河灣路基擋土墻在山洪沖刷作用下的破壞機(jī)理研究

作者簡介：周小喜（1975—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

為研究河灣路基擋土墻在山洪沖刷作用下的破壞機(jī)理，文章以四川省雅安市某沿河公路工程項目為例，基于室內(nèi)大型物理模型試驗分析了不同工況條件下河灣路基的破壞特征、水流流速、水流深度以及水深分布特征，并對沿河路基邊坡?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性進(jìn)行研究。主要結(jié)論為：（1）河灣段路基破壞可分為河灣路基凹岸沖蝕破壞、沖刷水毀以及路基防護(hù)不當(dāng)引發(fā)的破壞三類；（2）當(dāng)水流量以及轉(zhuǎn)角相同時，隨著水深的增大，水流流速也在不斷增大，當(dāng)水流流量相同時，轉(zhuǎn)角不同對進(jìn)口水深影響不大；（3）隨著水流流量的不斷增大，擋土墻前各斷面水深也在不斷增加；（4）當(dāng)橫向沖刷深度較大，水流流量較小時邊坡?lián)跬翂Ω壮霈F(xiàn)破壞。

河灣；路基擋土墻；山洪沖刷；物理模型試驗；破壞機(jī)理

U417.1+1A070244

0?引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，公路建設(shè)也逐步邁入快速發(fā)展時期，近年來，西部山區(qū)修建了大量公路，但西部山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，會對公路造成損害并威脅人們的生命財產(chǎn)安全。其中，山洪、崩塌、滑坡以及泥石流是西部山區(qū)常見的自然災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計，近30年來，因洪水災(zāi)害造成基礎(chǔ)建設(shè)的損失高達(dá)數(shù)百億，僅2019年就造成620億元的經(jīng)濟(jì)損失，140余人的人員傷亡，500余條道路交通堵塞，而河灣路基受洪水沖刷影響較大，更易造成經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡。因此，研究河灣路基在山洪沖刷作用下的破壞機(jī)理顯得尤為關(guān)鍵。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對沿河路基的破壞開展了大量的研究。MB Samarakoon［1］、Reza Ghiassi等［2］研究了沿河路基邊坡的飽和土壤抗沖刷能力以及水流中的漩渦作用對邊坡穩(wěn)定性以及邊坡周邊構(gòu)筑物的影響。羅文功［3］以中巴公路蓋孜河段為例，基于室內(nèi)物理模型試驗以及數(shù)值模擬，分析了公路水毀的災(zāi)害特征以及破壞機(jī)制，并提出5種創(chuàng)新性防護(hù)結(jié)構(gòu)。趙俊剛等［4］基于數(shù)值模擬軟件FLOW-3D，建立了沿河路基三維模型，分析了水深、流速以及沖刷深度對沿河公路路基的影響。付靜等［5］基于有限元模擬軟件GeoStudio，研究了沿河半填半挖路基失穩(wěn)機(jī)制，結(jié)果表明：河流沖刷以及擋土墻埋深是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。李輝等［6］以實際工程為例，研究了不同情況下沿河路基擋土墻土壓力計算方法，并采用數(shù)值模擬軟件分析了路基沿河側(cè)水壓力變化，結(jié)果表明：河水水位下降會導(dǎo)致路基擋土墻穩(wěn)定性降低。廖名亮等［7］以湘西某城市道路項目為例，考慮沿河道路受到地形、水流的影響，提出采用樁板式擋土墻組合結(jié)構(gòu)作為沿河邊坡支護(hù)措施，結(jié)果表明：樁板式擋土墻組合結(jié)構(gòu)可有效提高邊坡穩(wěn)定性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。全炳欣等［8］基于數(shù)值模擬軟件，分析了水流對路基沖刷的影響。

上述學(xué)者的研究主要集中于沿河路基破壞、沿河路基擋土墻破壞特征，較少涉及不同轉(zhuǎn)角、流速等其他情況下河灣路基的破壞特征、水流流速、水流深度以及水深分布特征以及擋土墻安全系數(shù)變化。因此，本文基于前人研究的基礎(chǔ)，分析了河灣段流速以及水深對擋土墻的影響，該研究可為河灣路基擋土墻在山洪沖刷作用下的破壞機(jī)理研究提供相應(yīng)參考。

1?背景介紹

1.1?工程概況

本文以四川省雅安市某公路工程項目為例，該地區(qū)地處山嶺重丘，地勢起伏大，屬于侵蝕地貌區(qū)，路基邊坡填土主要以碎石土為主，碎石土之間含有少量粉質(zhì)黏土填充，公路右側(cè)坡下存在河流，河面標(biāo)高約為1 650 m，河面寬度約為7～11 m，深度約為0.5～1.6 m，枯水季時水流流速約為0.4 m/s，流量約為1 480 L/s，洪水季時水流速度最高可達(dá)5 m/s，最大洪水位標(biāo)高為1 660 m。該地區(qū)降雨量較大，年均降雨量可達(dá)1 800 mm，是四川降雨量多的地區(qū)之一。

1.2?河灣段路基破壞類型

河灣段路基破壞類型主要可分為3類。

河灣路基凹岸沖蝕破壞。河灣路基破壞是路基沖刷破壞中最容易出現(xiàn)的情況，其危害性也相對較大，山區(qū)沿河公路破壞常出現(xiàn)于凹岸路基。

河灣段路基沖刷水毀破壞。沖刷水毀破壞大致可分為3類：路面掩埋、路基沖毀以及路基沉降破壞。當(dāng)洪水水位高于路面時，會導(dǎo)致在洪水退后仍有大量石塊、泥沙以及樹木淤積于路面以及路基，導(dǎo)致路基掩埋破壞。路基沉降破壞主要是受到降雨、滲流以及地下水等因素的影響，邊坡土體發(fā)生水力侵蝕現(xiàn)象，最終導(dǎo)致路基邊坡滑動，公路路基沉降。路基沖毀破壞主要指公路路基在泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)烈沖擊下，擋土墻失穩(wěn)，造成路基路面破壞。

路基防護(hù)不當(dāng)引發(fā)的破壞：由于防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊能力不足而導(dǎo)致的破壞。

據(jù)不完全統(tǒng)計，河灣段路基水毀占山區(qū)公路水毀比例的33.3%，路基防護(hù)不當(dāng)引發(fā)的破壞占山區(qū)公路水毀比例的26.7%，路基路面掩埋占山區(qū)公路水毀比例的20%，由此可知河灣段路基水毀仍為目前山區(qū)公路水毀的主要形式。

2?試驗設(shè)計

為研究河灣路基破壞機(jī)理，本文基于室內(nèi)物理模型試驗，研究不同工況下河灣路基的破壞特征。

2.1?沖刷試驗設(shè)備

沖刷試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖1所示，試驗?zāi)Ｐ椭饕辽俺?、河道、基底邊坡、流量計、水泵以及蓄水箱，其中蓄水箱為邊長0.5 m的立方體，沉砂池為邊長0.4 m的立方體，水流循環(huán)系統(tǒng)主要由輸送管、水泵、沉砂池以及蓄水箱組成。

2.2?試驗準(zhǔn)備

2.2.1?試驗工況設(shè)計

本次試驗考慮到山區(qū)沿河路基的實際情況，自然砂為河床質(zhì)，并設(shè)置3個自變量（沖刷彎道角度，水深，水流流量），具體工況如表1所示。

自然砂級配曲線如圖2所示。

2.2.2?試驗測點(diǎn)布置

本次試驗設(shè)置了6處斷面，其中1號、2號斷面設(shè)置在直河道處，3號斷面設(shè)置在直河道入口處，4號、5號斷面設(shè)置于彎道處，6號斷面設(shè)置于直河道出口出，河道測點(diǎn)布置圖如圖3所示。

2.2.3?試驗流程

水流沖刷路基基底試驗共分為7個步驟，具體操作如下。

（1）路基邊坡的鋪設(shè)：在河灣左岸鋪設(shè)路基邊坡，邊坡高度為20 cm，寬度為8 cm，在邊坡坡腳處鋪設(shè)擋土墻，用以抵抗洪水沖刷。

（2）鋪沙：在河灣內(nèi)鋪設(shè)有一定厚度的天然沙，使天然沙與邊坡貼合。

（3）控制進(jìn)水口流量：控制水從輸送管至流量計的流量以及時間，并計算水流速度，選擇合適的水流速度。

（4）計算各測點(diǎn)流速以及測量水流深度：測量6處斷面測點(diǎn)處的流速，并利用鋼尺測量水深。

（5）關(guān)閉閥門：測量完成后，應(yīng)及時關(guān)閉水泵閥門，將河道中的水流以及自然沙排放至沉砂池中。

（6）沖刷深度的測量：當(dāng)河道中水流排放完畢后，利用鋼尺測量各斷面測點(diǎn)剩余河床沙深度，并與未沖刷前的深度進(jìn)行對比。

（7）橫向沖刷深度的測量：當(dāng)河道中水流排放完畢后，利用鋼尺與鋼針測量剩余基底的邊坡寬度，并與未沖刷前的基底邊坡寬度進(jìn)行對比，兩者之差為橫向沖刷深度。

2.3?模型相似比

根據(jù)實際河道尺寸計算試驗?zāi)Ｐ椭械暮拥莱叽?，如式?）所示為模型試驗中縮尺比例計算公式：

根據(jù)前文河灣的實際尺寸，取λ=15，因此物理試驗中河道的試驗長度為1.5 m，寬度為0.1 m。

依據(jù)公式（1）可計算出試驗幾何尺寸相似比以及水流運(yùn)動相似比，計算結(jié)果如式（2）～（5）所示：

根據(jù)上述比例尺公式，確定本次模型試驗流速為0.08～0.28 m/s。

3?河灣段沖刷試驗結(jié)果分析

3.1?水流流速分析

由于本文主要研究河灣段的沖刷，因此未對測定1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖4、圖5所示分別為水深1 cm、3 cm時，不同流量下各斷面流速的變化曲線。

對比圖4和圖5可知，當(dāng)水流量以及轉(zhuǎn)角相同時，隨著水深的增大，水流流速也在不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)角為30°、水流量為2 m3/h時，初始水深1 cm處彎頂水流流速為9.11 cm/s；當(dāng)初始水深為3 cm時，彎頂水流流速為16.94 cm/s，流速增加了7.83 cm/s，增幅高達(dá)85.95%。由此可知，水深是影響水流速度的重要因素之一。

3.2?水流深度分析

如圖6所示為河灣進(jìn)口處水深隨流量變化曲線。

由圖6可知，隨著水流流量的增加，進(jìn)口處水深也在不斷增大，在同一轉(zhuǎn)角條件下，初始水深3 cm時的進(jìn)口水深始終大于初始水深1 cm時的進(jìn)口水深。而當(dāng)水流流量相同時，轉(zhuǎn)角不同對進(jìn)口水深影響不大。

3.3?水深分布分析

如圖7所示為擋土墻前各斷面水深隨流量變化曲線圖（初始水深1 cm）。

由圖7可知，隨著水流流量的不斷增大，擋土墻前各斷面水深也在不斷增加，出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于水流流向受到擋土墻的阻礙，導(dǎo)致水流方向發(fā)生改變，在河灣凹岸處受到離心作用產(chǎn)生漩渦流，漩渦流的存在使得水流下切作用增強(qiáng)，不斷沖擊擋土墻，使得擋土墻下部泥沙被水流帶走，最終導(dǎo)致?lián)鯄A(chǔ)外露，當(dāng)水流量增大時，水流的下切作用逐漸增強(qiáng)，最終導(dǎo)致水深增大。

如圖8所示為擋土墻前各斷面水深隨流量變化曲線圖（初始水深3 cm）。

由圖8可知，隨著水流流量的不斷增大，擋土墻前各斷面水深也在不斷增加，但較于初始水深1 cm，其水深上漲明顯，以彎角為30°，流量為10 m3/h時測點(diǎn)2為例，當(dāng)初始水深為1 cm時其測點(diǎn)2的水深為3.93 cm，當(dāng)初始水深為3 cm時其測點(diǎn)2的水深為5.52 cm，相較于初始水深1 cm時，增加了1.59 cm，增幅達(dá)40.45%。當(dāng)彎角以及流量不變時，各斷面水深呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于進(jìn)口段水流較大，沖刷能力較強(qiáng)，而出口段水流較小，沖刷能力減弱。

4?擋土墻穩(wěn)定性分析

水流會沖刷擋土墻基礎(chǔ)底部，使其底部泥沙被水流沖出，最終導(dǎo)致?lián)跬翂κХ€(wěn)破壞，如圖9所示為不同水流流量以及橫向沖深深度下?lián)跬翂Π踩禂?shù)變化曲線。

由圖9可知，水流固定的條件下橫向沖刷深度越大說明水流對擋墻基底的沖刷作用就越強(qiáng)，當(dāng)水流流量恒定時，隨著橫向沖刷深度的增大，邊坡?lián)跬翂Π踩禂?shù)不斷減小，出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于：橫向沖刷深度的不斷增加，會導(dǎo)致邊坡?lián)跬翂ζ暮奢d增大，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡?lián)跬翂Π踩禂?shù)下降。當(dāng)水流流量為2 m3/h時，橫向沖刷深度0.4 cm的邊坡?lián)跬翂Π踩禂?shù)為1.31，而當(dāng)橫向沖刷深度增加至2.8 cm時，邊坡?lián)跬翂Φ陌踩禂?shù)出現(xiàn)大幅下降，下降了0.7，下降幅度為54.19%。當(dāng)橫向沖刷深度

恒定時，水流流量的增大會導(dǎo)致?lián)跬翂Π踩禂?shù)降低，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：固定河道內(nèi)水流流量越大意味著水深就越大，水深的增大會使擋土墻抗傾覆能力增強(qiáng)。由此可知，當(dāng)橫向沖刷深度較大時，在水流流量小的情況下邊坡?lián)跬翂Ω壮霈F(xiàn)破壞。

5?結(jié)語

本文以四川省雅安市某沿河公路工程項目為原型，開展了大型室內(nèi)物理模型試驗，研究了不同轉(zhuǎn)角、水深以及水流流量下河灣路基的破壞特征，并總結(jié)了河灣段路基破壞類型以及破壞機(jī)理，最終分析了沖刷作用對擋土墻穩(wěn)定性影響，該研究可為河灣路基擋土墻在山洪沖刷作用下的破壞機(jī)理研究提供相應(yīng)參考。

本文得到如下主要結(jié)論。

（1）河灣段路基破壞可分為以下3類：河灣路基凹岸沖蝕破壞、沖刷水毀以及路基防護(hù)不當(dāng)引發(fā)的破壞，其中河灣段路基水毀是目前山區(qū)公路水毀的主要破壞形式。

（2）水深是影響水流速度的重要因素之一，在其余條件不變的情況下，水深越深，水流流速也就越快。

（3）水流會沖刷擋土墻基礎(chǔ)底部，導(dǎo)致?lián)跬翂Φ撞康哪嗌潮凰鳑_出，最終導(dǎo)致?lián)跬翂κХ€(wěn)破壞。

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