高速公路路基邊坡的沖刷與防護措施分析

高英樹

摘要 文章利用離散元PFC建立路基邊坡模型，明確壓實度、沖刷速度與沖刷時間對路基邊坡沖刷深度的影響。結論如下：砂性土路基邊坡沖刷深度主要受壓實度、沖刷時間和沖刷速度的影響。隨著壓實度增加砂性土邊坡模型中顆粒位移和沖刷量逐漸減小;從模擬結果可知，砂性土邊坡沖刷深度隨著壓實度的增大逐漸降低，隨著沖刷時間與沖刷速度的減小，路基邊坡的沖刷深度逐漸減低。

關鍵詞 路基邊坡;沖刷;防護;PFC數值模擬

中圖分類號 P64222 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0175-03

0 引言

我國關于公路水毀災害研究較多，內容比較廣泛。公路水毀的研究主要集中在水毀產生的原因和防護措施兩個方面。針對定性公路水毀原因以及基于實踐提出的防護措施的研究存在不足，分析不夠深入。

Tsuji等[1]最先使用離散元（PFC）方法模擬氣體在固體介質顆粒中的運動。Shamy等[2]首次在巖土工程中使用流固耦合分析方法研究滲流影響。黃潤秋[3]研究云南山區的公路水毀破壞特點，劃分水毀環境，進行預報并給出相應防災對策。熊傳祥[4]使用流固耦合的分析方法，在模型邊界條件上設置壓力實行降雨，結果表明離散元（PFC）計算中使用流固耦合方法研究崩崗的過程是可行的。宋朋燃等[5]利用流固耦合的分析方法對降雨條件下邊坡的沖刷建立離散元（PFC）三維模型，對邊坡沖刷侵蝕的作用過程進行整理歸納，分析降雨過程中路基邊坡的沖刷深度與水流的侵蝕力分布。劉興旺[6]研究路基邊坡雨水入滲過程與穩定狀態，通過分析路基邊坡土體中滲透力的作用完成了不同降雨情況下的穩定性研究。

離散元（PFC）仿真既可以用在不連續的大變形中，也可應用在土顆粒受力與運動中。鑒于此，利用離散元（PFC）計算理論建立路基邊坡模型，仿真模型建立的重點是建模過程和參數選取，選取坡比1∶1.5路基邊坡，明確壓實度、沖刷速度與沖刷時間對路基邊坡沖刷深度的影響。

1 路基邊坡沖刷特性的仿真模擬

1.1 計算數值模型

模型如圖1，材料參數如表1所示。

建立模型第一步使土顆粒處于密實狀態，接下來讓所有粒子的半徑均勻減小，目的是使試樣達到目標初始壓應力;下一步將浮點粒子與附近接觸少于三個的粒子刪除，通過粒子的刪除得到需要的孔隙率，此處模型孔隙率為0.1;再根據不同的壓實度要求將試樣中的小的顆粒刪除，得到需要的邊坡模型;最后給土顆粒施加一個沖刷速度，在沖刷條件下邊坡顆粒被剝落、搬移，模擬出路基邊坡的沖刷過程。考慮到計算機的計算能力，盡量在減小粒子尺寸的條件下將生成模型放大，目的是多生成土顆粒方便路基邊坡沖刷破壞的模擬。最終土顆粒的最小半徑為0.8 mm，最大為12 mm，路基邊坡生成4 125個顆粒單元。

1.2 實現過程

路基邊坡的沖刷深度受土體性質、壓實度、沖刷時間與速度的影響比較大，因此，路基邊坡模擬將考慮不同因素對路基邊坡的沖刷影響。通過PFC內置命令可以在生成模型時控制生成粒子的孔隙率，由于孔隙率與壓實度的關系得到壓實度。PFC軟件內置有Fish程序語言，通過Fish程序語言中的條件循環函數在模擬實驗開始時選擇邊坡表面顆粒、并通過命令賦予顆粒的初始速度，再利用函數控制粒子的重度，使其不斷地增加。以步長為循環條件來重復識別邊坡表面粒子使其達到模擬實際邊坡沖刷效果，通過命令獲取沖刷一定時間后邊坡表面球體到傾斜墻體的距離。當邊坡表面上顆粒遇水沖刷時，水會帶給土顆粒一定初速度，并且水滲入土體。隨著土體逐漸變得飽和，土顆粒重度也會隨之增大，所以增加一定速度與重度可以合理地模擬沖刷。

路基邊坡沖刷過程實現：

（1）邊坡顆粒模型的生成。

（2）對所有土顆粒賦予接觸。

（3）對路基邊坡坡面上的土顆粒進行識別、分組與假設。

（4）刪除路基邊坡模型試樣的頂墻，設定邊坡便面顆粒的增重與速度，開始計算。

模型中邊坡土體選取砂性土，邊坡壓實度為80%、85%和90%，在水流沖刷速度分別為0.1 cm/s、0.16 cm/s和0.2 cm/s的條件下，給出路基邊坡的沖刷過程結果，文中選取坡比1∶1.5邊坡模型，給出路基邊坡沖刷過程中的不同形態，每過程以100 000步為單位。

2 模擬結果分析

2.1 壓實度對邊坡沖刷深度影響

路基邊坡沖刷深度與壓實度大小有關，路基邊坡上從坡頂到坡底均勻設置測量點，其他條件相同情況下，測得不同壓實度的路基邊坡沖刷深度。

圖2可以看出，砂性土邊坡的沖刷深度較大，壓實度與沖刷深度的變化趨勢相反。在同一個測點處，80%壓實度邊坡的沖刷深度最大，85%壓實度邊坡的沖刷深度較前一壓實度的沖刷深度小，90%壓實度邊坡的沖刷深度最小，表明隨著壓實度的增大路基邊坡各點處的沖刷深度逐漸減小。

2.2 沖刷時間對路基邊坡沖刷深度的影響

由圖3可知，砂性土路基邊坡的沖刷深度都隨著沖刷時間的增大呈現增長趨勢。

0～3 min時間內曲線增長緩慢，路基邊坡的沖刷深度較小，3～6 min曲線增長變化劇烈，路基邊坡沖刷深度驟增，6 min以后曲線繼續增長，增長趨勢減緩，邊坡沖刷深度緩慢增大。

2.3 沖刷速度對路基邊坡沖刷深度的影響

圖4是砂性土路基邊坡沖刷深度與沖刷速度的變化曲線圖。

由圖可知，邊坡沖刷深度都呈現遞增變化，隨著水流沖刷速度的增大路基邊坡的沖刷深度呈現增加趨勢。相同時間內，0.2 cm/s流速條件下路基邊坡的沖刷深度最大，增長迅速，水流速度降到0.16 cm/s時，沖刷深度明顯減小，曲線增長變慢，0.1 cm/s流速下邊坡沖刷深度最小，相比于0.2 cm/s流速沖刷深度幾乎減小了一倍。由此可見，隨著水流沖刷速度減小路基邊坡沖刷深度逐漸降低。

3 高速公路路基邊坡沖刷防護措施

路基邊坡沖刷破壞的穩定性評價是一個具有復雜性的評價過程，主要表現為：影響路基邊坡穩定性的因素較多，各因素相互影響共同作用;評價指標的定義標準形式多樣;缺乏足夠評價信息資料。因此，路基邊坡沖刷穩定性破壞研究具有不確定性。

3.1 排水防護技術

公路排水防護工程的主要措施有邊溝、截水溝、排水溝、急流槽與盲溝等。其中邊溝、截水溝與排水溝是低等級公路中最常見的防護措施。

3.2 工程防護技術

公路邊坡工程防護指使用水泥、砂漿、石灰等材料展開的防護，護面墻和植被混凝土這兩種形式是最常見的技術。護面墻通常情況下被用于易風化的軟質巖石與相對破碎的巖石邊坡的防護，是比較常見的上邊坡的防護形式，作用是減免邊坡表面的侵蝕、持續風化以及部分坍塌與滑坡等破壞。護面墻的缺點是不能承受墻后邊坡土體的主動土壓力，故邊坡的穩定性限制了護面墻的使用。常見邊坡護面墻的形式有拱式、孔窗式等。

3.3 植被混凝土坡面防護

植物坡面防護的作用機理可分為植被根系的力學作用和植被的水文效應兩大部分，兩個方面共同協作增加邊坡土體的穩定性。該方法是一種新興起的防護技術，由植被防護、混凝土防護作用，同時擁有兩種防護的優點。植被混凝土防護因其混合防護形式的特點應用范圍廣，既能用于風化巖石邊坡也可以用于土質邊坡的沖刷防護。為了植被的優良生長以及坡面的觀賞性防護結構，結合形式應具有靈活性。骨架防護屬于植被混凝土防護的一種形式，通常設置在坡度較緩、相對穩定的邊坡，采用混凝土或者漿砌片石修建成框架，將草種在其中。這種邊坡綜合防護措施既能減少路基邊坡的沖刷破壞也可以提高坡面的觀賞性。其防護形式主要有：

（1）種草。適用于邊坡穩定、坡面沖刷輕微路堤或路塹邊坡，一般要求邊坡坡度不陡于1∶1，邊坡坡面水徑流速度不超過0.6 m/s，長期浸水邊坡不適用。

（2）鋪草皮。適用于各種土質邊坡，特別是坡面沖刷比較嚴重、邊坡較陡（可達60°）、徑流速度達0.6 m/s時。主要有平鋪、水平疊鋪、垂直坡面或與坡面成一半坡腳的傾斜疊置，以及采用片石等鋪砌成方格或拱形邊框、方格內鋪草皮等。

（3）植樹。適用于各種土質邊坡和風化極嚴重的巖石邊坡，邊坡坡度不陡于1∶1.5，在路基邊坡和漫水河灘上種植植物，對于加固路基與防護河岸具有良好的效果。可以降低水流速，種在河灘上可促使泥沙淤積，防止水流直接沖刷路堤。植樹最好與植草相結合。高等級公路邊坡上嚴禁種喬木。

4 結論

利用PFC模擬軟件對路基邊坡沖刷進行仿真，明確路基邊坡沖刷特點和影響因素。路基邊坡仿真模型建立的重點是建模過程和參數選取，結論如下：

（1）砂性土路基邊坡顆粒的位移和沖刷量較大，隨著壓實度的增加砂性土邊坡模型中顆粒的位移和沖刷量逐漸減小。隨著時間的增大邊坡模型顆粒的位移和沖刷量增加。

（2）路基邊坡的沖刷深度主要受壓實度、沖刷時間和沖刷速度的影響。從模擬結果可知，砂性土邊坡沖刷深度的增大變化較大，路基邊坡沖刷深度隨著壓實度的增大逐漸降低，隨著沖刷時間與沖刷速度的減小，路基邊坡的沖刷深度逐漸減低。

（3）路基邊坡防護措施主要可分為，排水防護與工程防護技術，宜根據實際情況采取相應的坡面防護措施。

參考文獻

[1]Tsuji Y， Kawaguchi T， Tanaka T. Discrete particle simu-lation of two-dimensional fluidized bed [J]. Powder Technology， 1993（1）： 79-87.

[2]Shamy U E， Zeghal M. Coupled continuum-discrete model for saturated granular soils[J]. Journal of Engineering Mechan-ics， 2005（4）： 413-426.

[3]黃潤秋. 中國西部地區典型巖質滑坡機理研究[J]. 地球科學進展， 2004（3）： 443-450.

[4]熊傳祥， 王濤， 魯曉兵. 降雨作用下崩崗形成細觀機理模擬[J]. 山地學報， 2013（6）： 710-715.

[5]宋朋燃. 黃土邊坡沖刷破壞特征及數值模擬[D]. 長春： 吉林大學， 2013.

[6]劉興旺， 戴源夏. 基于非飽和土理論的降雨入滲路基穩定性分析[J]. 公路交通技術， 2009（3）： 1-3+7.