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坡面沖刷對公路邊坡穩定性的探究

2017-02-18 17:55:50張華贊李正南
科技創新與應用 2017年3期

張華贊 李正南

摘 要:結合當前公路邊坡沖刷防護研究的進展,分析了天然降雨和徑流沖刷對邊坡穩定性的影響,重點闡述了坡面沖刷形成的機理和相關影響因素,分析了坡面防護方法,為公路坡面沖刷防護提供理論依據。

關鍵詞:沖刷;公路邊坡;工程防護;理論依據

引言

路基坡面沖刷是公路沿線一個常見的病害問題,在我國北方黃土地區修建公路時,線路開挖導致自然侵蝕加速,加速了沖刷的進程。同時,由于邊坡的常年裸露,邊坡發生變形、病害以及破壞的幾率增大,其中水流的沖刷破壞最為顯著,由于水流沖刷產生的邊坡破壞明顯增加,嚴重影響公路正常安全運營和增大養護費用。因此,進行沖刷防護的合理設計、沖刷機理分析和量化是不可缺少的。

1 坡面沖刷研究現狀

坡面沖刷研究很早就已經開始,經歷了將近幾十年的發展歷程,科學界對坡面沖刷已經形成了相對比較全面的認識。國內外對坡面沖刷進行了大量的研究。以坡面的流速研究為例,不同學者通過各自的研究得到了不同的坡面流速公式。1978-1988年江忠善在全面收集國內外坡面流流速的基礎上,結合自己的試驗數據,統計分析,得到黃土區坡面流速公式[1-2]。Guy等人系統地研究了坡面流流速的影響因素[3],Foster首次利用模擬細溝模擬了流速與坡度相互關系[4],Govesrs做了相關的室內試驗提出了坡度、流量、流速的函數關系[5]。

在坡面沖刷方面,大致分為三種觀點:

(1)沖刷與流量和坡度都有關,且流量對流速的影響大于坡度。

(2)沖刷與坡度無關,僅是流量的簡單函數。

(3)坡面沖刷中,流速沿細溝呈正態分布,主要受流量和坡度的影響且坡度的影響大于流量。通過分析發現:“坡度的影響大于流量對坡面沖刷的影響”是目前主要的研究趨勢。

2坡面沖刷機理

坡面沖刷過程包括降雨濺擊和徑流沖刷引起土顆粒分離、泥沙轉移和沉積三大過程,其中徑流沖刷占據主導地位。降雨濺擊是形成沖刷的最初形式。當雨滴平均落速達到一定值時,土顆粒受到侵蝕而濺起,又分為干濺階段、泥濺階段和層狀侵蝕階段。雨滴落速繼續增大到一定程度時,隨著水流的繼續增大,在坡度較陡的坡面上,形成了水深較淺的溝狀徑流。隨著水流的繼續增大,向下不斷地將侵蝕土壤分離、游離形成泥沙。

2.1 水流中土的受力分析

坡面沖刷產生時,坡面上的土顆粒受到自身重力、粒間粘結力、滲透壓力等多個力的相互作用,土顆粒的運動形式表現為穩定狀態轉為運動狀態、遷移、趨于穩定沉積。主要體現在:

(1)土顆粒浮容重。即土顆粒在水流中受到自身重力和水浮力的雙重作用下,形成的合力。

(2)滲透壓力。土壤自身具備一定的滲透性,當雨水流經土壤時,部分水流會入滲進入土壤,產生與入滲方向一致的滲透壓力。

(3)土顆粒間的離散力。土顆粒運動過程中,不同顆粒運動方向不一致,相互摩擦碰撞,產生相互作用力,即為土顆粒間的離散力。除此以外,坡面滑動需要一個初始起動力。當水流速度達到能使坡面活動的起始速度時,便產生了坡面滑動滑坡。

2.2 路基坡面沖刷強度

坡面沖刷強度可看作坡面流的沖刷能力,包括推移沖刷(土中粒徑較大部分)和懸移沖刷(土中粒徑較小部分)兩部分。故而產生了坡面流推移沖刷能力和坡面流懸移沖刷能力。顆粒在水流中以沉速ω下沉,但懸移質的重心作為一個整體基本保持在一定高程,這意味著水流必須以ω的速度將顆粒群舉起。

3 坡面沖刷防護措施

對于坡面沖刷防護而言,工程中常用的防護技術可分為工程防護、植被防護和綜合防護三類。工程防護以土工結構物為主要防護措施,穩定性較高,但對自然生態的破壞特別嚴重;植物防護以栽種植物,利用植物的相關特性達到防護的目的,但對植物的要求較高,同時受地域影響比較重;綜合防護是將工程防護和植物防護相結合,兼顧了邊坡加固、邊坡水土保持及生態恢復,效果比較顯著。

4 結束語

(1)流速對路基坡面沖刷起到主要作用。坡面流流速與路基坡面坡度和坡面水流流量有直接關系。

(2)路基的坡面沖刷存在臨界條件。只有當坡面上土達到起動拖曳力和起動流速時,才會產生坡面沖刷現象。并且在沖刷過程中,徑流平均流速并不是一直隨坡度增加而增加,而是存在一定的臨界值,平均單寬徑流能耗在隨坡度的變化過程中也存在臨界極值。

參考文獻

[1]羅賓,王秉綱,王選倉.路基邊坡沖刷基本理論[J].公路交通科技,2002(08):34-35.

[2]李志剛,王春輝.公路邊坡沖刷機理[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2003(06):15-17+42.

[3]趙歡,田偉平,李家春,等.公路泥石流災害危險性分區研究[J].災害學,2016,31(2):24-29.

[4]李鵬,李占斌,鄭良勇.黃土坡面徑流侵蝕產沙動力過程模擬與研究[J].水力學進展,2006(07):30-33.

[5]趙歡,田偉平,齊洪亮,等.陜西公路邊坡災害危險性分區研究[J].災害學,2016,31(4):75-80.

作者簡介:張華贊(1989-),男,漢族,河南南陽人,長安大學碩士研究生,主要從事公路自然災害防治方面的研究。

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