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铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律的研究

郭增强  
【摘要】:近30年来,我国铁路由于水灾平均每年断道159次之多,平均每年中断行车2000多小时,对国民经济、旅客的生命财产及日常生活造成了重大影响。据统计其中80%的水害是路基的水力冲刷造成的,路基的水力冲刷研究成为关键问题。对于冲刷问题,目前的研究大多是从水土保持角度出发,在降雨特征、土壤性质、侵蚀模式等方面研究较多,而且一般针对较大的区域,对于铁路路基的冲刷规律尚缺乏系统的理论研究。本文以铁路路基为研究对象,考虑路基结构、填料及降雨和汇水特征,运用土力学、水力学和泥沙运动力学原理,系统分析了铁路路基坡面水力冲刷的基本规律。主要内容有: (一)系统分析了目前不同等级铁路路基的坡高、坡率、路基顶面宽度等结构特征,确定了路基坡面冲刷分析的典型结构和计算参数;归纳分析了铁路路基坡面的水力冲刷破坏类型;明确了降雨是坡面冲刷的主要动力因素,结合铁路路基断面的形态和汇水过程特征,提出了以分钟降雨量作为路基坡面冲刷分析的降雨特征参数。 (二)分析了冲刷水流作用下,坡面上无粘性均匀土颗粒的受力情况,根据颗粒受力平衡的极限状态,分析土颗粒粒径大小、坡面流深度、坡度等诸因素对路基坡面土颗粒冲刷起动的影响,建立了无粘性均匀颗粒填料路基坡面冲刷水流速度与起动粒径的关系;根据填料渗透稳定的骨架原理和粒子干涉理论,提出以颗粒级配d23作为冲刷起动界限粒径,判断无粘性非均匀填料的冲刷稳定性;分析了路基边坡粘性土冲刷破坏的特征,给出了铁路路基边坡粘性土起动粒径与冲刷流速的关系。 (三)推导了铁路路基平整坡面流速与降雨强度的关系;分析了无粘性均匀颗粒填料和粘性土填料的坡面,在无顶面汇水、单双线路基顶面汇水三种冲刷条件下,坡面流速及起动粒径随降雨强度的变化规律,得出了坡面冲刷起动粒径与降雨强度关系的回归公式;分析了坡高及坡度对坡面流速的影响规律。 (四)建立了折曲坡面路基冲刷计算模型,分析了折曲坡面不同凹陷深度情况下,对于无粘性填料和粘性土填料的坡面,分别在无顶面汇水、单双线路基顶面汇水三种冲刷条件下,坡面流速及起动粒径随降雨强度的变化规律,得出了折曲坡面冲刷起动粒径与降雨强度、凹陷深度关系的回归公式。 (五)建立了路基坡面沟槽冲刷计算模型,分析了冲刷沟槽不同分布间距情况下,对于无粘性填料和粘性土填料的坡面,分别在无顶面汇水、单双线路基顶面汇水三种冲刷条件下,坡面流速及起动粒径随降雨强度的变化规律,得出了沟槽坡面冲刷起动粒径与降雨强度、沟槽间距关系的回归公式。 (六)建立了路肩沟槽冲刷量分析计算模型,分析了单双线路基路肩冲刷沟槽不同分布和降雨条件下,细砂、中砂及粗砂三种不同填料的路肩冲刷破坏时间,得出了路肩冲刷破坏时间和降雨强度、沟槽分布间距关系的回归公式。


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