（道路与铁道工程专业论文）南方花岗岩残积层路堑坡面冲刷与路堤渗透稳定性研究.pdf

西南交通大学博士学位论文 南方花岗岩残积层路堑坡面冲刷与路堤渗透稳定性研究 摘要 f 坡面冲刷是线状工程中一个常见却少有人涉猪的课题。作为工程条件和生态环境 脆弱区- 在我国南方花岗岩地区修建铁路公路时，开挖路堑削剥山皮使抗冲蚀陛 讯弱的砂士层直接出露。坡面冲刷问题严重。本文针对这类边坡，首次建立了一套坡 礓1 冲剐问题的研究体系和基本理论框架，使本问题的研究达到了个新高度。主要包 拓： 划分了路堑边坡坡面冲刷类型，详细描述了坡面冲刷野外特征，提出了坡西冲 刷发生发展模式。结合清连公路，分析了花岗岩残积层路堑边坡坡面冲刷影响因素 和冲刷严重的原因。全面分析了坡面冲刷过程中土的受力情况，包括拖曳力、上举 列、渗透力、粒问离散力、粒间粘接力等力的作用。由坡面冲刷过程中土颗粒受力 的平衡条件、坡面流流速与剪力关系、能量守恒原理，分别建立了土体冲刷失稳的起 动拖曳力、起动流速和起动流量的理论表达式。由能量守恒原理，分别推导得出了 坡面流推移质冲刷能力和悬移质冲刷能力。由此建立了坡面冲刷强度的理论表达式。 从坡面流拖曳力、坡面流能量、坡面流冲刷能力等角度，从理论上探讨了长期争论 0 i 休的坡面侵蚀临界坡度问题，本文计算得出i 临界坡度值对边坡设计和养护维修具有 藿要价值，也可作为水土保持和国土资源利用等参考。提出南方花岗岩残积层路堑 边坡应以防冲刷设计为主，并提出“高角度开挖，全断面支护”等设计思想。讨论 r 土颗粒存在对坡面流的影响。 路堤渗透破坏主要与路堤填料性质和渗流条件有关。本文在已有研究成果的基础 上，分析了路堤渗透破坏的形式及其判别方法、无粘性士抗渗强度、粘性土渗透破坏 机理及其抗渗强度。从理论上深入探讨了非线性渗流规建、管涌机理和发生管涌的临 拜水动力条件。提出了路堤渗流控制思想，并对防止和控制路堤渗透破坏进行反滤设 汁的基本原理进行了讨论。 提出了土的水力稳定性概念和研究方向，并在分析冲刷和管涌力学机制时眭此为 理论线索，初步探讨了地表水流和渗流水动力作用的内在联系和士颗粒水力失稳运动 的统一表达式。土的水力稳定性研究也为大坝管涌、砂砾石地基流砂、隧道和地下采 矿等地下工程涌泥涌沙、边坡软弱夹层和裂隙充填物潜蚀、岩溶塌陷、水土流失等问 题拓宽了视野，提供了新的认识途径。 关键词：坡面冲刷渗透稳定性水力稳定性路堑路堤、南方花岗岩残积廖 铁路公路起动条件冲刷强度 i 临界坡度边坡设计渗透破坏抗渗强度非线 性渗流管涌渗流控制反滤设计 s t u d y o n s l o p es u r f a c e e r o s i o no fg r a n i t ee l u v i u mr o a d c u ti n s o u t h e r nc h i n aa n ds e e p a g es t a b i l i t yo fr o a de m b a n k m e n t l u ob i n ( s c h o o lo f c i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y , c h e n g d u , 6 1 0 0 3 ) a b s t r a c t s l o p es u r f a c ee r o s i o ni s ac o m m o np r o b l e ms t u d i e di n f r e q u e n t l yi nr a i l w a y a n d h i g h w a ye n g i n e e r i n g i ns o u t h e r ng r a n i t er e g i o no fc h i n a ，w h e r ei sr e g a r d e d a sa r e aw i t hf r a g i l ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s ，i tw i l ll e a dt os e r i o u ss l o p es u r f a c e e r o s i o ns i n c ec u t t i n gn a t u r a ls l o p ea n dt h e r e f r o mc a u s i n ge x p o s u r eo fa r e n a c e o u s s o i ll a y e rw i t hf r a g i l ea n t i e r o d i b i l i t y t h er e s e a r c hs y s t e ma n d t h e o r yf l a m ea r e s e t u pa i m i n ga tr o a d c u ts l o p e sc o n s t i t u t e dw i t hg r a n i t i cr e s i d u a ls o i l s ，w h i c h g r e a t l yd e v e l o p s t h e q u e s t i o n f o rd i s c u s s i o n t h e f o l l o w i n g i st h em a i n a c h i e v e m e n t s ( 1 ) t h i sp a p e rc l a s s i f i e ss l o p es u r f a c ee r o s i o no f r o a d c u t ，d e s c r i b e si t sf i e l d c h a r a c t e r i s t i c sa n d p u t sf o r w a r d i t sd e v e l o p m e n tm o d e l ( 2 ) t a k i n gq i n g y u a n l i a n z h o ue x p r e s s w a y a sa n i l l u s t r a t i o n ，t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n ge r o s i o na n d r e a s o n sc a u s e ds e r i o u sr o a d c u te r o s i o na r ea n a l y z e d ( 3 ) f o r c e sa c t i n go ns o i l sd u r i n gs l o p es u r f a c es c o u r i n ga r es t u d i e da l lt h e r o u n d t h ef o r c e si n c l u d ed r a gf o r c e ，l i f tf o r c e ，s e e p a g ef o r c e ，d i s p e r s i o nf o r c e ， c o h e s i v ef o r c e ，e t c ( 4 ) b a s e do nc o n d i t i o n sf o re q u i l i b r i u mo ff o r c e s a c t i n go ns o i lp a r t i c l e s ， r e l a t i o n sb e t w e e nv e l o c i t ya n d s h e a r i n gf o r c eo fs l o p es u r f a c er u n o i f , a n dl a wo f c o n s e r v a t i o no fe n e r g y ，t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ys e t s u pt h e o r e t i c a lf o r m u l a eo f i n c i p i e n tm o t i o nd r a gf o r c e ，i n c i p i e n tm o t i o nv e l o c i t ya n di n c i p i e n tm o t i o nf l o w d i s c h a r g e ( 5 ) a c c o r d i n g t oc o n s e r v a t i o no f e n e r g y ，t h i sp a p e ro b t a i n se r o s i o nc a p a b i l i t y o fb e dl o a da n ds u s p e n d e dl o a d h e r e f r o mt h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao f t o t a le r o s i o n i n t e n s i t yi se s t a b l i s h e d ( 6 ) f r o ma s p e c t so fd r a gf o r c e ，e n e r g y ，s c o u r i n gc a p a b i l i t yo f s l o p es u r f a c e f l o w ，t h ec r i t i c a ls l o p es u r f a c ee r o s i o ng r a d i e n ti sd e e p l yd i s c u s s e d t h eg r a d i e n t o n a i n e di nt h i sp a p e rh a sg r e a tv a l u ef o r s l o p ed e s i g na n dm a i n t e n a n c e ( 7 ) 1 op r e v e n te r o s i o ni st h ed o m i n a t i n gt a s kd u r i n g d e s i g n i n g r o a d c u ts l o p e s c o n s l i t u t e dw i t hg r a n i t i ce l u v i u mi ns o u t h e r nc h i n a ( 8 ) e f f e c t so fs o l lp a r t i c l e st os l o p es u r f a c ef l o wa r ed i s c u s s e d s e e p a g ed a m a g eo fr o a de m b a n k m e n ti sr e l a t e dt oc h a r a c t e r i s t i c so ff i l l i n g c o m p o u n da n ds e e p a g ec o n d i t i o n s t h i sp a p e rd e a l sw i t hf o r m so fs e e p a g e d a m a g ea n dt h e i rd i s t i n g u i s h i n g ，p i p i n gr e s i s t a n c ef o rn o n c o h e s i v es o i l ，t h e m e c h a n i s mo f s e e p a g ef a i l u r eo fc o h e s i v es o i la n dp i p i n gr e s i s t a n c ef o rc o h e s i v e s o i l i tp r o b e si n t ot h el a wo fn o n l i n e a r s e e p a g e ，t h em e c h a n i s mo fp i p i n gf a i l u r e ， a n dh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s f o r m i n gp i p i n g a l s o ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h e t h o u g h to fs e e p a g ec o n t r o lf o rr o a d b e d ，a n dd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ff i l t e r d e s i g nf o rp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gs e e p a g ed a m a g eo fe m b a n k m e n t 。f h e c o n c e p ta n dr e s e a r c h d i r e c t i o no fh y d r a u l i c s t a b i l i t y o fs o i l si s p u t f o r w a r d i ti sa l s ou s e da st h e o r e t i c a lt h r e a dt o s t u d yt h em e c h a n i s mo fs l o p e s u r f a c es c o u r i n ga n dp i p i n gf a i l u r e a sw e l lt h i s p a p e rd e a l sw i t hr e l a t i o n so f h yd r o d y n a m i ea c t i o nb e t w e e no v e r l a n df l o wa n ds e e p a g e ，a n do b t a i n st h eu n i f i c e x p r e s s i o no f d e s t a b i l i z a t i o na n dm o t i o nc o n d i t i o n sf o rs o l lp a r t i c l e s t h es t u d y o nh y d r a u l i c s t a b i l i t yo f s o i l sp r o v i d e sa n o t h e r a p p r o a c h t ou n d e r s t a n dt h ep i p i n g o f d a m ，b o i l o f g r a v e l s o i l f o u n d a t i o n ，f i l l i n gi r r u p t i o n i n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g ，e r o s i o nf o rf i l l i n gi nr o c kf r a c t u r e s ，k a r s tc o l l a p s e ，w a t e ra n ds o i l c 、n s e r v a t i o n e t c k e y w o r d s ：s l o p e s u r f a c e e r o s i o n ，s e e p a g es t a b i l i t y , h y d r a u l i cs t a b i l i t y ， r o a d c u t ，r o a de m b a n k m e n t ，g r a n i t i ce l u v i u mi ns o u t h e r nc h i n a ，r a i l w a ya n d h i g h w a y ，i n c i p i e n t m o t i o n c o n d i t i o n ， e r o s i o n i n t e n s i t y ， c r i t i c a le r o s i o n g t a d i e n t ，s l o p ed e s i g n ，s e e p a g ed a m a g e ，p i p i n gr e s i s t a n c e ， n o n l i n e a r s e e p a g e ，p i p i n g ，s e e p a g ec o n t r o l ，f i l t e rd e s i g n 西南交通大学博士学位论文第l 页 1 问题的提出 1绪论 地表水和地下水是导致铁路公路路基病害的主要自然因素。作为工程条 件和生态环境脆弱区，在我国南方花岗岩地区修建铁路公路时，由于线路工 腥开挖路堑，剥离了抗冲蚀性相对较强的土壤层和其下的红土层，抗冲蚀性 很弱的砂土层直接出露，使天然状态下缓慢的自然侵蚀在极短的时间内迅速 转变为工程性加速侵蚀。在高强度坡面冲刷下，路堑边坡迅速变形破坏，并 或为花岗岩残积层路堑边坡的主要问题。我国南方花岗岩出露较广泛，广东 。与全省总面积的3 0 4 0 ，福建省约占4 0 ，香港特别行政区占3 0 以上， 广西、湖南、江西分别占本省总面积的1 0 2 0 。当铁路公路穿过这些地 区时，往往存在严重坡面冲刷。坡面冲刷直接增加了线路养护维修费用，并 影响运营，恶化线路周边生态环境，造成水土流失等不良后果，并使边坡后 退和变陡，进一步发展，可以导致路堑边坡崩塌和滑坡。 路堤渗透破坏则是在渗透水流作用下的一种路基病害，主要与路堤填料 的性质和渗流条件有关。无粘性土和粘性土都存在渗透稳定性问题，对以各 类砂砾石夹粘土等混合料为填料的路堤，如果压密不好不匀，颗粒级配不良， 排水措施不当，路堤存在孔洞或裂缝，在地面水入渗条件好或地下水活跃时， 路堤填料中的细小颗粒将不断地被渗透水流潜蚀带走，使路堤下沉、产生空 洞、淤塞排水系统，严重时产生陷穴、滑塌等路基病害，影响路堤正常运营 和稳定性。 坡面冲刷是线状工程中一个常见却研究得很少的问题。首先需要建立本 问题的研究体系，认识其物理力学机理。冲刷的物理过程为坡面土体在坡面 流水动力作用下失稳运动和运移流失过程，从坡面流水动力作用和坡面土物 运移角度来认识坡面土体的冲刷起动条件和冲刷强度，既是目前研究中的薄 弱环节，也是突破口，它深入到了问题的本质层次，有了新的理论生长点， 反映了物理过程的实质，可以使我们对坡面冲刷的研究上升到一个新台阶。 目前，对管涌机理的研究还不成熟，从物理过程的实质看，管涌是在渗透水 流作用下土体内部土颗粒的稳定性和运动流失问题，也应该从渗流的动力作 用角度去认识其物理机制，并确定发生管涌渗透破坏的临界条件。 南方花岗岩残积层路堑坡面冲剧与路堤渗透稳定性研究 1 2 研究现状 j ，程边坡坡面冲刷是一个研究得少和研究程度低的课题，些工程单位 从边坡整治角度进行过一些研究( 张俊虎，王新民，1 9 9 7 ：等) ，从理论上 来认识工程边坡坡面冲刷还很少见，本文是在借鉴土壤侵蚀与水土保持等学 科的基础上开展论文工作的。 土壤侵蚀与水土保持与坡面冲刷密切相关。通过对区域性降雨特征、降 融旨溅侵蚀、细沟侵蚀、土壤抗侵蚀性、地貌和植被等方面的分析、统计、 试验和实测，得出小流域或区域性水土流失状况。这是水土保持研究的特色。 我国北方黄土地区和南方花岗岩地区水土流失严重，这方面的分析统计很 多。际诗札( 1 9 8 8 ) 、阮伏水( 1 9 8 9 ) 等人对南方花岗岩风化壳各垂盥分层 的墓本特征和抗侵蚀性进行了比较分析。降雨侵蚀能力取决于降雨特征 ( m o r g a n ，1 9 7 8 ) ，国内外大量实测资料和试验表明，降雨强度( 周佩华，1 9 8 l ； n e a r j n g ，1 9 9 0 ；等) ，特别是3 0 m i l 3 雨强( w i s c h m e i e r ，w h ，1 9 5 8 ) 与土 壤侵蚀量的相关性最好。降雨溅蚀是坡面侵蚀的重要组成部分( 黄秉维， 1 9 8 2 ：h u k ，1 9 8 9 ；等) 。细沟侵蚀对流域或坡面地貌发育演化有重要的潜 在影响( 黄秉维，1 9 8 3 ：n o r t o n ，1 9 8 7 ；等) 。坡度( s ) 是影响土壤侵蚀 量( e ) 的重要因素，二者为指数关系，e o t s 。，口为常数。很多学者根据 各自掌握的资料和试验。对指数口的取值差别较大( k i r k b y ，1 9 6 9 ；陈永宗， l ! ，8 k 等) ，如果坡度在较大范围内变化，应该存在个临界坡度，临界坡 度取值在理论上和实践上都具有重要意义。目前对临界坡度的取值争论较 寸，一般认为在2 0 0 4 5 0 之间( h o r t o n ，1 9 4 5 ：靳长兴，1 9 9 5 ；等) 。也有 人取为6 0 0 ( 侯晖昌，1 9 5 8 ) 。我国5 0 年代通过对黄土高原径流小区测验资 料得出，坡长与侵蚀量有时呈正向关系，有时呈反向关系，取决于降雨特征。 订， 认为存在一个临晃坡长( 罗来兴，1 9 5 8 ) ，蔡强国( 1 9 9 8 ) 对不同降雨 条q ：下的临界坡长进行了试验研究。植被是影响土壤侵蚀不可缺少的重要因 豪，很多学者进行了大量细致的试验和实测( m o r g a n ，1 9 8 7 ；蔡强国等，1 9 8 8 ； 等) 。 南方花岗岩地区路堑坡面冲刷通常是花岗岩风化壳中砂土层的冲刷，且 自度大，面积很小，基本上为裸坡，径流系统独立，冲刷强度大，降雨击溅 馒蚀能力有限，沟蚀占绝对优势。这与一般条件下低坡度、低强度、大范围、 有植被覆盖的土壤层和红土层自然地质侵蚀或加速侵蚀有很大不同：与北方 缱土地区坡面侵蚀也有很大差异，黄土粒度成分以粉砂为主，粒径一般为 西南交通大学蹲士学位论文第3 页 0 0 0 2 ，玎m 0 0 5 m m ，暴雨径流期常形成高含沙水流，以悬移运动为主，南 ，仡岗岩砂土层以中砂、粗砂和细砾为主，流失方式以推移运动为主( 罗斌， 胡厚田，t 9 9 9 ) 。但水土保持学科细致的因素分析方法同样适用于工程边坡， 断提出的；强器坡度、临界坡长等概念对路堑边坡设计和养护维修具有较大启 发陀，一些实测数据和统计关系也是宝贵的参考资料。 河流泥沙运动和粒状材料水力管道运输等固液两相流理论与坡面冲刷也 有可以类比之处。固液两相流理论提出的液体对固体颗粒的拖曳力、上举力、 离散力等概念以及河流泥沙工程学提出的河流泥沙以推移、悬移、沙波等形 式运动( 钱宁，1 9 8 3 ；张瑞瑾，1 9 8 9 ；等) 。对深入研究坡面冲刷的物理力 学讥制具有重要启示和价值。但是，河流泥沙运动与坡面冲刷还存在些差 异，如：河流泥沙运动一般接近水平或坡度很小，工程边坡则具有一定坡度， 而且般坡度较大；由于沟蚀是坡面冲刷的主体( 罗斌，胡厚田，1 9 9 9 ) ， 还应该研究坡面径流对冲槽两侧的冲刷作用；在坡面冲刷过程中，还应该考 虑坡面流入渗时渗透压力对坡面土物冲刷运动的影响。 路堤渗透破坏则与渗流有关，土的渗透稳定性问题在土石坝、江河堤坝 和砂砾石地基工程中研究得最多。对无粘性土，其渗透稳定性特性和抗渗强 度主要取决于土的颗粒组成、密实度和内部结构的稳定程度。太沙基在5 0 年代以前就提出了均匀无粘性土破坏水力比降的理论表达式。随后，前苏联 进行了大量研究，b c 依斯托美娜( 1 9 5 7 ) 明确将土的渗透破坏形式划分为 管涌、流土、接触流失和接触冲刷四类，并以土的不均匀系数来区分渗透破 坏形式和确定破坏水力比降，大大发展了对的渗透稳定性性质的认识。e 。a 。 鲁巴契柯夫( 1 9 6 0 ) 提出了一套非管涌土的标准颗粒组成曲线，并以此为准 则判别土的渗透破坏形式。b h ，康德拉且夫( 1 9 5 8 ) 根据颗粒组成曲线的形 状，结合渗透破坏形式将天然无粘性土分为单峰土和双蜂，并认为单峰土 内部结构稳定，不会产生管涌。水电科学院刘杰等人( 1 9 6 3 ，1 9 9 2 ) 将无粘 性土颗粒组成曲线分为级配连续和缺乏中间粒径两种形式，并相应给出了确 定渗透破坏形式的破坏水力比降的准则。南京水利科学院沙金煊( 1 9 7 8 ， 1 9 8 1 ) 、毛昶熙( 1 9 8 l ，1 9 9 0 ) 等人对管涌临界坡降进行了理论分析，提出 了管涌临界坡降的计算公式。粘性土的主要特征是具有较大的内聚力，其渗 透稳定性性质比较复杂，渗透力、渗流出口土体表面水化崩解以及二者的综 合作用都可以产生渗透破坏。达维登柯夫( d o v i d e n k o f f ) ( 1 9 7 7 ) 从理论上 探讨了粘性土破坏水力比降与各因素的关系。刘杰等人( 1 9 8 4 ) 根据试验得 刽了蒙脱石、伊利石、高岭石三种类型土的破坏比降。防止和控制渗透破坏 堑! 夏 南方花岗岩残积层路堑坡面冲刷与路堤渗透稳定性研究 需要设置反滤层，太沙基、前苏联、美国垦务局和陆军工程兵团水道试验站、 我国水利水电科学院等单位提出的反滤设计准则得到了广泛应用。目前，对 流士的认识比较成熟，从理论上认识管涌机理和发生管涌临界条件还在探讨 研究中，对非线性渗流条件下管涌临界条件的研究尚不多见。铁路公路工程 中列路堤渗透稳定性研究和反滤设计还不够细致和深入。 上的水力稳定性理论( 罗斌，胡厚田，1 9 9 9 ) 认为虽然从现象上看坡面 冲刷和渗透破坏有很大差异，但在物理机制上二者可以归结为土的水力稳定 p 问题。水流中( 包括地砸水流和渗流) 土的失稳起动( 包括坡面流冲刷起 动和渗流冲昂l j 管涌) 最基本的动力是水流剪力，由水流引起的动力主要有粘 滞力、惯性力和上举力等作用，只是随着水流流态的变化，这几种作用之间 有一个彼消此涨的变化过程。由于坡面流具有强烈的紊动性，紊动剪力占绝 剥优势，可以忽略粘滞力和上举力；在发生管涌条件下，渗透水流以惯性力 牧科t 滞力占优势的层流运动或有限紊流运动为主，可同时考虑惯性力和粘滞 力的作用，或在雷诺数超过临界雷诺数较大时忽略粘滞力，上举力为微量或 不存在。 13 研究思路和研究内容 本文研究了两个问题：路堑坡面冲刷和路堤渗透稳定性，试图建立工程 边坡坡面冲刷研究体系和坡面冲刷问题的基本理论框架。研究思路和主要内 容见框图1 2 1 。 南方花岗岩残积层路堑坡面冲刷是一个研究程度较低的课题，所以本次 论文工作以问题为中心，以“是什么( 现象) 一一为什么( 机理) 怎么 办灾害控制) ”这种简明有效的线索作为总体思路进行系统深入的研究。 是什么是基础，这项工作是在野外调查的基础上进行的，目的在于 总结路堑坡面冲刷的发生发展过程和野外特征，并进行全面系统的分类。为 分么是本次论文工作的重点，从坡面土物运移和水动力机制角度对坡面冲 刷进行研究是本次论文工作的大特色，目的在于认识坡面冲刷现象的内在 规律性，包括因素分析和物理机制两个方面。怎么办是落脚点。目的在 纠。对南方花岗岩残积层路堑边坡的特殊性提出新的设计思想。 由于坡面冲刷不仅涉及坡面表层土体的稳定性问题，土体失稳起动后， 还有一个运动和流失过程，由此提出了冲刷强度问题。所以，在认识坡面冲 刷物理机制时，以土的水力稳定性新概念作为理论线索和思路，见框图1 2 1 匿 西南交通大学博士学位论文第5 页 南方花岗岩残积层 路堑坡面冲刷问题 坡面冲刷特征 啊雨门 l 塑塑堡f 南方花岗岩残积层路堑坡面 冲刷与路堤渗透稳定性研究 刷类发生发 展模式 影响因素分析 e 体 l 抗冲 l 蚀性圜 坡面特征 与冲刷的 关系 坡面冲刷l 基本理论| 冲刷过程中 的受力分析 二二 二 坡蕊流能量及 其平衡 土的失稳起动 条件 坡面冲刷强度 南方花岗岩残积层 路堑边坡设计思想 路堤渗透稳定性问题 无粘性土的 渗透稳定性 路堤填料颗 粒组成 渗透破坏方 式及其判别 粘性土的渗 透稳定性 渗透破坏机 理 抗渗强度fl 抗渗强度 管涌 为铁路公路路基设计和灾害控制提 堡里玲伛据，达到减灾防灾的目的 非线性渗流 二二二工= 渗透水流中土 的受力分析 管涌临界水动 力条件 路堤渗流控制和反滤设汁 第6 页 南方花岗岩谈积层路堑坡面冲刷与结堤渗透稳定性研究 r ”邦的一套虚框。 本文主要从以下三种途径来认识坡面冲刷的物理机制：从坡面流剪 力入乒。使土颗粒脱离母体运动和流失，归根到底是坡面流拖曳力的作用。 扶坡面流流速入手。降雨强度大，历时长，坡面径流深，水流速度就大， 冲刚强度就越大。从坡面流能量入手。坡面土物流失必然消耗定能量， 也赣必须有能量来源，除了降雨外，能量只有来自于坡面流的动能。由于坡 面流剪力、流速和能量之间存在一定关系，这三个方面可以建立联系，并互 耳l 补充。泥沙运动学等固液两相流理论提出的水流对固体物颗粒的拖曳力、 举力、离散力等溉念和固体颗粒以推移、悬移等形式运移，对深入研究坡 礁冲刷的物理机制具有重要价值，加深了认识深度。在此基础上，通过对水 斌能量、能量损失、传递和平衡的分析，可以得出坡面流作用在坡面表层土 f l - 拖曳力与有关参量的关系，此拖曳力是进一步认识坡面冲刷力学机制的 冀础。在此基础上，通过坡面冲刷过程中土颗粒受力分析和力的平衡条件， h - 眇得出坡面土体的失稳起动拖曳力。在起动拖曳力的基础上，利用坡面流 流速和剪力的关系，可以得出起动流速，由能量守恒原理，可以得出起动流 量。由于坡面冲刷既具有力学上的必然性，也是一种概率事件，由能量守恒 稚 出坡面冲刷强度比较简便。至此，建立了坡面冲刷过程中土的失稳起动条 件科i 冲刷强度理论体系。在以上基础上，可以顺理成章得到坡面冲刷强度最 ，、时边坡坡度一一冲剧临界坡度。此坡度值对以冲刷为主要问题的边坡设 计、养护维修以及水土保持和国土资源利用具有重要理论价值和实甩价值。 路堤渗透稳定性问题是本次论文工作的另一部分内容，砂砾石等无粘性 “j 是最常见的路堤填料，而无粘性土渗透破坏最常见的形式是管涌。目前对 流i 一的认识比较成熟，对管涌机理和临界条件的认识还在探讨研究中。这与 流i 和管涌物理本质有关。当土体骨架糊颗粒之间的空隙被细粒全部填满 时，渗流状态为层流，土体渗透破坏必然成团成群发生。即形成流土；随着 细 4 含量减少，细粒在粗粒空隙中将处于自由状态，土体的渗透破坏表现为 l 靼个颗粒的冲动和流失，即形成管涌，此时，地下水渗透速度和雷诺数相对 较；k ，由线性渗流运动转变为惯性力占优势的层流运动，最后转变为惯性力 ，i 绝对优势的紊流运动。由以上过程可见，要得出发生管涌的临界水动力条 # ，还得从非线性渗流规律入手，由此必须考虑水流在平方阻力区的惯性力， y 面且，士颗粒的渗透破坏形式为单个颗粒的冲动。本次论文工作就是基于以 匕认识，同样以土的水力稳定性为线索，从理论上对管涌机理和临界水动力 暴件进行了深入研究。 西南交通大学博士学位论文第7 页 通过上述研究思路，本次论文工作的主要研究内容包括： ( 1 ) 划分了路堑边坡坡面冲刷类型，描述了坡面冲刷野外特征，提出了坡 面冲刷发生发展模式。 t 2 ) 结合清连公路沿线花岗岩残积层路堑边坡条件，分析了坡面冲刷影响 因素以及南方花岗岩残积层路堑边坡坡面冲刷严重的原因。 3 ) 全面分析了路堑坡面冲刷过程中土的受力情况。 s ：4 ) 建立了路堑坡面冲刷过程中土的失稳起动条件的理论表达式。 i5 ) 建立了路堑坡面冲刷强度的理论表达式。 ：6 ) 从理论上探讨了长期争论不休的坡面侵蚀临界坡度问题。 ( 7 ) 对南方花岗岩残积层路堑边坡设计方法进行了探讨。 ( 8 ) 对土颗粒存在对坡面流的影响进行探讨。 ( 9 ) 分析了路堤渗透破坏的形式及其判别方法、无粘性土抗渗强度、粘性 土渗透破坏机理及其抗渗强度。 i1 0 ) 从理论上深入探讨了非线性渗流规律、管涌机理和发生管涌渗透破 坏的临界水动力条件。 ( 11 ) 对路堤渗流控制、防止和控制路堤渗透破坏进行反滤设计的基本原 理进行了讨论。 ( 1 2 ) 初步探讨了地表水流和渗流水动力作用的内在联系和土颗粒水力失 稳运动的统一表达式。 塾坠墨塑! 皇堕查垄蜜堂丛塑里蝥；! 垫自i 垫面冲刷问题 2 南方花岗岩残积层路堑边坡坡面冲刷问题 2i 引论 坡面表层土体在降雨及其形成的坡面流作用下破坏流失的现象称为坡面 冲刷或坡面冲蚀，其中，坡面流对坡面表层土体的水力冲刷是坡面冲刷主体。 由于开挖路堑和剥离边坡，冲刷从天然状态下相对缓慢的自然侵蚀过程，在 很短的时间内，迅速发展成为工程活动引起的加速冲刷过程。严格地说，应 该包括水蚀和冲刷两个环节，只有在坡面土体抗水蚀性和抗冲刷性都较差的 情况下，才会出现较为严重的坡面冲刷，以下不严格区分冲刷和。冲蚀。 公路、铁路作为线状工程，延伸长，其路堑边坡岩士性质多种多样，有 些岩类残积层风化物抗冲蚀性很弱，在不利的降雨等条件下，往往形成严重 坡面冲刷。我国南方花岗岩地区作为生态环境和工程条件脆弱区，当线路穿 过时，常常会遇到路堑坡面冲刷闯题。南方花岗岩出露较广泛，广东占全省 总面积的3 0 4 0 ，福建省约占4 0 ，香港特别行政区占3 0 以上，广西、 湖南、江西分别占本省总面积的l o 2 0 。成昆线、京广线、京九线、鹰 厦线、湘桂线等铁路沿线以及上述各省区线路穿过花岗岩出露地区时，都存 在较为严重的坡面冲剧问题】。 工程边坡坡面冲刷是一个研究得很少的课题，本章以“是什么( 现象) 一一为什么( 机理) 一一怎么办( 设计和灾害控制) ”这种简明的思路为线 袭进行系统深入的认识。是什么”是基础，这项工作是在野外调查的基 础e 进行的，划分了路堑边坡坡面冲刷类型，全面描述了冲槽几何特征、在 坡面上的组合特征、在坡面上的分布规律、冲蚀发生发展过程和差异性冲蚀 观象。为什么是认识坡面冲刷现象的内在规律性，包括因素分析和机理 c 巧个方面。怎么办是落脚点，针对南方花岗岩残积层路堑边坡的特殊性， 疆出了“高角度开挖、全断面护坡”设计思想。其中，为什么是本次论 交：互作的重点，从城面土物运移和水动力机制角度对坡面冲昂1 j 进行研究是本 章的一大特色。 坡面冲刷的物理本质是坡面流对坡面上土物的搬运，即坡面土物在水 动力作用下失稳起动和运移的过程，也就是土物颗粒在坡面流水力作用下由 脱离母体到流失、由静到动的过程，包括起动、运动、沉积三个环节。从这 西南交通大学博士学位论文第9 页 种机理层次上认识坡面冲蚀，可由三种途径入手pj 。第一种途径，从坡面流 拖曳力入手。从动力学机制上看，使土物脱离母体和流失，归根到底是坡面 流拖曳力的作用。第二种途径，从坡面流流速入手。在坡面条件相当的情况 下，降雨强度大，历时长，径流深，水流速度大，冲蚀强度就大，由此可建 立坡面流流速和冲刷之间的关系。第三种途径，从坡面流能量入手。坡面土 物起动和运移流失，从根本上看，必须消耗一定的能量，也就必须有能量来 源，除了降雨外，能量只有来自于坡面流的动能。由此认识坡面冲刷机理， 这是这三个方面还可以建立联系，并互相补充。 固液两相流理论，特别是河流泥沙运动和粒状固体物水力管道运输领域 提出的水流对固体颗粒拖曳力、上举力和离散力的概念和固体物以推移、悬 移、沙波等形式运移，拓宽了研究视野和研究深度。通过对水流能量、能量 损失、传递和平衡的分析，可以得出坡面流作用在坡面表层土物上的拖曳力 与有关参量的关系，此拖曳力对认识坡面冲刷力学机制具有莺要意义。在此 基础上，通过坡面冲刷过程中土颡粒受力分析和力的平衡条件，得出了坡面 土体的失稳起动拖曳力。以起动拖曳力为基础，利用坡面流流速和剪力的关 系，可以得出起动流速。由能量守恒原理，可以得出起动流量。坡面冲刷强 度也可以由能量守恒得出。至此，建立了坡厦冲尉过程中土的失稳起动条件 和冲刷强度理论体系。在以上基础上，可以顺理成章得到坡面冲刷强度最大 时边坡坡度一可称为临界冲刷坡度，此坡度值对以冲刷为主要问题的边坡 设计、养护维修、水土保持和国土资源利用具有重要理论和实用价值。 本章结合清连公路花岗岩残积层路堑边坡的具体条件，对坡面冲蚀进行 研究。1 0 7 国道清( 远市) 连( 州市) 一级公路位于广东省粤北山区，沿线 花岗岩残积层路堑边坡冲刷严重。坡面冲刷不仅直接增加养护维修费用，从 城面冲刷下来的大量土物还会影响运营、增加清方量、堵塞排水沟、恶化生 态环境、造成水土流失等不良后果，并使边坡后退和变陡，进一步发展，可 以导致路堑边坡崩塌和滑坡。这类边坡治理也比较困难，从1 9 9 6 年底通车 至今两年多时闻，沿线花岗岩残积层路堑边坡的坡面护坡工程大部分破损失 效。冲刷及由此带来的问题，已成为这类边坡的主要问题。 在清连公路沿线，除了燕山期花岗岩残积层边坡外，石炭系炭质泥质页 岩风化层、寒武系粉砂质页岩风化层也存在不同程度的坡面冲蚀问题。如： k2 2 16 + 6 0 0 8 0 0 朋处炭质泥岩风化物边坡，坡匾冲槽发育，坡面流沿着浆 砌片石护坡裂缝处下渗潜蚀、冲淘，护坡内土物流失，护坡变形、开裂、塌 陷，天沟断开，挡墙变形并向线路位移超过3 0 c t n ；在k 2 2 2 9 + 9 0 0 川 釜旦夏至! 至南丝岗考残积星路堑边坡坡面冲刷问题 k2 2 3 0 + 1o o m 地段，坡脚堆积大量冲刷下来的粉砂质页岩风化物，坡面发 育有较深的冲沟，加上边坡坡度较大，在重力作用下小坍塌呈阶梯状向坡面 上方逐级发展。 2 2 清连公路沿线路堑边坡坡面冲蚀特征 221 冲蚀类型 根据坡面冲蚀特征对坡面冲蚀进行区分、归类、分类，是认识坡面冲蚀 的重要环节，也是进行系统深入研究的基础。根据野外调查，对清连公路花 岗岩残积层坡面冲蚀作如下分类。见表2 2 1 。 表2 2 i坡面冲蚀分类表 分类按冲蚀痕迹的形态特按坡面土物运移方 按径流出露 情况和有无 标准征和冲蚀强度式和特征 护坡工程 片蚀沟蚀稚移迢明 类 细浅冲坍跃层 悬 裸 潜 溅 面滚 滑移 坡 沟 沟沟移移、一 ，适冲 型 侵 冲冲塌1 歪匿 动 蚀 蚀 蚀 蚀 动动 动 动蚀 蚀蚀 l1 ) 按冲蚀痕迹的形态特征和强度，分为三类：片蚀、沟蚀、坍塌。 片蚀又可分为雨滴溅蚀和面蚀。沟蚀按其强度大小又可分为细沟侵蚀、 浅沟冲蚀、冲沟冲侵蚀。沟蚀是坡面冲蚀的主体。 雨滴溅蚀；指在无护坡的坡面上，雨滴直接打击坡面引起颗粒分散、飞 溅，或撞击地表薄层水流增大水流的紊动，从而使坡面流产生和增大侵蚀能 力。溅蚀在整个坡面上都可能发生，可促使坡面土物颗粒不断向下方移动。 ) f 始降雨时，雨滴的接触面是坡面表层土物颗粒，其绝大多数能量用于溅散 坡丽士物。当坡面存在薄层水流时，雨滴除了继续溅散表层颗粒外，还有部 分能量用于水层的振荡，增加水流的紊动及扩散作用，提高其携带沙土的能 ，j 。降雨强度越大，雨滴越大，动能也就越大，溅蚀作用也就越强烈。某些 条件下，溅蚀对坡面土物颗粒的分散作用是径流冲刷的重要基础，不可忽视。 面蚀：从雨滴击溅起，当降雨强度超过坡面表层入渗强度时，就会产生 地表径流，在裸露的平整的坡面上，地表径流开始时呈薄而均匀的层流，随 西南交通大学博士学位论文第1 1 页 后形成不同深度的径流。面蚀就是指坡面上风化物颗粒受这种薄层水流或地 表径流作用所发生的冲蚀。面蚀的侵蚀能力取决于流速和流量，而流速和流 量又取决于降雨特征、坡面土物颗粒特性、坡度、坡长、坡面形态特征、坡 面表层的渗透率、坡面对水流的阻力等。一般情况下，降雨强度大、坡面土 物抗冲蚀性差、坡度大、入渗率低时，面蚀越强烈。 细沟侵蚀：指水流从细小的、轮廓清楚的小沟槽或地表径流集中的流路 形成钓坡面冲蚀。浅沟冲蚀：指在一般线状股流作用下的冲蚀，形成具有一 定深度和宽度的冲蚀沟槽。冲沟冲蚀：浅沟在横向和纵向进一步发展就形成 冲沟冲蚀，是冲蚀发展到后期的一种高强度冲蚀形式。根据清连公路沿线花 岗岩残积层路堑边坡坡面冲蚀特征，沟槽深度 5 册，宽度 lm ，宽1 2m 。 ， 某些冲沟源头还存在跌水冲掏，如k 2 2 0 3 + 4 0 0 - - 6 0 0 卅处边坡下部平台 外缘有一深5 1 米的冲蚀性落水洞，为一冲沟的源头，沟头底部略低，向外 平行发展约5 - ，6 米，然后顺坡而下。这种平智外侧的铁水冲掏在沿线屡见 不鲜，见照片l 。 照片1 平台外侧冲蚀性落水洞 第1 2 页第2 章南方花岗岩残积层路堑边坡坡面冲刷问题 坍塌：指与冲蚀相关的坡面局部坍塌，包括沟槽两邦的掉块和小坍塌。 它不是由坡面流水力作用直接产生的，但与冲蚀有很大关系。特别沟蚀发展 到一定程度，冲槽两坡变陡，加上花岗岩残积层水稳性差，在重力作用下发 生崩塌，崩塌物随后被水流冲走。这种模式是冲沟发展到后期的一种表现， 由此大大加剧冲蚀强度。形成恶性循环，难以控制。如k 2 2 4 1 + 2 0 0 4 0 0 m ， 边坡两侧坡面上冲沟较发育，一般宽l 2 米，深1 2 米，有明显的崩塌痕 迹，坡面破碎，隐患大。 ( 2 ) 按坡面土物运移方式和特征，并考虑水动力作用方式，分为两类： 推移运动和悬移运动 6 。 推移运动可分为滚动、滑动、跃移运动、层移运动。 推移运动：指粒径较大的土颗粒沿坡面滚动、滑动、跃动、或呈层状沿 坡面向下运移，有时运动，有时处于静止状态，呈间歇性。运动的颗粒与静 止的颗粒常常彼此交换，且前进的速度比水流速度小得多。 当水流速度较大时，除了最表层的土物颗粒处于运动状态，靠近地表的 第二层颗粒也开始运动，随着水流不断加强，运动不断向深层发展，称之为 层移运动c 6 3 73 。 悬移运动：指风化物中粒径较小的颗粒在水流中呈悬浮状前进，其顺水 流运动的速度与坡面流基本相同。悬浮的位置时上封下，很小的颗粒能上升 至接近水面，较粗的颗艘有时又回到缓面生。蚜表层的颗粒发生置换现象。 但与推移运动比较起来。其悬浮的持续性簧大得多：运动速度接近水流速度。 土物颗粒的运动方式因坡面流强度和颗粒的大小筹性质而异。从坡面土 物运移特征角度进行分类，是认识坡面冲届n 物趣机制舶基础。 ( 3 ) 按径流出露情况和有无护坡工程，分为撮坡冲饿藕潜蚀两类。 。潜蚀是指水流沿护坡工程与坡面的接合部位葳护坡体裂缝破损处