第 1 章 绪 论
1.1 研究背景与意义
伴随着我国经济的飞速发展，公 路建设速度加快，穿越 复杂地形地貌区域的增大，随之带来的公路工程边坡问题也日益增多[1]，其中黄土公路边坡稳定及坡面抗冲蚀性一直是人们普遍关注的难题。众 多影响黄土公路边坡 稳定性的因素中，降雨为主要原因之一。降雨对公路边坡的危害主要表现为：①坡面冲刷破坏：形成地表径流，对坡面造成冲刷破坏，坡脚浸湿和冲刷，破坏了边坡的平衡状态；②产生渗流力：水流渗透到坡体内部，导致边坡土体的含水率增大，下滑力加大并同时产生一定的渗流力；③坡体强度降低：雨水渗入之后，土粒的吸力减小，粒间强度降低，抗滑能力减弱；黄土中易溶盐类胶结物被淋滤，使得土体结构破坏而变得更为松散，加之冬春两季的冻融作用之后，极易造成坡体的滑动破坏；④产生水压力：水渗入裂隙和节理中而产生静水压力，促使冲沟、陷穴的发展[2,3]。
公路边坡冲刷破坏是指，径流剪切力作用于坡面，对路基、路堑边坡造成破坏，并冲走土颗粒的现象。径流冲刷会使坡面土颗粒大量流失，进而将坡面侵蚀呈沟状或者洞穴状， 一般会形成坡肩坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷淘空、坡面冲刷沟穴等冲蚀现象。由于黄土结构疏松以及黄土对水的特殊敏感性，在降雨或地表水流作用下，黄土边坡坡面的冲刷破坏十分严重，极易发育成边坡冲沟或陷穴。边坡冲刷进一步发展，便可产生公路边坡灾害(崩塌和滑坡)，影响公路的正常运行，恶化生态环境。图 1.1 为公路边坡冲刷破坏的现象。
由于缺少足够的研究资料，对整个辽西地区黄土的基本性质仍缺乏系统的了解。随着辽西黄土地区的高速公路等大型工程项目的开展，与黄土有关的各种问题突现出来，黄土边坡坡面冲刷破坏问题成为其中一个亟待解决的难题。
鉴于目前辽西黄土地区高速公路工程建设中所面临的严重边坡坡面冲刷问题，论文以辽西地区黄土公路边坡为研究对象，开展坡面冲刷破坏的机理及相应的冲刷破坏计算理论的研究很有必要。本次研究结合多学科相关理论，从宏观、细观和微观不同层次，对黄土边坡坡面冲刷破坏的影响因素、冲刷破坏的微观机理、坡面冲刷破坏细观力学过程、坡面冲刷破坏的计算模型等方面进行较为深入的研究，旨在为该地区黄土边坡的设计与防护提供科学的依据。
1.2 黄土边坡坡面侵蚀破坏特征及机理研究现状
国内外诸多学者对于坡面降雨侵蚀类型、影响侵蚀的各类因子及侵蚀产生机理等有了比较成熟的认识。同时，通过大量的野外观测和物理模拟试验进一步探讨了坡面产流和产沙的基本特征与过程。对坡面侵蚀过程的研究，从侵蚀机理到侵蚀冲沟的演变规律以及其伴随的各水力要素变化特点等方面都取得了一定的研究成果。总体来讲，土壤侵蚀的研究经历了 20 世纪 40 年代以前的定性描述、20 世纪 40 年代开始的物理过程研究和20 世纪 60 年代后的土壤侵蚀模型及物理过程模拟 3 个阶段[11]。
1.2.1 冲刷类型的划分
对坡面冲蚀特征进行区分、归类，是认识冲蚀的重要环节，也是对冲蚀过程与其机理进行深入研究的前提。Ellison(1947)将水流侵蚀过程分为四个子过程，及雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、雨滴搬运过程及径流搬运过程[12-15]，此后众多学者从不同角度对侵蚀过程进行了研究。Foster 等(1984)从泥沙输移角度将其过程分为两个阶段：细沟间侵蚀和细沟侵蚀[16,17]。Merritt(1984)通过室内模拟试验的观测资料分析，将坡面细沟发育分为 4 个阶段：片流、线性水流、隐细沟及有沟头侵蚀的细沟[18]。国内对坡面冲蚀类型的研究，主要集中于黄土高原坡地，自 20 世纪 50 年代以来，取得了一系列的研究成果。朱显谟(1956)根据侵蚀过程发展的不同阶段，将水蚀作用划分为片蚀和沟蚀两个主要阶段；并根据冲沟的发展、演变及侵蚀强度，将其分为细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀[19]。龚时旸(1988)指出黄土高原地区土壤侵蚀方式与其他地区基本相同，即普遍存在溅蚀、片蚀和细沟、浅沟、切沟侵蚀等[20]。武汉水利电力学院根据颗粒在水流中的运动方式，将颗粒的输移划分为推移运动和悬移运动[21]。
第 2 章 辽西黄土的工程地质特性
2.1 辽西黄土的分布规律和成因
辽西地区地处温带半湿润半干旱低山丘陵区，年降水量少，平均降水量 487mm，且主要集中在 7~8 月，地表蒸发较为强烈。区内地形东高西低、山丘相间分布，山脉走向多呈北东~南西走向，以坡洪积地貌类型为主，间有丘陵地貌及河谷平原地貌。区内黄土主要分布于河流冲积、冲洪积河谷平原及山前地貌上，厚度多为 2～15m，最大可达 30m，分布范围广。本次研究现场调查与试验取样，主要集中于阜新至朝阳高速公路(以下简称阜~朝公路)沿线，该线东起吉林省四平市，经辽宁省阜新、朝阳市进入河北省的承德市，并连接至北京高速公路[59]。据阜~朝高速公路段工程已有资料统计，路线所经地段近 44%为黄土地区。
研究土样取自阜~朝高速公路段(K319+890m~K506+890m)沿线各标段，深度分别为1m~20m 不等，均为原状样，其地质年代据14C 测年法及相关资料可知，本区段黄土为晚更新世冲洪积次生马兰黄土。该路段黄土呈黄褐色或黄白色，为黄土状土[60,61]，且垂向节理裂隙发育，有肉眼可见孔隙，具水平层理，如图 2.1 所示。试样含水率较小，表面大孔隙和虫孔发育，部分含有少量的植物根系。研究区部分地区黄土底部有砾石、碎石层，如图 2.2，且形状不规则，砾石分选、磨圆较差，黄土有明显的层理，表现出显著的水流作用的结果。由此可见，辽西地区黄土在形成过程中水流起到了一定的作用。
第 3 章 黄土边坡坡面冲刷室内模拟试验研究 .............33
3.1 实验装置............................33
3.2 试验用土料与模型制作 .....................36
3.3 试验方案 ...................37
3.4 试验结果 ...................37
第 4 章 坡面冲蚀破坏的特征及其影响因子.............47
4.1 坡面侵蚀特征演变过程 ..............47
4.2 坡面冲刷影响因子 ...................53
第 5 章 坡面雨水入渗规律 ..................71
5.1 雨水下渗的物理过程 ....................71
5.2 物理模拟的降雨入渗特征分析 ................73
5.3 坡面入渗模拟的 SEEP/W 理论基础 .................76
结论
特殊的成壤过程造就了黄土独特多孔结构，决定了其抵抗径流冲刷特别弱的固有特性，加之公路的斜坡地形为超渗产流的冲刷提供了良好的动力条件，因此对公路边坡冲刷破坏防治一直是黄土公路地区土的重要研究课题。论文结合国家自然科学基金面上项目“辽西地区黄土边坡坡面冲刷破坏机理的研究”，在系统研究辽西黄土的工程地质特性的基础上，通过物理模型模拟试验及数值模拟分析方法，研究了黄土边坡坡面冲刷破坏的水-土力学过程，坡面冲刷破坏的影响因素及其交互作用，明确了黄土边坡坡面冲刷破坏的细观过程和坡面冲刷破坏的机理，其主要研究成果如下：
1 通过现场调查、室内物理力学试验和结构测试，深入研究了辽西黄土工程地质性质，获得了对辽西黄土的工程地质特性的全面认识：
(1) 土中 0.05~0.005mm 粒径范围的粉粒占大部分。粒径>0.05mm 的平均质量分数为9.71%，粒径 0.05~0.005mm 的平均质量分数为 72.87%，粒径<0.005mm 的质量分数变化幅度较为显著在在 11.67%～33.26%之间，平均质量分数为 18.87%，有别于我国其他地区的黄土颗粒组成。
(2) 辽西黄土以碎屑矿物为主，并且含有部分的粘土矿物。碎屑矿物主要有石英和长石；粘土矿物则以伊利石、伊蒙混层为主，绿泥石次之，高岭石含量最少；易溶盐则以氯化物、重碳酸盐为主，并含有少量硫酸盐。
(3) 区内黄土在深度 20m 内的从上往下微观结构类型有：支架大孔微胶结结构、支架大孔-镶嵌微孔半胶结结构、絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构。随着深度的增加，土体由松散逐渐趋于密实，土中孔隙数量逐渐减少，土颗粒形状从粒状逐渐聚集成凝块状，土粒间排列从微胶结结构逐渐变为胶结结构。
(4) 辽西黄土含水率的平均值为 18.31%，天然密度为 1.31～2.03g/cm3，干密度为1.15～1.76g/cm3，孔隙比变化范围集中在 0.913～0.980 之间。液限为 26.2～33.6%，塑限为 16.5～23.9%，塑性指数为 5.3～14.4，液性指数平均值为 0.6。
(5) 黄土抗剪强度指标 c、φ 值随含水率的变化较大，内聚力的平均值为 24.1 kPa，内摩擦角的平均值为 21.8°。粘聚力随土中含水率减小明显，并有可能趋于 0；内摩擦角随含水率的增加而减小，最终趋向于一定值。
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