衛(wèi)東[15]室內(nèi)模型設(shè)計圖，在寬長高100 cm×70 cm×30 cm 的木箱內(nèi)進行試驗（圖2），利用可控制排水量大小的裝置模擬降雨（圖3），路基邊坡模型的具體尺寸如圖4 所示。試驗用土為湖南常見的紅粘土。通過擊實試驗，得出土樣的最佳含水率，將土樣拌和至最佳含水量，采用分層（每層10 cm）擊實成型，成型后再進行土體的開挖完成模型的制作，模型成型后測量土體的含水率和干密度。

圖2 裝土木箱

圖3 降雨裝置

1.2 試驗工況設(shè)計

根據(jù)邊坡防護措施、坡度及降雨強度對室內(nèi)模型進行工況分類，具體見表1。

2 試驗過程及數(shù)據(jù)整理

2.1 試驗過程

完成所有準(zhǔn)備工作后，在路基邊坡模型的坡面范圍內(nèi)進行全幅噴淋，噴淋歷時9min，每1min 收集各邊坡模型底部集水溝內(nèi)的濕土，烘干后稱取干土的質(zhì)量。

2.2 數(shù)據(jù)整理

圖4 試驗?zāi)Ｐ蛨D

表1 工況分類表

根據(jù)室內(nèi)抗沖刷模擬試驗測試結(jié)果，將各種防護形式，不同坡度、不同降雨強度下邊坡單位時間沖刷量與降雨歷時時間曲線進行整理：

（1）按不同邊坡防護形式進行整理，單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系如圖5 所示。

（2）按不同坡度進行整理，單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系如圖6 所示。

（3）按不同降雨強度進行整理，單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系如圖7 所示。

圖5 不同護坡形式下單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系

圖6 不同坡度下單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系

圖7 不同降雨強度下單位時間沖刷量與降雨歷時時間關(guān)系

3 室內(nèi)邊坡抗沖刷模型試驗規(guī)律研究

3.1 不同護坡形式對邊坡抗沖刷能力影響規(guī)律

從圖5 可以看出，降雨初始階段，3個邊坡模型的單位時間沖刷量均較小。隨著降雨時間的延長，工況1 單位時間沖刷量逐漸增大后趨于穩(wěn)定；工況2單位時間沖刷量先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定；工況3 單位時間沖刷量先增大后減小，最后趨于零。其中，工況1 單位時間沖刷量增幅最大，工況2 次之，工況3 最小。同等條件下，采用傳統(tǒng)孔洞型護坡砌塊和抗沖刷型護坡砌塊防護的邊坡模型比未采用防護措施的單位時間沖刷量分別降低最大為89%和97%。

這是由于，降雨初始階段，雨水未能及時滲入坡面的土體，因此邊坡表面土層的強度變化不大，因此邊坡模型的沖刷量較小。隨著降雨時間的延長，雨水逐漸滲入邊坡土體，土體的含水量增加，強度降低，土體變得松散，沖刷量迅速增加，由于工況2、3 邊坡模型坡面采用了防護措施，因此其沖刷量明顯小于工況1 邊坡模型，其中工況3 邊坡模型的沖刷量最小。隨著整個邊坡模型的土體趨于飽和狀態(tài)，工況1邊坡模型的單位時間沖刷量也趨于穩(wěn)定，坡面土體被一層層地沖刷掉。工況2 邊坡模型坡面的空心砌塊中的填土被全部沖刷掉后，沖刷量主要來自邊坡模型內(nèi)部的土體，由于砌塊的防護作用，邊坡模型內(nèi)部土體的沖刷量有限，因此工況2 邊坡模型單位時間沖刷量先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。工況3 邊坡模型采用的抗沖刷型植生砌塊，當(dāng)通孔中的填充土的表層被雨水沖刷掉后，通孔的上端就會變成一個類似“屋檐”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式能有效地保護剩下的填充土不受雨水的沖刷，并且由于其通孔為水平大大減少了雨水在孔中的聚集，從而有效地減小了雨水對邊坡模型的沖刷作用。

3.2 坡度和降雨強度對邊坡沖刷影響規(guī)律

本次試驗主要研究了高速公路上、下邊坡較多采用的l∶0.75，1∶l，1∶1.15 三種坡度，模擬了1.5、2.0、2.5 mm/（min.m2）三種降雨坡度。

坡度的增加間接地提高了雨水的沖刷能力，而降雨強度的增加直接提高了雨水的沖刷能力[6,13,14]，從圖6、圖7 可以看出坡度和降雨強度對邊坡沖刷影響規(guī)律相同，具體如下：

（1）不管采用何種護坡形式，單位時間沖刷量隨坡度或降雨強度的增加而增加。

（2）不管采用何種護坡形式，單位時間沖刷量的增幅隨坡度或降雨強度的增加而增加。其中，未采取防護措施的邊坡模型增幅最大，采用傳統(tǒng)孔洞型護坡砌塊防護的邊坡模型次之，采用抗沖刷型護坡砌塊的邊坡模型最小。

4 結(jié)論

通過綜合考慮不同防護形式、不同坡度、不同降雨強度等因素的室內(nèi)沖刷模型試驗對比研究，得到以下認(rèn)識：

（1）未采取防護措施邊坡的單位時間沖刷量隨降雨的進行先增加后趨于穩(wěn)定，而采用孔洞型護坡砌塊防護邊坡的單位時間沖刷量隨降雨的進行先增加后減小最后趨于穩(wěn)定。

（2）同等條件下，采用傳統(tǒng)孔洞型護坡砌塊和抗沖刷型護坡砌塊的邊坡模型比未采用防護措施的單位時間沖刷量分別降低最大為89%，97%。

（3）不管采用何種護坡形式，單位時間沖刷量隨坡度或降雨強度的增加而增加，且單位時間沖刷量的增幅隨坡度或降雨強度的增加而增加，其中未采取防護措施的邊坡模型增幅最大，采用傳統(tǒng)孔洞型護坡砌塊防護的邊坡模型次之，采用抗沖刷型護坡砌塊的邊坡模型最小。

試驗結(jié)論表明：同等條件下，采用抗沖刷型護坡砌塊防護的邊坡比采用傳統(tǒng)孔洞型護坡砌塊防護的邊坡具有更好的抗沖刷性能。

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