山区沿河公路路基边坡水毁机理研究现状

山区沿河公路路基边坡水毁机理研究现状

程胡昊

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆市 400074）

1.1背景与依据

随着“十四五”规划的逐步执行，我国的经济社会发展提升显著，而公路交通基础设施作为国民经济发展的基石，在其中扮演着不可或缺的角色，截至2022年，我国的公路里程已经达到了535.48万公里，极大的缓解了我国不发达地区的交通运输压力。在我国西南山区，由于独特的气候水文因素和地势条件，公路的修建往往是依山傍水，且路基的修建多为半填半挖形式，因此沿河公路路基受河水冲刷严重，根据有关资料显示，我国每年因公路水毁造成的直接经济损失高达几十亿乃至上百亿元。山区公路的水毁问题严重威胁了人民的生命财产安全和公路的正常安全运营，加强公路交通基础设施的建设，提高公路基础设施的抗灾韧性是目前不容忽视的问题。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沿河公路路基冲刷机理研究现状

（1）水毁分类

由于公路水毁的影响因素众多，水毁方式各不相同，且研究人员所选取的研究对象也各式各样，因此对水毁类型的划分有着众多不同的角度，国内研究人员对公路水毁灾害分类的研究工作较为详细，已经形成了一套完善的水毁类型划分体系。

国内最早的相关研究由蒋焕章[1]开展，除了对公路水毁进行了定义，还对公路水毁的类型进行了初步划分，根据受灾结构物不同将水毁分为了路基水毁、路面水毁、桥涵水毁、边坡水毁等。高东光等[2]将山区沿河公路路基冲刷水毁分为凹岸冲刷和一般冲刷两类，详细分析了不同河流形态下沿河公路路基的水毁成因，并提出了采用护坡、挡墙、护坦、丁坝相互配合的防护方式，针对不同的水毁类型采用相应的对策进行防护。祝晓寅等[3]以四川凉山地区的公路水毁为研究对象，按地质现象与力学机制将该地区公路水毁分为了重力剪切破坏、泥石流诱发、河流破坏和地基失效四种类型，同时论述了每种水毁类型的主要表现方式及其内在机理。田伟平等[4]以致灾因子和承灾体的角度出发，将公路水毁划分为了水毁灾害成因、致灾因素、水流的作用机理、沿河路基水毁的防护建筑物类型、损坏的公路结构物6种情况。此外，还确定了山区公路水毁的主要影响因素并从灾害的危险性、承灾体的易损性、破坏损失情况、防护效果四个方面建立了山区公路承灾能力的定量评价指标体系。

（2）水毁机理

在山区河道中，顺直段河道与弯道段河道中水流的流态是不同的，这直接导致两种地形情况下的路基边坡受到的水流冲击强度、冲击方向不同。早在1975年，Hooke [5]发现弯道段的水流存在横向的流态，其较强的冲刷能力会将凹岸侧的泥沙输运至凸岸侧。Pizzto [6]和Nagata [7]等人则通过构建河岸边坡模型研究了水流冲刷作用下河岸侵蚀过程及弯道泥沙输运过程。陈洪凯等[8]将泥石流概化为具有相同粒径的固相颗粒和具有相同力学性质的液相浆体，分别构建了两相冲击力的计算式，并据此构建了泥石流两相冲击力及冲击时间的计算方法。

沿河公路路基在弯道段更易受水流冲刷破坏，而最大冲刷深度作为路基边坡基础埋深的参考依据，可以用于判断沿河公路路基的安全性，研究人员对最大冲刷深度的理论计算开展了大量的研究。田伟平等[9]建立了缩尺人工弯道模型，通过试验数据结合实地调研数据进行回归分析，提出了最大冲刷深度与水深、泥沙粒径、河道宽度、弯道半径等影响因素之间的关系式。黄志才[10]和吴国雄[11]等通过水槽模型试验，研究了设置丁坝、护坦等防护结构物后，对沿河公路路基弯道凹岸的最大冲刷深度的影响，建立了适用于山区非均匀沙河床的防护构造物冲刷深度计算公式。

此外，在流场特征及水流冲刷沿河公路路基边坡及其防护构造物的毁损破坏机理方面的研究也较为完善。Silva [12]对河道流体运动进行了总结，提出应将曲流平面演变测定方法与冲积河流自我形成原理统一起来。王贺[13]探究了山洪冲击角度、山洪密度、颗粒粒径三种影响因素对山洪冲击挡墙过程力学特征的影响，并分析了冲击过程中挡墙稳定性的变化。杨佐磊[14]对非恒定流作用下桥墩局部冲刷机理进行研究，对比恒定流的研究结果，非恒定流在涨水阶段水流的冲刷强度随着冲刷过程的进行而逐渐增大。赵欢[15]以陕南山区沿河公路为例，研究了不同河道段的水流流场特性，并探究了水流条件、弯道形式、河道压缩情况对河道流场特性规律变化的影响。彭之晟[16]通过数值模拟研究了弯曲河道流速、水深、弯道转角和边坡坡度等因素对弯道段流态形态、冲淤变形的影响，并对冲刷破坏情况下路基边坡稳定性变化规律进行了分析。

影响沿河公路路基边坡稳定性的因素除了水流之外，来自边坡内部的渗透压力同样也是威胁边坡稳定的重要因素。降雨、泄洪等条件下河道水位在短时间内会快速变化，而边坡土体内部水位线的变化往往滞后于河道水位，从而形成较大的渗透差，导致路基边坡失稳。刘修宇[17]对周期性浸水软土地区路基的稳定性进行了研究，结果表明随着干湿循环的次数增多，安全系数的变幅逐渐减小；边坡坡度对路基边坡稳定性的影响最大，其次是水位降低幅度。秦晓同等

[18]基于非饱和冻土水热迁移耦合模型，分析不同降雨强度、初始含水率对冻土边坡体积含水率、温度、入渗率、湿润锋变化影响规律，发现相较于常温边坡，冻土边坡湿润锋的增长速度呈现明显的缓慢-加速-缓慢三段式发展，并以10cm、20cm为变化的节点深度。

1.3 总结与讨论

综上所述，可以将沿河公路路基边坡的水毁来源分为外部和内部两种，来自于外部的破坏主要是由于水流冲刷所导致的，而来自于内部的破坏主要是由边坡土体内外渗透压差所导致的，影响要素主要与流体、土体、河道、环境、防护结构物等主体有关。对于水流冲刷破坏而言，边坡水毁破坏的位置往往是在弯曲河道凹岸侧或防护结构物基底处；而对于渗透破坏，其破坏规律与水位的变化情况相关，在一次完整的洪水灾害过程中，边坡稳定性在涨水期会有一定的提高，在水位下降时稳定性则会快速下降，所以边坡破坏有时会在洪水退水时发生。总而言之，沿河公路路基水毁并非是单一因素作用的结果，而是多种因素耦合作用下所导致的，需要在不同的条件下考虑其复杂的毁损机制。

参考文献

 [1]蒋焕章. 公路水毁防治技术[M]. 人民交通出版社, 1993.

[2]高冬光, 张义青, 田伟平, 等. 沿河公路水毁防护[J]. 西安公路交通大学学报, 1998(S2):83-90.

[3]祝晓寅, 陈洪凯, 翁其能, 等. 山区公路水毁机理与抗毁结构分析——以凉山地区为例[J]. 重庆交通学院学报, 2001(02):58-64.

[4]田伟平, 胡保存, 延西利, 等. 山区公路防排水评定方法与抗水灾评估指标研究[Z]. 长安大学, 2007.

[5]Hooke R L B. Distribution of sediment transport and shear stress in a meander bend[J]. The Journal of geology, 1975,83(5):543-565.

[6]Pizzuto J E. Numerical simulation of gravel river widening[J]. Water resources research, 1990,26(9):1971-1980.

[7]Nagata N, Hosoda T, Muramoto Y. Numerical Analysis of River Channel Processes with Bank Erosion[J]. Journal of hydraulic engineering (New York, N.Y.), 2000,126(4):243-252.

[8]陈洪凯, 唐红梅, 陈野鹰. RESEARCH ON METHOD TO CALCULATE VELOCITIES OF SOLID PHASE AND LIQUID PHASE IN DEBRIS FLOW[J]. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition), 2006(03):399-408.

[9]田伟平, 李惠萍, 高冬光. 沿河路基冲刷机理与冲刷深度[J]. 长安大学学报（自然科学版）, 2002,22(4):39-42.

[10]黄志才. 山区公路沿河路基冲刷机理和防治技术研究[D]. 重庆交通学院, 2004.

[11]吴国雄, 黄志才. 沿河路基局部冲刷深度计算研究[J]. 中国公路学报, 2005,18(4):12-15, 53.

[12]Da Silva A M F. Recent Advances from Research on Meandering and Directions for Future Work[M]//Switzerland: Springer International Publishing AG, 2015:373-401.

[13]王贺. 沿河公路挡墙山洪冲击特性试验研究[D]. 重庆交通大学, 2020.

[14]杨佐磊. 非恒定流作用下桥墩周围流场及局部冲刷数值模拟研究[D]. 北京交通大学土木工程, 2021.

[15]赵欢. 陕南山区沿河公路水毁的河道流场特性研究[D]. 长安大学防灾减灾工程及防护工程, 2022.

[16]彭之晟. 喀喇昆仑公路沿河路基的冲刷特性与稳定性评价[D]. 东南大学岩土工程, 2022.

[17]刘修宇. 季节性浸水软土区路基稳定性研究[D]. 东南大学交通运输工程, 2018.

[18]秦晓同, 崔凯, 青于蓝. 水热耦合作用下季节冻土边坡降雨入渗规律及入渗机理[J]. 中国公路学报, 2022,35(04):87-98.

项目：重庆交通大学研究生科研创新项目（2022S0019）