黄土地区公路边坡降雨失稳预报研究

李家春，马保成，田伟平，徐志荣，，刘洪，刘相如，3

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064; 2.延安公路管理局，陕西延安 716000;3.菏泽市公路管理局，山东菏泽 274000)

黄土地区公路边坡降雨失稳预报研究

李家春1，马保成1，田伟平1，徐志荣1，2，刘洪2，刘相如1，3

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064; 2.延安公路管理局，陕西延安 716000;3.菏泽市公路管理局，山东菏泽 274000)

为了研究黄土地区公路边坡降雨失稳灾害的预测预警方法，通过现场调查和理论分析，研究了黄土地区公路边坡降雨灾害危险性初步判别的标准;在分析公路边坡稳定性主要影响因素(边坡结构、边坡形态和植被特征)的基础上，提出了黄土地区公路边坡标准坡型的模型;以标准边坡坡型为基准，根据边坡失稳资料和降雨数据，建立了公路边坡抗灾能力评分表和评分标准。由此提出了适合于陕北黄土地区(包括砂黄土地区和典型黄土地区)公路边坡降雨灾害预测预警的抗灾雨量法，可以针对某个具体的黄土地区公路边坡的降雨灾害进行工点失稳预报。工程应用表明抗灾雨量法可操作性较好。

黄土地区;公路边坡;降雨灾害;抗灾雨量法;标准边坡坡型;失稳预报

0 引言

陕西北部黄土地区自然条件比较差，区内交通以公路为主，公路边坡灾害严重制约着当地交通和经济的发展。据有关资料统计，陕西省公路灾害中，陕北黄土地区公路边坡灾害占有很大的比例，每年造成巨大的经济损失，因交通中断和受阻导致的经济损失则更为严重。其中，降雨是引发公路边坡灾害的主要因素之一。但是，在黄土地区，并非所有的降雨都会引起边坡失稳。

边坡发生失稳破坏与工程地质条件和降雨因素关系密切。在铁路防洪中，汛期降雨量的警戒值和边坡抗洪能力评分表用于部分区段和工点土质边坡坍塌发展趋势的时空预测预报［1－3］。全国地质灾害气象预警工作自2003年启动以来成效显著，一些地区以县级或流域区域的临界雨量(或雨强)作为预报预警的依据，但是预报的精度等方面仍有待研究［4－8］。针对黄土地区公路边坡，李家春等［9］提出了基于有效降雨量的雨量线预测法;王福恒等［10］利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型，研究了降雨对黄土路堤边坡稳定性的影响，以及路基在不同初始含水量、压实度、降雨历时和降雨强度条件下的入渗规律;黄志全等［11］通过监测某一公路边坡所在地区的降雨情况，计算出边坡土的饱和度，来监测出边坡是否会发生失稳破坏。由此可见，黄土地区公路边坡降雨灾害预测方面的研究中关于工点边坡失稳的预测还较少。进一步研究黄土地区公路边坡降雨灾害的预测预警方法，具有重要的工程意义。

雨量线法是对某个区域范围内的黄土公路边坡降雨灾害进行预测［9］。而降雨时哪些边坡更易发生损毁，则是预测的难点。因此，本文在对陕北、陇东等黄土地区的公路边坡降雨灾害进行大量实地调查观测的基础上，提出了抗灾雨量法。抗灾雨量法主要是针对某个具体的黄土公路边坡在降雨条件下发生失稳破坏的预测。

1 公路边坡降雨灾害抗灾雨量预测法

在一定的降雨条件下，公路边坡可能发生失稳破坏，也可能不发生破坏;当边坡发生破坏时，可能产生大的灾害，也可能产生小的灾害。公路边坡数量很多，逐一分析评价的工作量很大，而且也没有必要。因此，在进行降雨条件下的边坡抗灾能力预测时，首先应该对边坡的降雨灾害危险性进行初步评定。对于降雨灾害危险性小的边坡，可以不必进行边坡抗灾能力预测;对于降雨灾害危险性大的边坡，则需要进行进一步的分析，有重点的进行降雨灾害的预测预警。这样，既可以减少公路养护管理部门边坡灾害调查分析的工作量，又可以重点掌握降雨灾害危险性大的边坡的抗灾能力。

1.1 边坡降雨灾害危险性评定

根据对黄土地区公路边坡降雨灾害的实地调查及资料分析，当公路边坡高度较小(小于6～8m)时，降雨对边坡致灾作用相对较小，边坡稳定性一般较好，即使边坡发生局部的破坏，由于其高度较低，其危害性相对较小;边坡坡面的防护措施，可以有效减少雨水对坡面的冲刷和降雨入渗;完善的坡面排水系统，既可以有效拦截地表径流流入边坡范围，又可以使坡面水流迅速汇集并排出坡面。当边坡的植被(特别是苔藓植物)生长较好时，说明植被已经生长了很长的时间且坡面稳定的时间也较长，植被对边坡已经具备很好的冲刷保护作用。

因此，本文提出以下3条作为边坡危险性大小的基本判断标准:①公路边坡高度小于6～8m;②边坡坡面防护措施与排水系统完善，并且没有变形迹象;③边坡植被完好。采用上述3条基本判断标准筛选以后，当所选定的边坡满足其中一条或一条以上时，可以先不对其进行边坡的抗灾能力预测;不满足要求的边坡，则应该对其抗灾能力进行进一步的分析判断，并作出降雨灾害的预测预警。

1.2 边坡降雨灾害预测预警的抗灾雨量法

1.2.1 边坡失稳影响因素

影响公路边坡稳定性的因素可以分为内在因素和外在因素。内在因素主要是指边坡坡体的固有特性(如:结构构造、岩土类型、物理力学性质、水理性质、密实度、坡高、坡长、坡度等);外在因素主要有人工切坡或堆载、降雨、地震等。

在陕北黄土地区，公路边坡的边坡结构、边坡形态(坡高、坡度等)、土质(砂黄土、典型黄土或其它)等因素对边坡稳定性具有很大的影响;而边坡失稳的外在影响因素主要是降雨。

(1)边坡结构。当边坡中存在古土壤、红粘土、砾石层、黄土与基岩接触面等情况时，黄土边坡呈层状结构，或“上土下岩”的二元结构。虽然黄土地区地下水较少，但黄土层中的砂层透镜体与具有隔水意义的古土壤层、黄土中的砾石层或黄土高阶地下的砂砾石层与下伏的第三系红粘土或泥岩、页岩，可以组成较好的含水系统，从而影响边坡的稳定性。

(2)边坡形态。边坡形态是决定边坡内部应力状态的直接因素。随着坡度、高度的增大，边坡内的最大应力值和应变值均升高，失稳破坏的可能性迅速增大［12］。

(3)植被特征。植被对边坡有明显的防护作用，是一个不可忽视的因素。新开挖的边坡，多数处于稳定状态，久而久之，在水、温度、风化等的共同作用下开始出现失稳破坏。风化作用是一个持续作用的因素，温度的变化，干湿循环，水的淋滤，生物化学作用，均不断破坏土体的结构。而地表植被的存在，可以保护边坡的表土，稳定边坡的内部土体，起到以土保土的作用。

为了得到不同公路边坡的抗灾能力，需要对边坡的影响因素进行分级，为降雨条件下的边坡抗灾能力预测评价打下基础。具体分级见表1。

表1 边坡失稳影响因素分级表Table 1 Rating table for factors of slope instability

1.2.2 边坡抗灾能力评分表

降雨是边坡失稳的主要影响因素之一。不同的降雨量和雨型，均不同程度的影响着边坡的稳定性。而边坡结构、边坡形态、土质类型及植被特征等因素又在一定程度上影响着降雨量对边坡的作用。为了使这些定性与定量因素得到量化，采用评分表作为影响因素的评分标准，同时也作为衡量边坡抗灾能力的评分标准。

1)标准边坡坡型的影响因素及抗灾能力分值

(1)标准边坡坡型

为了对边坡的抗灾能力进行评价，提出黄土地区公路边坡标准坡型的模型，即边坡结构为均质黄土、坡高为8m、坡度为1∶0.75、植被特征为良的边坡为标准坡型。标准坡型是根据黄土地区公路边坡工程经验以及边坡优化设计而提出的，具有较高的稳定性和较强的抗降雨灾害能力。

(2)标准边坡坡型各影响因素的权重

为了区别各因素影响的大小，根据现场调查，把各影响因素分别赋予权重，其值见表2。

(3)标准边坡坡型影响因素抗灾能力表

设标准边坡坡型可以抵抗相当于警戒雨量线值(砂黄土地区为70mm，典型黄土地区为85mm)［9］的有效降雨量。则标准边坡各因素对应的抗灾雨量值可以通过影响因素权重和警戒雨量线值计算得到，即抗灾雨量值=权重×警戒雨量线。因此，在砂黄土地区，标准坡型下的各影响因素的抗灾雨量值为，边坡结构:0.35×70=24.5;坡度:0.3×70=21;坡高: 0.25×70=17.5;植被特征:0.1×70=7。在典型黄土地区，标准坡型下的各影响因素的抗灾雨量值为，边坡结构:0.35×85=29.75;坡度:0.3×85=25.5;坡高:0.25×85=21.25;植被特征:0.1×85=8.5。

表2 标准边坡坡影响因素权重表Table 2 Weights for factors of standard slope

结合工程经验，对以上数值进行修正，由此可以得到砂黄土地区和典型黄土地区在标准坡型下的各影响因素的抗灾雨量值(表3)。

表3 标准坡型影响因素抗灾能力评分表Table 3 Scoring table for the hazard-resistant ability of factors of standard slope type

2)边坡影响因素抗灾能力评分表

以标准坡型下各影响因素的抗灾雨量值为基准，分析边坡失稳资料和降雨资料，结合有效降雨量，确定各影响因素的打分标准(表4、表5)。

3)判断分

通过影响因素评分表，可以得到工点边坡的抗灾能力值。但是，对于公路边坡的稳定性，除了考虑上述影响因素外，还应该考虑可能存在的其它有利或者不利条件(如:边坡是否有发育的裂隙、是否有完善的排水系统或防护措施、是否设置边坡平台或设置是否合理等)。因此，通过边坡影响因素评分表得到的抗灾雨量值还不能完全反映边坡的抗灾能力，需结合边坡存在的上述条件，对其抗灾雨量值进行修正，修正后的分值即为边坡的抗灾雨量值。

本文按下述原则修正:修正值不能超过正负60 分;当边坡有失稳迹象时，减去60分值;当边坡排水系统完善时，增加10分值;当有坡脚防护时，增加30分值;当边坡设置平台且设置合理时，增加20分值。除此之外，当边坡出现其它情况时，可以酌情加减分值。

4)边坡抗灾能力评分标准及计算式

通过以上步骤，可以得到最终的边坡抗灾能力评分标准，见表4、表5。

表4 砂黄土地区公路边坡抗灾能力评分表及评分标准Table 4 Scoring and criteria for the hazard-resistant ability of highway slope in sand loess areas

表5 典型黄土地区公路边坡抗灾能力评分表及评分标准Table 5 Scoring and criteria for the hazard-resistant ability of highway slope in typical loess areas

本文将抗灾雨量作为因变量，把影响公路边坡稳定性的主要因素(即边坡结构、坡度坡高和植被特征等)作为自变量，建立关系式如下:

式中:Y——抗灾雨量值;

Xi——影响因素的分值(见表4、表5);

n——影响因素的个数(n=4);

XZ——判断分。

抗灾雨量法是针对具体公路边坡进行失稳预测，其实质是通过对边坡失稳影响因素的分析，建立抗灾雨量与各影响因素的关系式。通过边坡的抗灾雨量值评价边坡抵御降雨灾害的抗灾能力。当该地区有效降雨量超过边坡抗灾雨量值时，边坡发生失稳破坏的可能性大。

1.2.3抗灾雨量法应用

边坡抗灾能力评分表具有比较好的可操作性。在工程应用时，按表4、表5所列内容进行现场量测调查，可得到边坡的定量数据和定性等级说明，按评分标准给定评分值，并按式(1)将各分值进行加减，即可得到边坡抗灾能力值。但当表中所列情况与实际工程出现差异时，应考虑当地及公路边坡具体情况，结合工程实践经验，确定边坡的抗灾能力值。

2 公路边坡降雨失稳预报

公路边坡降雨失稳预报就是预报在降雨条件下边坡失稳的时间。在雨季，衡量边坡是否稳定，也就是衡量边坡雨季抗灾能力大小问题，本文采用边坡最多承受的有效降雨量(即抗灾雨量值)来表示边坡抗灾能力。抗灾雨量法是通过可操作性较强的边坡抗灾能力评分表，并考虑当地及公路边坡具体情况，结合工程实践经验，得到边坡的抗灾雨量值，以此来评价边坡的抗降雨灾害能力。

因此，边坡失稳与否，取决于抗灾能力与实际降雨量的对比情况。边坡失稳预报的具体方法是，根据边坡抗灾能力评分表(表4、表5)，计算出边坡的抗灾能力值，同时根据近期降雨量和天气预报降雨量值计算有效降雨量，当有效降雨量超过边坡抗灾能力值时，就可判断边坡会发生失稳破坏，由此作出时间与空间的联合预报。

公路边坡降雨失稳预报的具体步骤如下:

(1)判断边坡的危险性大小;

(2)调查边坡的边坡结构、边坡形态和植被特征等边坡情况;

(3)根据边坡抗灾能力评分标准对各影响因素进行打分，得到边坡抗灾能力值;

(4)根据气象部门发布的降雨信息，计算有效降雨量值［9］;

(5)比较边坡抗灾能力值和有效降雨量值，当抗灾能力值大于有效降雨量值时，边坡处于稳定状态;当抗灾能力值小于有效降雨量值时，边坡可能发生失稳破坏，需要采取措施，以提高边坡的抗灾能力。

3 结论

(1)本文提出了黄土地区公路边坡降雨灾害危险性大小的基本判断标准，用于公路边坡降雨灾害危险性的初步评定。

(2)在分析边坡结构、边坡形态和植被特征的基础上，提出了黄土地区公路边坡标准坡型的模型。

(3)以标准坡型下各影响因素的抗灾雨量值为基准，建立了边坡抗灾能力评分表及评分标准。

(4)边坡失稳与否，取决于抗灾能力与实际降雨量的对比情况。通过实际降雨计算得到有效降雨量，当有效降雨量超过抗灾雨量值时，边坡发生失稳破坏的可能性大。将雨量线法与本文提出的抗灾雨量法相结合，可以对黄土地区公路边坡的降雨灾害进行预测。

［1］李妥德，郑黎明，韩会增.汛期土质边坡塌方灾害的预测和预防［J］.中国铁道科学，1993，14(4):108－119.

［2］韩会增，吕小平.土质边坡坍塌灾害的预测［J］.中国地质灾害与防治学报，1995，6(1):24－29.

［3］何建农.降雨对路基边坡坍滑影响及预测预报［J］.路基工程，1999，(3):13－15.

［4］冯军，尚学军，樊明，等.陇南地质灾害降雨区划及临界雨量研究［J］.干旱气象，2006，24(4):20－24.

［5］谢洪波，尹振羽，钱壮志.降雨型突发性地质灾害县级气象预警研究——以云南新平县为例［J］.安全与环境学报，2008，8(2):72－75.

［6］徐晶，张国平，张芳华，等.区域地质灾害综合气象预警模型研究［C］.全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会论文集［A］，2006:952－963.

［7］李昂，侯圣山，周平根.四川雅安市雨城区降雨诱发滑坡研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，18(1): 15－17.

［8］周玉才，雷万荣，余广文，等.江西省地质灾害－气象预警预报系统研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2008，19(2):67－70.

［9］李家春，田伟平，马保成，等.黄土地区公路边坡降雨灾害预测预警方法研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20(4):27－30.

［10］王福恒，李家春，田伟平.黄土边坡降雨入渗规律试验［J］.长安大学学报(自然科学版)，2009，29(4):20－24.

［11］黄志全，何鹏.用有效降雨量监测黄土边坡稳定性的研究［J］.华北水利水电学院学报，2007，28(6):53－55.

［12］张永双，王红才.砂黄土高边坡稳定性的数值模拟研究［J］.地质力学学报，2004，10(4):357－364.

Abstract:Through field－site investigations and theoretical analysis，preliminary judging criteria for slope rainfall hazard assessment were proposed.Then，this paper studied the main factors of highway slope stability such as slope structure，slope shape and vegetation，and put forward standard slope type model for highway slope in loess area，on the basis of which the scoring table for the hazard－resistant ability of highway slope as well as its criteria had been established.Finally，according to the slope failure and rainfall data，hazard－resistant rainfall method，suitable for northern Shaanxi Loess Plateau Region(including the sand loess areas and the typical loess areas)，was proposed for the early warning and prediction of highway slope hazard by rainfall.This method works on the prediction of a specific highway slope rainfall hazard in loess area.Engineering applications showed that hazard－resistant rainfall method had relatively good operability.

Key words:loess area;highway slope;rainfall;hazard－resistant to rainfall method;standard slope;failure prediction

Failure prediction for highway slope induced by rainfall in loess area

LI Jia－chun1，MA Bao－cheng1，TIAN Wei－ping1，XU Zhi－rong1，2，LIU Hong2，LIU Xiang－ru1，3
(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education，Chang’an University，Xi’an710064，China; 2.Yan’an Highway Administration Bureau of Shaanxi Province，Yan’an716000，China; 3.Heze Highway Administration Bureau of Shandong Province，Heze274000，China)

1003－8035(2010)03－0038－05

U416.1+69;P642.2

A

2010－04－07;

2010－05－14

西部交通建设科技项目——路基灾害防治技术推广及应用示范(2006 318 000 07)

李家春(1968—)，男，陕西商南人，博士后，长安大学副教授，主要从事道路灾害防治的研究。

E－mail:fz03@gl.chd.edu.cn