稀性泥石流對(duì)路基溝岸侵蝕機(jī)理分析

仇偉淇，江 川，吳 輝

(1.中交一航三公司，青島 400067;2.中交二航院，武漢 400074;3.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200324)

泥石流(debris flow)是高濃度水砂礫復(fù)合異相混合流，是顆粒大小差異很大的固體(巖土體)和液體(水)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，其中沙、礫主要按滾動(dòng)及躍動(dòng)狀態(tài)遷移。在小流域內(nèi)，滑坡和泥石流通常相伴而生、互為因果，具有強(qiáng)烈的沖擊、破壞作用。泥石流屬于典型的災(zāi)害地貌現(xiàn)象及地貌過(guò)程，是山丘地區(qū)公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中普遍存在且破壞作用極其強(qiáng)烈的公路水毀類型，是毀損穿越泥石流溝的公路路基、路面及相應(yīng)防治結(jié)構(gòu)物的重要外在動(dòng)力機(jī)制[1]。

目前基本上均把泥石流作為一種公路水毀類型或不良地質(zhì)現(xiàn)象予以防治。泥石流是最主要的公路水毀類型，我國(guó)每年因此而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元。我國(guó)西部地區(qū)的公路水毀70%左右源于泥石流，集中發(fā)育在川西的國(guó)道318線、319線、108線及省道西昌-木里藏區(qū)干線公路、西昌-美姑干線公路，新疆國(guó)道G213線(天山公路)，陜南G210線、G108線、G316線及紫陽(yáng)公路，滇北楚雄-大理干線公路等等[1]。

山區(qū)公路沿河線，尤其是穿越泥石流溝岸的公路(見(jiàn)圖1，圖2)，由于泥石流體運(yùn)動(dòng)的慣性作用，易于沖擊溝岸，岸坡的沖蝕必然導(dǎo)致路基坍塌毀損，形成路基水毀(圖3，圖4)。充分理解和認(rèn)識(shí)路基溝岸沖蝕坍塌機(jī)理，對(duì)于路基防護(hù)工程起到指導(dǎo)意義。

1 稀性泥石流運(yùn)動(dòng)特性分析

按照泥石流的性質(zhì)可分為稀性泥石流、過(guò)渡性泥石流、黏性和塑形泥石流[1-3]。稀性泥石流[4]屬于紊流型二相流，組成液相的是水和較細(xì)的顆粒所組成的漿體，較粗的顆粒組成固相。0.2～2 cm的粗砂和礫石呈懸浮狀態(tài)，更粗的顆粒則以滾動(dòng)和跳躍的方式前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)速度要比漿體的速度慢的多，在近處可以聽(tīng)見(jiàn)石塊的撞擊聲。

1.1 泥石流等效兩相流模型

陳洪凱[5]基于兩相流建立泥石流體的等效模型，即泥石流等效兩相流模型，該模型是兩相流模型的具體化。其基本思路是把泥石流體看成是由大量均質(zhì)固相顆粒和均質(zhì)漿體組成的兩相流體，如圖1所示。

在建立泥石流等效兩相流模型時(shí)，應(yīng)遵循下面兩條等效原則。

1)兩種泥石流體的容重相等，即:

式中，γcn、γcm分別為天然泥石流體和等效泥石流體的容重，kN/m3。

2)兩種泥石流體所含的固體顆粒成分相似，使兩者的黏度和靜切力強(qiáng)度相等，即:

式中，Win和Wim分別為天然泥石流體和等效泥石流體中某組相應(yīng)顆粒所占的重量百分比;ηcn和ηcm，τ0n和τ0m分別為天然泥石流體和等效泥石流體的黏度和靜切力強(qiáng)度。

在等效兩相流模型中，泥石流可看成是兩種流體的混合物，一是真正的流體，一是固體顆粒的擬流體。通過(guò)把固體顆粒的直徑作為不同尺寸顆粒的一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均，可將尺寸不同的固相顆粒等效成顆粒粒徑相同的球體。固體顆粒作為一種擬流體，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出流體的特性。模型中每一相都是充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì)，其中顆粒項(xiàng)是與流體相相互滲透的擬流體，它與連續(xù)相流體一樣采用在Euler坐標(biāo)系中宏觀連續(xù)介質(zhì)原理中能量守恒方程。

圖1 龍膽溪泥石流

圖2 泥石流溝岸公路

圖3 泥石流護(hù)岸工程

圖4 某泥石流公路被沖毀后修筑的簡(jiǎn)易公路

圖5 等效兩相泥石流體模型

1.2 稀性泥石流運(yùn)動(dòng)特性

泥石流中顆粒組成的范圍很大，這些顆粒尺寸差別很大的固體顆粒，在泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于承受的力不同，而出現(xiàn)不同的分布狀態(tài)，如細(xì)顆粒泥沙，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完全處于懸浮狀態(tài)，很粗的顆粒則可能在床面附近以滾動(dòng)、跳躍的形式存在。泥石流體中含有一定數(shù)量的細(xì)顆粒物質(zhì)，一定程度上增加了泥石流體黏性，從而增強(qiáng)了泥石流體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，大大降低了粗顆粒的沉速，因此泥石流中泥沙的分布較普通含沙水流要復(fù)雜得多，因而也必然導(dǎo)致泥石流體中的能量分布更為復(fù)雜[9]。根據(jù)泥石流兩相流模型，將稀性泥石流劃分為液相與固相，由于細(xì)顆粒隨水流流失，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中粗細(xì)顆粒容易分離。因此將液相組成定義為細(xì)顆粒(d＜2 mm)與水流，粗顆粒(d＞2 mm)組成固相物質(zhì)。液相運(yùn)動(dòng)紊流運(yùn)動(dòng)為主，固相以推移質(zhì)形式存在，推移質(zhì)在床面層中以滾動(dòng)、滑動(dòng)及跳躍的形式運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷和床面泥沙發(fā)生交換。在山區(qū)公路中，以稀性泥石流水毀最為普遍和嚴(yán)重，液相部分對(duì)溝岸進(jìn)行劇烈沖刷，固相部分對(duì)溝岸進(jìn)行強(qiáng)烈撞擊，最終導(dǎo)致路基溝岸邊坡失穩(wěn)破壞。

2 侵蝕機(jī)理分析

2.1 液相對(duì)溝岸路基的淘刷

泥石流的紊動(dòng)與普通挾沙水流的紊動(dòng)基本相似，依然存在有脈動(dòng)、渦動(dòng)和環(huán)流，有時(shí)發(fā)育還比較完善。稀性泥石流與部分過(guò)渡性泥石流的流態(tài)一般多呈紊動(dòng)流，其懸浮能力比水大。稀性泥石流液相對(duì)溝岸侵蝕發(fā)育機(jī)理與沿河公路路基被河流沖刷切割毀損的機(jī)理是相同的[6-8]，但是發(fā)育過(guò)程演化更為劇烈。

在河流彎道中，因環(huán)流的存在導(dǎo)致凹岸沖刷，凸岸淤積，沿河灣段路基邊坡和坡腳受到水流的淘刷，有可能使沿河路基邊坡坡腳淘空造成路基坍塌。所以，沿河彎凹岸的沖刷直接影響了沿河路基的穩(wěn)定和安全。從山區(qū)到平原的各類河流，都是由無(wú)數(shù)的河灣和直段組成。山區(qū)河流受兩岸地形限制，屬于強(qiáng)制性河灣。山區(qū)公路每到汛期山洪爆發(fā)，來(lái)勢(shì)洶猛，凹岸沖刷嚴(yán)重。彎曲型河道的挾沙水流運(yùn)動(dòng)有其自身的特點(diǎn)，由于彎道的存在，水流發(fā)生彎曲，這樣的水流受到重力和離心慣性力的雙重作用而形成彎道環(huán)流(圖6)，其等壓面不是水平的，而是與重力和離心慣性力的合力相垂直，因而水流沿橫向呈曲線變化，凹岸一側(cè)的水位恒高于凸岸一側(cè)，這一力學(xué)現(xiàn)象決定了彎道水流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。表層較清的水流向凹岸，造成凹岸沖刷，從凹岸向下轉(zhuǎn)向凸岸的底層流攜帶大量泥沙，導(dǎo)致凸岸淤積。導(dǎo)致凹岸路基受彎道水流侵蝕的主要原因有:①河灣環(huán)流直接橫向淘刷凹岸路基邊坡導(dǎo)致岸坡被侵蝕。②彎道環(huán)流淘刷過(guò)程中，邊坡上一部分土體失穩(wěn)，沿某一滑動(dòng)面發(fā)生移動(dòng)、崩塌，滑入到坡腳附近或河槽內(nèi)，導(dǎo)致岸坡的侵蝕后退.彎道水流直接作用于凹岸路基，沖動(dòng)水面以下邊坡上的表層土粒，并將它們帶走，從而導(dǎo)致路基的淘刷。這是一種較常見(jiàn)的水流對(duì)路基的侵蝕方式(見(jiàn)圖7)。

由于泥石流體流速較快、慣性大，因此泥石流體較一般水體有更加顯著的彎道超高現(xiàn)象。彎道超高分兩種情況:一種是當(dāng)凹岸為平緩斜坡時(shí)，泥石流緊靠凹岸一側(cè)且流速較快，流體增厚而產(chǎn)生超高現(xiàn)象，而在接近凸岸一側(cè)泥石流體流速變慢，流體變薄;另一種是當(dāng)凹岸為陡峭坡體時(shí)，泥石流不僅產(chǎn)生彎道超高，而且在凹岸底部還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的環(huán)流，泥石流沖擊岸坡而造成強(qiáng)烈沖刷作用。

圖6 彎道環(huán)流示意圖

圖7 泥石流對(duì)路基淘刷沖蝕過(guò)程

2.2 固相對(duì)溝岸路基的撞擊磨蝕破壞

2.2.1 撞擊破壞

泥石流流體中所含的巨大礫石具有極大的沖擊力，往往是工程破壞的直接原因。公路路基邊坡采用擋土墻、擋土墻與丁壩配合、擋土墻與護(hù)坦配合、擋土墻與丁壩和護(hù)坦配合等各種配合防護(hù)形式，稀性泥石流爆發(fā)過(guò)程中，除液相部分類似水流對(duì)溝岸沖蝕作用外，固相物質(zhì)，尤其大粒徑石塊對(duì)溝岸防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊磨蝕作用不可忽視。泥石流對(duì)工程建筑的破壞，往往是個(gè)別石塊沖擊所致。其中包含泥石流體中的固相顆粒，以點(diǎn)狀接觸碰撞建筑物，從而引起構(gòu)件呈剪切或彎矩形式斷裂而破壞。

2.2.2 磨蝕破壞

泥石流兩相流體中固相顆粒對(duì)結(jié)構(gòu)表面混凝土及溝床與岸坡主要產(chǎn)生切削作用[8]，其原因是面對(duì)承磨壁面介質(zhì)的初始不均質(zhì)性或砂漿被泥石流漿體磨蝕后出露的微凸起，在高速運(yùn)動(dòng)的泥石流固相顆粒沖擊作用下發(fā)生切削(圖8)。通常，泥石流固相顆粒隨機(jī)地沖擊壁面。對(duì)壁面而言，沖擊力可分解為法向分力和切向分力。在法向分力作用下，顆粒的棱角刺入承磨介質(zhì)表面;在切向分力作用下，顆粒沿平行于承磨介質(zhì)表面滑動(dòng)，帶有銳利棱角并具有適合迎角的顆粒能切削表面而形成切屑，在切削過(guò)程中使混凝土表面材料產(chǎn)生一定程度的塑性變形或脆斷。

圖8 泥石流固相顆粒的切削作用

圖9 平底拱斷面布置圖

3 路基的防護(hù)與加固措施

泥石流岸坡沖蝕防治的核心是調(diào)節(jié)泥石流沖擊方向、控制泥石流對(duì)岸坡坡腳的掏蝕以及基于泥石流的沖擊荷載建造防治結(jié)構(gòu)類型[1]。防治以護(hù)岸、固底[9]為主，前者為岸坡的直接防治結(jié)構(gòu)類型并具有一定的豎向及側(cè)向承載力，后者為岸坡的間接防治結(jié)構(gòu)類型。

固底防護(hù)分為:塊石鑲底，挑流壩，平底架拱，糙樁[9]常見(jiàn)幾種類型。

3.1 塊石鑲底

適用于受泥石流沖刷和淘刷的路堤邊坡和坡腳，在盛產(chǎn)石料(大礫石、卵石)和沿河線開(kāi)山廢石方較多的地區(qū)使用;塊石的直徑應(yīng)大于泥石流流速能啟動(dòng)的最大石塊直徑[2]。如果使用石塊固底，石塊的長(zhǎng)軸方向與水流方向一致，最短軸與水流方向垂直且保持水平，并用M10.0砂漿漿砌，也可以采用C15混凝土澆筑。在溝頂部應(yīng)加大塊石的粒徑和埋深或采用格構(gòu)錨固的措施，以防止溝頂破壞而使下部抗沖刷能力削弱。

3.2 平底架拱

當(dāng)泥石流天然溝槽的坡降較大時(shí)，流體速度較快，產(chǎn)生的縱向剪切力較大，或從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)考慮，全程采用順底鋪石就不是很合理，可以采用間隔一定距離鋪設(shè)平底拱，其構(gòu)造如圖9所示。采用平底拱可以有效增強(qiáng)溝底的抗沖能力，而且減少了塊石的用量。

3.3 糙樁

泥石流天然溝槽坡度不均勻時(shí)，尤其是上陡下緩的情況，上游流速較快，下游坡緩速度變慢，不能滿足排泄上游的流量，就會(huì)發(fā)生溝道堵塞、漫流，產(chǎn)生一些不良的危害。在下游變坡，選用糙樁技術(shù)也可以達(dá)到理想的排導(dǎo)效果。

3.4 挑流壩

適用于路基受沖刷嚴(yán)重，需要改變泥石流流向，使路基坡腳淤積變坦的地段。在泥石流控制范圍內(nèi)，若有重要建筑物工程，必須對(duì)泥石流的流向加以改造，緩和流勢(shì)，采用挑流壩是十分有效的，它可以規(guī)范泥石流流向，迫使泥石流流向溝心[9]。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)(Bank revetment)是指利用擋土墻或護(hù)面墻減小泥石流對(duì)岸坡的沖蝕確保岸坡穩(wěn)定及岸坡公路建構(gòu)筑物安全與穩(wěn)定的防治結(jié)構(gòu)型式。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)可為重力式擋土墻，由素混凝土或漿砌石現(xiàn)場(chǎng)澆筑;也可為鋼筋混凝土護(hù)面墻。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

1)護(hù)岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋置深度。以泥石流溝20 a內(nèi)最大下切深度作為基礎(chǔ)埋深。

2)護(hù)岸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以泥石流在防治部位的最大沖擊、撞擊力作為外荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及基礎(chǔ)驗(yàn)算。

3)護(hù)岸結(jié)構(gòu)超高計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到泥石流陣性超高、彎道爬高，超高高度不低于20 a一遇泥石流陣性超高及彎道爬高2.0 m。

值得指出的是，岸坡防治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)高度重視結(jié)構(gòu)抗御泥石流沖撞以及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深設(shè)計(jì)，合理確定泥石流在易毀岸坡段的最大沖刷深度，確保結(jié)構(gòu)體的整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)本文通過(guò)對(duì)稀性泥石流特性分析，運(yùn)用泥石流等效兩相流模型，將稀性泥石流劃分為固相及液相，液相以紊流運(yùn)動(dòng)為主，固相以滑動(dòng)、翻滾、跳躍為主。

2)分別從液相及固相對(duì)路基溝岸侵蝕機(jī)理進(jìn)行分析，液相以沖刷淘蝕作用為主，固相以撞擊磨蝕破壞為主。

3)針對(duì)稀性泥石流對(duì)路基溝岸侵蝕作用，分析了常見(jiàn)的不同防護(hù)型式的適用條件及范圍，在熟悉各種措施防治機(jī)理、適用條件的基礎(chǔ)上，才能有的放矢，采取相對(duì)應(yīng)的防治措施，從而達(dá)到防治泥石流對(duì)路基溝岸破壞的目的。

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