骨架防護黃土邊坡坡面沖蝕模型試驗研究*

原 澤 晏長根 陶 悅 賈卓龍 楊萬里 徐 偉 郜世泰

(①長安大學,公路學院,西安 710064,中國)(②中國有色桂林礦產地質研究院,桂林 541004,中國)(③甘肅路橋公路投資有限公司,蘭州 730030,中國)(④長安大學,地質工程與測繪學院,西安 710054,中國)

0 引 言

隨著黃土地區交通基礎工程的大力發展,大量工程邊坡因高填深挖筑基處理而產生。有研究表明,20世紀以來我國邊坡破壞的數量已占到地質災害數量的一半以上(黃潤秋等,2008)。針對這一情況,學者們相繼展開邊坡防護技術研究,其中骨架結構憑借施工快捷、易于綠化、護坡效果好等特點,廣泛應用于工程邊坡防護當中(李萬鵬,2006; 魏靜等,2006)。然而,在持續強降雨后,骨架結構框格內土壤的侵蝕破壞仍會發生,存在一定的安全隱患,如圖1所示。因此,開展骨架防護邊坡坡面侵蝕試驗研究,具有重要的實際工程意義。

骨架結構指采用混凝土或漿砌片石等圬工材料經人工構筑而成的具有一定窗格式幾何形狀和尺寸的空間結構,主要有矩形、菱形、人字形和拱形等結構形式,關于其作為邊坡防護措施的研究,已取得豐富成果:例如徐利鑫(2015)通過對不同拱形骨架結構進行監測和模擬,歸納出接縫形式優選扣縫,基礎采用漿砌片石的骨架護坡結構最優的結論; 蒙超容等(2017)對比分析了不同尖角的人字形骨架的流量、排水能力和工程量,指出在其他條件滿足的情況下,人字形骨架尖角宜取較大值,以有效減小工程量; 聶憶華等(2018)對人字形防護邊坡進行數值模擬,指出坡腳處為全局應力最不利位置,坡頂為豎向位移最不利位置,并通過模型多級加載試驗得到驗證; Zhang et al.(2012)利用FLAC軟件計算了鉸鏈式混凝土預制塊防護邊坡的穩定性因子,發現邊坡與塊體的最佳質量組合,為邊坡防護設計和應用提供了參考; 連繼峰等(2016,2017a,2017b)構建了以工程造價為目標函數的結構優化模型,指出矩形骨架嵌土深度和豎向凈距是影響邊坡淺層穩定性的主要因素,同時其指出骨架內土體存在兩種破壞模式,一種為骨架內土體整體滑動,一種類似擋土墻背庫侖土壓力破壞,前者破壞面為骨架嵌入土的深度且滑面與坡面平行,后者破壞面交于骨架底部和坡面,兩種破壞模式通過轉化閾值相互轉化。以上試驗研究多集中于骨架結構的工藝技術以及利用數值模擬對骨架結構進行尺寸優化,但較少涉及到降雨條件對骨架防護邊坡坡面破壞的影響研究,對骨架防護邊坡侵蝕破壞的認識還不夠充分。

實際上,降雨入滲引起的淺層土體含水率增大是導致邊坡淺層破壞的重要誘因。Lee et al.(2009)基于馬來西亞新山10年的降雨資料,指出邊坡失穩的關鍵是降雨強度和土壤飽和滲透率的比值; 張碩等(2017)通過對黃土高填方支擋邊坡進行降雨研究,指出在降雨條件下坡面裂隙是造成邊坡淺層滑動的重要原因,并得出了高填方支擋邊坡的破壞形成機制; Wang et al.(2018)通過對呂梁機場某高填方黃土邊坡進行現場監測和室內增濕試驗,發現壓實不均的黃土會產生裂隙,而雨水入滲會促使土體軟化,加速滑動面的發展; 孫萍等(2019)指出降雨條件下坡肩的入滲深度和速度最大,邊坡破壞也是從坡肩開始; 朱建東等(2019)指出坡體表層雨水入滲速率最快; 高英等(2019)指出黃土增濕會使得其土體骨架顆粒之間的強度降低,也會使得黃土的架空孔隙結構體系失穩崩解; 黃曉虎等(2015)通過室內邊坡降雨沖刷模型,指出黃土邊坡侵蝕沖刷中的主要侵蝕能力參數與坡度和雨強之間存在相應關系。

因此,本文以臨夏雙達高速公路作為工程依托,通過開展人工模擬降雨沖蝕模型試驗,對比分析裸坡和骨架邊坡的坡面沖蝕過程、含沙量、徑流量及累計沖蝕量,探討骨架結構的防護效果,分析骨架關鍵部位的坡面沖蝕規律,揭示強降雨誘發骨架防護邊坡侵蝕破壞機制。研究成果可為骨架結構在邊坡防護工程的實踐應用中提供理論參考和技術支撐。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料及邊坡模型

試驗用土取自臨夏雙達高速某骨架防護的黃土邊坡(圖2),取樣深度為1.5～3.0m。該黃土為更新統的風積黃土,外觀表現為疏松多孔,垂直節理發育。利用激光粒度分析儀對試驗土樣進行顆粒分析,結果如圖3所示,結果顯示:粉粒含量為83.61%,黏粒含量為6.78%。同時參照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)測得該黃土的基本物理參數如表1所示。

表1 試驗材料物理參數

圖2 取土現場照片

圖3 試驗黃土的級配曲線

邊坡模型的試驗主體砌筑于木制模型箱中,其具體尺寸為125cm×60cm×30cm(長×寬×高),坡比為雙達高速現場施工的1︰1.5和1︰1.75; 試驗填土采用分層夯實法,具體分3層進行填筑,填筑過程中控制質量含水率為18.2%,密度為1.88g·cm-3; 邊坡模型分為裸坡和骨架邊坡兩種:(1)裸坡模型直接在模型箱中填筑試驗黃土,并在坡面頂端設置隔水塑料板,以阻擋頂端匯集的水流; (2)骨架邊坡模型采用拱形骨架結構,包括2個拱形單元,其形狀尺寸依據雙達高速骨架結構施工文件進行縮尺設計,模型拱形單元的拱圈直徑為50cm,高度為60cm,厚度為5cm,如圖4所示,圖中黃線表示隔水塑料板,以模擬擋水結構; 為模擬實際工程條件,邊坡模型填筑完成后,用塑料薄膜覆蓋坡面,在室內自然條件下養護24h后進行測試。

圖4 骨架邊坡模型示意

1.2 試驗裝置及方案

本次試驗采用DIK-6000型人工降雨器,產地日本,由雨滴產生裝置、供水箱和控制盤組成,如圖5所示,基本技術參數如表2所示,其中雨滴產生裝置的尺寸為1.4m×1.4m×2.5m(長×寬×高,除突起部及小腳輪),采用針頭噴水加震動模式,降雨均勻度高達95%以上,降雨偏差小于±10%。

表2 人工降雨模擬器的基本技術指標

圖5 人工模擬降雨器

臨夏地區全年降雨分布不均,呈現集中降雨、持續性干旱的特殊氣象條件,降雨集中期約為每年的6～9月,局部強降雨最高可達約60mm·h-1(張錦泉等,2013)?；诖?本次試驗方案設計如表3所示。

表3 試驗方案設計表

考慮到雨強一定的條件下,1h左右的短陣型降雨侵蝕力較大,更容易誘發土壤侵蝕(喬勇虎等,2017),本次沖蝕試驗的持續降雨時間為1h。為確保人工降雨器的降雨均勻性及試驗準確性,試驗前應進行降雨均勻度測試,以確保均勻度都在90%以上。試驗測試的具體步驟為:試驗開始后,采用高清晰度攝影實時記錄不同降雨時刻的坡面沖蝕情況; 試驗過程中,采用水槽承接收集沖蝕徑流水樣來進行相應指標的測定; 試驗結束后,采用刻度尺測量沖蝕深度。

1.3 測定指標及方法

本次試驗主要通過含沙量、徑流量及累計沖蝕量等指標定量評價骨架邊坡的抗沖蝕效果。試驗過程中的取樣時間間隔安排為:前10min隔1min取1次徑流量,10～30min隔2min取1次徑流量,30～60min隔3min取1次徑流量,每次取樣時間為5s。在計算累計沖蝕量時,用前后兩次含沙量的平均值來表示該時段的平均含沙量。具體計算公式(晏長根等,2005)如下:

(1)

(2)

2 試驗結果分析

2.1 坡面沖蝕過程的對比分析

2.1.1 裸坡的沖蝕過程

圖6為坡比1︰1.75的裸坡沖蝕過程。由圖6可知,試驗初期,降雨對坡面的沖蝕較小,坡面上部開始出現圓形痕跡。隨著降雨時間增長至試驗結束,坡頂逐漸出現陡坎現象,坡面逐漸出現圓形凹陷,并逐漸明顯,坡腳土體出現明顯的淘蝕,如圖7所示。試驗結束后測量可知,坡頂陡坎高度約為6～15mm,坡腳淘蝕最深約為28mm,最寬約為62mm。

圖6 裸坡的沖蝕過程

圖7 裸坡沖蝕坡面的局部特征(沖蝕60min)

分析認為,沖蝕試驗中的坡面損傷主要來自兩方面:一方面,雨滴對坡面的濺蝕作用。由于人工模擬降雨器采用震動來控制雨量,且各針管震動的雨滴互不干擾,導致雨滴沖擊下形成圓形痕跡,并逐漸演變為圓形凹陷; 另一方面,坡面徑流對表層土體的沖蝕作用。隨著降雨量不斷補給,水流的深度和流速逐漸變大,土體孔隙水壓力增強,土顆粒間摩阻力及黏聚力降低,坡面土體產生局部破壞,特別對坡腳土體而言,徑流回溯使得該處土體淘蝕破壞加劇。

2.1.2 骨架邊坡的沖蝕過程

圖8為坡比1︰1.75的骨架邊坡沖蝕過程。由圖8可知,骨架邊坡沖蝕過程與裸坡沖蝕過程具有一定的相似性,如坡頂出現陡坎,坡面局部出現圓形凹陷,坡腳出現一定的淘蝕,但總體來看,骨架邊坡坡面沖蝕損傷程度相對裸坡較輕。試驗結束后測量可知,坡頂陡坎高度約為4～14mm,而坡腳淘蝕最深約為12mm,最寬約為51mm,相比裸坡降低了57.1%,17.7%。需要強調,試驗結束后,骨架結構框格邊緣處土體破壞相比坡面中部土體更為嚴重,如圖9所示,這也與骨架防護邊坡的侵蝕破壞頻發于骨架框格邊緣的實際情況(圖1)相吻合。

圖8 骨架邊坡的沖蝕過程

圖9 骨架邊坡沖蝕坡面的局部特征(沖蝕60min)

分析降雨條件下骨架邊坡的沖蝕過程出現這種情況的原因如下:隨著降雨初始下滲的快速完成,坡面形成徑流,但由于拱圈周圍存在擋水結構,上層拱形單元內的徑流不是匯集至下層拱形單元內,而是順著豎向支撐流出,從而使下層拱形單元的坡腳未發生較大的沖蝕; 同時坡面徑流還會向兩側流動,而兩側的擋水結構會阻礙水的漫流,導致雨水匯聚在框格邊緣形成較為強烈的徑流,造成框格邊緣的沖蝕作用相比坡面中間土體更為強烈。

2.2 坡面沖蝕含沙量的對比分析

圖10為不同邊坡模型含沙量隨時間的變化曲線。結果表明:(1)當坡比不同時,裸坡及骨架邊坡的含沙量均表現出相似的變化規律,即坡比1︰1.5的邊坡含沙量大于坡比1︰1.75的邊坡; (2)當坡比相同時,隨著時間的增長,裸坡和骨架邊坡的含沙量增加,而增幅逐漸降低。與此同時,試驗過程中的裸坡坡面沖蝕含沙量及增幅始終大于骨架邊坡,當沖蝕60min時,裸坡的含沙量為0.128g·mL-1(坡比1︰1.5),0.117g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡的含沙量為0.096g·mL-1(坡比1︰1.5),0.092g·mL-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡的含沙量相比裸坡降低了25%(坡比1︰1.5),21.4%(坡比1︰1.75)。分析認為,在降雨初始階段,邊坡坡面形成水膜,表層土顆粒容易懸浮于水膜之中并被水流裹挾流失。對于裸坡而言,沖蝕能量自坡頂至坡腳逐漸增大,并在坡腳處產生渦流,導致坡腳土體受到較強的沖蝕作用,含沙量持續增加; 而對于骨架邊坡而言,由于拱形骨架的剛度比周圍土體的剛度大,當邊坡土體受到沖刷作用時,骨架可率先承受壓力或變形,并把本身所承受的負載傳導到下方的土層之中,從而削弱框格內土體所承受的外源侵蝕力,使得骨架邊坡坡面沖蝕的含沙量相比裸坡降低。

圖10 不同邊坡模型含沙量隨時間的變化曲線

2.3 坡面沖蝕徑流量的對比分析

圖11為不同邊坡模型徑流量隨時間的變化曲線。結果表明:(1)當坡比不同時,裸坡與骨架邊坡的徑流量無明顯差異; (2)當坡比相同時,試驗過程中裸坡的徑流量始終大于骨架邊坡。隨著時間的增長,裸坡的徑流量增加,增幅有所降低,而骨架邊坡的徑流量先增加后穩定。當沖蝕60min時,裸坡坡面的徑流量為110.0 mL·s-1(坡比1︰1.5),102.0 mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡坡面的徑流量為73.0mL·s-1(坡比1︰1.5),70.0mL·s-1(坡比1︰1.75),骨架邊坡的徑流量同比裸坡降低了33.6%(坡比1︰1.5),31.4%(坡比1︰1.75)。分析認為,試驗初始階段,坡面土體未達到飽和,大部分雨水滲入坡體內部,導致坡面徑流量較小。隨著降雨的持續發生,裸坡坡面的雨水入滲過程逐漸完全,坡面土體趨于飽和,坡面徑流量不斷增加,且伴隨坡面破壞,坡面的粗糙度不斷增大,一定程度上抑制徑流量的增長(Zhang et al.,2008)。相比之下,骨架邊坡坡面徑流由于還會受到框格單元凸起的阻隔作用,將匯集至骨架砌塊的排水通道上,從臨近的排水通道流走,總體起到一定的截流、擋水及分流作用,從而使得骨架邊坡的徑流量較低。

圖11 不同邊坡模型徑流量隨時間的變化曲線

2.4 坡面沖蝕累計沖蝕量的對比分析

圖12為不同邊坡模型累計沖蝕量隨時間的變化曲線。結果表明:不同邊坡模型的累計沖蝕量總體呈現出相似的變化趨勢,即隨著時間增長而增加。沖蝕初始,不同邊坡模型的累計沖蝕量無明顯差異; 沖蝕13min時,坡比1︰1.5的邊坡累計沖蝕量大于坡比1︰1.75的邊坡,裸坡坡面的累計沖蝕量大于骨架邊坡坡面; 沖蝕30min后,裸坡坡面累計沖蝕量的增長速率繼續增加,但骨架邊坡累計沖蝕量的增長速率趨于穩定; 沖蝕60min時,裸坡坡面的累計沖蝕量為36.5kg(坡比1︰1.5),30.0kg(坡比1︰1.75),骨架邊坡坡面的累計沖蝕量為20.6kg(坡比1︰1.75),18.0kg(坡比1︰1.75),骨架邊坡的累計沖蝕量相比裸坡降低了43.6%(坡比1︰1.5),40.0%(坡比1︰1.75)。分析認為,骨架結構在限制土顆粒運移和削弱雨水沖蝕等方面起到了促進作用,同時其截水型骨架節點可以對坡面徑流發揮截流、擋水及分流作用,宏觀表現為骨架防護邊坡的坡面具有一定的抗降雨沖蝕能力。

圖12 不同邊坡模型累計沖蝕量隨時間的變化曲線

3 骨架關鍵部位的坡面沖蝕規律

公路邊坡的沖蝕病害往往不是在一次降雨后就會形成,而是經歷多次降雨逐漸累積形成的。因此,為更好模擬實際工程條件,基于前文試驗結果(骨架邊坡,坡比1︰1.75),在次日進行30min同等條件的沖蝕試驗。試驗過程中著重觀察拱形骨架兩端尖角及中間拱頂等骨架關鍵部位處的坡面沖蝕現象,厘清骨架邊坡關鍵部位的坡面沖蝕規律,如圖13所示。

圖13 骨架關鍵部位示意

圖14～圖15為骨架尖角與拱頂的沖蝕歷程。由圖14～圖15可知,骨架邊坡關鍵部位的初次沖蝕歷程與黃曉虎等(2015)、杜婷婷等(2018)的試驗結果較為一致,歸納為:濺蝕、片蝕、細溝侵蝕、切溝侵蝕4個階段。具體描述如下:

圖14 骨架尖角沖蝕歷程

圖15 骨架拱頂沖蝕歷程

試驗初期,坡面發生雨水濺蝕,但由于時間較短,且前文已提及,此處不在贅述。隨著降雨時間增長,關鍵部位處的土體逐漸飽和,孔隙水壓力逐漸增強,土粒逐漸懸浮于水膜中,又被水流裹挾,在邊坡表面留下鱗片狀的細小溝紋及紋狀溝紋,形成片蝕(宋朋燃,2013),如圖14a、圖15a所示。此后,關鍵部位邊緣處的徑流不斷匯集,其徑流量和沖蝕能量隨之增強,且由于濺擊和片蝕而形成的凹陷對水流具有引流作用,使其在優勢通道內容易形成小型溝狀股流,即為細溝侵蝕。然而,由于拱圈較強的剛度及骨架節點的分流作用,削弱了雨水的沖蝕能量,導致關鍵部位處的細溝侵蝕分布較少。隨著試驗繼續進行,關鍵部位處的土體持續軟化,表層凹陷愈加明顯,一些溝壁由于局部失穩而坍塌,并逐漸發展成切溝侵蝕,呈“梯田”狀(圖14b、圖14c)或“孔洞”狀(圖15b、圖15c)。而骨架邊坡關鍵部位的次日沖蝕歷程可分為:濺蝕、片蝕、切溝侵蝕3個階段,即關鍵部位處的土體飽和形成片蝕后,將直接進入切溝侵蝕階段,如圖14d、圖15d所示。此后,隨著切溝下切侵蝕的不斷發展,水流發生回溯,不斷侵蝕關鍵部位邊緣處較深層的土體,表層土體產生坍塌,溝蝕深度逐漸加深,形成多條“V”字形切溝,如圖14e、圖15e所示。

對比骨架尖角處和拱頂處的最終沖蝕狀況發現,尖角處的沖蝕深度和切溝發育情況要比拱頂處更為強烈。分析認為,這是由于尖角截面的突然變小,水流的流速明顯增強,螺旋流、漩渦明顯增多,加之擋水結構所導致的邊緣匯流加劇,使得尖角及其邊緣土體沖蝕更為明顯。

4 強降雨誘發骨架防護邊坡侵蝕破壞機制探討

以上試驗結果顯示,強降雨沖刷作用對坡比1︰1.5的邊坡影響大于坡比1︰1.75的邊坡,對裸坡影響大于骨架防護邊坡,對骨架框格邊緣土體影響大于對框格中間土體,對骨架尖角處土體影響大于拱頂處土體,這說明骨架結構對邊坡具有一定的防護效力,但骨架尖角和拱頂處仍存在著侵蝕破壞的隱患。在強降雨沖刷過程中,裸坡受到雨滴濺蝕、徑流沖刷及雨水入滲軟化的影響,其含沙量、徑流量及累計沖蝕量逐漸增大,坡面變化相對明顯,具體表現為:坡頂產生陡坎,坡面局部出現圓形凹陷,坡底淘蝕明顯。對比來看,強降雨沖刷條件下骨架邊坡模型的含沙量、徑流量及累計沖蝕量的變化趨勢與裸坡模型的變化趨勢較為相似,但骨架邊坡的相應指標數值明顯較低,且其坡面變化主要集中于拱頂和尖角處,存在著陡坎、圓形凹陷和淘蝕。

由以上分析,可將強降雨誘發骨架防護邊坡侵蝕破壞機制歸納如下:當骨架結構砌筑在黃土工程邊坡上時,由于骨架結構的剛度相較于其周圍土體較強,骨架結構將率先承受雨水沖刷的壓力或變形,并把自身所承受的負載傳導至下方土層,從而削弱框格內土體所承受的外營力; 另外,在骨架結構的截流、擋水及分流效應下,坡面徑流匯集至骨架砌塊的排水通道上,并從臨近的排水通道流走,使得坡面徑流對表層土體的沖刷作用降低,但也使得雨水匯聚在框格邊緣形成較大的水流,造成框格邊緣土體受到較為強烈的沖蝕作用,一般情況下可忽略,總體起到較好的坡面防護作用。夏末秋初,臨夏地區降雨集中,局部有強降雨突發,受強降雨天氣條件影響,骨架結構的框格邊緣土體受到的沖蝕作用加劇,尤其是骨架尖角的截面突然減小,使得水流流速增強,螺旋流、漩渦增多,加之擋水結構所導致的邊緣匯流,致使該處土體出現濺蝕-片蝕-細溝侵蝕-切溝侵蝕(初次沖刷),或濺蝕-片蝕-切溝侵蝕(再次沖刷)的坡面沖蝕歷程。反復的強降雨作用使得切溝下切侵蝕不斷發展,水流回溯,表層土體逐漸被掏空,產生貫通形成新的排水通道,而坡面徑流將優先沿排水通道流動,容易使得骨架下方的支撐土體侵蝕破壞,造成骨架結構的局部懸空。

因此,在實際工程應用中應充分考慮骨架結構關鍵部位處土體的防護,還應重點關注現行骨架防護邊坡服役期間普遍發生的坡面局部侵蝕破壞問題,如在骨架施工后應檢查拱圈與土體間是否存在空隙,若施工空隙太大,則需采用擠密或回填改性土。同時為減少骨架防護邊坡侵蝕破壞的發生,建議采取以下措施:可在骨架框格內植草,通過植物莖葉削弱雨滴的沖擊能量,減緩泥漿濺散的速度; 也可在骨架框格內設置土工格室,從而增加徑流長度,避免徑流集中沖蝕; 還可考慮改變骨架的形狀,盡量采用圓角處理,以避免出現水流集中等現象; 更可在骨架框格內涂抹生態防護材料,如膠-筋固化黃土(賈卓龍等,2022),在改善坡面土體穩定性同時,提供適宜植物生長的土壤環境。

5 結 論

本文通過開展人工模擬降雨沖蝕模型試驗,對比分析了裸坡和骨架邊坡的坡面沖蝕過程、含沙量、徑流量及累計沖蝕量,探討了骨架結構的防護效果,厘清了骨架關鍵部位的坡面沖蝕規律,揭示了強降雨誘發骨架防護邊坡侵蝕破壞機制。主要得出以下結論:

(1)骨架結構對于黃土邊坡具有一定的防護效力,但其框格邊緣土體存在侵蝕破壞的安全隱患。隨著降雨時間增長,裸坡和骨架邊坡的含沙量、徑流量及累計沖蝕量均逐漸增加。相比裸坡,沖蝕60min時骨架邊坡的含沙量降低25%(坡比1︰1.5),21.4%(坡比1︰1.75),徑流量降低33.8%(坡比1︰1.5),31.1%(坡比1︰1.75),累計沖蝕量降低43.6%(坡比1︰1.5),39.7%(坡比1︰1.75)。

(2)骨架尖角和拱頂等關鍵部位處的土體所承受的雨水沖刷作用相比框格中間的土體更強,尤其是尖角處的沖蝕深度和切溝發育情況相對更為明顯,其邊緣土體的沖蝕演化歷程歸納為:濺蝕-片蝕-細溝侵蝕-切溝侵蝕(初次沖刷),或濺蝕-片蝕-切溝侵蝕(再次沖刷)。

(3)在強降雨條件下,骨架結構會限制土顆粒運移、削弱雨水沖蝕,并對坡面徑流起到截流、擋水及分流作用,但也會在骨架關鍵部位,尤其是尖角處產生較為明顯地“邊緣匯流”現象,容易造成骨架豎向支撐下方土體侵蝕破壞,造成骨架結構的局部懸空。有關骨架防護邊坡坡面損傷的修復及預防等方面有待進一步研究。