坡面沖刷強(qiáng)度的理論計(jì)算

坡面沖刷強(qiáng)度的理論計(jì)算

0認(rèn)識沖沖刷的物理力學(xué)機(jī)制車輪傾斜磨損是解決道路沿線常見問題的一個(gè)問題。在我國北方黃土地區(qū)和南方花崗巖地區(qū)修建公路、鐵路時(shí),由于線路工程開挖路塹,使天然條件下較為緩慢的自然侵蝕過程在很短的時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ绦约铀贈(zèng)_刷過程。認(rèn)識坡面沖刷應(yīng)解決兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是沖刷發(fā)生條件;二是沖刷強(qiáng)度。本文從以下3種途徑來認(rèn)識沖刷的物理力學(xué)機(jī)制:①從坡面流剪力入手。使土顆粒脫離土體運(yùn)動(dòng)和流失,歸根到底是坡面流拖曳力的作用。②從坡面流流速入手。降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)長,坡面徑流深,水流速度就大,就越容易發(fā)生沖刷,沖刷強(qiáng)度也越大。③從坡面流能量入手。坡面表層土體運(yùn)移流失必然消耗一定能量,也就必須有能量來源,除了雨滴的動(dòng)能,能量只有來自于坡面流的動(dòng)能。由于坡面流剪力、流速和能量之間存在一定關(guān)系,這3個(gè)方面可以建立聯(lián)系,并互相補(bǔ)充。1磨損后滑動(dòng)邊坡的磨損1.1力的影響作用在坡面沖刷過程中,土顆粒在坡面上除了本身的重力和粒間粘結(jié)力,會(huì)受到浮力、拖曳力FD、上舉力FL、滲透壓力Fs,在運(yùn)動(dòng)過程中還會(huì)受到粒間離散力p、摩擦阻力Ff等力的作用。在這些力的共同作用下,坡面土顆粒表現(xiàn)為失穩(wěn)起動(dòng)、運(yùn)移、沉積。(1)土壤浮容重ww′=(γs-γ)πD36(1)式中,γs為土顆粒容重;γ為水的容重;D為土的粒徑。(2)土顆粒背水面壓力差拖曳力和上舉力為液相水流對固相顆粒的作用力。水流和土顆粒表面接觸時(shí)將產(chǎn)生摩擦力,當(dāng)坡面流雷諾數(shù)稍大時(shí),顆粒頂部流線將發(fā)生分離,并在土顆粒背水面產(chǎn)生渦輥,從而在土顆粒前后產(chǎn)生壓力差,形成形狀阻力F2。F1和F2的合力為拖曳力FD。沖刷過程中,土顆粒頂部的流速顯著大于底部土顆粒間滲透水流的流速,根據(jù)伯努力原理,將產(chǎn)生壓力差和與空氣動(dòng)力上升力類似的上舉力FL。FD=CDπD24ρu202(2)FL=CLπD24ρu202(3)式中,CD為阻力系數(shù);CL為上舉力系數(shù);ρ為水的密度;u0為土顆粒表面水流速度。(3)坡面流入滲當(dāng)坡面表層滲透條件較好,入滲率較大時(shí),坡面流入滲會(huì)產(chǎn)生與入滲方向一致的滲透壓力FsFs=γJsπD36式中,Js為土中滲透水流的水力坡度。(4)運(yùn)動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生能量當(dāng)大量顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí),有的剛起動(dòng),速度還很小,有的則已從水流中獲得較大動(dòng)能,以較快速度向前運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)方向也不盡相同。這樣,它們在運(yùn)動(dòng)過程中便不可避免地相互碰撞,由此發(fā)生能量交換,從而產(chǎn)生一定的力。粒間離散力可由動(dòng)量原理來推求。1.2土顆粒擊穿活動(dòng)設(shè)路基邊坡坡度為θ,水流與坡面水平軸成α角度。土顆粒的起動(dòng)條件可表示為F(w′+Fs)cosθ-FL=f=tg?F=√(FDsinα+(w′+Fs)sinθ)2+F2Dcos2α式中,f、tg?為土顆粒起動(dòng)摩擦系數(shù)。用τ′表示坡面上土的起動(dòng)拖曳力FD>f(w′-FL+Fs)=tg?(w′-FL+Fs)可得τ′cτc={(1+CLCDtg?)(cos2θ-sin2θcot2?)}?{(FLFDcosθ+sinθsinαcot2?)+cot?[cos2θ-sin2θcot2?+(FLFD)2sin2θ+2FLFDsinθcosθsinα+sin2θsin2αcot2?]12}-1τc為土顆粒在平面上的起動(dòng)條件(θ=0)?？紤]兩種特殊情況,也是最常見的情況,對上式進(jìn)行簡化。(1).90，即水流沿坡向下流動(dòng)，相當(dāng)于侵蝕和磨損槽底部的磨損τ′cτc=cosθ-sinθtg?(4)(2)sin+clcdsin+cot2+cot2+cot2+cot2+cot2+clcdτ′cτc=(cot2θ-cot2?)(cot?+CLCD)sinθCLCDcotθ+cot?√cot2θ-cot2?+(CLCD)2(5)1.3流速分析的數(shù)由于坡面流速度場和剪力場之間存在一定關(guān)系,在得出土的起動(dòng)拖曳力后,又可轉(zhuǎn)而推求起動(dòng)流速。這里從對數(shù)流速出發(fā)進(jìn)行分析。U=5.75U?log12.27χRks=5.75√τ0ρlog12.27χRks由此可推導(dǎo)出起動(dòng)流速Uc表達(dá)式在溝槽底部或坡面上(α=90°)Uc=5.57√γs-γ+γJsγgD(cosθ-sinθtgθ)f(U?Dv)log12.27χRks(6)2磨損結(jié)構(gòu)坡面沖刷強(qiáng)度可看作坡面流的沖刷能力,包括推移沖刷(土中粒徑較大部分)和懸移沖刷(土中粒徑較小部分)兩部分。2.1下收入的tgcos設(shè)單寬推移沖刷能力gb,水流搬運(yùn)推移質(zhì)的效率為eb,則有g(shù)b=Wb′ˉubWb′uˉbtgαcosθ=τ0Ueb(7)式中,Wb′為單位面積上推移質(zhì)水下重量;uˉb為推移質(zhì)垂線平均運(yùn)動(dòng)速度;α為為土的內(nèi)摩擦角;θ為為坡度。得單寬推移沖刷能力gb,gb為具有功率的量綱(FL/T)gb=k1τ0Uebtgαcosθ(8)式中,k1為校正系數(shù)。2.2懸移質(zhì)單寬輸沙率顆粒在水流中以沉速ω下沉,但懸移質(zhì)的重心作為一個(gè)整體基本保持在一定高程,這意味著水流必須以ω的速度將顆粒群舉起。水流紊動(dòng)懸浮泥沙所做的功為Ws′ω,Ws′為單位床面面積以上水柱懸移質(zhì)的水下重量。則懸移質(zhì)單寬輸沙率gs為gs=Ws′uˉs(9)式中,uˉs為懸移質(zhì)垂線平均運(yùn)動(dòng)速度。用es表示維持懸移運(yùn)動(dòng)的效率。見式(7),有Ws′ωcosθ=τ0U(1-eb)es代入(9)式,得gs=τ0Uesuˉsωcosθ(1-eb)(10)由于懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度與水流速度接近,有uˉs=1h-a∫ahSvudy式中,a為懸移區(qū)下限距床面的距離;Sv為距床面y處水流懸移質(zhì)含量。最終可推導(dǎo)得出gs=k2τ0UUωcosθes(1-eb)c(11)式中,k2為校正系數(shù)。3沖刷強(qiáng)度計(jì)算以南方花崗巖風(fēng)化土路塹邊坡為例。由于開挖路塹,剝離了花崗巖風(fēng)化殼中抗沖蝕性較強(qiáng)的土壤層和紅土層,使砂土層直接出露于地表,坡面沖刷嚴(yán)重。綜合(8)式和(11)式,可得坡面流總沖刷能力gt為gt=τ0Ucosθ(k1ebtgα+k2es(1-eb)Uω)式中,τ0=γhJ=γhsinθ,γ=1×104N/m3,坡面徑流深度h取5cm,θ取30°;U選用曼寧公式,U=1nR2/3J1/2=1nh2/3(sinθ)1/2,式中,曼寧系數(shù)n取0.025;k取ksh;eb一般在0.11至0.15,取0.13;對無粘性土,α≈33°,tgα≈0.63;取es=0.023進(jìn)行計(jì)算;對ω,選用ω=1.72γs-γγgD,γs=2.65×104Ν/m3,D取0.1cm進(jìn)行計(jì)算。得到此條件下坡面沖刷強(qiáng)度為20.27N·m/s。由(4)式,f(U?Dv)取0.04