針對雨量警戒值優(yōu)化的鐵路路基邊坡淺層失穩(wěn)機理研究

杜曉燕，郭增強，常 凱，韓自力，，羅金濤

(1.鐵路工務(wù)技術(shù)中心，北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081； 3.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國南方地區(qū)雨量豐沛，降雨持續(xù)時間長，尤其是在夏季多雨季節(jié)，降雨大量誘發(fā)鐵路路基邊坡溜坍、崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害。在各種降雨邊坡災(zāi)害中，邊坡溜坍最為常見，波及范圍最廣，衍生的次生災(zāi)害最多，治理難度最大，已經(jīng)成為鐵路發(fā)展進程中影響鐵路正常安全運行，制約鐵路長期穩(wěn)定高速發(fā)展的重點病害形式。

鐵路路基邊坡溜坍往往具有突發(fā)性及群發(fā)性，邊坡溜坍災(zāi)害一旦發(fā)生，其影響范圍甚廣，如不采取合理可行的技術(shù)措施進行防治，后果將極其嚴重。2016年，全國鐵路發(fā)生的路基邊坡溜坍災(zāi)害長度達 1 300 km，占全路路基總病害的8%，造成線路中斷行車達138 h，嚴重影響了列車正常運行。

針對降雨引起的路基邊坡病害問題，各鐵路局通常以防為主，即采取雨量預(yù)警方法對病害發(fā)生概率進行即時判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果采取相應(yīng)措施進行預(yù)防。但現(xiàn)行雨量警戒制度大多根據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)或人工經(jīng)驗制訂，致使運營過程中雨量預(yù)警值與實際災(zāi)害等級不相符，由此浪費大量人力物力，造成不必要的損失。因此，有必要從路基邊坡溜坍機理本身入手，從根本上理清降雨與邊坡溜坍病害之間的關(guān)系，科學(xué)設(shè)立雨量預(yù)警值標準，避免冗余工作及其造成的延判、誤判。

1 降雨引起的路基病害

1.1 降雨引起的路基病害分類

降雨是誘發(fā)各種路基邊坡病害的重要因素，并直接參與病害形成、發(fā)展全過程。根據(jù)其誘發(fā)的路基邊坡病害的不同，可將病害劃分為邊坡溜坍、崩塌、滑坡、泥石流等類型[1]。

1)邊坡溜坍

邊坡溜坍是指邊坡經(jīng)雨水沖刷作用后，上部淺層土體失穩(wěn)變形并沿邊坡母體緩慢滑動的現(xiàn)象。溜坍發(fā)生的根本原因是降雨入滲作用。前期降雨使巖土體含水量飽和、強度降低，引發(fā)失穩(wěn)。短時暴雨則直接造成徑流沖刷，挾帶邊坡、溝谷的松散固體物質(zhì)沖刷邊坡坡腳，導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。

2)崩塌

崩塌是指邊坡上的巖土體在重力及雨水動力作用下突然脫離母體崩落、滾動的現(xiàn)象。崩塌發(fā)生的重要原因是強降雨下危巖土體裂隙動水壓力激增，水體入滲并軟化、潤滑膠結(jié)面。當巖土體膠結(jié)面摩阻力減小至不足以承受下滑力(危巖體自身重力及動水壓力)時即會產(chǎn)生崩塌失穩(wěn)。

3)滑坡

滑坡是指邊坡巖土體在重力作用下沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的整體滑移現(xiàn)象?；掳l(fā)生的重要原因是降雨使邊坡巖土體吸水飽和，自重加大，水體沿裂隙通道下滲至基巖交界面形成軟弱層，導(dǎo)致抗滑力降低，最終導(dǎo)致邊坡土體失穩(wěn)下滑。

4)泥石流

泥石流是指攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流快速向坡腳沖擊的現(xiàn)象。泥石流發(fā)生的重要原因是短時降雨匯聚形成具備較高搬運能力的地表水體使鐵路沿線邊坡松散堆積物及風(fēng)化破碎巖體快速向下滑動。

通過以上分析可知，在降雨誘發(fā)的各種路基邊坡病害形式中，邊坡溜坍發(fā)生所需的觸發(fā)條件最少，觸發(fā)標準最低，是其他幾種病害形式發(fā)生的前奏。因此，在降雨過程中，邊坡溜坍病害最易發(fā)生，影響范圍最廣。

1.2 邊坡溜坍病害統(tǒng)計

根據(jù)2016年全國鐵路路基病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)，普速鐵路路基病害總長度達 16 246 km。其中降雨導(dǎo)致的邊坡溜坍病害達 1 274.7 km，占比達到8%。高速鐵路路基病害總長度達120.8 km，其中降雨導(dǎo)致邊坡溜坍病害達8.2 km，占比達到7%。

路基病害調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果顯示：鐵路路基災(zāi)害中邊坡溜坍等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害已成為鐵路路基主要病害，特別是在南方多雨地區(qū)。其造成的直接經(jīng)濟損失超過12億元，使鐵路運營遭受巨大損失，并嚴重威脅旅客生命財產(chǎn)安全。2016年普速線路路基邊坡溜坍長度見表1，高速鐵路路基邊坡溜坍比例見表2。

表1 2016年普速線路路基邊坡溜坍長度

表2 2016年高速鐵路路基邊坡溜坍比例

2 雨量警戒制度

雨量警戒制度是鐵路部門制訂的用來指導(dǎo)汛期警戒，確保線路汛期行車安全的一種制度。它是一種分級、分段、聯(lián)控執(zhí)行的警戒制度模式。主要由雨量監(jiān)測、判斷和執(zhí)行3部分構(gòu)成。

雨量監(jiān)測是采取相關(guān)雨量監(jiān)測設(shè)備對降雨量進行實時監(jiān)測。判斷則是將雨量監(jiān)測結(jié)果與雨量警戒值進行對比。如果降雨量達到雨量警戒值標準，則采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2.1 雨量警戒值

制訂雨量警戒值是雨量警戒制度得以執(zhí)行的一項重要工作[2]?，F(xiàn)行雨量警戒值大多是根據(jù)歷史降雨量與災(zāi)害的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者依據(jù)經(jīng)驗制訂。

根據(jù)災(zāi)害是否發(fā)生及影響程度，將雨量警戒值劃分成3級進行警戒。

①注意警戒：災(zāi)害尚未發(fā)生或基本沒有發(fā)生。

②限速警戒：災(zāi)害開始發(fā)生。

③封鎖警戒：災(zāi)害已經(jīng)危害線路，強降雨正在發(fā)生并有持續(xù)趨勢，災(zāi)害有可能擴大。

表3是某鐵路局的雨量警戒值。從中可以看出雨量警戒值主要根據(jù)連續(xù)雨量與1 h雨量值來確定。

表3 某鐵路局防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)雨量警戒值

2.2 存在的問題

通過以上分析可知，目前雨量警戒值的制訂過于依賴經(jīng)驗，科學(xué)依據(jù)不足，沒有具體分析降雨致災(zāi)的機理，對于降雨量與災(zāi)害程度未進行充分研究。這在一定程度上導(dǎo)致了防汛工作的盲目性。為此有必要針對降雨與災(zāi)害之間的關(guān)系展開進一步研究。

3 坡面沖刷機理及發(fā)展過程

沖刷是雨水的重要作用之一。沖刷過程中，邊坡表面顆粒不斷流失，邊坡結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變，穩(wěn)定性逐漸降低。因此，研究坡面沖刷機理及發(fā)展過程有助于進一步研究邊坡的災(zāi)害形式。

3.1 坡面沖刷機理

降雨過程中，雨水沖刷作用引起坡面土顆粒分離、泥沙轉(zhuǎn)移和沉積[3]。在此過程中，主要影響因素有填料性質(zhì)、降雨量等。

填料力學(xué)性能及級配特性直接決定雨水沖刷過程中起動顆粒粒徑的大小及范圍，是沖刷破壞發(fā)生的主要內(nèi)因。不良填料摩擦因數(shù)及內(nèi)黏聚力小，一旦雨水沖刷，結(jié)構(gòu)很容易破壞，使得沖刷更為嚴重。

降雨則是沖刷破壞發(fā)生的主要外因。不同降雨強度的雨水具有不同的流速及沖擊作用力。降雨強度大，則流速快，作用力大，沖刷作用明顯；降雨強度小，則流速慢，作用力小，沖刷作用弱。

在內(nèi)因與外因的綜合作用下坡面顆粒起動，形成沖刷。坡面沖刷受力分析如圖1所示。

圖1 坡面沖刷受力

假設(shè)路基邊坡坡度為θ，坡面水流方向與坡面水平軸交角為β，作用在斜面上O點處土顆粒上的力有：拖曳力FD，與水流方向相同；上舉力FL，與邊坡面垂直；浮重力W，作用方向向下；滲透壓力FS，作用方向與重力方向一致。

由顆粒受力分析可知，沿坡面方向的合力大小為

(1)

由平衡關(guān)系可知，坡面顆粒起動的臨界條件為

φ

(2)

式中：f為摩擦因數(shù)；φ為土體在水下的休止角，一般指坡面土的內(nèi)摩擦角。

3.2 坡面沖刷發(fā)展過程

綜合目前國內(nèi)外研究成果，根據(jù)沖刷發(fā)展階段和沖蝕痕跡的形態(tài)特征，可將坡面降雨沖刷分為面蝕、溝蝕等類型[4]。其中溝蝕破壞性較大，根據(jù)溝槽橫向剖面形態(tài)發(fā)展過程可以分為細溝、淺溝、沖溝3類，如圖2所示。

圖2 溝蝕形式

溝槽內(nèi)流量大小是衡量溝槽破壞程度的重要指標，下面以圖2(a)所示溝槽形態(tài)分析溝槽流速，其截面形狀按等腰直角三角形考慮，如圖3所示。

圖3 坡面沖刷溝槽斷面簡化圖

溝槽內(nèi)沖刷水流的截面積S=h2。其中，h為沖溝的水流深度。沖溝的截面流量q=vS=vh2。

4 降雨引起坡體溜坍失穩(wěn)

雨水沖刷作用形成的沖溝發(fā)展到一定程度，沖溝兩側(cè)物質(zhì)黏聚力減小并在自重作用下失去平衡，進而產(chǎn)生掉塊、瀉溜和坍塌，即邊坡溜坍[5]。

4.1 邊坡溜坍機理

邊坡溜坍過程大致分為3個階段。

1)吸水膨脹階段。降雨前邊坡巖土體受前期沖刷作用影響，在表層淺部發(fā)育了一定開度的裂隙和溝槽。降雨時，雨水很快沿裂隙下滲到相應(yīng)深度，使裂隙周邊的巖土體吸水膨脹并逐漸向周邊擴散，從而使土體上層淺部土體趨于飽和。

2)逐漸閉合階段。邊坡淺部巖土體飽和的同時，裂隙和溝槽也因膨脹而逐漸閉合，土體的滲透系數(shù)因而減小，水分下滲阻力增大，因此雨水繼續(xù)下滲深度極其有限，一旦雨停后，入滲即刻停止，土中的水分則繼續(xù)向周圍擴散。

3)破壞階段。膨脹降低了淺層土體顆粒之間的吸力作用，使土的抗剪強度降低，當降低到不足以抵抗土體重力時，土體開始滑動。

在這3個階段中，主要存在2種作用形式[6]：

1)水-巖作用。水-巖作用主要包括物理、化學(xué)、力學(xué)3類作用。物理作用主要是指潤滑、軟化和泥化等；化學(xué)作用主要是指地下水與巖體之間的離子交換、溶解、水化作用、溶蝕作用等；力學(xué)作用主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用等。

2)降雨作用。降雨對淺層滑坡的影響是滲入坡體中的地下水的溶蝕、潛蝕作用。此外，還表現(xiàn)為對坡面的沖刷和對坡腳的掏蝕作用。

4.2 沖刷-溜坍影響因素

根據(jù)前述分析，沖刷-溜坍過程中以下5個因素影響最大。

觀察組37例中，治愈19例，有效17例，無效1例，總有效率為97.30%；對照組37例中，治愈15例，有效16例，無效6例，總有效率為83.78%，觀察組明顯優(yōu)于對照組，兩組效果比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

1)邊坡防護情況。無防護土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡表層巖土體在露天惡劣環(huán)境下逐漸風(fēng)化并剝落堆積，為溜坍提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而采取了防護措施的邊坡如采用植被護坡的邊坡，植被在一定程度上起到了固坡阻水的作用，從而降低了病害發(fā)生的可能性。

2)土質(zhì)。膨脹巖土等不良土質(zhì)親水性強，膨脹率大，降雨過程中此類巖土體在水流浸潤作用下黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ隨吸水率的增加衰減幅度大，極易發(fā)生軟化、泥化和崩解破壞，從而喪失結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。

3)降雨強度。高強度降雨入滲使邊坡土體迅速飽和，同時在高雨強作用下土體的排水條件受到限制，此時若土體受到擾動并產(chǎn)生較大的應(yīng)變，土體將被激發(fā)產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，進而崩解破壞。降雨強度越高，沖刷作用越厲害，沖蝕現(xiàn)象越明顯。

4)累計降雨量。連續(xù)降雨作用下，雨水逐漸滲入邊坡巖土體，導(dǎo)致其含水量增加，重度增大，c,φ值降低，進而穩(wěn)定性降低。

5)坡高坡率。松散堆積層邊坡的穩(wěn)定性與其坡高坡率有關(guān)。坡高坡率越大，穩(wěn)定性越差。

5 結(jié)論與建議

1)分析總結(jié)了降雨引發(fā)的鐵路路基邊坡病害類型，綜合最新調(diào)查數(shù)據(jù)得到邊坡淺層溜坍失穩(wěn)為降雨過程中鐵路路基最為嚴重的病害形式。

2)分析總結(jié)了現(xiàn)有雨量預(yù)警制度，指出雨量警戒值的制訂過程中缺少對降雨成災(zāi)機理的分析，科學(xué)依據(jù)不足。

3)分析了降雨過程中邊坡沖刷機理及發(fā)展過程，指出沖刷是邊坡溜坍病害發(fā)生的必經(jīng)階段，為研究邊坡溜坍提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4)概括總結(jié)了降雨過程中影響邊坡溜坍發(fā)生的5個因素，分析了邊坡溜坍病害的產(chǎn)生機理和發(fā)展過程。

建議應(yīng)用層次分析法對雨量警戒值進行重新優(yōu)化分級，并按照確定影響因素→路基邊坡溜坍臨界狀態(tài)分析→制訂雨量預(yù)警值這一流程展開研究。這一研究思路為健全鐵路雨量預(yù)警制度，合理制訂雨量警戒值提供了新的方向。

[1]接小峰.鐵路水害致災(zāi)模式與預(yù)警預(yù)報方法研究[D].長沙：中南大學(xué),2014.

[2]湯家法,姚令侃，伍衡昭,等.雨量警戒制度應(yīng)用技術(shù)分析[J].災(zāi)害學(xué),2003,18(2):43-47.

[3]廖華容.路基邊坡沖刷機理及防護研究[D].長沙：湖南大學(xué),2012.

[4]郭增強.鐵路路基邊坡降雨沖刷行為與規(guī)律的研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院,2012.

[5]樊永杰.降雨量與邊坡溜坍定量關(guān)系的探討[J].鐵道建筑,2004,44(9):28-30.

[6]黃細超,任光明,周縱橫,等.淺層滑坡中的地下水作用機理及治理方法概述[J].水利與建筑工程學(xué)報,2016,14(5):181-188.