高速公路邊坡水土流失機(jī)理與養(yǎng)護(hù)管理

1、高速公路邊坡水土流失機(jī)理與養(yǎng)護(hù)管理 摘要:對重慶市梁忠高速公路填方路基邊坡土壤開展室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，分析不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙的規(guī)律;結(jié)果說明:在0.6mm/min、0.9mm/min、1.2mm/min降雨強(qiáng)度條件下，起始產(chǎn)流時間隨坡度呈減小趨勢，當(dāng)土體坡度一定時，起始產(chǎn)流時間不斷減小，地表徑流強(qiáng)度隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大;當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時，土體的起始產(chǎn)流時間隨土體坡度增大逐漸減小，從而反映出地表徑流強(qiáng)度不斷增大;降雨強(qiáng)度對土壤侵蝕的臨界坡度有一定影響，但兩者詳細(xì)變化關(guān)系需進(jìn)一步研究。另外，通過高速公路邊坡水土流失機(jī)理進(jìn)展了研究，展開了高速公路邊坡水土流失主要誘因分析，提出了

2、科學(xué)的高邊坡的養(yǎng)護(hù)管理措施。關(guān)鍵詞:高速公路;水土流失;人工降雨模擬實(shí)驗(yàn);產(chǎn)沙量0引言當(dāng)今世界水土流失仍然是一個技術(shù)性的難題，無論山區(qū)還是高原都存在不同程度的水土流失問題1。地球上受到水土流失的面積到達(dá)2500萬平方千米，大約有陸地面積的16.7%，損失的土壤量到達(dá)260億噸2。近年來，在開發(fā)建立過程中進(jìn)展的大量采挖活動，特別是山區(qū)高速公路工程建立中，對土壤和植被自然形態(tài)產(chǎn)生了劇烈擾動和破壞，加上在施工過程中保護(hù)監(jiān)管措施不到位，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致大量的水土流失3。山區(qū)高等級公路的修建，往往需要開挖大量的邊坡。邊坡的開挖卸荷導(dǎo)致巖土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)邊坡所受的應(yīng)力到達(dá)應(yīng)力

3、極限時，邊坡就會發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成大量的人員傷亡4。大量工程開挖和人工降雨也會造成大量的水土流失，尤其是在復(fù)雜的高速公路建立中5，不可防止地破壞生態(tài)和植被，留下了大量的裸露邊坡，造成了水土流失的加劇67。因施工過程處理不當(dāng)而導(dǎo)致建筑材料大量浪費(fèi)，并且，導(dǎo)致地表土質(zhì)松散變質(zhì)，當(dāng)遇到雨水侵蝕時就會造成大量的水土流失89，如不加以有效防護(hù)，由于土壤侵蝕導(dǎo)致坡面部分崩塌形成大型滑坡，將造成宏大財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡，對生態(tài)環(huán)境也造成大面積的破壞。因此，在高速公路建立的過程中，如何加強(qiáng)對環(huán)境的保護(hù)，成為一個越來越被廣泛關(guān)注的技術(shù)性的問題。高速公路填方路基邊坡坡面土壤含有大量的建筑廢石，與一般的山區(qū)坡面土壤

4、有著很大不同，所以在這樣的環(huán)境修建高速公路除工程難度大以外，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求也相對較高1011。因此，對高速公路邊坡土壤展開水土流失研究，試驗(yàn)樣本取自重慶市梁忠高速公路境內(nèi)的填方路基邊坡土壤。通過模擬室內(nèi)人工降雨測定徑流量和泥沙量，分析坡度及降雨強(qiáng)度對坡面土壤的流失的影響。為高速公路邊坡修建提供理論根據(jù)，為配套高速公路水土流失防治措施的制定提供數(shù)據(jù)根底。1材料與方法試驗(yàn)土壤選用重慶市梁平區(qū)仁賢鎮(zhèn)梁忠高速公路施工區(qū)域第四紀(jì)沉積物坡積土，天然容重為1.76g/cm3，土中含有較多的石塊細(xì)渣。首先將土壤過孔徑為10mm的篩網(wǎng)去除過大的石塊，然后利用篩分法將試驗(yàn)土壤進(jìn)展顆粒分類，土壤粒徑(0.1m

5、m)、(0.1mm0.25mm)、(0.25mm0.5mm)、(0.5mm1mm)、(1mm2mm)、(2mm5mm)、(5mm)分別為4.13%、6.20%、8.33%、14.03%、10.72%、41.31%和15.28%。由于該試驗(yàn)土主要用于填筑路基，所以土壤中含有大量的大顆粒碎石、碎渣以保證路基的穩(wěn)定性。土壤粒徑(2mm)的顆粒部分到達(dá)56.59%，而原地貌土壤粒徑(2mm)的顆粒部分質(zhì)量不到10%，占比非常低4。該試驗(yàn)采用自行研制的人工降雨模擬裝置，實(shí)驗(yàn)過程中該裝置降雨強(qiáng)度均勻且穩(wěn)定。用可變角度的土槽來模擬高速公路邊坡的土體坡面，該土槽參數(shù)為1mx0.5mx0.4m，試驗(yàn)土壤的密度為

6、1.79g/cm3，試驗(yàn)土壤的天然含水率為10%，與施工現(xiàn)場土壤的含水率非常接近。本次實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舉行。為了更加接近現(xiàn)場路面的實(shí)際情況，對其土槽內(nèi)部的填土情況進(jìn)展分層填裝，最底層為均勻分布10cm厚的碎石，碎石層上填裝5cm的細(xì)沙，細(xì)沙之上為本次試驗(yàn)土壤，厚度為20cm，以滿足本次模擬降雨過程的土壤中水分的自由浸透條件。在土槽內(nèi)進(jìn)展填土之前，需要確定每層土體的厚度以及填充土體的重量，待每層土體填裝完成后，把土體壓實(shí)至確定的厚度，繼續(xù)填裝下一層土體。在填裝下一層土體之前需要將土壤外表用刀片將土壤打碎，目的是保證每層之間更好地接觸，防止出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。在填裝

7、過程中，需要保證土體含水量均勻，因此在填充土壤層之前，需要對土壤層的含水量進(jìn)展測量并且配置。在實(shí)驗(yàn)開場前需要保證降雨量穩(wěn)定，待降雨穩(wěn)定一段時間后開場試驗(yàn)。同時記錄降雨時間(即坡面產(chǎn)流時間)，并觀察坡面的變化。用徑流桶接住坡面上流下來的水，把徑流桶放在電子秤上同時記錄流下水的質(zhì)量，試驗(yàn)開場后，每隔1min2min記錄坡面流下水的質(zhì)量。試驗(yàn)時間為1h，試驗(yàn)完畢后，待接取的坡面上的水全部澄清后，將徑流桶的上層清液汲取出來，然后將底層的混濁液倒在燒杯中，放入烘箱在105的條件下烘干。2結(jié)果與分析在其他外界條件一樣的情況下，降雨強(qiáng)度和坡面坡度都會影響土體坡面的起始產(chǎn)流時間。在0.6mm/min，0.9m

8、m/min，1.2mm/min降雨強(qiáng)度條件下，起始產(chǎn)流時間隨坡度呈減小趨勢，在同一降雨強(qiáng)度條件下，起始產(chǎn)流時間隨著坡度增加呈減小趨勢，其中坡度在5時，變化最為明顯。同一坡度條件下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，產(chǎn)流時間提早，極差值也在不斷縮小，由圖1可知:起始產(chǎn)流時間隨著土體坡度增大而減小，且在土體坡度一定時，降雨強(qiáng)度越大起始產(chǎn)流時間也越來越小;比照4種坡度可以看出，在同一降雨強(qiáng)度下，當(dāng)土槽坡度大于15時，起始產(chǎn)流時間與降雨強(qiáng)度線性關(guān)系非常明顯，而當(dāng)土槽坡度為5時，線性關(guān)系不太明顯。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度和坡面坡度都會影響土體坡面的起始產(chǎn)流時間。試驗(yàn)剛開場階段，由于土壤的含水量沒有到達(dá)飽和

9、，雨水不斷被吸收，所以地表無明顯的徑流產(chǎn)生。隨著降雨試驗(yàn)的不斷進(jìn)展，雨水不斷地滲入土壤中，土體含水量逐漸增大，由土壤上層至下層不斷浸透，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于雨水在土壤中下滲的速率時，地表徑流開場產(chǎn)生。當(dāng)土體坡度一定時，起始產(chǎn)流時間不斷減小，地表徑流強(qiáng)度隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大;另一方面，在降雨強(qiáng)度一定的情況下，起始產(chǎn)流時間隨坡度增大逐漸減小，從而反映出地表徑流強(qiáng)度不斷增大。通過降雨試驗(yàn)得出，在其他因素保持一致的情況下，隨著降雨的增強(qiáng)，對土壤的侵蝕作用越來越大，降雨強(qiáng)度越大，雨水的流量越大，從而雨水的速度和動能就越大，由于土壤構(gòu)造物間充滿細(xì)小的土壤顆粒，進(jìn)而沖刷的土壤顆粒就越多，從而對土壤構(gòu)造的破壞程

10、度越大，對土壤的侵蝕就越多。由此可見，坡面流量與水流速度都會影響對坡面土壤的侵蝕，土壤中水流入滲量越小，坡面的水流速度就越大，從而對土壤的侵蝕就越多。根據(jù)圖2所示，在同一坡度條件下，總產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度增大而增大。坡面總產(chǎn)沙量受降雨強(qiáng)度影響非常顯著，但是增大土體坡度對坡面總產(chǎn)沙量的影響更加顯著，當(dāng)土體坡度一定時，降雨強(qiáng)度在0.6mm/min0.9mm/min的范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量增長幅度最大，降雨強(qiáng)度在0.9mm/min1.2mm/min范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量次之，以當(dāng)土體坡面角度為15時，降雨強(qiáng)度在0.6mm/min0.9mm/min的范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量從60.52g增加到137g，降雨強(qiáng)度在0.9mm/mi

11、n1.2mm/min的范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量從137g增加到148.29g。由此可以說明，降雨強(qiáng)度增大，總產(chǎn)沙量呈增長趨勢，但是總產(chǎn)沙量增長的速率隨之降低。坡面上的土壤侵蝕強(qiáng)度除了與降雨因素有關(guān)外，地面坡度的大小也是影響坡面土壤侵蝕的主要因素。本次室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)在降雨強(qiáng)度一定的條件下，土體不同坡度對總產(chǎn)沙量的影響。由圖3結(jié)果可知，在一樣降雨強(qiáng)度條件下，土體總產(chǎn)沙量可分為3個階段，坡度在515，在同一降雨條件下坡面產(chǎn)沙量增加較快，當(dāng)坡度由15增加到25時，產(chǎn)沙量增加放緩，當(dāng)土體坡度在2535范圍內(nèi)，且產(chǎn)沙量隨坡度增大而降低。在降雨強(qiáng)度一定的條件下，坡面土壤在降雨侵蝕作用下存在某一臨界坡度。從本次試驗(yàn)結(jié)

12、果來看，該臨界坡度在25附近。通過本次人工降雨模擬實(shí)驗(yàn)分析得出，土體坡面的產(chǎn)沙量在單位時間內(nèi)并不是不變的，隨著坡面產(chǎn)流的不斷加大，地表徑流的逐步趨于穩(wěn)定，從而產(chǎn)沙量不斷增加。在降雨強(qiáng)度一樣條件下，隨著坡度的增加，總產(chǎn)沙量也會隨之增大，當(dāng)土體坡面角度到達(dá)25時，隨著坡度增加，坡面的總產(chǎn)沙量呈減少趨勢。降雨強(qiáng)度和土體坡度對坡面的產(chǎn)流也產(chǎn)生很大的影響。該試驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)土體坡度一定時，起始產(chǎn)流時間不斷減小，地表徑流強(qiáng)度不斷增大;另一方面，在降雨強(qiáng)度一定的情況下，隨土體坡度的增大，地表徑流強(qiáng)度呈緩慢遞增趨勢。高速公路邊坡在施工完畢后，各個構(gòu)件還不穩(wěn)定，混凝土還在加固過程中，為了保證混凝土強(qiáng)度的穩(wěn)定以及

13、高速公路邊坡各個構(gòu)件的穩(wěn)定，需要對其進(jìn)展一段時間的養(yǎng)護(hù)，從而保證高速公路邊坡的平安性。包括邊坡的定期檢查，排水設(shè)施的清理，溝底損壞的修復(fù)，使得邊坡的隱患降到最低。根據(jù)理論經(jīng)歷，植物的葉子、落葉均可以防止降雨對高速公路邊坡的侵蝕12。對此，要對邊坡進(jìn)展一系列的養(yǎng)護(hù)措施:(1)完善養(yǎng)護(hù)制度，對其養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)展監(jiān)視;(2)建立相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)管理臺賬，并且確保時刻有人進(jìn)展執(zhí)行;(3)重視日常維護(hù)保養(yǎng);(4)在路基、路面、等施工區(qū)域，種植一定的植物來增加其防風(fēng)固沙的才能，并且保持土壤的完好性，防止降雨對高速公路邊坡的侵蝕1314;(5)建立完善的應(yīng)急體系。邊坡假如長期處于水的侵蝕作用下，水會降低邊坡的強(qiáng)度，導(dǎo)

14、致高邊坡穩(wěn)定性降低，因此要經(jīng)常查水、定期清理、疏通邊坡排水系統(tǒng)。高速公路邊坡水土流失問題是威脅高速公路平安的一大隱患，應(yīng)以預(yù)防為主，防治結(jié)合，共同對邊坡進(jìn)展養(yǎng)護(hù)以及對高速公路路基進(jìn)展災(zāi)害治理，建立完善的應(yīng)急體系。3完畢語降雨起始產(chǎn)流時間受降雨強(qiáng)度和土體坡度的影響非常大，在同一降雨強(qiáng)度下，當(dāng)土槽坡度大于15時，起始產(chǎn)流時間與降雨強(qiáng)度線性關(guān)系非常明顯，而當(dāng)土槽坡度為5時，線性關(guān)系不太明顯。試驗(yàn)結(jié)果說明:當(dāng)土體坡度一定時，起始產(chǎn)流時間不斷減小，地表徑流強(qiáng)度不斷增大;另一方面，在降雨強(qiáng)度一定的情況下，隨土體坡度的增大，地表徑流強(qiáng)度呈緩慢遞增趨勢。通過對土體內(nèi)的顆粒進(jìn)展分析，水流運(yùn)動過程中會受到孔隙壓力、重力、水流阻力、土體顆粒與水的黏結(jié)力作用。通過分析土體坡面產(chǎn)沙過程得出，降雨強(qiáng)度對坡面總產(chǎn)沙量的影響非常顯著，但是土體坡度對總產(chǎn)沙量有著很大的影響，當(dāng)土體坡度一定時，降雨強(qiáng)度在0.6mm/min0.9mm/min的范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量增長幅度最大，降雨強(qiáng)度在0.9mm/min1.2mm/min范圍內(nèi)總產(chǎn)沙量次之。坡面上的土壤侵蝕強(qiáng)度除了與降雨因素有關(guān)外，地面坡度的大小也是影響坡面土壤侵蝕的主要因素。當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時，總產(chǎn)沙量先隨著坡度增大而增大，當(dāng)土體坡度增大到25后，總產(chǎn)沙量隨著坡度的增大而減少。說明土體存在某一臨界坡度，到達(dá)