謝力峰

（攸縣水利局 株洲市 412200）

引言

降雨對(duì)高速公路土質(zhì)邊坡的沖刷，會(huì)沖走坡面表層土體甚至引發(fā)大面積土體滑落，影響交通安全，因此采用合理的方法對(duì)邊坡進(jìn)行抗沖刷防護(hù)是非常必要的。生態(tài)防護(hù)技術(shù)既有抗沖刷的功能又有一定的綠化效果，是較為理想的邊坡防護(hù)技術(shù)。目前，各種生態(tài)防護(hù)技術(shù)與防護(hù)形式[1-10]層出不窮，應(yīng)用較多的防護(hù)形式如孔洞型護(hù)坡砌塊[7,8]、三維網(wǎng)[9,11,12]、土工格室（格柵）[10-14]等，但從大量工程實(shí)際情況看，目前仍存在不少問題：如傳統(tǒng)的孔洞型護(hù)坡砌塊，其成孔方向?yàn)榇怪庇谄旅?，往往需要通過降低孔洞率的方法來減小降雨的沖刷量，但這樣會(huì)降低綠化效果。

本文采用長沙理工大學(xué)的專利成孔水平的孔洞型護(hù)坡砌塊，如圖1 所示（專利名稱：一種包土型植生混凝土砌塊專利號(hào)：201020261275.8）該空心砌塊的縱截面為平行四邊形，所述空心砌塊上設(shè)有至少一個(gè)通孔并且通孔的兩個(gè)端口設(shè)置在空心砌塊的相對(duì)面上，平行四邊形兩斜邊的傾斜角度與邊坡的傾斜角度相匹配，通孔與水平面之間設(shè)有夾角,該空心砌塊具有可防雨水沖刷、可控雨水入滲、低成本、易施工且能植被綠化等特點(diǎn)，用于巖土邊坡的防護(hù)，較傳統(tǒng)孔洞型砌塊能更好地減少降雨引起的坡面沖刷。

作為一種新型的護(hù)坡砌塊，對(duì)于它的抗沖刷性能仍缺少研究。因此本文依托湖南省汝郴高速工程實(shí)際，對(duì)采用不同護(hù)坡形式、不同坡度及不同降雨強(qiáng)度的邊坡模型進(jìn)行室內(nèi)沖刷試驗(yàn)對(duì)比研究，分析抗沖刷型植生混凝土砌塊的抗沖刷效果。

1 室內(nèi)模型沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 成孔水平的孔洞型護(hù)坡砌塊

室內(nèi)模型沖刷防護(hù)試驗(yàn)是最基本的沖刷理論試驗(yàn)，是驗(yàn)證理論分析成果和總結(jié)沖刷規(guī)律的模擬試驗(yàn)。由于試驗(yàn)與實(shí)際情況僅存在相似關(guān)系，所以不能直接得出沖刷的相關(guān)參數(shù)和防護(hù)沖刷的能力，只能定性分析路基邊坡的防護(hù)形式與路基邊坡沖刷量的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)砌塊的抗沖刷效果。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

參考鄧衛(wèi)東[15]室內(nèi)模型設(shè)計(jì)圖，在寬長高100 cm×70 cm×30 cm 的木箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)（圖2），利用可控制排水量大小的裝置模擬降雨（圖3），路基邊坡模型的具體尺寸如圖4 所示。試驗(yàn)用土為湖南常見的紅粘土。通過擊實(shí)試驗(yàn)，得出土樣的最佳含水率，將土樣拌和至最佳含水量，采用分層（每層10 cm）擊實(shí)成型，成型后再進(jìn)行土體的開挖完成模型的制作，模型成型后測量土體的含水率和干密度。

圖2 裝土木箱

圖3 降雨裝置

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

根據(jù)邊坡防護(hù)措施、坡度及降雨強(qiáng)度對(duì)室內(nèi)模型進(jìn)行工況分類，具體見表1。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)整理

2.1 試驗(yàn)過程

完成所有準(zhǔn)備工作后，在路基邊坡模型的坡面范圍內(nèi)進(jìn)行全幅噴淋，噴淋歷時(shí)9min，每1min 收集各邊坡模型底部集水溝內(nèi)的濕土，烘干后稱取干土的質(zhì)量。

2.2 數(shù)據(jù)整理

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

表1 工況分類表

根據(jù)室內(nèi)抗沖刷模擬試驗(yàn)測試結(jié)果，將各種防護(hù)形式，不同坡度、不同降雨強(qiáng)度下邊坡單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間曲線進(jìn)行整理：

（1）按不同邊坡防護(hù)形式進(jìn)行整理，單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系如圖5 所示。

（2）按不同坡度進(jìn)行整理，單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系如圖6 所示。

（3）按不同降雨強(qiáng)度進(jìn)行整理，單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系如圖7 所示。

圖5 不同護(hù)坡形式下單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系

圖6 不同坡度下單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系

圖7 不同降雨強(qiáng)度下單位時(shí)間沖刷量與降雨歷時(shí)時(shí)間關(guān)系

3 室內(nèi)邊坡抗沖刷模型試驗(yàn)規(guī)律研究

3.1 不同護(hù)坡形式對(duì)邊坡抗沖刷能力影響規(guī)律

從圖5 可以看出，降雨初始階段，3個(gè)邊坡模型的單位時(shí)間沖刷量均較小。隨著降雨時(shí)間的延長，工況1 單位時(shí)間沖刷量逐漸增大后趨于穩(wěn)定；工況2單位時(shí)間沖刷量先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定；工況3 單位時(shí)間沖刷量先增大后減小，最后趨于零。其中，工況1 單位時(shí)間沖刷量增幅最大，工況2 次之，工況3 最小。同等條件下，采用傳統(tǒng)孔洞型護(hù)坡砌塊和抗沖刷型護(hù)坡砌塊防護(hù)的邊坡模型比未采用防護(hù)措施的單位時(shí)間沖刷量分別降低最大為89%和97%。

這是由于，降雨初始階段，雨水未能及時(shí)滲入坡面的土體，因此邊坡表面土層的強(qiáng)度變化不大，因此邊坡模型的沖刷量較小。隨著降雨時(shí)間的延長，雨水逐漸滲入邊坡土體，土體的含水量增加，強(qiáng)度降低，土體變得松散，沖刷量迅速增加，由于工況2、3 邊坡模型坡面采用了防護(hù)措施，因此其沖刷量明顯小于工況1 邊坡模型，其中工況3 邊坡模型的沖刷量最小。隨著整個(gè)邊坡模型的土體趨于飽和狀態(tài)，工況1邊坡模型的單位時(shí)間沖刷量也趨于穩(wěn)定，坡面土體被一層層地沖刷掉。工況2 邊坡模型坡面的空心砌塊中的填土被全部沖刷掉后，沖刷量主要來自邊坡模型內(nèi)部的土體，由于砌塊的防護(hù)作用，邊坡模型內(nèi)部土體的沖刷量有限，因此工況2 邊坡模型單位時(shí)間沖刷量先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。工況3 邊坡模型采用的抗沖刷型植生砌塊，當(dāng)通孔中的填充土的表層被雨水沖刷掉后，通孔的上端就會(huì)變成一個(gè)類似“屋檐”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式能有效地保護(hù)剩下的填充土不受雨水的沖刷，并且由于其通孔為水平大大減少了雨水在孔中的聚集，從而有效地減小了雨水對(duì)邊坡模型的沖刷作用。

3.2 坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡沖刷影響規(guī)律

本次試驗(yàn)主要研究了高速公路上、下邊坡較多采用的l∶0.75，1∶l，1∶1.15 三種坡度，模擬了1.5、2.0、2.5 mm/（min.m2）三種降雨坡度。

坡度的增加間接地提高了雨水的沖刷能力，而降雨強(qiáng)度的增加直接提高了雨水的沖刷能力[6,13,14]，從圖6、圖7 可以看出坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡沖刷影響規(guī)律相同，具體如下：

（1）不管采用何種護(hù)坡形式，單位時(shí)間沖刷量隨坡度或降雨強(qiáng)度的增加而增加。

（2）不管采用何種護(hù)坡形式，單位時(shí)間沖刷量的增幅隨坡度或降雨強(qiáng)度的增加而增加。其中，未采取防護(hù)措施的邊坡模型增幅最大，采用傳統(tǒng)孔洞型護(hù)坡砌塊防護(hù)的邊坡模型次之，采用抗沖刷型護(hù)坡砌塊的邊坡模型最小。

4 結(jié)論

通過綜合考慮不同防護(hù)形式、不同坡度、不同降雨強(qiáng)度等因素的室內(nèi)沖刷模型試驗(yàn)對(duì)比研究，得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）未采取防護(hù)措施邊坡的單位時(shí)間沖刷量隨降雨的進(jìn)行先增加后趨于穩(wěn)定，而采用孔洞型護(hù)坡砌塊防護(hù)邊坡的單位時(shí)間沖刷量隨降雨的進(jìn)行先增加后減小最后趨于穩(wěn)定。

（2）同等條件下，采用傳統(tǒng)孔洞型護(hù)坡砌塊和抗沖刷型護(hù)坡砌塊的邊坡模型比未采用防護(hù)措施的單位時(shí)間沖刷量分別降低最大為89%，97%。

（3）不管采用何種護(hù)坡形式，單位時(shí)間沖刷量隨坡度或降雨強(qiáng)度的增加而增加，且單位時(shí)間沖刷量的增幅隨坡度或降雨強(qiáng)度的增加而增加，其中未采取防護(hù)措施的邊坡模型增幅最大，采用傳統(tǒng)孔洞型護(hù)坡砌塊防護(hù)的邊坡模型次之，采用抗沖刷型護(hù)坡砌塊的邊坡模型最小。

試驗(yàn)結(jié)論表明：同等條件下，采用抗沖刷型護(hù)坡砌塊防護(hù)的邊坡比采用傳統(tǒng)孔洞型護(hù)坡砌塊防護(hù)的邊坡具有更好的抗沖刷性能。

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