皖江上游地區(qū)新生代紅砂巖邊坡沖刷試驗研究

汪錦文

摘 要：為了研究新生代紅砂巖邊坡坡面沖刷規(guī)律，在池州市九華山機場附近，選取典型的新生代紅砂巖邊坡，進行控制坡度及降雨量的邊坡沖刷試驗，觀察邊坡的破壞形態(tài)并且稱量坡底殘積物的重量.試驗結(jié)果表明：新生代紅砂巖邊坡沖刷過程主要分為三個階段，分別是表面侵蝕階段、細溝形成階段、細溝發(fā)育成熟階段;對坡面沖溝幾何形態(tài)進行編錄，隨著坡度的增大及降雨強度的增大，沖溝的發(fā)育時間減小，沖溝的幾何尺寸隨之增大;對坡底沖積物進行稱量，隨著坡度的增大，沖積物的重量越小，隨著降雨強度的增大，沖積物重量越大.

關(guān)鍵詞：新生代紅砂巖;原位試驗;邊坡沖刷

中圖分類號：TU454 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2020）08-0036-03

1 引言

紅砂巖沉積是一種典型的內(nèi)陸湖相沉積.由于紅層中所含的可溶性鹽較多，可認為該地區(qū)紅層是在相對封閉、相對干燥的內(nèi)流盆地的環(huán)境中堆積形成的.而在后期，湖盆淤積，盆底抬升，湖水外瀉，加之氣候炎熱干燥造成湖水蒸發(fā)加劇，從而導(dǎo)致湖泊退化[1，2].紅層的紅色主要是高價鐵十相對富集而成的，這個富集過程必須要有足夠的淋溶作用，因此紅層形成的古氣候環(huán)境是亞熱帶半干旱氣候或干濕季氣候.皖江上游地區(qū)的新生代紅砂巖由于成巖時間晚，巖石膠結(jié)差，有的為半膠結(jié)狀態(tài)，膠結(jié)物大都為泥質(zhì)成分.新生代紅砂巖強度低，遇水后易發(fā)生軟化、崩解[3，4]，發(fā)育泥化夾層和層間軟弱面，新生代紅砂巖經(jīng)常會發(fā)生巖體邊坡抗滑穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題.因此，對新生代紅砂巖的邊坡進行沖刷試驗研究是有必要的.

李志剛、劉建民[5，6]依托徐連高速公路路堤邊坡進行模擬降雨沖刷試驗，建立了公路沖刷模型，張雁、高樹增[7]通過控制邊坡坡率進行黃土邊坡沖刷試驗，得到黃土邊坡沖蝕泥沙量與坡率的關(guān)系.鄭曉城[8]對紅砂巖邊坡進行了模擬降雨沖刷試驗，并提出了相應(yīng)的保護措施.

由于室內(nèi)試驗和現(xiàn)場存在較大的差距，得出的結(jié)論往往不能反映真實情況，因此在池州市九華山機場通道附近選取典型的新生代紅砂巖邊坡，在現(xiàn)場進行新生代紅砂巖邊坡的沖刷試驗.

2 試驗程序

2.1 試驗方案

為研究新生代紅砂巖邊坡坡面沖刷規(guī)律，分析坡面沖刷產(chǎn)沙的影響因素，在原狀新生代紅砂巖邊坡上削出不同坡度的邊坡，模擬不同強度的降雨條件，觀測邊坡的侵蝕情況，并稱取坡底沖沙的質(zhì)量.

設(shè)計9組試驗，A組坡度為10°，B組坡度為20°，C組坡度為30°，試體的尺寸為40×120cm，每組分別控制不同的降雨量1、1/3、1/6L/min，各分為3組試驗，試驗工況如下.

2.2 試驗程序

試驗進行過程中，首先，在同一處紅砂巖邊坡中選取合適位置，開挖并修整邊坡至合適的試驗區(qū)坡度、面積，放線圈定試驗區(qū)域.然后開始模擬降雨沖刷試驗，通過均勻人工噴淋，控制降雨強度與降雨量，模擬自然降雨，觀察邊坡沖刷情況.測量并記錄不同工況下，坡面產(chǎn)流時間、坡面沖溝寬度與深度等參數(shù)，并對坡面沖刷后沖積物進行稱重.

（1）將試體圈出，并在坡地鋪上彩條布，用釘子將彩條布邊緣和膠帶定在一起，標記試驗區(qū)域并防止沖沙遺漏.

（2）試驗開始，人工噴淋模擬降雨，觀察邊坡沖刷情況.

（3）試驗初期，坡面流速較慢，表面土顆粒被水流帶走，試體沒有形成沖溝，坡面結(jié)構(gòu)完整.

（4）試驗中期，三組試體坡面都產(chǎn)生大量細溝，大量土顆粒被沖刷到彩條布上，試體膠結(jié)作用削弱，隨著坡度的減小，降雨量的減少，試體坡面結(jié)構(gòu)越完整，強度越高.

（5）試驗?zāi)┢冢M試體坡面沖溝深度及寬度都不斷加深和拓寬，最終形成了若干貫穿整個坡面的沖溝，坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，紅砂巖膠結(jié)作強度喪失，大量土顆粒被水流帶走，在坡底形成堆積.

（6）對各試體的幾何特征進行編錄，并對沖積物進行稱重.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試體破壞

對整個試驗過程進行觀察，可以將坡面沖刷過程分為三個階段.

（1）表面侵蝕階段：坡面漫流，表面土顆粒被水流帶走，沒有形成明顯沖溝，新生代紅砂巖邊坡坡面完整.

（2）細溝形成階段：該階段坡面形成大量細溝，巖土顆粒因為沖刷被大量帶走，此時邊坡已發(fā)生軟化，強度急劇下降.

（3）細溝發(fā)育成熟階段：該階段細溝深度及寬度不斷加深及拓寬，形成貫穿坡面的大沖溝，坡面結(jié)構(gòu)完全破壞，邊坡失穩(wěn).

3.2 試體沖刷結(jié)果

對試體沖溝進行幾何尺寸編錄并對坡底堆積物進行稱重，得到結(jié)果如下.

繪制產(chǎn)流時間、沖積物質(zhì)量、沖溝寬度、沖溝深度與坡度和降雨量的關(guān)系曲線.

分析紅砂巖邊坡沖刷條件下產(chǎn)流時間、沖積物質(zhì)量、沖溝寬度與深度，可以得出：

（1）產(chǎn)流時間隨著邊坡坡度的增大而減小，基本與坡度呈線性相關(guān)，降雨強度越小，坡面產(chǎn)流時間隨坡度的變化越明顯，降雨強度越大，坡面產(chǎn)流時間越短，在降雨強度較小時，坡面產(chǎn)流時間變化速率較大，而當降雨強度達到一定程度時，坡面迅速產(chǎn)流，此時產(chǎn)流時間與降雨強度相關(guān)性不顯著.

（2）沖積物質(zhì)量隨著坡度的增大而減小，當降雨強度較大時，沖積物質(zhì)量隨坡度增加而減小的更為顯著;沖積物質(zhì)量隨降雨強度的增大而增大，隨著降雨強度的增大，沖積物質(zhì)量增加速率逐漸減小.

（3）坡面沖溝的寬度與深度隨著坡度的增加而減小，隨著降雨強度的增大而增大.

（4）坡度越大，沖積物質(zhì)量、沖溝寬度與深度均越小，水流迅速運移，坡面沖刷效應(yīng)越不顯著，坡面破壞程度越低;降雨量越大，沖積物質(zhì)量、沖溝寬度與深度均越大，水流對坡面沖刷效應(yīng)越顯著，坡面破壞程度越高.

4 結(jié)論

通過進行新生代紅砂巖現(xiàn)場邊坡沖刷試驗，得到如下結(jié)論：

（1）新生代紅砂巖邊坡沖刷過程主要分為表面侵蝕、細溝形成、沖溝發(fā)育成熟三個階段.

（2）坡度和降雨強度是影響紅砂巖邊坡沖刷作用的重要因素，降雨強度的相關(guān)性更高.

（3）坡面沖溝的數(shù)量及坡底堆積土的重量是評價新生代紅砂巖邊坡破壞水平的指標，對防災(zāi)減災(zāi)工作有一定的指導(dǎo)意義.

參考文獻：

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〔6〕李志剛，劉建民.高等級公路路堤邊坡沖刷防護臨界高度野外模擬試驗研究[J].公路，2003，19（10）：43-46.

〔7〕張雁，高樹增，閆超群，黃升，劉彬，方新海，葛宜倫.降雨對黃土路基邊坡的沖刷規(guī)律[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2017，28（04）：34-39.

〔8〕鄭曉城.降雨條件下紅砂巖邊坡生態(tài)防護試驗研究[J].公路與汽運，2013，21（01）：128-131.