沖刷條件下的路基邊坡水毀分析

肖 田，李清華，陳 明，邱博超

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300392；2.中交一公局第六工程有限公司，天津 300451；3.河北工業大學，天津 300401)

公路水毀是一種常見的道路工程災害。目前，受水沖刷導致邊坡坍塌、路基毀壞是公路水毀災害的重點。道路工程水毀所引起的一些列問題已經成為公路的主要問題，對公路的正常使用產生了嚴重影響[1]。路基邊坡的水毀破壞主要表現在兩個方面：一是水量過大，在地表形成徑流，直接浸泡整個路基邊坡；二是長時間浸泡，水滲透到坡體內部，致使坡體下滑力增加，滲透水壓力破壞土體結構，導致抗剪強度減小。國內外很多學者都對洪水沖刷浸泡路基邊坡穩定性的破壞方式和作用機理進行了理論研究、數值模擬以及模型試驗，并取得了一定的成果[2-3]。韓敘領對公路沖刷的破壞進行了全面分析，并提出了治理防護措施[4]。曾玲等人對邊坡表面的沖刷防護臨界坡度做了定量分析，并確定其與雨水、土壤質量和坡高等具有函數關系[5]。本文利用室內模型試驗模擬匯水水流沖刷對邊坡坡面的影響，針對雨水對路基邊坡的沖刷、浸泡等水毀破壞機制進行了分析，為路基邊坡穩定性防護提供理論依據。

1 路基邊坡沖刷水毀試驗模擬

1.1 水毀試驗模型與控制條件

在條件許可的范圍內，盡可能的嘗試使用大比例的試驗模型。根據重力相似的原則進行設計，邊坡的高度設為0.8 m，坡頂路面長設為1.0 m，寬為0.6 m，邊坡的角度為45°，在坡面上由坡頂至坡角均勻設置6個測量點。為探究不同土質的抗沖刷能力，取兩種典型的土體，利用對比的試驗方法，建造兩個模型，填筑材料模型1用黏性土，模型2是砂性土，擬建試驗模型如圖1所示。

1-水泵；2-蓄水池；3-水管；4-水；5-擋水槽

1.2 實驗控制條件

模型試驗條件如表1所示，各土樣的物理力學參數指標如表2所示。

表1 模型的試驗條件

表2 模型的試驗條件

在模型試驗開始后，把水流的大小調節平衡穩定，邊坡頂部水流的平均流速為0.016 cm/s，水流深度為1.5 cm；在土體出現破壞后，水流的速度逐漸增大，達到0.053 cm/s，這時邊坡上水流深度為4.0 cm。在試驗的全過程，分別對試驗模型1和2的三種不同壓實度下的邊坡土體的沖刷浸泡破壞發展情況進行了記錄。

1.3 水毀模型試驗結果

邊坡坡面被沖刷浸泡產生破壞是一個連續的進程。試驗開始，當水剛好流過斜坡時，坡面土體的含水量立刻達到飽和，在整個斜坡上出現水流成股沖刷現象。斜坡1(模型1)上的水流干凈清晰，斜坡2(模型2)的土壤表層因為上層浮土被沖走，水流相對混濁。

隨著沖刷的持續發展，地面的水流侵蝕導致斜坡表面的破壞快速，變成細溝侵蝕，進而產生一定程度的淺溝和溝槽，同時拉伸裂縫出現在斜坡的上部，隨著侵蝕溝的快速發展，邊坡中的填料被清空直到完全被破壞，如圖2和圖3所示。

圖3 砂性土邊坡沖刷前后對比

圖2(a)是90.0%壓實度的邊坡沖刷前后對比圖，由圖2可知，沖刷前后坡面侵蝕破壞的差別并不大；圖2(b)是85.0%壓實度的邊坡沖刷前后對比情況，此壓實度下坡面在沖刷后邊坡表層出現剝落；圖2(c)是壓實度最低的土體邊坡模型，被水沖刷后出現較大的溝蝕破壞，這主要是因為邊坡土體局部壓實度降低所導致。

圖2 黏質土邊坡沖刷前后對比

圖3是砂性土體邊坡表面沖刷前后的對比圖，同樣是三組壓實度的對比情況，砂性土邊坡的沖刷深度要比黏質土邊坡的沖刷深度大很多。圖3(a)是90.0%壓實度的邊坡沖刷前后對比情況。在此壓實度下邊坡表面產生小坑和細小的溝縫，侵蝕破壞并不是很強烈。當壓實度降低到85.0%和80.0%時，邊坡表面的沖刷毀壞程度增加，此時產生沖坑并出現較深的溝縫。這主要是因為土體內含水量和填料密實不均導致的土體內摩擦角和內部粘聚力不均勻、不連續，最終造成了沖刷破壞的多元性。

試驗中黏性土和砂性土模型的土質邊界條件相同，因為兩個模型中的三組壓實度不同，模型土體的參數也不同，壓實度降低，邊坡土體的破壞加大。

2 試驗結果與分析

2.1 壓實度對路基邊坡沖刷深度的影響

圖4(a)與圖4(b)分別是黏性土與砂性土路基邊坡沖刷深度與壓實度關系圖。

圖4 路基邊坡沖刷深度與壓實度關系圖

圖4(a)是黏性土路基邊坡沖刷深度受壓實度影響變化曲線圖。由圖可知，自坡頂沿坡面向下9個測點，在相同測點處，壓實度越大邊坡沖刷深度越小。80%壓實度邊坡沖刷深度增長變化最大，破壞程度嚴重；當壓實度增大為85%時，路基邊坡的沖刷深度整體變小，邊坡侵蝕程度減輕；90%壓實度路基邊坡的沖刷深度最小，破壞最小，因此隨著壓實度的增加路基邊坡的沖刷深度逐漸減小。

圖4(b)為砂性土路基邊坡沖刷深度與壓實度的關系圖。由圖可知，路基邊坡壓實度的變化對砂性土路基邊坡沖刷深度的影響很大。同樣是從坡頂沿坡面向下9個測量點，在相同測點處，路基邊坡壓實度越大沖刷深度越小。80%壓實度路基邊坡的沖刷深度最大，沖刷侵蝕程度嚴重；增加到85%壓實度時，路基邊坡的沖刷深度有所降低，但沖刷深度仍然很大，沖刷破壞程度依然較大；壓實度達到90%，路基邊坡的沖刷明顯減小，與壓實度90%黏性土邊坡沖刷深度的變化趨勢相近，此壓實度邊坡的沖刷破壞程度較小。

因此，隨著壓實度的增加路基邊坡的沖刷深度呈減小趨勢，路基邊坡的破壞程度逐漸降低。

2.2 沖刷時間對路基邊坡沖刷深度的影響

圖5(a)與圖5(b)分別是黏性土、砂性土在水流速度為0.16 m/s時，路基邊坡沖刷深度隨時間變化的實測曲線圖。

圖5 路基邊坡沖刷深度與沖刷時間關系圖

由圖可知，沖刷時間越長路基邊坡的沖刷深度越大。0～3 min屬于快沖階段，此時邊坡浮土與松散顆粒被沖離坡面，沖刷深度的增長較快，出現細小沖溝；3～6 min時間段浮土沖離邊坡，由于下方土質密實，匯流水對坡面沖刷的難度增加，所以邊坡沖刷深度減緩，速度繼續保持增長趨勢；6 min之后為累進性沖刷階段，隨著時間的增加，坡面沖刷深度繼續增大，邊坡的沖溝加深，坡角有坍塌現象出現。因此，路基邊坡的沖刷深度受沖刷時間影響，減小邊坡的沖刷時間，邊坡的沖刷深度會降低。

2.3 沖刷速度對路基邊坡沖刷深度的影響

在設定壓實度為90%的情況下，試驗得出黏性土、砂性土路基邊坡沖刷深度與沖刷速度關系如6(a)與圖6(b)所示。

圖6 路基邊坡沖刷深度與沖刷時間關系圖

由圖可知，路基邊坡的沖刷速度隨水流速度的改變而變化。相同沖刷時間條件下，水流沖刷速度越大，路基邊坡的沖刷深度越大。以黏性土路基邊坡變化曲線為例說明，0.55 cm/s沖刷速度下的邊坡沖刷深度呈現持續增長變化趨勢；當沖刷速度降低為0.16 cm/s時，邊坡的沖刷深度雖然仍呈現持續增長的趨勢，但總體沖刷深度減小。因此，水流沖刷速度是路基邊坡沖刷深度的影響因素，隨著水流沖刷速度減小，路基邊坡的沖刷深度逐漸降低。

3 結 論

通過室內模型試驗系統研究了雨水沖刷作用對路基邊坡的破壞，通過改變不同控制條件來探究坡面沖刷破壞的影響因素。

(1)相同水流沖刷過程中，黏性土邊坡沖刷破壞主要以細長的沖溝為主，而砂性土邊坡坡面破壞主要以寬度較大的沖坑為主；黏性土邊坡坡坡面土體主要以多顆粒團狀運動為主，而砂性土邊坡坡面土體主要以單個顆粒運動為主。

(2)相同土質邊坡模型，壓實度增加，路基邊坡的沖刷深度減小，路基邊坡的破壞程度降低。

(3)隨著沖刷時間的增加，兩種土質邊坡沖刷深度也逐漸增加，黏性土邊坡沖刷深度增長速度逐漸減小，砂性土邊坡沖刷深度增長速度先減小隨后緩慢增大。

(4)隨著坡面匯流產生的水流沖刷速度增大，兩種土質的邊坡坡面沖刷深度也隨之增大。