河湾路基挡土墙在山洪冲刷作用下的破坏机理研究

作者简介：周小喜（1975—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

为研究河湾路基挡土墙在山洪冲刷作用下的破坏机理，文章以四川省雅安市某沿河公路工程项目为例，基于室内大型物理模型试验分析了不同工况条件下河湾路基的破坏特征、水流流速、水流深度以及水深分布特征，并对沿河路基边坡挡土墙稳定性进行研究。主要结论为：（1）河湾段路基破坏可分为河湾路基凹岸冲蚀破坏、冲刷水毁以及路基防护不当引发的破坏三类；（2）当水流量以及转角相同时，随着水深的增大，水流流速也在不断增大，当水流流量相同时，转角不同对进口水深影响不大；（3）随着水流流量的不断增大，挡土墙前各断面水深也在不断增加；（4）当横向冲刷深度较大，水流流量较小时边坡挡土墙更易出现破坏。

河湾；路基挡土墙；山洪冲刷；物理模型试验；破坏机理

U417.1+1A070244

0 引言

随着我国基础建设的发展，公路建设也逐步迈入快速发展时期，近年来，西部山区修建了大量公路，但西部山区地质条件复杂，地质灾害频发，会对公路造成损害并威胁人们的生命财产安全。其中，山洪、崩塌、滑坡以及泥石流是西部山区常见的自然灾害。据不完全统计，近30年来，因洪水灾害造成基础建设的损失高达数百亿，仅2019年就造成620亿元的经济损失，140余人的人员伤亡，500余条道路交通堵塞，而河湾路基受洪水冲刷影响较大，更易造成经济损失以及人员伤亡。因此，研究河湾路基在山洪冲刷作用下的破坏机理显得尤为关键。

近些年来，国内外研究学者针对沿河路基的破坏开展了大量的研究。MB Samarakoon［1］、Reza Ghiassi等［2］研究了沿河路基边坡的饱和土壤抗冲刷能力以及水流中的漩涡作用对边坡稳定性以及边坡周边构筑物的影响。罗文功［3］以中巴公路盖孜河段为例，基于室内物理模型试验以及数值模拟，分析了公路水毁的灾害特征以及破坏机制，并提出5种创新性防护结构。赵俊刚等［4］基于数值模拟软件FLOW-3D，建立了沿河路基三维模型，分析了水深、流速以及冲刷深度对沿河公路路基的影响。付静等［5］基于有限元模拟软件GeoStudio，研究了沿河半填半挖路基失稳机制，结果表明：河流冲刷以及挡土墙埋深是影响边坡稳定性的重要因素之一。李辉等［6］以实际工程为例，研究了不同情况下沿河路基挡土墙土压力计算方法，并采用数值模拟软件分析了路基沿河侧水压力变化，结果表明：河水水位下降会导致路基挡土墙稳定性降低。廖名亮等［7］以湘西某城市道路项目为例，考虑沿河道路受到地形、水流的影响，提出采用桩板式挡土墙组合结构作为沿河边坡支护措施，结果表明：桩板式挡土墙组合结构可有效提高边坡稳定性，具有良好的经济效益。全炳欣等［8］基于数值模拟软件，分析了水流对路基冲刷的影响。

上述学者的研究主要集中于沿河路基破坏、沿河路基挡土墙破坏特征，较少涉及不同转角、流速等其他情况下河湾路基的破坏特征、水流流速、水流深度以及水深分布特征以及挡土墙安全系数变化。因此，本文基于前人研究的基础，分析了河湾段流速以及水深对挡土墙的影响，该研究可为河湾路基挡土墙在山洪冲刷作用下的破坏机理研究提供相应参考。

1 背景介绍

1.1 工程概况

本文以四川省雅安市某公路工程项目为例，该地区地处山岭重丘，地势起伏大，属于侵蚀地貌区，路基边坡填土主要以碎石土为主，碎石土之间含有少量粉质黏土填充，公路右侧坡下存在河流，河面标高约为1 650 m，河面宽度约为7～11 m，深度约为0.5～1.6 m，枯水季时水流流速约为0.4 m/s，流量约为1 480 L/s，洪水季时水流速度最高可达5 m/s，最大洪水位标高为1 660 m。该地区降雨量较大，年均降雨量可达1 800 mm，是四川降雨量多的地区之一。

1.2 河湾段路基破坏类型

河湾段路基破坏类型主要可分为3类。

河湾路基凹岸冲蚀破坏。河湾路基破坏是路基冲刷破坏中最容易出现的情况，其危害性也相对较大，山区沿河公路破坏常出现于凹岸路基。

河湾段路基冲刷水毁破坏。冲刷水毁破坏大致可分为3类：路面掩埋、路基冲毁以及路基沉降破坏。当洪水水位高于路面时，会导致在洪水退后仍有大量石块、泥沙以及树木淤积于路面以及路基，导致路基掩埋破坏。路基沉降破坏主要是受到降雨、渗流以及地下水等因素的影响，边坡土体发生水力侵蚀现象，最终导致路基边坡滑动，公路路基沉降。路基冲毁破坏主要指公路路基在泥石流、滑坡等地质灾害的强烈冲击下，挡土墙失稳，造成路基路面破坏。

路基防护不当引发的破坏：由于防护结构强度、抗冲击能力不足而导致的破坏。

据不完全统计，河湾段路基水毁占山区公路水毁比例的33.3%，路基防护不当引发的破坏占山区公路水毁比例的26.7%，路基路面掩埋占山区公路水毁比例的20%，由此可知河湾段路基水毁仍为目前山区公路水毁的主要形式。

2 试验设计

为研究河湾路基破坏机理，本文基于室内物理模型试验，研究不同工况下河湾路基的破坏特征。

2.1 冲刷试验设备

冲刷试验模型示意图如图1所示，试验模型主要含沉砂池、河道、基底边坡、流量计、水泵以及蓄水箱，其中蓄水箱为边长0.5 m的立方体，沉砂池为边长0.4 m的立方体，水流循环系统主要由输送管、水泵、沉砂池以及蓄水箱组成。

2.2 试验准备

2.2.1 试验工况设计

本次试验考虑到山区沿河路基的实际情况，自然砂为河床质，并设置3个自变量（冲刷弯道角度，水深，水流流量），具体工况如表1所示。

自然砂级配曲线如图2所示。

2.2.2 试验测点布置

本次试验设置了6处断面，其中1号、2号断面设置在直河道处，3号断面设置在直河道入口处，4号、5号断面设置于弯道处，6号断面设置于直河道出口出，河道测点布置图如图3所示。

2.2.3 试验流程

水流冲刷路基基底试验共分为7个步骤，具体操作如下。

（1）路基边坡的铺设：在河湾左岸铺设路基边坡，边坡高度为20 cm，宽度为8 cm，在边坡坡脚处铺设挡土墙，用以抵抗洪水冲刷。

（2）铺沙：在河湾内铺设有一定厚度的天然沙，使天然沙与边坡贴合。

（3）控制进水口流量：控制水从输送管至流量计的流量以及时间，并计算水流速度，选择合适的水流速度。

（4）计算各测点流速以及测量水流深度：测量6处断面测点处的流速，并利用钢尺测量水深。

（5）关闭阀门：测量完成后，应及时关闭水泵阀门，将河道中的水流以及自然沙排放至沉砂池中。

（6）冲刷深度的测量：当河道中水流排放完毕后，利用钢尺测量各断面测点剩余河床沙深度，并与未冲刷前的深度进行对比。

（7）横向冲刷深度的测量：当河道中水流排放完毕后，利用钢尺与钢针测量剩余基底的边坡宽度，并与未冲刷前的基底边坡宽度进行对比，两者之差为横向冲刷深度。

2.3 模型相似比

根据实际河道尺寸计算试验模型中的河道尺寸，如式（1）所示为模型试验中缩尺比例计算公式：

根据前文河湾的实际尺寸，取λ=15，因此物理试验中河道的试验长度为1.5 m，宽度为0.1 m。

依据公式（1）可计算出试验几何尺寸相似比以及水流运动相似比，计算结果如式（2）～（5）所示：

根据上述比例尺公式，确定本次模型试验流速为0.08～0.28 m/s。

3 河湾段冲刷试验结果分析

3.1 水流流速分析

由于本文主要研究河湾段的冲刷，因此未对测定1数据进行处理，如图4、图5所示分别为水深1 cm、3 cm时，不同流量下各断面流速的变化曲线。

对比图4和图5可知，当水流量以及转角相同时，随着水深的增大，水流流速也在不断增大，当转角为30°、水流量为2 m3/h时，初始水深1 cm处弯顶水流流速为9.11 cm/s；当初始水深为3 cm时，弯顶水流流速为16.94 cm/s，流速增加了7.83 cm/s，增幅高达85.95%。由此可知，水深是影响水流速度的重要因素之一。

3.2 水流深度分析

如图6所示为河湾进口处水深随流量变化曲线。

由图6可知，随着水流流量的增加，进口处水深也在不断增大，在同一转角条件下，初始水深3 cm时的进口水深始终大于初始水深1 cm时的进口水深。而当水流流量相同时，转角不同对进口水深影响不大。

3.3 水深分布分析

如图7所示为挡土墙前各断面水深随流量变化曲线图（初始水深1 cm）。

由图7可知，随着水流流量的不断增大，挡土墙前各断面水深也在不断增加，出现该现象是由于水流流向受到挡土墙的阻碍，导致水流方向发生改变，在河湾凹岸处受到离心作用产生漩涡流，漩涡流的存在使得水流下切作用增强，不断冲击挡土墙，使得挡土墙下部泥沙被水流带走，最终导致挡墙基础外露，当水流量增大时，水流的下切作用逐渐增强，最终导致水深增大。

如图8所示为挡土墙前各断面水深随流量变化曲线图（初始水深3 cm）。

由图8可知，随着水流流量的不断增大，挡土墙前各断面水深也在不断增加，但较于初始水深1 cm，其水深上涨明显，以弯角为30°，流量为10 m3/h时测点2为例，当初始水深为1 cm时其测点2的水深为3.93 cm，当初始水深为3 cm时其测点2的水深为5.52 cm，相较于初始水深1 cm时，增加了1.59 cm，增幅达40.45%。当弯角以及流量不变时，各断面水深呈现出缓慢下降的趋势，出现该现象主要是由于进口段水流较大，冲刷能力较强，而出口段水流较小，冲刷能力减弱。

4 挡土墙稳定性分析

水流会冲刷挡土墙基础底部，使其底部泥沙被水流冲出，最终导致挡土墙失稳破坏，如图9所示为不同水流流量以及横向冲深深度下挡土墙安全系数变化曲线。

由图9可知，水流固定的条件下横向冲刷深度越大说明水流对挡墙基底的冲刷作用就越强，当水流流量恒定时，随着横向冲刷深度的增大，边坡挡土墙安全系数不断减小，出现该现象是由于：横向冲刷深度的不断增加，会导致边坡挡土墙偏心荷载增大，进而导致边坡挡土墙安全系数下降。当水流流量为2 m3/h时，横向冲刷深度0.4 cm的边坡挡土墙安全系数为1.31，而当横向冲刷深度增加至2.8 cm时，边坡挡土墙的安全系数出现大幅下降，下降了0.7，下降幅度为54.19%。当横向冲刷深度

恒定时，水流流量的增大会导致挡土墙安全系数降低，出现该现象的原因是：固定河道内水流流量越大意味着水深就越大，水深的增大会使挡土墙抗倾覆能力增强。由此可知，当横向冲刷深度较大时，在水流流量小的情况下边坡挡土墙更易出现破坏。

5 结语

本文以四川省雅安市某沿河公路工程项目为原型，开展了大型室内物理模型试验，研究了不同转角、水深以及水流流量下河湾路基的破坏特征，并总结了河湾段路基破坏类型以及破坏机理，最终分析了冲刷作用对挡土墙稳定性影响，该研究可为河湾路基挡土墙在山洪冲刷作用下的破坏机理研究提供相应参考。

本文得到如下主要结论。

（1）河湾段路基破坏可分为以下3类：河湾路基凹岸冲蚀破坏、冲刷水毁以及路基防护不当引发的破坏，其中河湾段路基水毁是目前山区公路水毁的主要破坏形式。

（2）水深是影响水流速度的重要因素之一，在其余条件不变的情况下，水深越深，水流流速也就越快。

（3）水流会冲刷挡土墙基础底部，导致挡土墙底部的泥沙被水流冲出，最终导致挡土墙失稳破坏。

参考文献

［1］MB Samarakoon，NorioTanaka，JunjiYagisawa.Effects of local scouring and saturation of soildue to flooding on maximum resistive bending moment for overtuming Robinia a pseudoacacia［J］.Landscape and Ecological Engineering，2013，9（1）：11-25.

［2］Reza Ghiassi，Amir Hosein Abbasnia.Investigation of Vorticity Effects on Local Scouring［J］.Arabian Journal for Science and Engineering，2013，38（3）：537-548.

［3］罗文功.新疆公路水毁试验与防治技术研究［D］.乌鲁木齐：新疆大学，2019.

［4］赵俊刚，全炳欣，郭向红，等.沿河路基三维数值模拟分析［J］.华北水利水电大学学报（自然科学版）2021，42（4）：77-82.

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［7］廖名亮，韩 冰，朱 哲.沿河道路路基方案设计［J］.水运工程，2019（9）：279-281，293.

［8］全炳欣，赵俊刚，等.河流弯道水流对路基冲刷分析研究［J］.中外公路，2021，41（S2）：15-19.