风雨对边坡的影响及应对措施

在有风的情况下，风可能会使较大粒径的雨滴发生破裂，使雨滴的终落速度及降雨的动能较无风情况下大幅增加。这对雨滴谱和降雨动能产生了较大的影响，而两者在研究降雨对边坡土体溅蚀作用中起着非常关键的作用。目前，涉及风影响降雨动能及坡面冲刷量的研究很少见到，而自然界中风和雨往往又是同时发生的，特别是在东南沿海地区，速度很快的台风伴随着强降雨，短时间内就可以使土质边坡发生严重的侵蚀，甚至出现边坡坍塌等险情。所以有必要加强风雨联合作用对土质边坡作用的分析，下面对该问题进行一些探讨。

1.风对降雨动能的影响

在有风的情况下，雨滴的终落速度会增大，风改变了雨滴溅击坡面土体的角度，而一般认为只有垂直于坡面的雨滴速度分量决定的降雨动能才是坡面溅蚀的初始动力。由于迎风坡风速明显大于背风坡，因而迎风坡的土壤侵蚀量会大大高于背风坡，坡度愈大，迎风坡与背风坡的降雨动能之差愈大，风速愈大，迎风坡与背风坡的降雨动能之差也愈大。

2.风对雨滴谱的影响

国内外的许多研究结果表明，降雨的侵蚀力同降雨的动能及雨滴谱的分布关系最为密切。在风速较小时，可以认为这对雨滴谱的影响较小。而在风速较大，特别是在强台风条件下，粒径较大的雨滴很容易在极高的风速下破裂成小雨滴，甚至产生雾化。在这种情况下，降雨的动能虽然增加了，但雨滴谱发生了变化，雨滴的平均直径显著减小，使对强台风条件下降雨对坡面土体的侵蚀的分析变得复杂。

通常，位于稳定气流中的液滴受空气动力、表面张力和黏性力的控制。空气动力会使雨滴发生变形乃至破裂成小雨滴，而表面张力可以控制雨滴的变形。表面张力的主要效应就是通过使体系的表面积最小来最小化自由能，使雨滴作为离散相的液滴在连续相的空气中由于界面收缩使液滴趋向于球形。雨滴的变形主要取决于空气动力与表面张力（σ/D）之比。受空气动力与表面张力的作用，如果空气动力大于表面张力，液滴就会产生变形并可能最终破裂成大量的细小液滴，这些细小液滴具有较大的表面张力，可以在新的平衡状态下趋于稳定。在稳定气流中，雨滴破裂的条件为：

式中：CD——取决于破裂条件的常数；

　　　ρA——空气密度；

　　　UR——空气与雨滴的相对速度；

　　　σ——雨滴的表面张力系数；

　　　D——雨滴的直径。

雨滴谱现场实测比较困难，精度不高，单独一两次的测试很难得出有代表性的结论，而多次的测试又需要耗费大量的时间及人力物力。CFD（计算流体动力学）数值模拟分析方法可以有效地克服实际试验的诸多不足，特别在一些以定性分析为主的研究中比实际试验更具有优势。下面采用FLUENT软件对不同粒径的雨滴在强台风条件下的破裂规律进行研究，为在强台风强降雨条件下的路基边坡侵蚀分析提供参考。计算模型如图 6.1-28 所示，为了加速计算的收敛，计算中将雨滴重力方向设为与风速方向平行。(www.xing528.com)

图6.1-28　计算模型

图6.1-29至图6.1-31为风速作用下的变形模拟结果图。

图6.1-29　直径为2 mm的雨滴在7.5m/s风速作用下的变形图

图6.1-30　直径为2 mm的雨滴在10.0 m/s风速作用下的变形图

图6.1-31　直径为2 mm的雨滴在15.0 m/s风速作用下的变形图

由数值模拟计算结果可以看出：直径为 2 mm 的雨滴在 7.5 m/s 的相对风速作用下会产生变形，但由于表面张力大于空气动力而使液滴能够最终保持稳定状态而不破裂；而在 15 m/s（7 级风）的相对风速作用下就很难保持稳定状态而破裂成多个小液滴，这些小液滴比原液滴具有更大的表面张力而开始在较高气流中保持稳定状态。上述分析结果是在稳定气流状态下得出的，自然环境中的风对雨的作用则要复杂得多，风的高湍流性等特点会大大增加雨滴的不稳定性而使其更易破裂。粒径很小的雨滴即使最终达到比无风状态下更高的速度也不一定对土体产生更大的破坏力。

数值模拟计算表明，风速较大时，虽雨滴速度增加，但大粒径雨滴将破裂成小粒径雨滴，使得边坡土体侵蚀情况变得更为复杂。在今后的边坡土体侵蚀的研究中应加强相关的力学机理的分析，最终实现通过确定风速、风向、降雨量、降雨强度、边坡土性、压实度及植被覆盖度等参数，对边坡的侵蚀进行定量的分析预测。