公路路基边坡冲刷与防护措施分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言公路修建过程中改变了区域内的地形地貌条件，破坏原有自然生态条件，形成大量裸露的工程边坡。裸露的边坡坡面在短时强降雨、持续性降雨、气候变化、冻融作用等因素干扰下，会引起边坡表面侵蚀。边坡坡面的侵蚀会导致边坡浅层病害，如冲蚀、剥落、泥石流等等。同时边坡浅层病害发展到一定程度会影响边坡的整体稳定性，提升边坡风险等级。公路边坡土壤侵蚀在时间分布上不平衡，空间分布呈线状或羽状。同时，我国公路工程的建设起步相对较晚，在边坡防护技术方面的研究成果尚不完善1。因此，做好公路边坡的防护工作，减小降雨条件下边坡坡面的侵蚀具有十分重要的工程意义。1 公路路基边坡冲刷类型及机理分析1.1 路基边坡冲刷类型公路路基边坡冲刷类型的划分是研究其冲刷特性的基础，但冲刷类型分类方法多样，目前尚无统一标准。结合国内外相关研究成果，本文提出以冲蚀形态、冲刷强度来划分路基边坡冲刷类型，划分结果如表1所示：表1 路基边坡冲刷类型划分分类依据类型按冲刷形态划分溅蚀 溅蚀沟蚀细沟侵蚀浅沟冲蚀冲沟冲蚀冲刷性坍塌按冲刷强度划分微度冲刷轻度冲刷中度冲刷强度冲刷极强度冲刷剧烈冲刷1.2 路基边坡冲刷机理路基边坡冲刷的本质是坡面径流对坡面土体的搬运，研究其冲刷机理应从坡面冲刷时土的受力特征着手，利用静力学理论，分析坡面冲刷产生条件和冲刷强度2。1）受力特征当降雨强度大于路基边坡岩土体的入渗能力，会在边坡坡面产生径流。土颗粒在坡面径流作用下，受重力W（垂直向下）、水拖曳力Fd（与水流方向相同）、上举力Fl（垂直坡面）、渗透压力Fs（垂直向下）等作用力。土颗粒的重力在计算时，应考虑水的浮力，并将土颗粒近似为圆形球体。坡面径流流动过程中，水流与土颗粒接触后会受到摩擦力F1。当水流雷诺数较大时，土颗粒顶部流线会分离，土粒前后会有一定的压力差，产生与水流方向相同的阻力F2，F1和F2的合力即为拖曳力Fd。同时，由伯努利原理可知，土颗粒顶部（径流）和底部（渗透水）的水流流速也不同，顶部流速高、压力小，底部流速低、压力大，顶底部的压差产生上举力Fl。经理论推导，水拖曳力和上举力可表达为式（1）和式（2）3：Fd=CdAu022（1）Fl=ClAu022（2）式（1）（2）中：Cd、Cl分别为阻力系数和上举力系数；A为坡面土颗粒在水流方向的投影面积；为水流密度；u为颗粒表面水流速度。如果路基边坡土体未饱和（普通土饱和度小于100%、黄土饱和度小于85%），土体入渗率较大，坡面径流会有一部分渗入坡体内，产生与入渗方向相同的渗透压力，其计算方法见式（3）：Fs=rwJD36（3）式（3）中：rw为水的重度；J为水力坡降；D为坡面土颗粒直径。2）冲刷产生条件综上，只有坡面径流的搬运力大于坡面土体抵抗搬运能力，土颗粒才会脱离母体运动。假设坡面水流方向和路基边坡走向角度为，则沿边坡坡面的合力大小Fh为是（4）：收稿日期：2023-03-19作者简介：王磊刚（1991），男，工程师，从事公路勘察设计工作。公路路基边坡冲刷与防护措施分析王磊刚（晋中市新奥交通设计所有限公司，山西 晋中 030600）摘要：为提升公路路基边坡设计水平，分析了边坡冲刷类型、边坡冲刷机理等，计算了坡度、坡长、降雨强度、降雨历时等因素对坡面冲刷深度的影响，得到冲刷临界坡度和降雨标准。同时，探讨了植草防护、护面墙防护、植被混凝土防护、排水防护等措施在边坡坡面防护中的应用，研究成果可为公路路基边坡设计提供理论指导。关键词：公路边坡冲刷；冲刷机理；影响因素；防护措施中图分类号：U416.1文献标识码：B61总663期2023年第33期（11月 下）Fh=(Fdsin+(W+Fs)sin)2+(Fdcos)2（4）垂直边坡坡面的合力大小Fv为式（5）：Fv=(Fs+W)cos-Fl（5）根据泥沙运动力学理论，当Fh与Fv的比值大于坡面摩擦系数时，坡面开始出现冲刷4。3）冲刷深度计算假设路基边坡坡面的一个侵蚀层厚为单位厚度，土颗粒的冲刷侵蚀分为水流渗透、与土的连接力减小到被破坏冲走2个过程，消耗的时间就是单位厚度土层冲刷所用时间，即冲刷强度k，可按式（6）计算。因此，路基边坡坡面冲刷深度等于冲刷强度和冲刷时间的乘积。k=()1f+c-(+w)-1（6）式（6）中：f为坡面土体初始入渗系数；c为坡面土体黏聚力；为水流对土颗粒的冲击应力；w为水流附加切应力；为坡面土体冲刷系数。2 公路路基边坡冲刷影响因素分析相对于松散土颗粒而言，路基边坡经过压实，其水力冲刷侵蚀是个逐渐发育的过程，冲刷深度也与边坡形态、降雨参数等因素密切相关5。本文以某黏性土路基边坡（重度18.9 kN/m3、黏聚力26 Kpa、内摩擦角23，渗透系数6.8 cm/min）为研究对象，探讨坡度、坡长、降雨强度、降雨历时等因素对坡面冲刷强度的影响。2.1 坡度、坡长对边坡冲刷的影响在设计径流量相同的条件下，路基边坡坡度会直接影响径流加速度，从而影响坡面冲刷强度。当边坡坡度小于某一临界坡度，坡面土体冲刷强度与坡度近似线性正相关。当超过临界值，坡面冲刷强度反而会降低。同时，坡长对路基边坡冲刷强度的影响主要体现在坡面径流的能量转换。坡面径流从上向下流动时，势能会转换为动能。坡长越长，坡面径流动能越大，坡面冲刷侵蚀越激烈。为探究路基边坡冲刷的临界坡度，利用式（6）计算了坡长为 10、15、20 m，坡度为 10、20、30、40、50时的边坡冲刷深度，计算结果见图1：由图1计算结果：在坡长一定时，路基边坡冲刷深度随着坡度的增加是先增加再减少的，冲刷临界坡度在40左右。当边坡坡度小于40，冲刷深度与坡度成正比；当边坡坡度为40，冲刷深度达到峰值。坡长为10、15、20 m时，边坡冲刷最大深度分别为5.6、6.1、8.1 mm；当边坡坡度大于40，冲刷深度与坡度成反比。同时，在坡度一定时，路基边坡冲刷深度随着坡长的增加而增加。坡长从10 m增加至15 m，冲刷最大深度增加幅度为8.9%；坡长从15 m增加至20 m，最大冲刷深度增加幅度为32.8%。2.2 降雨强度对边坡冲刷的影响降雨是路基边坡冲刷破坏的动力条件。在降雨期间，一方面，雨滴会冲击坡面土颗粒，使土颗粒与土体分离；另一方面，雨水入渗增加坡面表层土体的含水量，导致土体软化、抗剪强度降低。降雨对路基边坡冲刷的影响主要体现在降雨强度和降雨时间两方面。降雨强度小时，在坡面上产生径流所需降雨时间长，侵蚀的强度低。如果降雨强度过小，不会在坡面产生径流，也就不会侵蚀边坡。利用式（6）计算降雨强度为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mm/min时，路基边坡坡面的侵蚀深度（计算结果见图2），以确定边坡侵蚀降雨标准。图2 不同降雨强度下边坡冲刷深度由图2计算结果：随着降雨强度的增加，路基边坡深度也在增加，但增加速率并不固定。当降雨强度不大于0.03 mm/min，边坡冲刷最大深度仅为0.5 mm，可以忽略不计。但是当降雨强度达到0.04 mm/min，边坡冲刷深度明显增加。因此，可将0.04 mm/min作为边坡开始侵蚀破坏的降雨标准，当公路路基所在地区降雨强度达到此值，需加强坡面防护。3 公路路基边坡抗冲刷防护技术及评价3.1 坡面植物防护路基边坡坡面采用植草、铺草皮等植物防护措施图1 不同坡度、坡长条件下边坡冲刷深度62交通世界TRANSPOWORLD后，其抗冲刷能力有明显提升，主要体现在以下三个方面6：减弱降雨势能。路基边坡坡面的植被可对雨水截留，使降落到边坡表面雨滴动能降低，减弱土体的溅蚀作用。边坡上的植被覆盖层越厚，对降雨势能的削减作用越明显；减少坡面径流。路基边坡压实度一般大于90%，渗透率较低。如果降雨强度较大，短时间内就会在坡面形成径流。坡面植被能减少坡面径流，并过滤径流中的泥沙，减少坡面产沙量。边坡上的植被覆盖层越厚，坡面产沙量越小；坡面土体加筋作用。植物根系会穿过路基边坡坡面的松散岩土体，锚固到边坡内部较稳定的岩土体中，起到加筋体的左右。相关研究表明，植物根系的直径越细，抗拉强度越高。植物根系直径一般在25 mm，抗拉强度在80 MPa。3.2 坡面圬工防护1）护面墙防护护面墙能够有效防止坡面冲刷侵蚀及局部坍落、滚石等，只承受自身重力，不承受墙后主动土压力，常用于较破碎的软岩边坡。护面墙形式包括拱式护面墙、孔窗式护面墙、实体护面墙等，均应紧贴边坡坡面修建。若护面墙较高应分级修筑，每级高610 m，并在分级位置设置至少1 m宽的平台。此外，墙背还要每隔46m设一处宽0.51 m耳墙，墙身应预留泄水孔。如果坡面开挖后有凹陷，可以用混凝土或浆砌片石填塞平整。2）植被混凝土防护植被混凝土是一种适用范围广的新型护坡措施，同时具有植物防护和圬工防护的优点，不仅能用于风化的岩石边坡，还可以用于土质边坡。为确保植物良好生长、防护措施与沿线环境协调，可灵活选用植被和护坡结构。骨架护坡（如拱形骨架、方格骨架等）属于植被混凝土防护的一种形式，不仅能降低坡面冲刷侵蚀，还可提升公路沿线的坡面景观。3.3 排水防护根据水源不同，公路路基排水设施有地面排水和地下排水，不同排水设施既要充分发挥其自身功能，又要相互配合，共同构建路基综合排水系统，见图3。图3 路基排水系统3.4 边坡抗冲刷防护技术评价为评价公路路基抗冲刷防护措施的适宜性，建议邀请相关专业的专家从技术性、安全性、经济性三个方面对路基边坡防护措施进行评分，并分别赋予不同的权重，最终得到坡面防护的综合评分D。评价值可按式（7）计算。需注意，邀请的专家在业内要有一定权威性，以保证边坡抗冲刷防护措施的评分和权重更具说服力。D=i=1nwiDi（7）式（7）中：Di为坡面防护第i个评价指标的评分，满分以100分计；wi为第i个评价指标的权重。评价值D越高，表明路基边坡防护措施越好。根据评分结论，可以把公路路基边坡防护措施分为 A、B、C、D 四个等级，其中A级表示边坡防护措施优秀，D90分；B级表示边坡防护措施良好，80D90；C级表示边坡防护措施一般，60D80；D 级表示边坡防护措施差，不得采用此措施，D60。4 结束语本文分析了公路路基边坡冲刷类型、冲刷机理、冲刷影响因素及抗冲刷防护措施，主要得到以下几方面的结论：公路路基边坡冲刷的本质是坡面径流对坡面土体的搬运，其冲刷类型可根据冲蚀形态、冲刷强度来划分；当坡面径流的搬运力大于坡面土体抵抗搬运能力，坡面开始产生冲刷，其冲刷严重程度可用冲刷深度评价；路基边坡冲刷深度会随着坡度的增加先增加再减少，随着降雨强度的增加而增加。同时，坡面冲刷临界坡度为40，开始侵蚀破坏的降雨标准为0.04 mm/min；为提高路基边坡抗冲刷能力，可采用植草防护、护面墙防护、植被混凝土防护、排水防护等措施。参考文献：1 肖田，李清华，陈明，等.冲刷条件下的路基边坡水毁分析J.黑龙江交通科技，2022，45（2）：1-3.2 宋玉泽.填方路基边坡施工中的防冲刷措施研究J.交通世界，2019（28）：22-23.3 陆运磊.公路路面汇水对路基边坡冲刷破坏研究D.昆明：昆明理工大学，2018.4 陆运磊，唐正光，付用国，等.农村公路路基冲刷破坏及防护研究J.交通科学与工程，2017，33（4）：6-9，19.5 张雁，高树增，闫超群，等.降雨对黄土路基边坡的冲刷规律J.中国地质灾害与防治学报，2017，28（4）：34-39.6 吉萌.基于CPFD Barracuda软件的沿河路基边坡冲刷研究D.南京：东南大学，2017.63