全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷试验研究.pdf
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1、第4 0卷第4期河 北 工 业 科 技V o l.4 0,N o.42 0 2 3年7月H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yJ u l y 2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 3 4(2 0 2 3)0 4-0 3 0 0-0 8全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷试验研究付有旺1,钱云华2,唐红波2,陆 特2,尹小涛3(1.云南省交通投资建设集团有限公司,云南昆明 6 5 0 2 0 0;2.大理大漾洱云高速公路有限公司,云南大理 6 7 1 0 0
2、 0;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 4 3 0 0 7 1)摘 要:为了探究全风化混合花岗岩的冲刷破坏演化规律,设计了坡面降雨冲刷试验。借助高密度电法和面波测试方法,选取云南临沧南部山区混合花岗岩边坡进行现场冲刷试验,并构建了全风化混合花岗岩边坡入渗侵蚀量化评估方法,对全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷破坏特征进行了分析。结果表明:1)边坡受雨水冲刷的影响深度分为3层,即00.5 m表层、0.51.6 m中层和1.6 m以下深层;2)侵蚀过程分为3个阶段,即雨水溅蚀、入渗阶段,雨水溅蚀,坡面岩土体结构发生初始破坏,平均电阻率升高,剪切波速降低;下层潜蚀入渗饱
3、和阶段,雨水入渗饱和,岩土体结构进一步破坏呈松散砂状,坡面径流量较小,表层岩土体保持较好的完整性;细沟贯通冲蚀破坏阶段,表土层平均电阻率迅速升高,剪切波速大幅度降低,坡面径流量增加,细沟贯通延伸至坡脚并出现大规模片蚀。以剪切波速变化率和电阻率变化率为基础建立的全风化混合花岗岩边坡入渗侵蚀量化评估方法,可为全风化混合花岗岩工程边坡冲刷治理提供可靠的技术支撑。关键词:岩土力学;全风化混合花岗岩;冲刷特性;入渗性质;高密度电法;面波测试法中图分类号:P 6 3 1 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b g y k j.2 0 2 3 y x 0 4 0 0 8收稿日期:2 0
4、2 3-0 3-2 7;修回日期:2 0 2 3-0 4-2 8;责任编辑:卢 琼基金项目:云南省交通运输厅项目(云交科教便2 0 2 09 8号);交通运输部科技示范项目(2 0 1 7-0 9)第一作者简介:付有旺(1 9 7 3),男,云南祥云人,高级工程师,主要从事高速公路施工和管理方面的工作。通信作者:尹小涛副研究员。E-m a i l:x t y i n w h r s m.a c.c n付有旺,钱云华,唐红波,等.全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷试验研究J.河北工业科技,2 0 2 3,4 0(4):3 0 0-3 0 7.F U Y o u w a n g,Q I AN Y u n
5、 h u a,T AN G H o n g b o,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n r a i n f a l l e r o s i o n o f c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e s o i l s l o p eJ.H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 0(4
6、):3 0 0-3 0 7.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n r a i n f a l l e r o s i o n o f c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e s o i l s l o p e F U Y o u w a n g1,Q I AN Y u n h u a2,T ANG H o n g b o2,L U T e2,Y I N X i a o t a o3(1.Y u n n a n C o mm u n i c a t i
7、 o n s I n v e s t m e n t&C o n s t r u c t i o n G r o u p C o m p a n y L i m i t e d,K u n m i n g,Y u n n a n 6 5 0 2 0 0,C h i n a;2.D a l i D a y a n g e r y u n H i g h w a y C o m p a n y L i m i t e d,D a l i,Y u n n a n 6 7 1 0 0 0,C h i n a;3.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G e o
8、 m e c h a n i c s a n d G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,I n s t i t u t e o f R o c k a n d S o i l M e c h a n i c s,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s,Wu h a n,H u b e i 4 3 0 0 7 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o e x p l o r e t h e e l o l u t i o n l a w
9、o f e r o s i o n f a i l u r e o f c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e,a r a i n f a l l e r o s i o n t e s t w a s d e s i g n e d.A s l o p e i n s o u t h m o u n t a i n a r e a o f Y u n n a n L i n c a n g w a s s e l e c t e d t o c o n d u c t o n-s i
10、t e t e s t o f c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e s l o p e s u s i n g h i g h-d e n s i t y e l e c t r i c a l a n d s u r f a c e w a v e t e s t i n g m e t h o d s.T h e s e e p a g e e r o s i o n q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n m e t h o d
11、f o r c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e s l o p e s w a s b u i l t t o a n a l y z e r a i n f a l l e r o s i o n f a i l u r e 第4期付有旺,等:全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷试验研究f e a t u r e s o f t h e s e s l o p e s.T h e r e s u l t s s h o w a s f o l l o w i n g.1)T h e i n
12、 f l u e n c e d e p t h o f t h e s l o p e a f f e c t e d b y r a i n f a l l e r o s i o n c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e l a y e r s,00.5 m s u r f a c e d e p t h,0.51.6 m m i d d l e d e p t h a n d 1.6 m d e e p d e p t h.2)T h e e r o s i o n p r o c e s s w a s d i v i d e d i n
13、 t o t h r e e s t a g e s:s p a t t e r e d r a i n w a t e r i n f i l t r a t i o n s t a g e,r a i n w a t e r s p a t t e r s,s o i l m a s s s t r u c t u r e o n s l o p e s u r f a c e b e g i n s b r e a k a g e,a v e r a g e r e s i s t i v i t y i n c r e a s e s r a p i d l y,s h e a r w
14、 a v e v e l o c i t y d e c r e a s e s r a p i d l y;s u b m e r g e n c e i n f i l t r a t i o n s a t u r a t i o n s t a g e,r a i n w a t e r s e e p i n t o s l o p e a n d s o i l i s s a t u r a t e d,s o i l m a s s s t r u c t u r e i s d e s t r u c t e d t o b e l i k e l o o s e s a n
15、 d,s l o p e s u r f a c e r u n o f f d e c r e a s e s,l o w e r s o i l m a s s c a n h o l d i t s i n t e g r i t y;r i l l t h r o u g h e r o s i o n f a i l u r e s t a g e,t h e a v e r a g e r e s i s t i v i t y o f t h e t o p s o i l i n c r e a s e s r a p i d l y,t h e s h e a r w a v
16、 e v e l o c i t y d e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y,t h e s l o p e r u n o f f i n c r e a s e s,a n d t h e r i l l e x t e n d s t o t h e f o o t o f t h e s l o p e w i t h l a r g e-s c a l e e r o s i o n.T h e i n f i l t r a t i o n e r o s i o n m o d e l o f t h e c o m p l e t
17、 e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e s l o p e i s e s t a b l i s h e d o n b a s i s o f t h e s h e a r w a v e v e l o c i t y c h a n g e r a t e a n d r e s i s t i v i t y c h a n g e r a t e,w h i c h c a n s u p p l y a s o l i d t e c h n i c a l f o u n d a t i o n
18、 f o r t h e e r o s i o n c o n t r o l o f c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e e n g i n e e r i n g s l o p e s.K e y w o r d s:r o c k m e c h a n i c s;c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e;e r o s i o n c h a r a c t e r
19、 i s t i c s;i n f i l t r a t i o n p r o p e r t i e s;h i g h d e n s i t y e l e c t r i c a l m e t h o d;s u r f a c e w a v e t e s t m e t h o d 全风化混合花岗岩地层广泛分布于云南临沧地区,其厚度一般为2 53 0 m,最厚可达5 06 0 m,是该地区工程建设中最常见的岩土层1-2。临沧地区属于亚热带高原山地季风气候,区域内晴雨季分明,雨季持续时间长,降雨量大且集中。工程开挖对边坡原始地应力的改变以及晴雨交替等复杂气候环境的影响,导致
20、坡面土体冲蚀严重甚至出现局部滑塌,影响工程进度。目前,国内外专家在工程边坡水土流失领域开展了大量研究工作,取得了众多有价值的研究成果3-6。L I U等7-8开展的室内冲刷试验,研究了不同坡度角下花岗岩残积土边坡的冲刷侵蚀特征,通过监测降雨过程中边坡的含水率、孔隙水压力和湿润锋变化,探讨了花岗岩残积土冲刷侵蚀的演化过程和水 力 响 应。基 于 此 汤 兰9、郑 晓 栩1 0、刘 泽等1 1、邓百洪等1 2、胡华等1 3开展了大量室内冲刷试验,探究了重塑花岗岩残积土边坡冲刷破坏过程及冲刷破坏机理,结果表明影响花岗岩残积土边坡冲刷破坏的主要外部因素是降雨强度,通过水泥改良后的残积土抗冲刷能力显著提
21、高。花岗岩风化残积物作为一种结构性较强的土体,其物理力学性质和水理性质极易受外界环境变化的影响,而室内试验破坏了花岗岩风化残积物原始的结构特征,冲刷试验并不能完全反映花岗岩风化残积物的冲刷性质。因此,仅通过室内冲刷试验难以全面认识花岗岩风化残积物的冲刷特性,有必要开展原位冲刷试验以探究全风化混合花岗岩的冲刷性质。为全面研究土质边坡冲刷破坏机理,部分学者开展了颗粒流数值模拟和室内外观测试验。柯云斌等1 4、吴谦等1 5、宋朋燃1 6运用颗粒流三维数值模拟方法(p a r t i c l e f l o w c o d e,P F C),研究了不同降雨强度和坡度下,坡面遭受侵蚀的程度和坡面径流侵蚀
22、能力的分布规律。L I等1 7通过三维激光扫描技术对某黄土边坡冲刷侵蚀进行了长期观测,研究了黄土边坡侵蚀的时空分布规律。J I ANG等1 8运用数字近景摄影测量系统对黄土坡面细沟侵蚀的动态过程进行监测,定量化描述了侵蚀过程中细沟形态的变化,揭示了细沟侵蚀的演变规律和机理。由此可见,黄土边坡的冲刷侵蚀研究已较为深入,但目前大部分室外监测研究多集中在坡面冲刷形态演化表现,对于坡体内部降雨入渗情况了解较少,降雨入渗是影响坡面冲刷较为关键的因素。因此开展坡体内部降雨入渗监测对研究全风化混合花岗岩边坡冲蚀性质具有重要的意义。综上所述,依托墨临高速公路全风化混合花岗岩边坡,通过开展原位降雨冲刷试验,借助
23、面波测试与高密度电法,探究全风化混合花岗岩边坡冲蚀过程及机理,揭示临沧全风化混合花岗岩遇水冲刷破坏演化过程,为该地区边坡坡面冲蚀防护及灾害防治提供有益参考。1 工程边坡概况试验边坡位于云南临沧南部山区,受干湿交替的气候影响,混合花岗岩风化强烈,坡面岩土体极为松散,呈硬砂土状,强度低,遇水易崩解,保水性差。临沧地区年降雨量1 5 0 02 0 0 0 mm,且降雨多集中在78月雨季间,降雨集中且量大,坡面岩土体极易被冲蚀,部分坡面冲蚀严重导致框格梁悬空,从而影响边坡整体稳定性,坡面的严重冲蚀也使得植物难以生长,进而加剧水土流失。全风化混合花岗岩状态如图1所示。工程边坡区域地层岩性较为复杂,主要为
24、全风化混合花岗岩(c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e,C DMG),含强风化花岗岩夹层。相对于其他地区的花岗岩风化残积物,研究区内的全风化混103河 北 工 业 科 技第4 0卷图1 全风化混合花岗岩F i g.1 C o m p l e t e l y d e c o m p o s e d m i g m a t i t i c g r a n i t e合花岗岩中石英和长石含量高,颗粒多为中粗粒,粉黏粒含量少,颗粒间多为泥质胶结。表1为全风化混合花岗岩物理性质。由于母岩岩性的不
25、均匀加之后期差异风化作用,全风化混合花岗岩地层在垂直和水平方向上存在显著差异性,且部分区域内含有球状风化的孤石,使得不同区域内边坡冲刷破坏程度表现出一定的差异。全风化混合花岗岩结构性强,其力学及水理性质受地应力影响,表现出较强的扰动性。工程开挖导致原始地应力改变,加之机械扰动,致使全风化混合花岗岩结构疏松,强度劣化,坡面冲刷破坏极为显著,如图2所示。表1 全风化混合花岗岩物理性质T a b.1 S t a t i s t i c s o f p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f C DMG测试项目性质参数结果天然密度/(gc m-3)1.9 3基本性质
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