坡面冲刷对公路边坡稳定性的研究

王帅朋，赵一博，李文莉，寇发达

（黄河科技学院工学部，河南郑州 450000）

0 引言

路基坡面冲刷是公路沿线上较为普遍的现象，在我国北部黄土区域修筑公路时，路线开挖造成了自然侵蚀破坏现象的迅速化，进而使坡面冲刷的过程缩短加快。与此同时，因为边坡一直裸露在外面，其产生变形和被破坏等问题的概率也大幅度的增加，尤其是水流的冲刷损坏问题最为严重。因为水流冲刷所造成的边坡损坏现象显著提升，导致公路不能稳定安全的使用，交通运输线路收到了一定的影响，并且使维修保养的成本增加。所以，对水流的冲刷防护进行科学地设计、对危害造成的机理研究以及量化进而提出有关的保护措施是必不可少的。

1 坡面冲刷研究现状

对于水流坡面冲刷的探究实验在很久之前就早已开展，此项研究通过近几十年的发展和完善，目前我们对坡面冲刷问题的发生早已有了较为整体和成熟的认知。国际和国内的学者对坡面冲刷都展开了无数次的实验和分析，以对坡面的水流速率问题的分析来举例，多数专家经过自身无数的实验和总结获得了各不相同的坡面水流速率表达式。1978 到1988 年江忠善在整体的综合国内与国际坡面流速的前提条件下，与其自身的实验数据相结合，并且整合研究获得了黄土区域坡面水流速率表达式：V=2.0q0.5s0.35。Guy 等学者全面地分析了坡面流流速的作用元素，Foster 则第一次借助模拟细沟径流进行了无数次的冲刷实验，进而展现了流速和坡度之间的联系，Govesrs 进行了与之相关的文献资料的收集和整理且表达出了坡度、流量、速率之间的联系。

在坡面冲刷的影响因素问题上，一般可以划为三个观点：

（1）它与流量以及坡度都有很大的关联，并且流量对其产生的作用比坡度对其产生的作用要大。

（2）它和坡体角度的大小没有关联，只和流量的大小存在函数关系。

（3）在坡面冲刷这个问题上，流速沿细沟呈现正态分布，一般与流量以及坡体角度的大小都存在一定的关联，并且坡度对其产生的作用比流量要大。而大量资料显示：坡体角度对其产生的作用大于流量对坡面冲刷程度产生的作用，是当前重要的研究态势。

2 坡面冲刷机理

坡面冲刷的进程涵盖了降水冲击与径流冲刷带来的土颗粒分解、泥沙移位与沉积三个环节，这几个环节中径流冲刷所占的比重较大。降水冲击是造成水流冲刷的初期模式，当水滴的平均掉落速率达到了一定的程度，土颗粒由于遭受了冲击而被激起，可以划为干溅、泥溅以及层状腐蚀三个时期。降水下降速率持续提高至一定数值时，伴随水流的持续增加，在角度较大的坡面上，就呈现出了较小的沟形径流。伴随水流的持续增加，往下一直把侵蚀土颗粒分解、冲刷直至变成泥沙，如图1 所示。

图1 坡面冲刷机理

2.1 水流中土的受力研究

在形成坡面冲刷时，坡面上的土体受到自身重力、土体之间的黏结力、入渗压力等多个方面之间的影响，土体的运动过程变化从稳定状态变成运动状态、移动、然后又开始沉积。这一般表现为：

（1）分子浮容重。这是土体在冲刷时遭受自身重力与水的浮力两项力的影响下所呈现的合力。

（2）入渗压力。土质自身具有一定程度的渗透性，当水流通过土体时，少许水流会渗透至土体内部，形成和渗透方向相同的入渗压力。

（3）土体分子之间的离散力。土体分子移动的过程中，不同分子的移动方向也各不相同，之间产生碰撞进而形成互相作用的力，这就是土体份子相互的离散力。

除上述原因之外，坡面的运动也要求一个起始的起动力，当水流速率能够大到使坡体移动的初始速度时，就导致了坡面移动滑坡的现象。

2.2 路基坡面冲刷程度

坡面冲刷程度能够当作坡面流的冲刷性能，包括推移冲刷（土中个体径略大的部分）以及悬移冲刷（土中个体径略小的部分）两个类型。因此造成了坡体流推移冲刷性能以及坡体流悬移冲刷性能。土质个体在水流内以沉速w 沉落，但悬移质的重心是一个整体大致平衡在一定高程，这就代表了水流需要以w 的沉速把个体群托起。

3 坡面冲刷防护方式

在坡面冲刷的防护方面，工程中较为普遍的技术手段能大致分成工程防护、植被防护以及综合防护几个类型。工程方面以土工结构物为重要的保护结构，较为稳定，但是这种方式对自然、生态的损害比较严重；植物保护手段以种植植物，借助植物的稳定特征来进行防护，但是需要达到一定标准的植物，并且这类方式受地域制约较为严重；综合防护是把工程技术与植物保护手段进行融合，能够做到边坡稳固、防止水土流失和保护自然生态，是比较全面的措施，如图2 所示。

3.1 灾害治理

边坡结构是公路安全运营的保障，不同种类的边坡结构起到了不同的防护保护作用。公路是运输系统的重要组成部分，它的结构功能和整体的区内运输有着密切的联系。因为公路工程结构的特殊情况，所以在运营使其要重视保护和管理方面，较少坡面冲刷等现象的出现。所以，施工部门要重视实际的施工情况，制定科学完善的工程监督管理机制，保障工程建设的质量安全。

3.2 完善结构

在公路工程中，需要对其实施监督的方面有很多，需要结合工程实施区域的各种因素，制定科学合理的质量监督系统，进而保障工程施工作业的平稳运行。在公路工程实际的施工作业中，混凝土结构是较为主要的构成元素，采用素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土等性能稳定的构成元素，可以强化公路的抗害能力，并且达到大跨度运输的需求。不过，因为混凝土结构具有特殊性，实施阶段要完善传统的维护计划，全方位多层次的对其性维护，保证其耐受性和稳定性。

3.3 调整技术

从基础方面对其进行维护，有利于提高公路边坡的稳定性。比如，公路边坡选择现场施工技艺和技术规划，为公路边坡结构基本工程的实施提供参考。所以，施工部门要综合实际施工条件，严格按照要求进行现场施工，保证其施工技术和效果满足要求。

3.4 积极检测

相关部门需严格按照质量监管原则，发挥监管作用以及在公路边坡中的指导作用，对公路边坡维护进行全面的监督指导。对于检测到存在的弊端，要及时派遣专业人才开展维修和抢救，以免对后期公路的运营埋下安全隐患。

4 结语

（1）水流速率对公路的坡面冲刷发挥了重要作用。坡面流流速和公路坡面坡度以及坡面水流的流量有着直接的联系。

（2）公路边坡的坡面冲刷具有临界条件。只有当坡面上土达到启动拖曳力与启动速率的时候，才能够导致坡面冲刷情况的发生。而且在冲刷的整个过程中，径流的一般速率也不会持续伴随坡面角度的提高而增加，而是具备某个临界值，平均单宽径流能耗在伴随坡体角度的改变过程中也具备一定的临界极值。