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全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)理及工程防護(hù)措施

文檔作者：蘇偉馮楊文檔來源： (湖南省通平高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司			點(diǎn) 擊數(shù)：
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第37卷，第6期
2 0 1 2年1 2月
公 路 工 程
Highway Engineering
Vo1．37，No．6
Dec． ，2 0 1 2
全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)理及工程防護(hù)措施
蘇 偉，馮 楊
(湖南省通平高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南岳陽414500)
[摘 要]全風(fēng)化花崗巖由于工程性質(zhì)特殊，成為生態(tài)環(huán)境和工程條件脆弱區(qū)。在公路工程中全風(fēng)化花崗巖
邊坡坡面沖刷嚴(yán)重，而目前公路邊坡設(shè)計(jì)中往往忽視沖刷對風(fēng)化花崗巖邊坡安全的影響。為此，結(jié)合工程實(shí)際，
分析得出了全風(fēng)化花崗巖地區(qū)邊坡沖刷防護(hù)的臨界高度和起始沖刷長度，并有針對性的提出了相應(yīng)的工程防護(hù)措
施，為同類邊坡的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
[關(guān)鍵詞]全風(fēng)化花崗巖邊坡；沖刷機(jī)理；臨界高度；沖刷防護(hù)措施
[中圖分類號】u 416．】 4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號】1674—0610(2012)06-0146-04
Erosion M echanism and Protection M easures of Completely
W eathered Granite Slope
SU W ei，F(xiàn)ENG Yang
(Hunan Tongping Expressway Construction and Development Co．Ltd．，Yueyang，Hunan 414500，Chi—
ha)
[Abstract]Due to its special engineering properties，the completely weathered granite is become
the ecological environment and engineering conditions fragile area． The erosion of the completely weathered
granite slop is very serious，and the slope design often ignored erosion’S influence to the safety of
completely weathered granite slope． So，the paper analyses the critical height and the initial erosion
length of the weathered granite slope，and provide the protection measures and reference for the similar
slop design and construction．
[Key words]completely decomposed granite； erosion mechanism；critical height；protection meas·
1lreS
O 引言
全風(fēng)化花崗巖主要由石英質(zhì)砂粒組成，巖質(zhì)極
軟、遇水易散、結(jié)構(gòu)松散、水穩(wěn)性差、粘結(jié)力小，其路
用工程性質(zhì)差。全風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度受含水量的影響
很大，在天然狀態(tài)下，強(qiáng)度比較高，但浸水飽和后或
含水量增至塑限以上時(shí)，粘土顆粒表面水化膜增厚、
粘粒之間的聯(lián)結(jié)減弱，土呈軟塑或可塑狀態(tài)，這時(shí)強(qiáng)
度就會喪失或減弱，造成邊坡的破壞。因此，坡面沖
刷成為了南方全風(fēng)化花崗巖邊坡的主要問題。
工程設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)時(shí)主要從邊坡的穩(wěn)定
性等因素出發(fā)，很少考慮坡面的沖刷作用，在這方面
重視程度不高，同時(shí)邊坡沖刷理論的研究不夠深人，
防沖刷設(shè)計(jì)的依據(jù)不足，造成難以合理進(jìn)行護(hù)坡設(shè)
計(jì)。但是由沖刷產(chǎn)生的破壞卻無法避免，必須要采
取相應(yīng)的防護(hù)措施，而研究邊坡沖刷機(jī)理是進(jìn)行沖
刷防護(hù)合理設(shè)計(jì)的前提條件，是必不可少的基礎(chǔ)。
為此，本文結(jié)合湖南通城界(湘鄂界)至平江
(黃泥界)高速公路(以下簡稱通平高速)中遇到的
全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)情況，開展全風(fēng)化花崗巖邊坡沖
刷的機(jī)理研究，提出合理的臨界坡度和坡面起始沖
刷長度；提出適用于全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷工程臨
時(shí)性和永久性防護(hù)方案。
1 工程概況
受南方地區(qū)高溫、濕熱的歷史氣候條件影響和
特定地質(zhì)條件環(huán)境，通平高速公路分布著大量的風(fēng)
化花崗巖，沿線呈典型的風(fēng)化花崗巖地貌。本文選
【收稿日期】2012一lO—Il
[作者簡介]蘇偉(1984一)． ．湖1={{婁底人．碩一f：研究生，主要從事高速公路施一 j管理：】 作。
第6期 蘇偉，等：全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)理及工程防護(hù)措施 147
擇有代表性的第一標(biāo)段k1+580～kl+670段右側(cè)
路塹邊坡為研究對象，該邊坡長度為90 m，最大坡
高40．3m。邊坡已開挖出了兩級，坡頂未設(shè)山坡截
水溝，出露巖體十分破碎，呈土狀。如圖1所示。
圖1 kl+580一k1+670右側(cè)邊坡
Figure 1 Rightside of kl+580一k1+670 Slope
k1+580～kl+670路段屬低山丘陵地貌區(qū)斜
坡地帶；地形較陡，呈凸起狀，自然坡度約30。一
50。。線路軸線經(jīng)過的地面高程231．60～247．70
m，坡面植被較發(fā)育。坡面出露為全風(fēng)化花崗巖，灰
褐、灰白色，堅(jiān)硬狀，原巖結(jié)構(gòu)完全破壞，尚可辨認(rèn)，
長石基本風(fēng)化成高嶺土，巖質(zhì)軟，遇水軟化、崩解。
場地地表水系不發(fā)育，由于高差大，坡度較陡，便于
地表水排泄，故場地地表水主要為少量洼地雨季匯
水，水量小，地下水類型主要為風(fēng)化基巖裂隙水。
邊坡采用臺階式邊坡：第一級邊坡坡率均為1
：0．75和1：1兩種，第二、三級邊坡坡率為1：1，第
三級邊坡坡率均為1：1和1：1．25兩種，第四級邊
坡坡率均為1：1．25。每級間平臺寬均為2 m，邊坡
單級高度10 m。
2 邊坡沖刷破壞機(jī)理
2．1 坡面沖刷臨界坡度的確定
坡度對沖刷的影響是多方面的。一方面，隨坡
度增加，坡面流流速增大，沖刷能力增強(qiáng)；而且，由于
坡度增加，土物顆粒穩(wěn)定性降低，抗水力沖刷能力減
弱。另一方面，隨著坡度增大，受雨面積減少。這兩
方面的影響此增彼減，也必然存在一個(gè)臨界值u。 。
坡面沖刷強(qiáng)度最大時(shí)的邊坡坡度稱為臨界坡
度，研究臨界坡度在理論上可更好地認(rèn)識坡度對坡
面沖刷的影響，以便更深入地分析沖刷機(jī)理；在工程
上，可定出?一個(gè)合理的極限坡度范圍供設(shè)計(jì)人員參
考。由于在該坡度范圍內(nèi)的沖刷強(qiáng)度最大，在進(jìn)行
設(shè)計(jì)時(shí)，可避開此坡度界限值，達(dá)到不設(shè)防護(hù)設(shè)施或
減少防護(hù)工程量的目的，取得較大的工程經(jīng)濟(jì)效益
及社會效益。但是，此問題一直沒有得到很好解決，
從理論上來確定公路邊坡臨界坡度還很少見 。
采用坡面流拖曳力法來分析，取一斷面，如圖2
所示，其通過斷面A的單寬流量為Q，沿坡面向下由
斷面B后單寬流量為Q+ Qd
，兩斷面問流量增加
值為zXQ： ，根據(jù)質(zhì)量守恒，降雨量與人滲量之
差為徑流增加量，得：
d =('7_g) 。s盧， (1)
式中：．，7為降雨強(qiáng)度，m／s；q為降雨入滲強(qiáng)度，m／s；
為坡角。
設(shè)徑流在距坡頂l處達(dá)到平衡，水流沖刷能力
最強(qiáng)。此時(shí)，1處的單寬流量：
Q= d = (叼一g COS =
(，7一g)／cos盧， (2)
式中：Q為單寬流量，m ／s；l為坡面起始沖刷長度，
由曼寧流速公式 ，
= 力(tan盧) ， (3)
式中： 為曼寧系數(shù)，與坡面粗糙程度有關(guān)。
用式(3)表達(dá)，則可推導(dǎo)出徑流水深求解方程：
Q=vh= ^ (tan JB) =(77一q)／cos盧。(4)
則徑流水深 ：
^=[ c叼一g)z]。
。
c5)
根據(jù)受力分析，f處土粒向下方運(yùn)動的合力
為 ：
F=y【 ('7一q)z】3／5(cos／3) (sin盧) Ⅲ+
( (sin／3)， (6)
式中：D為土顆粒平均直徑； 。為土的顆粒密度；
為水密度。
可見，坡面沖刷臨界坡度與坡面對水流的粗糙
程度、人滲情況、徑流達(dá)到平衡時(shí)的坡長等有關(guān)。令
dF
= 0，根據(jù)kl+580～kl+670路段土質(zhì)情況，取
uD
’， =2．65× 10 N／m ， = 1．0 × 10 N／m。
， 貝0( 一
) 'If一0．864，n>0．02，(’7一q)即徑流深度和f都
遠(yuǎn)大于D。由式6可求得， 一46。，即得臨界坡度為
l48 公路工程 37卷
46。。可以看出，臨界坡度與邊坡的穩(wěn)定坡比相近，
因此應(yīng)合理處理這一矛盾，必須加強(qiáng)全風(fēng)化花崗巖
路塹邊坡的及時(shí)防護(hù)，做到邊開挖邊防護(hù)，減少邊坡
的暴露面，縮短邊坡暴露時(shí)間m 。
圖2 坡面流拖曳力法分析示意圖
Figure 2 Analysis on the Overland Flow Drag Force Method
2．2 坡面起始沖刷長度分析
坡面起始沖刷長度是指開始發(fā)生沖刷時(shí)徑流經(jīng)
過的長度，此時(shí)水流沖刷能力最強(qiáng)。它的確定對于
邊坡的防護(hù)具有重要的意義，不僅能降低不必要的
防護(hù)措施降低成本，更能保證整個(gè)邊坡的安全。
當(dāng)坡面顆粒的合力大于顆粒的抗滑強(qiáng)度的時(shí)候
坡面沖刷時(shí)殘積物開始發(fā)生沖蝕，即：
F>rs=c+o-tgq~。 (7)
取 ：( 一y) c。s盧，y。：2．65×10 N／
m
。
，
y =1．0 × t0 N／m。
，則( 一 )詈=0．864，由式
(7)推導(dǎo)可得：
(8)
根據(jù)實(shí)際，取坡比1：1，即0=45。，田一q=
150 m ／m ，c=30．0 kPa，n=0．02則得：
l≥ 5．9 m 一6．0 m。
可見，邊坡坡面長度超過6 m時(shí)開始發(fā)生沖蝕，
在邊坡采用骨架防護(hù)時(shí)，骨架長度應(yīng)小于6 m。
3 邊坡沖蝕防治方法
對沖蝕和沉積控制方法，需根據(jù)氣候、地形、植
被和要求的防護(hù)期限來確定采用的方法。在施工
期，可采用臨時(shí)結(jié)構(gòu)性措施，減少施工中的水沖刷作
用；在路基成型到運(yùn)營后需采用永久性措施 ?。
3．1 施工中的邊坡臨時(shí)治理
工程常用的臨時(shí)措施有：① 鋪設(shè)草包：用于草
包或稻草包用線繩、塑料或金屬絲綁緊，攔阻攜帶沉
積物的徑流從擾動土的小排水區(qū)流出，每個(gè)草包埋
入地下至少10 cm深并用金屬桿或木樁錨住，草包
可降低層流或淺集中水流的徑流速度，導(dǎo)致泥砂沉
積；② 開挖排水溝：挖溝筑成臨時(shí)土溝并沿施工現(xiàn)
場或擾動區(qū)周邊設(shè)置，在設(shè)置永久控制措施之前，這
種結(jié)構(gòu)疏導(dǎo)施工現(xiàn)場未擾動區(qū)的水流。如果這種結(jié)
構(gòu)形成施工區(qū)域的下游周邊界，便可集中擾動區(qū)的
水流經(jīng)處理后并排放。坡面水流從施工現(xiàn)場疏導(dǎo)流
向較低處，徑流通過土護(hù)道可導(dǎo)向排水溝。坡頂和
護(hù)道水溝，沿坡頂修筑水溝，防止附近區(qū)域表面水流
入邊坡，有幾種類型的水溝可以采用，如預(yù)制混凝土
u形溝槽、砌石水溝等。當(dāng)預(yù)計(jì)徑流小時(shí)，可不設(shè)水
溝或?qū)⑺疁显O(shè)在距邊緣足夠遠(yuǎn)處，以免成為邊坡的
一個(gè)附加的不穩(wěn)定因素。在護(hù)道水溝內(nèi)匯集的水可
采用垂直排水或用可避免出現(xiàn)侵蝕問題的其它方法
排流到坡腳處。
3．2 公路使用壽命期中的侵蝕和沉積治理
公路建成后，如采取的臨時(shí)措施不適于作為長
期防護(hù)方法或采取的方法不正確，則侵蝕和沉積問
題仍可能繼續(xù)發(fā)生，即使當(dāng)時(shí)程度較輕，但在公路使
用壽命期中將顯現(xiàn)出來，并有13益惡化的危險(xiǎn)。
永久防護(hù)措施分為兩類，第一類為植被措施，從
生態(tài)學(xué)和景觀的觀點(diǎn)看，這是一種最適宜的方法；人
工構(gòu)造物與植物同時(shí)采用的防護(hù)為第二類。
抗侵蝕的生物防護(hù)措施在于保證盡可能使地表
植被完善。植物地氈的這種綜合作用接受了并緩沖
了高速落下的暴雨，而且，地面上雜亂的莖桿、樹根
和植物殘梗起到抑制表面徑流作用，防止土粒被沖
走，土中含水量的調(diào)節(jié)也可說明對坡面產(chǎn)生的穩(wěn)定
效果。采用植被作為公路裸露邊坡的適宜處理措施
同時(shí)可消除景觀上的不良痕跡，并使公路沿線具有
與自然更協(xié)調(diào)的綠化景觀，保護(hù)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。
在原設(shè)計(jì)方案中，一級邊坡kl+580～kl+595
段采用襯砌拱植草防護(hù)，k1+595一kl+643段采用
錨桿格梁+TBS植草防護(hù)格梁方形布置，尺寸為
0．3×0．3 m；二級邊坡kl+584一kl+601段及kl
+622～kl+665段采用襯砌拱植草防護(hù)；kl+601
～ kl+622段采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索格梁+
TBS植草防護(hù)，格梁方形布置，尺寸為0．5×0．5 m。
三、四級邊坡全段采用襯砌拱植草防護(hù)。
根據(jù)全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)理的研究，結(jié)合
k1+580～kl+670段路塹邊坡工程實(shí)際地質(zhì)和施
工條件，在施工開挖階段，采用鋪設(shè)草包和開挖排水
溝相結(jié)合的方式，有效的減少了坡面暴露面積和縮
短暴露時(shí)間。同時(shí)，對原防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了變更，根據(jù)
第6期 蘇 偉，等：全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷機(jī)理及工程防護(hù)措施 149
土中原生及次生裂隙的多少，防護(hù)格梁方形主骨架
適當(dāng)加粗到0．6—1．0 rfl(深)×0．6 m(寬)，骨架垂
直距離為6．0 m，取得了較好的安全和經(jīng)濟(jì)效果。
4 結(jié)語
根據(jù)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場調(diào)研，可以初步得出如下
結(jié)論與建議：
① 通過理論計(jì)算分析結(jié)果顯示，坡面沖刷臨界
坡度為46。，邊坡面起始沖刷長度約為6．0 m；
② 邊坡防護(hù)應(yīng)該堅(jiān)持臨時(shí)防護(hù)措施和永久防
護(hù)措施相結(jié)合的原則，在邊坡形成過程中和成型后
進(jìn)行全過程的防護(hù)，使它在沖蝕發(fā)生初期就能得到
有效控制；
③ 全風(fēng)化花崗巖邊坡防護(hù)，應(yīng)特別重視水的作
用，因?yàn)槿L(fēng)化花崗巖粘聚力小，邊坡抗沖蝕能力
低，坡面沖刷嚴(yán)重，經(jīng)分析計(jì)算坡面沖刷臨界角為
46。左右，與邊坡的穩(wěn)定坡比相近，因此應(yīng)合理處理
這一矛盾，必須加強(qiáng)全風(fēng)化花崗巖路塹邊坡的及時(shí)
防護(hù)，做到邊開挖邊防護(hù)，減少邊坡的暴露面，縮短
邊坡暴露時(shí)間。
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(上接第130頁)
d．確定最佳油石比。按修正后的基于最緊密
嵌擠狀態(tài)的油石比確定方法確定最佳油石比。
e．配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)。
① 按現(xiàn)行JTG F40規(guī)范要求進(jìn)行各種使用性
能的檢驗(yàn)，不符合要求時(shí)，必須分析原因，重新進(jìn)行
配合比設(shè)計(jì)，必要時(shí)更換材料。
② 用最佳油石比P +0．3％ 對級配上限(至少
是4．75、2．36與0．075 mm幾個(gè)關(guān)鍵性篩孔的通過
率處于或盡量接近上限)進(jìn)行高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)。用
P 一0．3％ 對級配下限(至少4．25、2．36 與
0．075 mm幾個(gè)關(guān)鍵性篩孔的通過率處于或盡量接
近下限)的馬歇爾試件進(jìn)行空隙率檢驗(yàn)。不符合要
求時(shí)，必須分析原因，重新調(diào)整最佳油石比，必要時(shí)，
更換材料重新進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。
6 結(jié)語
① 采用修正的基于最緊密嵌擠狀態(tài)的瀝青混
合料油石比確定方法，瀝青混合料最大限度的接近
骨架嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，修正后的油石比，能確保在正常
容許的施工油石比偏差范圍內(nèi)，空隙率始終滿足要
求，保證混合料的高溫穩(wěn)定性和密水性。
② 在配合比設(shè)計(jì)中，引入針對級配范圍設(shè)計(jì)思
想，最大限度保證了瀝青混合料的級配在施工容許
的波動范圍內(nèi)，其主要功能滿足技術(shù)要求。
③ 針對級配范圍的基于功能設(shè)計(jì)的瀝青混合
料配合比設(shè)計(jì)方法，是以現(xiàn)行規(guī)范中“熱拌瀝青混
合料配合比設(shè)計(jì)方法”為基礎(chǔ)的，適用于高溫多雨
地區(qū)大交通量高速公路半剛性基層瀝青路面中、下
面層的瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)。
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