路堤边坡冲刷侵蚀机理研究
某段陡坡路堤破坏原因分析及工程整治措施研究
某段陡坡路堤破坏原因分析及工程整治措施研究摘要：主要介绍了某段陡坡路堤在强降雨后发生沉降、开裂、边坡滑塌等破坏，对其发生原因进行了分析，主要原因是由于强降雨造成水流冲刷边坡，雨水下渗使得坡体自重增加，降低坡体抗剪强度导致路堤边坡蠕动变形、整体失稳，并详细介绍了对该段陡坡路堤破坏后的工程整治措施及其整治效果。
关键字：陡坡路堤；破坏形式；原因；措施随着我国经济发展，基础设施在大力建设，高速公路的建设不可避免的会穿越山区，陡坡路堤则是山区高速公路中常见的路基形式。
所谓陡坡路堤是指路堤修筑在陡坡(地面横坡超过1:2.5)上或是不稳定的山坡上的路堤。
本文主要介绍了山西省某段高速公路陡坡路堤在强降雨下发生破坏的过程及其原因分析，并提出相应的工程整治措施，可对其他类似工程起到一定的借鉴作用。
1工程概况及地质条件某高速公路K66+458～K67+045段路堤总长587m，原地貌为第四系新黄土，自然坡度陡于1:2.5，最大填高约27m，平均填高约21m，路堤填料主要为粉质黏土，路基基底采用强夯处理。
因路堤右侧为原自然河道，为确保河道行洪顺畅，防止填方路堤边坡压占河道，该段落采用加筋路堤，通过设计横向土工格栅作用于路堤，边坡坡率1:1,填方边坡采用30cm浆砌片石进行封闭，同时设置路堤式挡土墙收缩坡脚，在确保路堤稳定的前提下最大程度保证河道宽度。
路堤横断面如图1所示。
图2 路堤边坡滑塌图3 路面纵向开裂该段陡坡路堤产生沉降、开裂、边坡滑塌的原因复杂。
为查明破坏原因，进行了现场勘察，进行了钻孔取样，并检测路基含水率，发现部分岩心局部呈松散状，边坡由外至内0～8m范围内路堤填料平均含水率高达25%，可以得到路基破坏的主要原因：（1）强降雨造成水流冲刷边坡，路面排水及防渗措施不足造成雨水下渗，雨水下渗使得坡体自重增加，水压力增大，降低坡体抗剪强度导致路堤边坡蠕动变形，路堤出现整体失稳迹象，从而产生路面开裂、路基沉降、边坡滑塌等破坏。
公路路基边坡沿河防护冲刷设计分析
公路路基边坡沿河防护冲刷设计分析一、引言公路是国家交通运输的重要组成部分，而公路路基边坡沿河地段是易受河流侵蚀和冲刷的脆弱区域。
在公路建设中，对于路基边坡沿河的防护设计显得尤为重要。
本文将通过对公路路基边坡沿河防护冲刷设计的分析，探讨如何有效地保护公路路基边坡沿河地段，减少河流侵蚀和冲刷对公路安全和稳定性的影响。
二、沿河地段的特点1. 河流侵蚀河流在流动过程中，对于河岸的侵蚀是不可避免的。
特别是在雨量较大或者洪水期间，河流的流速增大，侵蚀力增强，容易造成路基边坡的冲刷和崩塌。
2. 斜坡稳定性差由于河流侵蚀的影响，河岸边坡的稳定性较差，土壤松散，易于发生滑坡或者塌方现象。
这给公路的安全带来了一定的隐患。
3. 土壤抗冲刷性差河流冲刷对土壤的影响较大，对于一些含水量高、松散的土壤来说，河流冲刷更是加剧了其破坏速度，增加了边坡的崩塌风险。
三、防护措施分析1. 强化边坡结构在设计公路路基边坡时，可以通过增加边坡的坡度、锚杆和护坡等方式来增强边坡的稳定性。
对于边坡的土体材料可以进行加固处理，如使用钢筋混凝土墙、石笼等结构进行加固，提高边坡的抗冲刷能力。
2. 植被覆盖植被覆盖是一种比较经济、有效的防护措施。
通过在边坡上种植草坪、灌木等植被，可以增强土壤的抗冲刷性，减少河流对边坡的侵蚀。
植被还可以稳定土壤，增加边坡的抗冲刷性和抗滑性。
3. 河道治理对于沿河地段，可以通过河道治理的方式来减少河流对边坡的侵蚀和冲刷。
通过加宽、加深河道，增加河流的排水能力，减少河流对边坡的侵蚀。
可以设置护岸、堤防等结构，将河流引导至预定方向，规范河流的流向和流速，减少对边坡的侵蚀和冲刷。
4. 排水设计在沿河地段，排水设计也是比较重要的一环。
合理的排水设计可以减少水流对土壤的冲刷，提高土壤的抗冲刷性。
通过设置排水沟、排水管等设施，将雨水和河流及时排除，减少对边坡的侵蚀和冲刷。
四、案例分析某公路项目处于山区，沿河地段为复杂地形，边坡多为多次滑坡形成的沉积土坡。
路堤边坡破坏形态及治理综述
路堤边坡破坏形态及治理综述摘要近几年随着我国经济快速发展，现有的交通条件不足以满足社会经济发展的需求，高速公路不断在各地大力建设。
随之而来的就是高速公路的各种破坏。
在平原地区，公路穿过农田一般都是以低路堤的形式穿过，而在山区，由于地形的差异，路堤都是高且陡，这就使路堤边坡形多种多样，造型各异。
由于受到高速公路斜坡路基上的高填方路堤的斜坡角不同、路堤两侧填土材料的土性和岩性的不同、地下水沿路堤坡面产生的渗透压力、高填方路堤中的孔隙水压力等因素，使人们对该类型的路堤破坏机理和变形模式并不了解。
而且，高等级道路跨越黄土地区冲沟时，高填路堤成为一种常见的结构形式。
使用高路堤既有好处，也有他的弊端。
高路堤破坏形式复杂多样，由于填方量大,占地面积广,而且施工完成后,常出现路堤的整体沉陷、局部沉陷或边坡失稳。
路堤的破坏不仅给行车安全带来严重影响，还造成重大经济损失，这就需要我们对高速公路路堤的破坏模式进行研究，并对路堤进行合理的治理。
本文从路堤的研究现状、破坏模式、破坏机理、路堤边坡稳定性计算方法以及对路堤的治理防护进行详细的介绍，对路堤边坡的治理有一定的作用。
关键词：路堤边坡破坏机理破坏模式稳定性验算治理措施绪论从第一条高速公路的建设到现在高速公路的迅猛发展,，我国高速公路建设以经走到世界前列。
“要想富，先修路”这句话成为各地发展经济的首要目标，而高速公路的大力建设不可避免的会带来各种工程事故。
随之而来的就是各种各样的问题出现，其中，路堤边坡的破坏就非常严重。
路堤既有低路堤，也有高路堤，破坏形式也是各种各样。
在平原地区，以低路堤为主，而在西部山区，以高路堤形式为主。
特别是国家作出西部大开发战略决策以来,山区高等级公路得到迅速的发展。
高速公路斜坡高路堤,其数量之多、灾害之严重、处治之困难皆为世界罕见,这无疑给高等级公路尤其是修建在高速公路上的陡斜坡路堤的建设带来了许多困难。
下面总结出全国高速公路路堤破坏形式及原因，如表1-11冲刷缺口。
边坡侵蚀的理论分析
2003年9月Journal of Northeast agricultural university eptember2003文章编号l005-9369(2003)03-0293-06边坡侵蚀的理论分析夏兆君l孙延福l(l~东北农业大学哈尔滨l50030康百赢22~黑龙江省农场总局哈尔滨l50030)摘要自然边坡侵蚀在世界各地随处可见然而对自然边坡的侵蚀过程缺乏相关的理论研究包括面蚀~渗透破坏和渠道冲刷冲刷破坏是由于对土体的切割引起的它与季节性融冻深度密切相关因为融冻状态下土壤的抗剪强度较低水跃发生在渠坡下游土体切割会加速边坡侵蚀进程渗流将引起严重的深层破坏这些主要受土壤性质和作用在坡面上的附加荷载的影响最大渗流通常发生在融雪季节研究边坡浸蚀破坏的机理将有助于城市~乡村和保护区的水管理关键词自然边坡土壤侵蚀理论分析中图分类号 1 1 1+1 文献标识码a地表的土壤被逐步地带入河流并向下游传输最终沉积于湖泊~河口和海洋此过程中即形成了土壤侵蚀从热带地区到寒冷地区从高地到自然坡地世界各地随处可见 1 土壤侵蚀可能始于面蚀然后是沟渠的冲刷侵蚀和土体的运动面蚀很难被查觉除非土壤表面降低到了老土以下或者是树根裸露出来或存与被石头盖住的土壤对比如果水流较急使渠床和渠坡的土粒发生移动则会发生沟渠冲刷因为水既是发生土壤侵蚀的根源又是侵蚀材料的运输工具所以侵蚀过程引起了水文和水文地质学者的极大兴趣值得注意的是坡面的覆盖条件~坡向和几何特征发生变化时边坡稳定的安全性会发生变化并且可能会发生在的边坡滑动当发生滑坡时流动的水会暂时地蓄于滑动的土体后面直到水面与该土体顶部齐平最严重的边坡侵蚀问题是土体的滑动它可能会引起巨大的土体的快速坍塌这些侵蚀过程过去只局限于野外观测本文对各种自然边坡的破坏进行了理论分析目的在于找出侵蚀破坏机理以便于今后对破坏过程的定量评价l面蚀在雨滴的冲击下可以看到侵蚀开始时的土粒分离水滴的动能会溅起土壤颗粒在平地上土粒在各个方向的分布基本上是均匀的但在坡地上则收稿日期2002-12-09会向下传输单个水滴的动能如下N k=12mV2c(1)如果发生地表流动土粒将随水流流动向下游传送最后在下游地表表面沉积下来地表流动主要是层流不能使土体的土粒分解但是在土壤表面可造成土粒流失土壤被溅湿和地表流动过程是引起面蚀~土壤表面的均匀剥蚀的原因 2 3当电流通过插入土层中的两个电极时土壤被加热由于干燥的土壤其导电率较低所以需保持较高的土壤含水量因此由电阻作用而获得的最高温度大约可达到水的沸点2坡面的下切侵蚀当水流漫溢坡面时就会发生土坡的下切浸蚀 4 假设自然裸露的坡面长度为LW上端及下端分别为Z1和Z2湿周为P 水深分别为c1和c2流速为U1和U2上端的总能量可接下式估算E1=m(gZ1+gc1+U21/2)(2)当土壤下切与滑动发生在该裸露的边坡上的时候坡底处的总能为E1=m(gZ2+gc2+U22/2)+E c+E e(3)忽略热量损失能量平衡方程为E1=E2(4)令水体质量为m最初的土体分离和土颗粒发生移动时的能量分别为Ec和Ee作为土粒或小土块土位分离发生在当作用在土体上的剪应力T大第34卷第3期东北农业大学学报34(3)293~298于土壤的剪切强度zS时或:E c=zALZ=z S AL Z=z S PL Z Z(5)式中:A=PLZ为与水接触的土壤表面积对于土体的移动假设在水中土体的移动速度与水流流动速度相同沿坡面长度LW方向的加速度是:V Z Z-V Z1/ZL Z那么E e=m S[(V Z Z-V Z1)/ZL Z]L Z(6)进一步简化后:E e=m S(V Z Z-V Z1)/Z(7)式中:mS为移动土体的质量将方程(5)和(7)代入方程(3)方程(Z)和(3)代入方程(4)Gm SZ(V Z Z-V Z1)+z S PL Z Z=mg[(Z1-Z Z)+(c1-c Z)]+mZ(V Z1-V Z Z)(8)m S=Z mg(z1-z Z+c1-c Z)-z S PL Z ZV Z Z-V Z1-m(9)在时间T内通过坡面水的质量为:m=P@T(10)式中:@为流量P为水的密度该坡面上的土体移动量为:m S=0S L Z A S(11)式中:0为土的密度AS为土体的横断面面积将式(10)和(11)代入式(9)土壤侵蚀速率为L Z A S/T 该值可以由下式得到:L Z A S T =0S@E p-z S PL Z ZE c-1J(1Z)式中:E p=mg (Z1+c1)-(Z Z+c Z)J E c=m(V Z Z-V Z1)/Z由于河流的自然坡度Ep 为正值式(7)表明VZ<V1E e<0 则不发生土粒移动式(1Z)表明(E p -z S PL Z Z)/E c>1.0时坡面下切破坏与成正比G坡趾的破坏当水流至坡趾时高速的水流会产生水跃它取决于弗汝德数FT:F T=V/(gc)Z(13)式中:V-流速g-重力加速度c-水深根据开敞式渠道的水力特性FT= 1.0*1.7时水流表面有轻微的波动;当FT>1.7水面产生小的漩滚;当FT=Z.5*4.5时则发生滚动的水跃不时地冲击坡趾然后沿坡面产生波动将会严重地舔食坡趾因此导致破坏G4渗透破坏渗透破坏也被称作深层破坏这种破坏多见于土质粗糙的自然坡底G这种土中存在着很多引隙因此可以储存大量的雨水且渗透系数较大使水很容易地流进或流出以及在其内部流动渗水可源于雨水和冰雪融化以及从上游流入的地下水G细小的土粒会逐渐的被高速渗流带走沉积在坡脚的下部或被途径坡底部的沟渠中的水流冲走G细小土粒被冲走和孔隙水的改变可能会引起局部的塌陷5J继而产生边坡破坏G边坡的土壤组成地下水位和渗透速率是引起边坡深层破坏的主要因素G4.1水位和浸润线在完全饱和状态下浸润线可以由达西定律来估算地下水流速为:V=-k(cz/cx)(14)沿坡面方向单宽流量为:g=-kz(cz/cx)(15)式中:k-完全饱和区的渗透系数cz/cx-水力梯度(见图1)图1浸润线和渗流区示意Fig.1Prof ile of a natural slope showingphreatic line and seepage zone积分得:gx=-0.5kz Z+c(16)当边界条件x=0 Z=H时H为土壤调查到的或由地下水观测系统观测到的水位积分常数为:c=0.5KH Z(17)49Z东北农业大学学报第34卷且g=k(H2-Z2)/2I(18)用(18)式可以确定水位或浸润线并能用来计算渗流出逸位置O4.2坡面渗流当水流通过干燥的土壤时不会产生渗流如果土壤完全被饱和坡前最高的渗流出逸点为浸润线与坡面的交叉点 6 7 O如果坡面近似用坡度为K的直线代替然后将其代入式(2O)由边坡的几何特性可以得出水平向的流量此时水流出逸点高度为h s(图1)Og=k(H2-h22)/{2[l+cotO(H-h s)]}(19)式中:l-边坡上缘与坐标轴Z的水平距离h s渗流出逸高度当Z=~时渗流量最大也就是dg/dhs=O~ d2g/dh2s<O得到:dg dh s =k-zh s[l+cotO(H-h s)]-cotO(H2-h2s)2[l+cotO(H-h s)]2(2O)要想使dgdh s=O 要么分子为O 要么分母为无穷大O对于自然边坡cotO显然是有限的因为K为一个正数所以:cotO(H2-h2s)-zh s[l+cotO(H-h s)]=O(21)当C为最大值时该二次方程的解为:h s=(H+1cotO)-[(H+1cotO)2-H2]O.5(22)负根用来给出hS的实数解O方程(24)表明:要容纳最大的渗流量坡面的竖直渗流区决于边坡坡度和上游的地下水水位O然而渗流量是土壤透系数的函数因此也取决于边坡土壤的特性最终渗流量为:g=kh s dZdI(23)至此浸润线的计算才体现了它的实用价值O4.3渗透破坏我们所考虑的一般情况为自然边坡的底部与池溏或河流相连池水深度为hw低于渗流出逸高度h s(图2)O在h w下面边坡近似为直线所以渗流流出的方向与其相垂直(见图2)O hs 点的渗流速度为:V=k SinO(24)图2最大渗流破坏区位置Fig.2Location of potential seepage f ailure zone流速方向与坡面平行如果我们用两个矢量表示的话平行于坡面的矢量为S 垂直于坡面的矢量为1 对于hw下面的渗流区V1=V而Vs=O;h w之上流线与坡面以O ~9 的角度相交最上面为O在hw处为9O 所以:V1=V SinBV s=coSB(25)(25)式也可写成:V1=V s tan BV s=V Sin O(26)因此在坡面高度为hs处V1=O而Vs=V从h s点运动到h w点流速V和坡面的夹角在逐渐增大角度由O 变为9O 正切值由O变为OO V1也是这样O实际上这个速度不可能是无限大的只是一个非常大的数O垂直于坡面的渗透水压力为:P g=PV21/2(27)式中:P-水的密度kg v n-3显然这个压力由hs到hw之间是逐渐增加的在h w处水面线以下沟渠中的水就会给渗透水流一个反作用力这个反作用力为:P w=Pg(h w-Z)(28)式中:g-垂力加速度Z-基准线以上的高度且Z<hw则被抵消后的渗透水压力为:P=P g-P w(29)图2表明在水面线处P达最大值O在这个最大值周围为一个压力超过临界值的区域在这个区域可能会发生管涌破坏8 O当管涌发生时流速会进一步增大边坡土的强度被削弱从而会加速边坡的破坏O592第3期夏兆君等:边坡侵蚀的理论分析5渠道冲刷破坏渠道冲刷破坏可以由计算的流速与允许流速的比较来确定9 允许流速为保持渠床土质稳定而不产生破坏的流速可由下式估算;V=CR2(30)式中;C-冲淤系数R-水力半径由下式计算R=AX(3l)式中;A-计算的过流断面面积X-湿周A与X可由图解或计算得出;A=(b-mh)h(32)X=b-2h l-m@2(33)式中;b-底宽h-水深m-边坡系数6滑坡破坏滑坡常会引起土壤浸蚀并加速其进程扩大破坏范围O在坡度较陡或土质比较疏松的断面土坡会会发生严得的直线或圆弧滑动l0 l l O对于一个质量为M的滑动土体来说滑动力为MgSin B其中g为重力加速度B为正应力与铅直方向的夹角(图3)阻滑力为zs WL 其中W为土体的宽度L为滑弧的长度土体的切向力为;z s=o-tan@-C(34)式中;C-土的凝聚力-土的内摩擦角6-土体破裂面上的正应力图3土体滑动破坏示意Fi .3Erosion caused by soil block slidin通过现场察勘应用某些软件及计算机模型可以进行土体的稳定性分析确定滑坡的可能性O这个稳定性可由滑动稳定安全系数K来衡量K为阻滑力矩与滑动力矩的比;K=T S WLR/aMg SinB(35)式中;R-滑弧半径a-土体的力矩臂如果K<l 则会产生土体滑动这种破坏可能是慢慢发生或突然发生的O从以上的理论分析影响土体滑动的主要因素为;(l)土的剪切强度它取决于土壤类型~密度~含水量和地下水位;(2)边坡坡度O坡度越陡越易滑动;(3)土体的重量MO7冻融破坏冻融可能会引起土壤侵蚀使自然边坡产生滑动l2 l3 O春季融雪结束后冻土则开始融化O水开始进入冻层下面重新结冰直至形成不透水的地下冻层O在再冻结过程中形成较厚的地下冰层地下冰层的融化会使土体结构变松降低剪切强度和凝聚力流出的水可能产生润滑作用而减小冻融区的摩擦力或摩擦角O由冻融引起的浅层滑动可以是直线或圆弧滑动见图2土的类型和组成含水量和地下冰的含量对浅层滑动的类型都有一定影响l4 l5 O假设全部热能都滑耗于地下冰与冻层的融化融冻层的累积深度可由下式表示;h =2KTz@l(36)式中;T-地表温度z-融冻累积历时K-导热率l-潜在的溶解热导热率可由下式计算K=HnjK f j j(37)式中;f-为土壤成分j的体积含量j包括矿物质(m)~有机质(0)~水(W)~冰(1)和空气(a)O它们的导热率(wm-l C-l)为;K m=2.93 K0=0.25 K w=0.57 K z=2.22 K O=0.025对于一定的边坡位置以上成份可能随时间和深度而变它取决于土壤的水热条件l3 O8讨论野外调查和实地勘测使我们获得了大量关于边692东北农业大学学报第34卷坡破坏的类型及各种破坏程度的信息 ]69]7I O 遗憾的是对控制整个破坏过程的变量认识有限9理论上允许对控制因素的相对重要性进行比较O 因此9今后要进行相关的野外观测来预测边坡破坏的类型和速度O降雨强度9历时和地表径流是定量地确定引起土壤侵蚀的动能的基本变量9土坡的组成\坡度\土壤结构\植物覆盖和地下水条件是进行土壤破坏过程理论分析的因素O冻融过程会加速土壤侵蚀进程9因为它改变了土壤结构\密度\含量和内摩擦角]89]9IO 在融冻期间9渗水会润滑融冻区9在某些特定的边坡条件下会产生表层滑动O 更好地理解边坡破坏的机理9会改善对融冻水和雨水的管理9防止边坡破坏O参考文献]IBegin Z B 9Myer D F 9Schumm S A .Development of Longitudinal Profiles of Alluvial Cahannels in Response to Base -level Lowering J I.Earth Surface Processes and Landforms 9]98]9(6),49-68.Z I Chow V T .~andbook of Applied ~ydrology M I.New York ,McGraw -~ill Book Co .lnc .N .Y .]964.3IGray D M .~andbook on the Principles of ~ydrology M I.New York ,a Water lnformation Center Publication .Syosset 9N .Y .]973.4I Einstein ~S .The Bed -load Function for Sediment TransOportation in Open Channel Flows M I.U .S .Department 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discharge.Erosion by Water overfloW is due to under cutting of the soil mass and it is closely related With seasonal thaWing-depth,as the shear strength of soil is Weak at the thaWing front.Soil under cutting increases With discharge and decreases With the shear strength of the soil.Where a hydraulic jump occurs doWnstream of the slope,under-cutting can accelerate slope erosion process.Seedpage of Water Will cause serious erosion at the point Where the stream,at the toe of the slope,intersects the slope face.Erosion many also cause slope-local-failure/massive soil movement When slope failure driving force exceeds the resisting force.These forces are affected by soil movement When slope failure driving force exceds the resisting force.These forces are affected by soil properties and surcharge loads acting on an existing slope.Peak floW freguently occurs during snoW-melt/ break-up period.Better understanding of the mechanisms causing slope erosion Will improve the melt/ storm Water management in urbin,rural and conservation areas.Key words:natural slope;soil erosion;theoretical analysis作者简介:夏兆君(1945-),博士,1986年前在原东北农学院水利系任讲师现任加拿大多伦多市MCRI土力学与地基基础工程研究室高级工程师兼水地质研究员。
道路边坡不同生态防护措施侵蚀特征研究
在初期土壤ｃ ｕ 随着含水量的增大而逐渐的增加， 但是当土壤水分含水量
４ ％左右 时 ， 由于 水含 量 的变 大导 致 白 ｇ 土 壤颗 粒 表层 水膜 厚 度增 大 ， 土壤 颗 防护措施下道路边坡降雨侵蚀特征研究， 其次是路面来水对路堤边坡侵蚀特 到 １
但现在本 缓冲地带 已经基本没有滞水效果 。但是滞沙效果依 和维护道路边坡的稳定以及保护山区生态环境建设提供相应 的理论依据 ， 对 水滞沙效果 ， 旧 明显 。 于类似道路建设提供相应的借鉴意义。 时间因素也是影响边坡侵蚀的一个重要因素， 半年内新修道路 的水土流 ２ 、 研 究 区域 以及 内容 失最为严重 ， 尤其是在极端降雨的情况下。但随着时间的推移， 边坡的滞水滞 沙 效 果 明显 加 强 。水 土 流失 现 象 与 时 间成 反 比关 系 ， 在 同 等环 境 下 ， 时 间越 ２ ． １ 研 究 区域
综 合测 试 结 果 ， 得 出一个 结 论 ： 影 响边 坡 侵 蚀 的 主要 原 因有 ： 土壤 容 重 、 植 被覆 盖度 、 土壤 孔 隙 、 饱 和导 水 率 四个 因素 。 ３ ． ２ 路 面来 水对路 堤 边 坡侵 蚀特 征 的影 响研 究
在现实中路面来水对路堤边坡的侵蚀也十分严重， 在暴风雨时， 道路上
的水 流 ， 一部 分 随 着边 沟 渠 和路 边 排走 外 ， 其余 的通 过路 肩 从 路堤 边 坡排 走 ，
注重对边坡 的保护， 因边坡崩塌、 滑坡而造成交通中断的事件频频 出现 ， 而在 目前道路边坡设计 中存在着植被恢 复难 ， 路基高填深挖 ， 防护成本高等一系
黄土路堤坡顶及土路肩暴雨冲蚀破坏机理试验
文章编号 ：６１８７ （ ４０－０７０ １７－８９ ２０ １２０２－３ ０
黄土路堤坡顶及土路肩暴雨冲蚀破坏机理试验
李家春 ， 田伟平
（ 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室 ， 陕西 西安 ７０６） １０ ４
摘 要： 根据公路路肩的水力特点， 应用径流剥饮率的概念从理论上分析 了路肩及坡面暴雨冲刷， 研究黄土地区公路路堤边坡冲刷的规律， 即黄土路堤的路肩及坡顶侵蚀在路堤边坡侵Ｕ中最严重， 结果表 明路肩是防护的主要部位 ， 为公路防护提供 了理论依据。还通过 室内大型模 型试验验证 了 所提 出的土路肩冲蚀理论 关键词： 道路工程； 公路； 雨水； 侵蚀； 路肩； 剥蚀率 中图分类号 ： ４ ２３ Ｉ １． ６ 文献标识码 ： Ａ
坡 顶无来水
０６ ． ０
南强 ／
Ｉ （ ［１（ ， 备 ／ 吕・，）１模数／ ） ｍ ９ ・ ｍ 沙量／ ； 二二
１ ０ １ ０
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平均含
侵蚀
注
２ ． ９３ ２ ２３９ ９ ． ４ ６ ．８ ６２ ２０ ９ ２ ． ９ ６ ． １５ ０ １９ ４ ５ ． ２
０． ３ ０
描述为
时间单 位 面 积被 剥 蚀 掉 的 土 的质 量， 位 是 单 ｋ ＇ 。当水流剪切力大于土临界剪切力时土 川ｍ ＂ ｓ 颗粒被剥蚀， 土剥蚀率从概念上可表达为
带， 路面表面水汇集在拦水带同路肩铺面（ 或路肩和 部分路面） 组成的浅三角形过水断面内， 然后通过按 一定间距设置的泄水口和急流槽集中排放到路堤坡 脚外。在这种情况下， 坡顶没有路面来水的汇人 当路面排水为分散排水时， 路肩外侧边缘不设拦水 带， 路面表面径流直接通过路肩分散排向坡面 ， 沿坡
浅析路基边坡侵蚀破坏模式
浅析路基边坡侵蚀破坏模式路基边坡侵蚀破坏是指在陡坡、长沟或坡脚等地段，因雨水冲刷、风蚀、水流冲击而导致土质及其它材料流失和地质形态变化所引起的路基边坡侵蚀破坏现象。
路基边坡侵蚀破坏模式是指在不同的环境因素作用下，路基边坡侵蚀破坏形态的差异和特点。
本文将从影响因素、侵蚀类型和破坏模式等方面，对路基边坡侵蚀破坏模式进行浅析。
一、影响路基边坡侵蚀破坏的因素1. 地形因素：地形因素对路基边坡侵蚀具有决定性影响。
高度悬崖、陡峭峰岩、断崖式岸滩及复杂的地质构造是造成路基侵蚀和破坏的重要因素。
2. 气候因素：气候因素对路基边坡侵蚀破坏的影响相对较大。
长期大范围的雨量、潮湿、连续的暴雨、升温、冻结和雨雪等天气条件下，容易引起土壤的流失，进而导致路基侵蚀和破坏。
3. 水土性质：水土性质对路基边坡侵蚀的影响比较明显。
由于不同地层土壤性质、地理位置不同，土壤的抗侵蚀能力也不同。
4. 人为因素：人类建设活动是造成路基边坡侵蚀和破坏的重要因素之一。
人类为了保障自己的生存和经济发展，对于自然环境所做出的改变，大大加剧了路基边坡侵蚀的程度。
二、路基边坡侵蚀类型在影响因素的基础上，路基边坡侵蚀类型可以归纳为以下几种：1. 沟渠式侵蚀：沟渠式侵蚀是由于坡下积水流动产生了沟渠型冲刷，从而导致路基边坡破坏的现象。
2. 纵向侵蚀：纵向侵蚀是指由于坡面陡峭，雨水冲刷导致坡面上下悬崖型破坏。
3. 坑斗式侵蚀：坑斗式侵蚀是由于地形或地貌因素所造成的坑壕状或流线形的路基边坡侵蚀，而形成的一种破坏模式。
4. 滑动式侵蚀：滑动式侵蚀是由于坡面土层发生一定程度的滑动，导致路基边坡的破坏现象。
三、路基边坡侵蚀破坏模式1. 冲刷侵蚀：冲刷侵蚀是指在土层面或地面上，由于积水侵蚀和冲击，导致地表土层广泛流失，造成路基边坡的破坏。
这种侵蚀模式的特点是侵蚀量大、面积广、破坏力度较强。
2. 风化侵蚀：在某些地区，由于长时间的物理气候因素下，土壤会发生风化现象，导致土质疏松，土层变薄，甚至塌方，形成的路基边坡破坏模式。
利用REE示踪法研究坡面侵蚀冲刷过程的开题报告
利用REE示踪法研究坡面侵蚀冲刷过程的开题报告一、研究背景和意义坡面侵蚀冲刷是指水流冲刷物质、冰川侵蚀、风作用侵蚀和物理作用等因素引起的土壤和岩石表面的损失。
这种地表过程是全球重要的生态环境问题之一，对土地资源的保护与利用，以及自然地质环境的维护和恢复都具有着十分重要的意义。
REE示踪法是一种利用稀土元素示踪土壤和沉积物运移和沉积的方法，其具有精度高、检测灵敏度高、样品易采集、取样便利等优点。
这种示踪方法已经得到广泛的应用，并且在河流流域、海洋、湖泊和坡面等领域都取得了很多的成功案例。
本研究将结合REE示踪法，来研究坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移特征，为有效评估和控制坡面侵蚀冲刷提供科学依据。
二、研究目标和方案1.研究目标本研究的主要目标是通过REE示踪法，深入了解坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移特征，探究不同因素对坡面侵蚀冲刷的影响，为防治坡面侵蚀冲刷提供科学依据。
2.研究方案本研究采用REE示踪法，结合野外取样、透射电子显微镜分析和地球化学分析等手段，对研究区域中坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移过程进行研究。
具体研究步骤如下：（1）野外取样：在目标研究区域布设取样点，采集不同深度和不同位置的土样和岩石样，并记录GPS位置。
（2）样品制备：对采集的样品进行研磨、筛分、干燥等处理，制备成为符合仪器检测要求的样品。
（3）仪器分析：利用透射电子显微镜分析土壤和岩石样品中REE的分布特征，采用ICP-MS分析土壤和岩石样品中REE的含量和分布特征。
（4）数据分析：根据分析得到的数据，对坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移特征进行分析和判断。
三、预期结果和意义本研究预计采用REE示踪法，深入了解坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移特征，探究不同因素对坡面侵蚀冲刷的影响，并得到如下预期结果：1.揭示坡面侵蚀冲刷过程中土壤和岩石表面的物质损失和运移特征，为进一步防治坡面侵蚀冲刷提供科学依据。
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第19卷 第1期 中 国 水 运 Vol.19 No.1 2019年 1月 China Water Transport January 2019收稿日期：2018-08-22作者简介：吕倩文，昆明理工大学 建筑工程学院。
路堤边坡冲刷侵蚀机理研究吕倩文1，陆运磊2，孔祥云1（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500，2.云南省建筑工程设计院，云南 昆明 650041）摘 要：本文通过物理模型模拟实验对路堤边坡冲刷侵蚀破坏展开研究，结合土体组成体系分析冲刷侵蚀机理，建立冲刷侵蚀模型推导冲刷强度与土体参数的函数关系。
土体是多粒径尺度的不均匀材料，具有多尺度、分层次的物理力学特性，路堤边坡表层土粒冲刷侵蚀是一个发育的过程，侵蚀的强度与发育时间相关，受土体自身内因和水力条件的影响。
关键词：路堤边坡；模型试验；冲刷；侵蚀机理中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）01-0232-03引言路堤边坡的冲刷侵蚀破坏多是由汇水冲刷引起，尤其是在低等级公路中，路堤边坡的冲刷侵蚀破坏尤为明显。
我国低等级公路在建设中由于受资金条件的限制，坡面防治措施简单，路堤坡面抗冲刷侵蚀能力较弱，在雨季常常遭受到不同程度的冲刷破坏，容易引发路堤失稳性破坏。
因此开展路堤坡面冲刷侵蚀破坏的研究，探究坡面冲刷侵蚀机理，对路堤边坡冲刷侵蚀破坏防护具有指导性的意义。
一、研究现状路堤边坡冲刷侵蚀过程复杂，影响因素较多，如降雨强度、坡面植被、坡面土壤性质、土壤初始含水率、汇水范围等，每个因素间又有着复杂的相互作用[1]。
按降雨过程可将坡面冲刷侵蚀分为：雨滴溅蚀、浅层水流片蚀、径流沟蚀和坍塌等四种[2]，侵蚀的程度与降雨强度、降雨历时息息相关。
焦菊英[3]通过对黄土地区侵蚀性降雨的研究认为，一次大于10mm 的高强度降雨对坡面的侵蚀效果比平均几十毫米的低强度降雨大得多。
罗斌[4]等从坡面流剪力和流速入手，建立坡面冲刷发生条件的理论表达式，但是得出的结论只适用于松散的土粒或遇水迅速崩解的土体。
刘建民等[5-6]从能量平衡的角度构造边坡冲刷模型，建立冲刷能量平衡方程对路基边坡的冲刷量进行定量计算。
沈水进[7]等通过冲刷模型试验研究，提出了水流冲刷到路基路面塌陷的一般路基冲刷机理演绎过程。
以上研究多是基于松散的土体，或是基于单一的变量因素得到的影响关系，而路堤坡面冲刷侵蚀是受诸多因素相互影响和作用的过程，从侵蚀观测来看，严重的冲刷破坏主要是由汇水导致，因此本文通过物理模型实验模拟汇水对路堤边坡冲刷侵蚀破坏，分析研究冲刷侵蚀机理，推导冲刷侵蚀强度。
二、路堤坡面冲刷侵蚀模型实验 1．模型实验模型分为两个部分，路面汇水模拟槽和路堤坡面填土槽；模型由水泥砖砌筑而成，模型长1.5m，宽0.5m，高1m，水槽与外部供水设备连接，水流通过供水设备输到水槽，再从水槽的缺口冲向模拟填筑的路堤坡面，对坡面产生冲刷，实验模型如图1。
图1 边坡模型图 图2 实验过程 实验选取了黏性土进行实验，每种土质3个压实度。
表1 实验条件压实度（%）坡比冲刷时间（min）流量（mL/s）90.0 15 253 80.3 15 253 76.11：1.5 15253表2 土样参数直剪快剪饱和直剪快剪压实度 （%） 内摩擦角（°） 黏聚力（KPa） 内摩擦角（°） 黏聚力（KPa）初始入渗速率 （mm/s） 90.0 30.8 116.3 27.4 4.6 0.54 80.3 27.1 92.5 25.7 3.8 1.78 76.123.444.622.42.72.91冲刷开始前后，使用三维激光扫描仪对坡面进行扫描，用于对坡面冲刷情况的监测。
实验结束后，选取填筑的土样和冲刷侵蚀土样烘干做粒径筛分。
2．实验结果 （1）侵蚀深度用cyclone 把扫描得到的冲刷前后点云数据叠加处理，可计算得到冲刷侵蚀的量和侵蚀深度。
图3是用cyclone 处理过后的冲刷前和冲刷后的模型叠加的底部图，蓝色的是冲刷前，黄色是冲刷后，中间明显的黄色带是冲刷侵蚀形成的侵蚀沟。
第1期 吕倩文等：路堤边坡冲刷侵蚀机理研究 233图3 冲刷侵蚀 表3 平均侵蚀深度编号 压实度（%）平均侵蚀深度mm 侵蚀量 cm 31 90.0 7.7 6232 80.3 14.7 1,236 376.128.92,641（2）前后粒径分布图4 冲刷前后粒径分布3．试验结果分析土体是由固体颗粒、水和土中的气体组成的三相体系，相系之间质和量的变化都会直接影响到土体的性质。
结合土样参数从侵蚀的深度和侵蚀量分析来看，随着路堤压实度降低，土体抗剪强度减小，土粒间的粘聚力也随之降低，抗冲刷侵蚀能力下降，坡面的冲刷侵蚀深度和侵蚀量显著增加。
土体是由多个粒径尺度的土粒、气体和水聚集的不均匀材料，具有多尺度、分层次的物理力学特性。
土体中的固体颗粒呈现出多种形态，其粒径大小从厘米及以上的块石小至微米级别的黏粒，土粒间的聚集形成了不同大小的团聚体。
从土体颗粒材料的力学角度考虑，土体是一种不连续不均匀的颗粒材料，其内部存在大量颗粒间的界面，这些界面是水流入渗的切口，也是土粒在径流作用下与土体分离的剥蚀面。
从冲刷侵蚀前后粒径分布来看，土体的冲刷侵蚀主要是以细小的基体颗粒为主。
土体压实度较大时，土体密实，土粒间粘结力大，土体抗侵蚀能力强，胞元体和团聚体与土体的连接力大于基体颗粒与土体、胞元体和团聚体的粘结力，基体颗粒从胞元体、团聚体身上被剥蚀。
随着压实度的降低，土中孔隙增大，填筑的胞元体和团聚体上的基体颗粒与其连接力不变，但胞元体和团聚体与土体的连接力减小，随着土体中的基体颗粒被侵蚀后，胞元体和团聚体与土体的连接力降低逐渐被侵蚀，压实度降低，冲刷侵蚀的大粒径土粒数量逐渐增加。
三、路堤坡面冲刷侵蚀机理分析及冲刷强度探究1．侵蚀机理分析路堤边坡坡面表层土粒冲刷侵蚀是一个发育的过程，这个过程发育所需的时间与土质性质相关，也影响着冲刷侵蚀的强度。
这个过程从水流入渗开始到土粒脱落结束。
在路堤边坡土粒冲刷侵蚀过程中，水流对土体的作用主要有三个方面：（1）入渗到土体内部，溶解胶结物，降低分子键的作用力，使土体软化，致土粒与土体黏聚力减小；（2）增加土体内部孔隙水压力，表层土粒附近的孔隙水压力在径流的脉动作用下不规律的增大、减小，使表层土粒受到不规律的推挤，对其与土体连接力降低起到促进作用；（3）径流对土粒的直接作用，径流对表层土粒的不规律的直接冲击作用和附加切应力的作用，使表层土粒与土体的连接力降低，当连接力小于径流的直接作用力时，土粒与土体分离。
径流的直接作用提供了土粒机械破坏的机械力，土粒与土体分离是瞬时分离，类似于脆性破坏。
2．水力条件分析路堤坡面土体冲刷过程中受到多个力的作用，如水流冲击力、颗粒之间的粘结力、水的浮力、拖曳力、上举力及渗透压力等多个力的作用。
结合对土粒的受力分析，土粒冲切破坏的主要动力是来自水流的冲击力和附加切应力。
（1）附加切应力[8]由普朗特假设和Nikuradse 水力粗糙试验可得到水流的附加切应力为：ρτ2)75.4ln 5.2(+∆=yvw （1）式中：w τ为附加切应力，kpa；y 为水力半径，m；ρ为水流密度，kg/m 3；Δ为坡面粗糙度，m；ν取湍流过水断面平均流速，m/s。
（2）冲击应力由冲量定理可得到水流对土粒的冲击应力为：2/v S F ρσ== （2） 式中：ρ为水流密度，kg/m 3；v 为过流断面水流速度，m/s；S 为水流作用土颗粒的面积，m 2；F 为水流对土粒的冲击力N。
径流对路堤坡面土粒的冲切应力为冲击产生的应力和湍流附加切应力之和，即：22)75.4ln 5.2(v vw ρρστ++∆=+ （3）3．冲刷侵蚀强度推导根据建立的侵蚀模型分析研究路基坡面冲刷侵蚀强度，假设每一个侵蚀层厚度为单位层厚1，表层土粒侵蚀发育过程从汇流的渗透开始，到土粒机械破坏与土体分离结束。
设水流渗透单位土层的时间为t 1，土粒与土体的有效连接力减小至脱落的时间为t 2，表层土粒脱落所消耗的时间为这两项时间之和。
单位侵蚀层较薄，渗透时间很短，与土粒冲刷侵蚀发育的时间相比可忽略，土层侵蚀所消化的时间只考虑侵蚀发育所需时间t 2，这个过程所需时间为：（下转第236页）236 中 国 水 运 第19卷表5 最不利安装户数层数 最不利方向 最不利栋号总户数 可安装户数 可安装户数比例10层 -90° 6 40 11 0.275 13层 -90° 6 52 14 0.269 16层 -90° 6 64 19 0.297 19层 -90° 6 76 22 0.289 22层 -90° 6 88 26 0.295 25层 -90° 6 100 30 0.300 28层 -90° 6 112 34 0.304 31层 -90° 6 124 37 0.298 33层-90°6132390.295由上表可见-90°（建筑朝向正东向）时日照情况最不利。
且最不利可安装户数比例大致稳定在26%~30%之间。
最不利可安装户数比例变化趋势，见图8。
图4 可安装户数变化情况因此可得出一个一般性结论，在昆明市我们取最不利安装比例为25%，各层数均可使用。
即在昆明地区，任意一栋高层建筑均有25%的住户满足阳台壁挂式太阳能热水器的安装要求。
三、结论通过上述软件模拟及数值分析，得出昆明某宾馆建筑最节能的建筑朝向和窗墙面积比，结论如下：（1）不同层高的满足要求的安装户数趋势走向是基本相同的，都是在±90°时满足安装要求户数情况最差。
而在±30°时，满足安装要求户数情况最好。
由此可知就日照情况来看，建筑方位角在±30°之间为最佳。
东向90°时最差。
（2）由数据分析可知西向立面与南向南向立面更适合设置阳台壁挂式太阳能热水系统，而东向及北向不适合。
（3）在昆明地区我们取立面阳台壁挂式太阳能热水器最不利安装比例为25%，受层数的变化影响不大。
因此可以得出结论在昆明地区，任意一栋高层住宅建筑均有25%的住户满足阳台壁挂式太阳能热水器的安装要求。
参考文献[1] 中华人民共和国建设部.GB50364-2018民用建筑太阳能热水系统技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2018. [2] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，2011.[3] 中华人民共和国建设部.GB50352-2005 民用建筑设计通则[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.[4] 昆明官房建筑设计有限公司.DBJ53-18-2007 云南省太阳能热水系统与建筑一体化设计施工技术规程[S].云南：云南省住建厅，2008.[5] 昆明市建筑设计研究院有限责任公司.昆明市太阳能热水系统与一体化设计导则[S].云南：昆明市住房和城乡建设局，2015.（上接第233页）ξτσ)(2w c t +-=（4）冲刷强度k 是单位时间内水流冲刷侵蚀土层的厚度，冲刷强度等于侵蚀单位层厚除以所需的时间：)(12w c t k τσξ+-==（5） 式中：k 为冲刷强度，mm/s；c 为土体的黏聚力，KPa；σ是水流对土粒的冲击应力，KPa；w τ是水流附加切应力，KPa； 为土体的冲刷侵蚀系数，KPa/s，是单位时间内表层土粒在水流渗透作用下黏聚力减小至冲刷临界应力的速率，是反映土体冲刷侵蚀敏感性的一个与土的特性相关的函数。