降雨对黄土路基边坡的冲刷规律

张 雁，高树增，闫超群,2，黄 升，刘 彬，方新海，葛宜伦

(1.内蒙古农业大学能源与交通工程学院,内蒙古，呼和浩特 010018;2.中交第四公路工程有限公司,北京 100022;3.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司呼和浩特分公司,内蒙古，呼和浩特 010070)

降雨对黄土路基边坡的冲刷规律

张 雁1，高树增1，闫超群1,2，黄 升1，刘 彬1，方新海1，葛宜伦3

(1.内蒙古农业大学能源与交通工程学院,内蒙古，呼和浩特 010018;2.中交第四公路工程有限公司,北京 100022;3.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司呼和浩特分公司,内蒙古，呼和浩特 010070)

针对干旱半干旱地区分布的黄土，利用室内路基模型通过冲刷试验，研究路基降雨冲刷破坏的过程，并利用PFC进行流-固耦合模拟，旨在研究黄土路基遭受水流侵蚀的坡面冲刷规律，找出适用路基抗雨水冲刷稳定性的边坡坡率。路基模型的边坡坡率为1∶0.50、1∶0.70、1∶1.00、1∶1.50、1∶1.75五个等级，模拟的降雨强度按4.0 mm/min、5.0 mm/min、7.0 mm/min、8.5 mm/min、10.0 mm/min五个等级，降雨历时30 min，进行室内降雨冲刷试验和PFC颗粒流模拟试验。获得不同降雨强度和边坡坡率条件下，降雨0 min、1 min、10 min、20 min、30 min的室内降雨冲刷坡面性状图片和PFC软件模拟的颗粒位移量，降雨30 min后坡面冲蚀的泥沙量。结果表明，不同的边坡坡率、降雨强度、降雨历时影响路基边坡坡面的冲刷量，适宜干旱半干旱地区黄土路基边坡坡率为1∶1.50～1∶1.75。

黄土路基边坡；降雨冲刷；降雨强度；颗粒流模拟

黄土孔隙大，抗水性差，在降雨条件下易发生冲刷、剥落、滑坡等工程病害，因此研究黄土在降雨条件下的水稳定性对于黄土地区的公路工程建设具有重要意义。目前国内外关于黄土受水影响的工程性质研究主要有：通过室内模拟试验研究黄土构筑物的长期渗流作用、不同pH值渗流溶液对土体短期强度的影响，以及酸性溶液长期渗流作用下土中碳酸钙含量与抗剪强度之间的关系[1]；压实黄土在不同含水率下的固结性和抗剪性能[2]；黄土边坡坡面降雨冲刷破坏特征的室内模拟，运用PFC2D颗粒流软件对黄土边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟，从微观角度分析研究坡体颗粒运动轨迹[3]；通过黄土边坡的降雨、应力、位移、冲刷情况，得到降雨冲刷过程中入渗的水分含量对黄土滑坡的影响，以及未经防护的黄土边坡坡面形态在降雨冲刷作用下的变化规律[4]；在室内模型模拟黄土坡面的冲刷破坏过程，根据影响坡面冲刷破坏过程的因素，分析坡面冲刷过程中土颗粒的受力及破坏机理[5]；对黄土的水-土力学耦合问题的研究[6]；非饱和黄土边坡浸水后的含水率及水分扩散的研究[7-8]；分析降水条件下黄土的浸水条件和机理[9]；通过室内黄土边坡模型试验研究不同流量大坡面径流的含沙量和产沙量的规律[10]；模拟降雨室内黄土边坡受雨水侵蚀的特征及规律研究[11-13]；借用室内模拟降雨设备研究边坡坡面降雨冲刷破坏机制[13]；分析黄土边坡坡度与水之间的作用关系[14]；用离心模型试验研究黄土公路边坡稳定性[15]；用数值分析法FLAC进行黄土边坡稳定性分析[16]。总结前人的研究成果，黄土路基边坡坡面在降雨冲刷破坏过程中，降雨强度、降雨时长、坡度、坡长对黄土路基边坡的稳定性有较大影响，多数是从降雨对黄土坡面冲刷关系方面进行研究。本研究针对内蒙古中部和山西省北部交界处清水河地区分布的黄土，依托内蒙古地区清水河境内路基工程项目，利用室内路基模型冲刷试验，研究路基冲刷剥落破坏的形态，利用PFC软件进行流-固耦合模拟，分析黄土路基边坡坡面遭受水流侵蚀的破坏规律，确定合理路基边坡坡率，为黄土地区路基工程施工提出合理化建议。

1 材料及试验方法

试验用黄土取自内蒙古清水河县境内路基土样，按照试验规程[17]中的方法，在室内进行基本物理性质指标试验及颗粒分析，结果见表1。

表1 黄土的性质

由表1试验数据可判别此黄土为低液限粉质黏土。按照最佳含水率拌制土样，采用击实法成型试件，高 170 mm，直径152 mm，冲刷边坡表面积为0.018 m2。

本研究采用下喷式人工降雨装置(图1)。喷头喷出的雨雾应尽可能快速均匀，降雨最大径流为152 mm；降雨装置采用自来水泵供水，透明塑料软管连接雾状喷头，喷头距试件表面为30 cm；通过调节阀门控制降雨时间和降雨强度，降雨强度范围为 4.0～10.0 mm/min，可模拟黄土高原的高强度降雨过程；通过调节垫块和试件的角度，易于制成不同边坡坡率的路基模型，路基边坡坡率设计为1∶0.50，1∶0.70，1∶1.00，1∶1.50，1∶1.75；观察降雨历时30 min的冲刷坡面，用托盘接取时间间隔为1 min，5 min，10 min，20 min，30 min的冲蚀泥沙，计算冲刷量。

图1 降雨冲刷装置Fig.1 Rainfall flushing device

采用PFC软件进行模拟路基边坡冲刷试验，研究黄土路基遭受水流侵蚀的坡面冲刷规律，确定适用于干旱半干旱地区黄土路基抗雨水冲刷稳定性的边坡坡率。

2 降雨冲刷试验及结果

按照降雨冲刷试验装置进行坡面冲刷试验，调整不同降雨强度和冲刷时间，观测冲刷坡面状态，接取冲刷历时30 min的泥沙。

2.1 不同冲刷时间的边坡冲刷

以降雨强度4.0 mm/min，坡度1∶1.50为例，不同冲刷时间条件下坡面冲刷情况见图2。

图2 不同历时的坡面冲刷状态Fig.2 Scouring state of slopes under different scouring time

由图2看出，降雨历时1 min时黄土表面有冲刷痕迹，黄土颗粒被水流带走；5 min时冲蚀情况已较为明显，有明显冲沟，下部破坏比上部更加严重，沟深约2 mm；降雨10 min时黄土坡面冲刷更加严重，底部出现深约3 mm坑槽；降雨20 min时底部已经产生多处细沟；降雨30 min时下部出现深沟约5 mm。

2.2 不同降雨强度的边坡冲刷

降雨冲刷试验后观察发现同一冲刷时间同一坡度时，随着降雨强度的增大，试件的冲刷破坏越来越严重，沟深从2～10 mm，随着降雨强度的增大逐渐加深。以降雨历时30 min，坡度1∶1.50为例，不同降雨强度的冲刷条件下坡面冲刷情况见图3。

图3 不同降雨强度的冲刷图片(单位为：mm/min)Fig.3 Scouring pictures under different rainfall intensity

由图3看出，同一冲刷时间同一坡度时，随着降雨强度的增大，试件的冲刷状况越来越严重。

2.3 不同坡度的边坡冲刷

降雨冲刷试验后观察发现同一冲刷时间同一降雨强度时，坡率越大受到的冲刷越严重，1∶0.50的坡面大面积出现大于5 mm的深沟。以降雨历时30 min，降雨强度5.0 mm/h，不同坡度条件下坡面冲刷情况见图4。

图4 不同坡率的冲刷图片Fig.4 Scouring pictures under different slope

由图4可知：同一冲刷时间同一降雨强度时，1∶0.70坡率受到的冲刷最为严重。

2.4 冲刷试验结果分析

根据降雨冲刷历时30 min，测定冲蚀下来的泥沙质量，绘制坡率、冲刷强度与冲刷泥沙量之间的关系见图5、图6。

图5 冲刷泥沙量与坡率的关系Fig.5 Relation of slope and sand mass

图6 降雨强度与冲刷的泥沙质量的关系Fig.6 Relation of rainfall intensity and sand mass

由图5看出，不同降雨冲刷条件下，冲刷的泥沙质量峰值都对应一个坡率，坡率小于和大于此值，冲刷泥沙质量都较小，雨水对峰值对应的边坡表面冲刷作用最大，峰值大多集中在1∶0.70～1∶1.30，因此在黄土边坡坡率设计中，同时考虑到边坡的稳定性，边坡坡率可选择小于1∶1.30为宜。

由图6看出，不同边坡坡率条件下，冲刷泥沙量总体趋势随着降雨强度增加而增加，其中坡率为1∶1.00的边坡冲刷量较大，且在降雨强度为8.5 mm/min时达到峰值；边坡坡率为1∶0.50的坡面冲刷量较小；其余几个坡率的坡面冲刷量近似；坡率为1∶1.75的坡面也存在一个峰值，约在降雨强度为8.5 mm/min处，对于坡率为1∶1.50的坡面，当降雨强度超过5.5 mm/min后，随降雨强度的增加冲刷泥沙量增加较为缓慢。

通过软件PFC模拟结果计算得到不同坡率的颗粒位移数量并计算冲刷率，随着冲刷时间延长不同降雨强度下不同边坡的冲刷率见图7。

由图7看出，不同边坡坡率在不同降雨冲刷条件下，冲刷率变化可分为三个阶段，在0～1 min阶段，冲刷率极具增加；1～10 min相对变缓；大于10 min的冲刷率平稳。在冲刷时间为0～10 min之内冲刷率显著增加，冲刷10 min后趋于平稳。边坡坡率大于1∶1.00的边坡冲刷率较大，1∶1.50和1∶1.75两个边坡坡率的冲刷率较小。由于路基土是经过压实成型，在冲刷起始阶段，冲刷较为严重是边坡坡面和靠近坡面部分的土体受到雨水的冲刷而首先滑动；在经历时间延长之后，冲刷率降低是由于坡面内部土体密实，抵抗冲刷破坏的能力较强，所以冲刷率比前期小。

图7 不同边坡坡率下冲刷时间与冲刷率间的关系Fig.7 Relationship between scouring time and scouring rate under different slopes

3 颗粒流模拟

降雨冲刷过程中雨水的渗透力使土体变形，变形的土体又对渗流区域产生影响，降雨与土颗粒之间形成复杂的非线性力学特性。本次颗粒流模拟试验的关键是降雨冲刷时水的作用，颗粒流PFC计算程序中利用流-固耦合模型来考虑流体的作用。路基边坡模型为三角形，斜边为受降雨冲刷的边坡。三角形内圆盘模拟的黄土颗粒粒径和密度与室内冲刷试验保持一致，起始圆盘数量见表2；颗粒流模型的颗粒、墙及水的参数见表3和表4。

表2 圆盘数量Table 2 Number of disk

表3 颗粒模型参数Table 3 Parameters of particles

表4 墙及模型参数Table 4 Parameters of wall and watert

3.1 不同冲刷时间的颗粒位移

以降雨强度4.0 mm/min，坡度1∶1.50为例，不同冲刷时间条件下的颗粒位移见图8。

图8 不同冲刷时间的颗粒位移Fig.8 Particle displacement under different scouring time

由图8可知，冲刷历时1 min，坡顶以下约1/4坡面以上的颗粒首先被冲刷下来移动至坡脚之外；随着降雨历时延长，被冲刷面积由坡顶向下延伸至1/2坡面，在1/2坡面至坡脚区段内有冲刷下来的颗粒堆积；当历时30 min时，冲刷量最大，且有大量颗粒被水流带走移动至坡脚之外。

3.2 不同降雨强度的颗粒位移

以降雨历时30 min，坡度1∶1.50为例，不同降雨强度条件下的颗粒位移见图9。

图9 不同降雨强度的颗粒位移(单位为：mm/min)Fig.9 The particles displacement under different rainfall

由图9看出，冲刷面积由坡顶向下延伸至1/2坡面，在1/2坡面至坡脚区段内有大量的颗粒堆积；不同的降雨强度的冲刷状态差别不太明显。

3.3 不同坡度的颗粒位移

降雨历时30 min，降雨强度5.0 mm/min，不同边坡坡率的颗粒位移见图10。

图10 不同边坡坡率的颗粒位移Fig.10 The particles displacement under different slope

由图10可看出，1∶1.75和1∶1.50两个坡率的边坡冲刷面积由坡顶向下延伸至1/2坡面，而1∶1.00、1∶0.70、1∶0.50三个坡面的冲刷面积从坡顶至距坡脚1/3处，且有较大量的颗粒堆积于坡脚处。

3.4 颗粒位移分析

由颗粒位移轨迹得出，位于边坡坡顶处土颗粒首先在降雨冲刷下随着水流剥蚀，随着冲刷时间的延长、降雨冲刷强度的增加、边坡坡率的增大，逐渐沿着边坡坡顶向下发展。

3.5 不同边坡不同降雨强度条件下冲刷率分析

根据PFC颗粒流模拟结果绘制冲刷历时30 min的不同边坡坡率不同降雨强度条件下冲刷率见图11。

图11 不同边坡坡率不同降雨强度条件下的冲刷率Fig.11 Erosion rate of different slope ratio under different rainfall intensity

由图11可知，降雨历时30 min，随着边坡坡率减小，冲刷率随着边坡坡率减小而减少。其中边坡坡率为1∶1.50和1∶1.75两个边坡的冲刷率受到降雨强度的影响较小。

颗粒流模拟试验和室内试验结果分析，发现二者在试件破坏过程经历的阶段类似，通过以上数据分析得出合理的边坡坡率可选1∶1.50～1∶1.75。因此在黄土地区路基边坡设计中首先考虑使用颗粒流模拟试验的方法进行边坡的设计是一种经济可靠的方法。

4 结论

本文通过室内降雨冲刷试验及颗粒流模拟的数据分析，确定了不同降雨强度，不同边坡坡度的黄土路基在雨水冲蚀下的变化规律为：

(1)同一降雨强度同一边坡坡度时，黄土路基在降雨冲刷下的冲蚀量随着降雨历时的延长而加重。同一冲刷时间同一边坡坡度条件下，随着降雨强度的增大，试件的冲刷状况更加严重。同一冲刷时间同一降雨强度时，黄土路基在降雨冲刷下的冲蚀量随着坡度的增大而呈曲线变化。

(2)通过颗粒流模拟试验分析，确定了不同降雨强度，不同坡度的黄土路基在雨水冲蚀下颗粒的位移情况，同一降雨强度同一坡度时，黄土路基在降雨冲刷下颗粒的位移随着降雨历时的延长而越加严重。同一冲刷时间同一坡度时，随着降雨强度的增大，试件中的颗粒位移状况越加严重，历时30 min冲刷程度减少。同一冲刷时间同一降雨强度时，降雨冲刷颗粒位移相对增长率对于边坡坡率为1∶0.60时较大，1∶1.75的冲刷较小，大于1∶1.75的冲刷均较大。

(3)室内降雨冲刷试验和PFC颗粒流软件模拟试验结果具有一致性，位于边坡坡顶处土颗粒首先在降雨冲刷下受到剥蚀，随着冲刷时间的延长、降雨冲刷强度的增加、边坡坡率的增大，逐渐沿着边坡坡顶向下发展，最终坡顶处的破损最为严重，因此在工程中应加强坡顶处路基的防护。确定清水河地区黄土适宜的路基边坡坡率为1∶1.50～1∶1.75。

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Rainfallerosiononloesssubgradeslopes

ZHANG Yan1， GAO Shuzeng1, YAN Chaoqun1,2，HUANG Sheng1，LIU Bin1，FANG Xinhai1，GE Yilun3

(1.CollegeofEnergyandTrafficEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China;2.TheFourthHighwayEngineeringco.,Ltd.,Beijing100022,China; 3.Hohhotbranch,InnerMongoliaHighwayConstructionandDevelopmentCo.,Ltd.,Huhhot,InnerMongolia010070,China)

In view of the the loess in arid and semi-arid regions, the process of erosion and damage of subgrade was researched by indoor subgrade model scouring test and PFC fluid solid coupling simulation.It is aim at to study on the law of erosion on the slope of the Loess subgrade and find the slope rate of the application of the stability of the subgrade against the rain.Tndoor subgrade model scouring test and PFC fluid solid coupling simulation were carried out with five varing slopes of 1∶0.50, 1∶0.70, 1∶1.00, 1∶1.50, 1∶1.75 and five rainfall intensities of 4.0 mm/min, 5.0 mm/min, 7.0 mm/min, 8.5 mm/min, 10.0 mm/minfive, and rainfall duration 30 min. Indoor rainfall erosion slope characteristics, PFC software simulation of the number of moving particles,and erosion quantity of slope after rainfall 30 min were obtained under different rainfall intensity and slope rate. Results show that different slope rate, rainfall intensity and rainfall duration affect the amount of erosion on the slope surface, and suitable for arid and semi arid area of loess subgrade slope rate was 1∶1.50～1∶1.75.

loess subgrade slopes; rainfall erosion; rainfall intensity; particle flow simulation

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.06

U416.1

A

1003-8035(2017)04-0034-06

2016-12-03;

2016-12-17

内蒙古自治区自然科学基金项目(2012MS0613)；内蒙古农业大学学生创新基金项目

张 雁(1971-)，女，教授，研究方向为道路材料及路基性能。E-mail：zhangyanli@imau.edu.cn