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全风化花岗岩边坡冲刷机理及工程防护措施

文档作者：苏伟冯杨文档来源： (湖南省通平高速公路建设开发有限公司		点击数：	更新时间： 2022年12月10日
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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
全风化花岗岩边坡冲刷机理及工程防护措施
苏 伟，冯 杨
(湖南省通平高速公路建设开发有限公司，湖南岳阳414500)
[摘 要]全风化花岗岩由于工程性质特殊，成为生态环境和工程条件脆弱区。在公路工程中全风化花岗岩
边坡坡面冲刷严重，而目前公路边坡设计中往往忽视冲刷对风化花岗岩边坡安全的影响。为此，结合工程实际，
分析得出了全风化花岗岩地区边坡冲刷防护的临界高度和起始冲刷长度，并有针对性的提出了相应的工程防护措
施，为同类边坡的设计和施工提供参考。
[关键词]全风化花岗岩边坡；冲刷机理；临界高度；冲刷防护措施
[中图分类号】u 416．】 4 [文献标识码]A [文章编号】1674—0610(2012)06-0146-04
Erosion M echanism and Protection M easures of Completely
W eathered Granite Slope
SU W ei，FENG 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
全风化花岗岩主要由石英质砂粒组成，岩质极
软、遇水易散、结构松散、水稳性差、粘结力小，其路
用工程性质差。全风化花岗岩强度受含水量的影响
很大，在天然状态下，强度比较高，但浸水饱和后或
含水量增至塑限以上时，粘土颗粒表面水化膜增厚、
粘粒之间的联结减弱，土呈软塑或可塑状态，这时强
度就会丧失或减弱，造成边坡的破坏。因此，坡面冲
刷成为了南方全风化花岗岩边坡的主要问题。
工程设计人员在工程设计时主要从边坡的稳定
性等因素出发，很少考虑坡面的冲刷作用，在这方面
重视程度不高，同时边坡冲刷理论的研究不够深人，
防冲刷设计的依据不足，造成难以合理进行护坡设
计。但是由冲刷产生的破坏却无法避免，必须要采
取相应的防护措施，而研究边坡冲刷机理是进行冲
刷防护合理设计的前提条件，是必不可少的基础。
为此，本文结合湖南通城界(湘鄂界)至平江
(黄泥界)高速公路(以下简称通平高速)中遇到的
全风化花岗岩地质情况，开展全风化花岗岩边坡冲
刷的机理研究，提出合理的临界坡度和坡面起始冲
刷长度；提出适用于全风化花岗岩边坡冲刷工程临
时性和永久性防护方案。
1 工程概况
受南方地区高温、湿热的历史气候条件影响和
特定地质条件环境，通平高速公路分布着大量的风
化花岗岩，沿线呈典型的风化花岗岩地貌。本文选
【收稿日期】2012一lO—Il
[作者简介]苏伟(1984一)． ．湖1={{娄底人．硕一f：研究生，主要从事高速公路施一 j管理：】 作。
第6期 苏伟，等：全风化花岗岩边坡冲刷机理及工程防护措施 147
择有代表性的第一标段k1+580～kl+670段右侧
路堑边坡为研究对象，该边坡长度为90 m，最大坡
高40．3m。边坡已开挖出了两级，坡顶未设山坡截
水沟，出露岩体十分破碎，呈土状。如图1所示。
图1 kl+580一k1+670右侧边坡
Figure 1 Rightside of kl+580一k1+670 Slope
k1+580～kl+670路段属低山丘陵地貌区斜
坡地带；地形较陡，呈凸起状，自然坡度约30。一
50。。线路轴线经过的地面高程231．60～247．70
m，坡面植被较发育。坡面出露为全风化花岗岩，灰
褐、灰白色，坚硬状，原岩结构完全破坏，尚可辨认，
长石基本风化成高岭土，岩质软，遇水软化、崩解。
场地地表水系不发育，由于高差大，坡度较陡，便于
地表水排泄，故场地地表水主要为少量洼地雨季汇
水，水量小，地下水类型主要为风化基岩裂隙水。
边坡采用台阶式边坡：第一级边坡坡率均为1
：0．75和1：1两种，第二、三级边坡坡率为1：1，第
三级边坡坡率均为1：1和1：1．25两种，第四级边
坡坡率均为1：1．25。每级间平台宽均为2 m，边坡
单级高度10 m。
2 边坡冲刷破坏机理
2．1 坡面冲刷临界坡度的确定
坡度对冲刷的影响是多方面的。一方面，随坡
度增加，坡面流流速增大，冲刷能力增强；而且，由于
坡度增加，土物颗粒稳定性降低，抗水力冲刷能力减
弱。另一方面，随着坡度增大，受雨面积减少。这两
方面的影响此增彼减，也必然存在一个临界值u。 。
坡面冲刷强度最大时的边坡坡度称为临界坡
度，研究临界坡度在理论上可更好地认识坡度对坡
面冲刷的影响，以便更深入地分析冲刷机理；在工程
上，可定出⋯一个合理的极限坡度范围供设计人员参
考。由于在该坡度范围内的冲刷强度最大，在进行
设计时，可避开此坡度界限值，达到不设防护设施或
减少防护工程量的目的，取得较大的工程经济效益
及社会效益。但是，此问题一直没有得到很好解决，
从理论上来确定公路边坡临界坡度还很少见 。
采用坡面流拖曳力法来分析，取一断面，如图2
所示，其通过断面A的单宽流量为Q，沿坡面向下由
断面B后单宽流量为Q+ Qd
，两断面问流量增加
值为zXQ： ，根据质量守恒，降雨量与人渗量之
差为径流增加量，得：
d =('7_g) 。s卢， (1)
式中：．，7为降雨强度，m／s；q为降雨入渗强度，m／s；
为坡角。
设径流在距坡顶l处达到平衡，水流冲刷能力
最强。此时，1处的单宽流量：
Q= d = (叼一g COS =
(，7一g)／cos卢， (2)
式中：Q为单宽流量，m ／s；l为坡面起始冲刷长度，
由曼宁流速公式 ，
= 力(tan卢) ， (3)
式中： 为曼宁系数，与坡面粗糙程度有关。
用式(3)表达，则可推导出径流水深求解方程：
Q=vh= ^ (tan JB) =(77一q)／cos卢。(4)
则径流水深 ：
^=[ c叼一g)z]。
。
c5)
根据受力分析，f处土粒向下方运动的合力
为 ：
F=y【 ('7一q)z】3／5(cos／3) (sin卢) Ⅲ+
( (sin／3)， (6)
式中：D为土颗粒平均直径； 。为土的颗粒密度；
为水密度。
可见，坡面冲刷临界坡度与坡面对水流的粗糙
程度、人渗情况、径流达到平衡时的坡长等有关。令
dF
= 0，根据kl+580～kl+670路段土质情况，取
uD
’， =2．65× 10 N／m ， = 1．0 × 10 N／m。
， 贝0( 一
) 'If一0．864，n>0．02，(’7一q)即径流深度和f都
远大于D。由式6可求得， 一46。，即得临界坡度为
l48 公路工程 37卷
46。。可以看出，临界坡度与边坡的稳定坡比相近，
因此应合理处理这一矛盾，必须加强全风化花岗岩
路堑边坡的及时防护，做到边开挖边防护，减少边坡
的暴露面，缩短边坡暴露时间m 。
图2 坡面流拖曳力法分析示意图
Figure 2 Analysis on the Overland Flow Drag Force Method
2．2 坡面起始冲刷长度分析
坡面起始冲刷长度是指开始发生冲刷时径流经
过的长度，此时水流冲刷能力最强。它的确定对于
边坡的防护具有重要的意义，不仅能降低不必要的
防护措施降低成本，更能保证整个边坡的安全。
当坡面颗粒的合力大于颗粒的抗滑强度的时候
坡面冲刷时残积物开始发生冲蚀，即：
F>rs=c+o-tgq~。 (7)
取 ：( 一y) c。s卢，y。：2．65×10 N／
m
。
，
y =1．0 × t0 N／m。
，则( 一 )詈=0．864，由式
(7)推导可得：
(8)
根据实际，取坡比1：1，即0=45。，田一q=
150 m ／m ，c=30．0 kPa，n=0．02则得：
l≥ 5．9 m 一6．0 m。
可见，边坡坡面长度超过6 m时开始发生冲蚀，
在边坡采用骨架防护时，骨架长度应小于6 m。
3 边坡冲蚀防治方法
对冲蚀和沉积控制方法，需根据气候、地形、植
被和要求的防护期限来确定采用的方法。在施工
期，可采用临时结构性措施，减少施工中的水冲刷作
用；在路基成型到运营后需采用永久性措施 ⋯。
3．1 施工中的边坡临时治理
工程常用的临时措施有：① 铺设草包：用于草
包或稻草包用线绳、塑料或金属丝绑紧，拦阻携带沉
积物的径流从扰动土的小排水区流出，每个草包埋
入地下至少10 cm深并用金属杆或木桩锚住，草包
可降低层流或浅集中水流的径流速度，导致泥砂沉
积；② 开挖排水沟：挖沟筑成临时土沟并沿施工现
场或扰动区周边设置，在设置永久控制措施之前，这
种结构疏导施工现场未扰动区的水流。如果这种结
构形成施工区域的下游周边界，便可集中扰动区的
水流经处理后并排放。坡面水流从施工现场疏导流
向较低处，径流通过土护道可导向排水沟。坡顶和
护道水沟，沿坡顶修筑水沟，防止附近区域表面水流
入边坡，有几种类型的水沟可以采用，如预制混凝土
u形沟槽、砌石水沟等。当预计径流小时，可不设水
沟或将水沟设在距边缘足够远处，以免成为边坡的
一个附加的不稳定因素。在护道水沟内汇集的水可
采用垂直排水或用可避免出现侵蚀问题的其它方法
排流到坡脚处。
3．2 公路使用寿命期中的侵蚀和沉积治理
公路建成后，如采取的临时措施不适于作为长
期防护方法或采取的方法不正确，则侵蚀和沉积问
题仍可能继续发生，即使当时程度较轻，但在公路使
用寿命期中将显现出来，并有13益恶化的危险。
永久防护措施分为两类，第一类为植被措施，从
生态学和景观的观点看，这是一种最适宜的方法；人
工构造物与植物同时采用的防护为第二类。
抗侵蚀的生物防护措施在于保证尽可能使地表
植被完善。植物地毡的这种综合作用接受了并缓冲
了高速落下的暴雨，而且，地面上杂乱的茎杆、树根
和植物残梗起到抑制表面径流作用，防止土粒被冲
走，土中含水量的调节也可说明对坡面产生的稳定
效果。采用植被作为公路裸露边坡的适宜处理措施
同时可消除景观上的不良痕迹，并使公路沿线具有
与自然更协调的绿化景观，保护了当地的生态环境。
在原设计方案中，一级边坡kl+580～kl+595
段采用衬砌拱植草防护，k1+595一kl+643段采用
锚杆格梁+TBS植草防护格梁方形布置，尺寸为
0．3×0．3 m；二级边坡kl+584一kl+601段及kl
+622～kl+665段采用衬砌拱植草防护；kl+601
～ kl+622段采用压力分散型预应力锚索格梁+
TBS植草防护，格梁方形布置，尺寸为0．5×0．5 m。
三、四级边坡全段采用衬砌拱植草防护。
根据全风化花岗岩边坡冲刷机理的研究，结合
k1+580～kl+670段路堑边坡工程实际地质和施
工条件，在施工开挖阶段，采用铺设草包和开挖排水
沟相结合的方式，有效的减少了坡面暴露面积和缩
短暴露时间。同时，对原防护设计进行了变更，根据
第6期 苏 伟，等：全风化花岗岩边坡冲刷机理及工程防护措施 149
土中原生及次生裂隙的多少，防护格梁方形主骨架
适当加粗到0．6—1．0 rfl(深)×0．6 m(宽)，骨架垂
直距离为6．0 m，取得了较好的安全和经济效果。
4 结语
根据数据分析及现场调研，可以初步得出如下
结论与建议：
① 通过理论计算分析结果显示，坡面冲刷临界
坡度为46。，边坡面起始冲刷长度约为6．0 m；
② 边坡防护应该坚持临时防护措施和永久防
护措施相结合的原则，在边坡形成过程中和成型后
进行全过程的防护，使它在冲蚀发生初期就能得到
有效控制；
③ 全风化花岗岩边坡防护，应特别重视水的作
用，因为全风化花岗岩粘聚力小，边坡抗冲蚀能力
低，坡面冲刷严重，经分析计算坡面冲刷临界角为
46。左右，与边坡的稳定坡比相近，因此应合理处理
这一矛盾，必须加强全风化花岗岩路堑边坡的及时
防护，做到边开挖边防护，减少边坡的暴露面，缩短
边坡暴露时间。
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(上接第130页)
d．确定最佳油石比。按修正后的基于最紧密
嵌挤状态的油石比确定方法确定最佳油石比。
e．配合比设计检验。
① 按现行JTG F40规范要求进行各种使用性
能的检验，不符合要求时，必须分析原因，重新进行
配合比设计，必要时更换材料。
② 用最佳油石比P +0．3％ 对级配上限(至少
是4．75、2．36与0．075 mm几个关键性筛孔的通过
率处于或尽量接近上限)进行高温稳定性检验。用
P 一0．3％ 对级配下限(至少4．25、2．36 与
0．075 mm几个关键性筛孔的通过率处于或尽量接
近下限)的马歇尔试件进行空隙率检验。不符合要
求时，必须分析原因，重新调整最佳油石比，必要时，
更换材料重新进行配合比设计。
6 结语
① 采用修正的基于最紧密嵌挤状态的沥青混
合料油石比确定方法，沥青混合料最大限度的接近
骨架嵌挤密实结构，修正后的油石比，能确保在正常
容许的施工油石比偏差范围内，空隙率始终满足要
求，保证混合料的高温稳定性和密水性。
② 在配合比设计中，引入针对级配范围设计思
想，最大限度保证了沥青混合料的级配在施工容许
的波动范围内，其主要功能满足技术要求。
③ 针对级配范围的基于功能设计的沥青混合
料配合比设计方法，是以现行规范中“热拌沥青混
合料配合比设计方法”为基础的，适用于高温多雨
地区大交通量高速公路半刚性基层沥青路面中、下
面层的沥青混合料材料组成设计。
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