边坡抗冲刷型护坡砌块防护室内冲刷模型试验研究

谢力峰

（攸县水利局 株洲市 412200）

引言

降雨对高速公路土质边坡的冲刷，会冲走坡面表层土体甚至引发大面积土体滑落，影响交通安全，因此采用合理的方法对边坡进行抗冲刷防护是非常必要的。生态防护技术既有抗冲刷的功能又有一定的绿化效果，是较为理想的边坡防护技术。目前，各种生态防护技术与防护形式[1-10]层出不穷，应用较多的防护形式如孔洞型护坡砌块[7,8]、三维网[9,11,12]、土工格室（格栅）[10-14]等，但从大量工程实际情况看，目前仍存在不少问题：如传统的孔洞型护坡砌块，其成孔方向为垂直于坡面，往往需要通过降低孔洞率的方法来减小降雨的冲刷量，但这样会降低绿化效果。

本文采用长沙理工大学的专利成孔水平的孔洞型护坡砌块，如图1 所示（专利名称：一种包土型植生混凝土砌块专利号：201020261275.8）该空心砌块的纵截面为平行四边形，所述空心砌块上设有至少一个通孔并且通孔的两个端口设置在空心砌块的相对面上，平行四边形两斜边的倾斜角度与边坡的倾斜角度相匹配，通孔与水平面之间设有夹角,该空心砌块具有可防雨水冲刷、可控雨水入渗、低成本、易施工且能植被绿化等特点，用于岩土边坡的防护，较传统孔洞型砌块能更好地减少降雨引起的坡面冲刷。

作为一种新型的护坡砌块，对于它的抗冲刷性能仍缺少研究。因此本文依托湖南省汝郴高速工程实际，对采用不同护坡形式、不同坡度及不同降雨强度的边坡模型进行室内冲刷试验对比研究，分析抗冲刷型植生混凝土砌块的抗冲刷效果。

1 室内模型冲刷试验设计

图1 成孔水平的孔洞型护坡砌块

室内模型冲刷防护试验是最基本的冲刷理论试验，是验证理论分析成果和总结冲刷规律的模拟试验。由于试验与实际情况仅存在相似关系，所以不能直接得出冲刷的相关参数和防护冲刷的能力，只能定性分析路基边坡的防护形式与路基边坡冲刷量的关系，进而评价砌块的抗冲刷效果。

1.1 试验模型设计

参考邓卫东[15]室内模型设计图，在宽长高100 cm×70 cm×30 cm 的木箱内进行试验（图2），利用可控制排水量大小的装置模拟降雨（图3），路基边坡模型的具体尺寸如图4 所示。试验用土为湖南常见的红粘土。通过击实试验，得出土样的最佳含水率，将土样拌和至最佳含水量，采用分层（每层10 cm）击实成型，成型后再进行土体的开挖完成模型的制作，模型成型后测量土体的含水率和干密度。

图2 装土木箱

图3 降雨装置

1.2 试验工况设计

根据边坡防护措施、坡度及降雨强度对室内模型进行工况分类，具体见表1。

2 试验过程及数据整理

2.1 试验过程

完成所有准备工作后，在路基边坡模型的坡面范围内进行全幅喷淋，喷淋历时9min，每1min 收集各边坡模型底部集水沟内的湿土，烘干后称取干土的质量。

2.2 数据整理

图4 试验模型图

表1 工况分类表

根据室内抗冲刷模拟试验测试结果，将各种防护形式，不同坡度、不同降雨强度下边坡单位时间冲刷量与降雨历时时间曲线进行整理：

（1）按不同边坡防护形式进行整理，单位时间冲刷量与降雨历时时间关系如图5 所示。

（2）按不同坡度进行整理，单位时间冲刷量与降雨历时时间关系如图6 所示。

（3）按不同降雨强度进行整理，单位时间冲刷量与降雨历时时间关系如图7 所示。

图5 不同护坡形式下单位时间冲刷量与降雨历时时间关系

图6 不同坡度下单位时间冲刷量与降雨历时时间关系

图7 不同降雨强度下单位时间冲刷量与降雨历时时间关系

3 室内边坡抗冲刷模型试验规律研究

3.1 不同护坡形式对边坡抗冲刷能力影响规律

从图5 可以看出，降雨初始阶段，3个边坡模型的单位时间冲刷量均较小。随着降雨时间的延长，工况1 单位时间冲刷量逐渐增大后趋于稳定；工况2单位时间冲刷量先增大后减小，最后趋于稳定；工况3 单位时间冲刷量先增大后减小，最后趋于零。其中，工况1 单位时间冲刷量增幅最大，工况2 次之，工况3 最小。同等条件下，采用传统孔洞型护坡砌块和抗冲刷型护坡砌块防护的边坡模型比未采用防护措施的单位时间冲刷量分别降低最大为89%和97%。

这是由于，降雨初始阶段，雨水未能及时渗入坡面的土体，因此边坡表面土层的强度变化不大，因此边坡模型的冲刷量较小。随着降雨时间的延长，雨水逐渐渗入边坡土体，土体的含水量增加，强度降低，土体变得松散，冲刷量迅速增加，由于工况2、3 边坡模型坡面采用了防护措施，因此其冲刷量明显小于工况1 边坡模型，其中工况3 边坡模型的冲刷量最小。随着整个边坡模型的土体趋于饱和状态，工况1边坡模型的单位时间冲刷量也趋于稳定，坡面土体被一层层地冲刷掉。工况2 边坡模型坡面的空心砌块中的填土被全部冲刷掉后，冲刷量主要来自边坡模型内部的土体，由于砌块的防护作用，边坡模型内部土体的冲刷量有限，因此工况2 边坡模型单位时间冲刷量先增大后减小，最后趋于稳定。工况3 边坡模型采用的抗冲刷型植生砌块，当通孔中的填充土的表层被雨水冲刷掉后，通孔的上端就会变成一个类似“屋檐”的结构，该结构形式能有效地保护剩下的填充土不受雨水的冲刷，并且由于其通孔为水平大大减少了雨水在孔中的聚集，从而有效地减小了雨水对边坡模型的冲刷作用。

3.2 坡度和降雨强度对边坡冲刷影响规律

本次试验主要研究了高速公路上、下边坡较多采用的l∶0.75，1∶l，1∶1.15 三种坡度，模拟了1.5、2.0、2.5 mm/（min.m2）三种降雨坡度。

坡度的增加间接地提高了雨水的冲刷能力，而降雨强度的增加直接提高了雨水的冲刷能力[6,13,14]，从图6、图7 可以看出坡度和降雨强度对边坡冲刷影响规律相同，具体如下：

（1）不管采用何种护坡形式，单位时间冲刷量随坡度或降雨强度的增加而增加。

（2）不管采用何种护坡形式，单位时间冲刷量的增幅随坡度或降雨强度的增加而增加。其中，未采取防护措施的边坡模型增幅最大，采用传统孔洞型护坡砌块防护的边坡模型次之，采用抗冲刷型护坡砌块的边坡模型最小。

4 结论

通过综合考虑不同防护形式、不同坡度、不同降雨强度等因素的室内冲刷模型试验对比研究，得到以下认识：

（1）未采取防护措施边坡的单位时间冲刷量随降雨的进行先增加后趋于稳定，而采用孔洞型护坡砌块防护边坡的单位时间冲刷量随降雨的进行先增加后减小最后趋于稳定。

（2）同等条件下，采用传统孔洞型护坡砌块和抗冲刷型护坡砌块的边坡模型比未采用防护措施的单位时间冲刷量分别降低最大为89%，97%。

（3）不管采用何种护坡形式，单位时间冲刷量随坡度或降雨强度的增加而增加，且单位时间冲刷量的增幅随坡度或降雨强度的增加而增加，其中未采取防护措施的边坡模型增幅最大，采用传统孔洞型护坡砌块防护的边坡模型次之，采用抗冲刷型护坡砌块的边坡模型最小。

试验结论表明：同等条件下，采用抗冲刷型护坡砌块防护的边坡比采用传统孔洞型护坡砌块防护的边坡具有更好的抗冲刷性能。

[1]王连新.土工网复合植被护坡法在三峡工程中的应用[J].人民珠江，1999，（4）：38-39.

[2]王连新.新型护坡方法—土工网复合植被护坡[J].水利水电快报，1999，（15）：30-32.

[3]庄美琪，娄仲连.锚固土工网复合植被护坡理论与应用[J].人民珠江，2002，（2）：39-41.

[4]刘秀峰，唐成斌.高等级公路生物护坡工程模式设计[J].四川草原，2001，（1）：40-43.

[5]郭文军，刘仍奎，曾学军.生物工程对提高路基安全稳定的研究[J].中国安全科学学报，2000，10（4）：1-5.

[6]刘桂元.浏阳磷矿边坡植物护坡试验研究[J].冶金矿山设计与建设，1997，29（6）：58-61.

[7]张建春，彭补拙.河岸带研究及其退化生态系统的恢复与重建[J].生态学报，2003，23（1）：56-63.

[8]陈吉泉.河岸带植被特征及其在生态系统和景观中的作用[J].应用生态学报，1996，7（4）：439-448.

[9]周德培，张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003.

[10]谭少华，汪溢敏.高速公路边坡生态防护技术研究进展与思考[J].水土保持研究，20114，11（3）：81-84.

[11]黎军，林延鹏.土工格栅（格网）在公路边坡防护及路基中的应用[J].公路，2000，（9）：9-11.

[12]蒋德松.蒋冲.城市岩质边坡土工格室生态防护技术及其应用[J].湖南大学学报（自然科学版），2008，35（11）：12-16.

[13]蒋德松，蒋冲，赵明华.城市岩质边坡生态防护机制及试验[J].中南大学学报（自然科学版），2008，39（5）：1 087-l 093.

[14]赵明华，蒋德松，陈昌富，等.岩质边坡生态防护现场及室内抗冲刷试验研究田[J].湖南大学学报（自然科学版），2004，3l（5）：77-81.

[15]邓卫东，路堤边坡雨水渗流的模型试验研究[J].公路交通技术，2003，10（5）：4-7.