坡面冲刷对公路边坡稳定性的探究

张华赞　李正南

摘 要：结合当前公路边坡冲刷防护研究的进展，分析了天然降雨和径流冲刷对边坡稳定性的影响，重点阐述了坡面冲刷形成的机理和相关影响因素，分析了坡面防护方法，为公路坡面冲刷防护提供理论依据。

关键词：冲刷；公路边坡；工程防护；理论依据

引言

路基坡面冲刷是公路沿线一个常见的病害问题，在我国北方黄土地区修建公路时，线路开挖导致自然侵蚀加速，加速了冲刷的进程。同时，由于边坡的常年裸露，边坡发生变形、病害以及破坏的几率增大，其中水流的冲刷破坏最为显著，由于水流冲刷产生的边坡破坏明显增加，严重影响公路正常安全运营和增大养护费用。因此，进行冲刷防护的合理设计、冲刷机理分析和量化是不可缺少的。

1 坡面冲刷研究现状

坡面冲刷研究很早就已经开始，经历了将近几十年的发展历程，科学界对坡面冲刷已经形成了相对比较全面的认识。国内外对坡面冲刷进行了大量的研究。以坡面的流速研究为例，不同学者通过各自的研究得到了不同的坡面流速公式。1978-1988年江忠善在全面收集国内外坡面流流速的基础上，结合自己的试验数据，统计分析，得到黄土区坡面流速公式[1-2]。Guy等人系统地研究了坡面流流速的影响因素[3]，Foster首次利用模拟细沟模拟了流速与坡度相互关系[4]，Govesrs做了相关的室内试验提出了坡度、流量、流速的函数关系[5]。

在坡面冲刷方面，大致分为三种观点：

（1）冲刷与流量和坡度都有关，且流量对流速的影响大于坡度。

（2）冲刷与坡度无关，仅是流量的简单函数。

（3）坡面冲刷中，流速沿细沟呈正态分布，主要受流量和坡度的影响且坡度的影响大于流量。通过分析发现：“坡度的影响大于流量对坡面冲刷的影响”是目前主要的研究趋势。

2坡面冲刷机理

坡面冲刷过程包括降雨溅击和径流冲刷引起土颗粒分离、泥沙转移和沉积三大过程，其中径流冲刷占据主导地位。降雨溅击是形成冲刷的最初形式。当雨滴平均落速达到一定值时，土颗粒受到侵蚀而溅起，又分为干溅阶段、泥溅阶段和层状侵蚀阶段。雨滴落速继续增大到一定程度时，随着水流的继续增大，在坡度较陡的坡面上，形成了水深较浅的沟状径流。随着水流的继续增大，向下不断地将侵蚀土壤分离、游离形成泥沙。

2.1 水流中土的受力分析

坡面冲刷产生时，坡面上的土颗粒受到自身重力、粒间粘结力、渗透压力等多个力的相互作用，土颗粒的运动形式表现为稳定状态转为运动状态、迁移、趋于稳定沉积。主要体现在：

（1）土颗粒浮容重。即土颗粒在水流中受到自身重力和水浮力的双重作用下，形成的合力。

（2）渗透压力。土壤自身具备一定的渗透性，当雨水流经土壤时，部分水流会入渗进入土壤，产生与入渗方向一致的渗透压力。

（3）土颗粒间的离散力。土颗粒运动过程中，不同颗粒运动方向不一致，相互摩擦碰撞，产生相互作用力，即为土颗粒间的离散力。除此以外，坡面滑动需要一个初始起动力。当水流速度达到能使坡面活动的起始速度时，便产生了坡面滑动滑坡。

2.2 路基坡面冲刷强度

坡面冲刷强度可看作坡面流的冲刷能力，包括推移冲刷（土中粒径较大部分）和悬移冲刷（土中粒径较小部分）两部分。故而产生了坡面流推移冲刷能力和坡面流悬移冲刷能力。颗粒在水流中以沉速ω下沉，但悬移质的重心作为一个整体基本保持在一定高程，这意味着水流必须以ω的速度将颗粒群举起。

3 坡面冲刷防护措施

对于坡面冲刷防护而言，工程中常用的防护技术可分为工程防护、植被防护和综合防护三类。工程防护以土工结构物为主要防护措施，稳定性较高，但对自然生态的破坏特别严重；植物防护以栽种植物，利用植物的相关特性达到防护的目的，但对植物的要求较高，同时受地域影响比较重；综合防护是将工程防护和植物防护相结合，兼顾了边坡加固、边坡水土保持及生态恢复，效果比较显著。

4 结束语

（1）流速对路基坡面冲刷起到主要作用。坡面流流速与路基坡面坡度和坡面水流流量有直接关系。

（2）路基的坡面冲刷存在临界条件。只有当坡面上土达到起动拖曳力和起动流速时，才会产生坡面冲刷现象。并且在冲刷过程中，径流平均流速并不是一直随坡度增加而增加，而是存在一定的临界值，平均单宽径流能耗在随坡度的变化过程中也存在临界极值。

参考文献

[1]罗宾，王秉纲，王选仓.路基边坡冲刷基本理论[J].公路交通科技，2002（08）：34-35.

[2]李志刚，王春辉.公路边坡冲刷机理[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2003（06）：15-17+42.

[3]赵欢，田伟平，李家春，等.公路泥石流灾害危险性分区研究[J].灾害学，2016，31（2）：24-29.

[4]李鹏，李占斌，郑良勇.黄土坡面徑流侵蚀产沙动力过程模拟与研究[J].水力学进展，2006（07）：30-33.

[5]赵欢，田伟平，齐洪亮，等.陕西公路边坡灾害危险性分区研究[J].灾害学，2016，31（4）：75-80.

作者简介：张华赞（1989-），男，汉族，河南南阳人，长安大学硕士研究生，主要从事公路自然灾害防治方面的研究。