针对雨量警戒值优化的铁路路基边坡浅层失稳机理研究

杜晓燕，郭增强，常 凯，韩自力，，罗金涛

(1.铁路工务技术中心，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081； 3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

我国南方地区雨量丰沛，降雨持续时间长，尤其是在夏季多雨季节，降雨大量诱发铁路路基边坡溜坍、崩塌、滑坡、泥石流等灾害。在各种降雨边坡灾害中，边坡溜坍最为常见，波及范围最广，衍生的次生灾害最多，治理难度最大，已经成为铁路发展进程中影响铁路正常安全运行，制约铁路长期稳定高速发展的重点病害形式。

铁路路基边坡溜坍往往具有突发性及群发性，边坡溜坍灾害一旦发生，其影响范围甚广，如不采取合理可行的技术措施进行防治，后果将极其严重。2016年，全国铁路发生的路基边坡溜坍灾害长度达 1 300 km，占全路路基总病害的8%，造成线路中断行车达138 h，严重影响了列车正常运行。

针对降雨引起的路基边坡病害问题，各铁路局通常以防为主，即采取雨量预警方法对病害发生概率进行即时判断，并根据判断结果采取相应措施进行预防。但现行雨量警戒制度大多根据以往统计数据或人工经验制订，致使运营过程中雨量预警值与实际灾害等级不相符，由此浪费大量人力物力，造成不必要的损失。因此，有必要从路基边坡溜坍机理本身入手，从根本上理清降雨与边坡溜坍病害之间的关系，科学设立雨量预警值标准，避免冗余工作及其造成的延判、误判。

1 降雨引起的路基病害

1.1 降雨引起的路基病害分类

降雨是诱发各种路基边坡病害的重要因素，并直接参与病害形成、发展全过程。根据其诱发的路基边坡病害的不同，可将病害划分为边坡溜坍、崩塌、滑坡、泥石流等类型[1]。

1)边坡溜坍

边坡溜坍是指边坡经雨水冲刷作用后，上部浅层土体失稳变形并沿边坡母体缓慢滑动的现象。溜坍发生的根本原因是降雨入渗作用。前期降雨使岩土体含水量饱和、强度降低，引发失稳。短时暴雨则直接造成径流冲刷，挟带边坡、沟谷的松散固体物质冲刷边坡坡脚，导致灾害发生。

2)崩塌

崩塌是指边坡上的岩土体在重力及雨水动力作用下突然脱离母体崩落、滚动的现象。崩塌发生的重要原因是强降雨下危岩土体裂隙动水压力激增，水体入渗并软化、润滑胶结面。当岩土体胶结面摩阻力减小至不足以承受下滑力(危岩体自身重力及动水压力)时即会产生崩塌失稳。

3)滑坡

滑坡是指边坡岩土体在重力作用下沿着贯通的剪切破坏面所发生的整体滑移现象。滑坡发生的重要原因是降雨使边坡岩土体吸水饱和，自重加大，水体沿裂隙通道下渗至基岩交界面形成软弱层，导致抗滑力降低，最终导致边坡土体失稳下滑。

4)泥石流

泥石流是指携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流快速向坡脚冲击的现象。泥石流发生的重要原因是短时降雨汇聚形成具备较高搬运能力的地表水体使铁路沿线边坡松散堆积物及风化破碎岩体快速向下滑动。

通过以上分析可知，在降雨诱发的各种路基边坡病害形式中，边坡溜坍发生所需的触发条件最少，触发标准最低，是其他几种病害形式发生的前奏。因此，在降雨过程中，边坡溜坍病害最易发生，影响范围最广。

1.2 边坡溜坍病害统计

根据2016年全国铁路路基病害统计数据，普速铁路路基病害总长度达 16 246 km。其中降雨导致的边坡溜坍病害达 1 274.7 km，占比达到8%。高速铁路路基病害总长度达120.8 km，其中降雨导致边坡溜坍病害达8.2 km，占比达到7%。

路基病害调研统计结果显示：铁路路基灾害中边坡溜坍等突发性地质灾害已成为铁路路基主要病害，特别是在南方多雨地区。其造成的直接经济损失超过12亿元，使铁路运营遭受巨大损失，并严重威胁旅客生命财产安全。2016年普速线路路基边坡溜坍长度见表1，高速铁路路基边坡溜坍比例见表2。

表1 2016年普速线路路基边坡溜坍长度

表2 2016年高速铁路路基边坡溜坍比例

2 雨量警戒制度

雨量警戒制度是铁路部门制订的用来指导汛期警戒，确保线路汛期行车安全的一种制度。它是一种分级、分段、联控执行的警戒制度模式。主要由雨量监测、判断和执行3部分构成。

雨量监测是采取相关雨量监测设备对降雨量进行实时监测。判断则是将雨量监测结果与雨量警戒值进行对比。如果降雨量达到雨量警戒值标准，则采取相应的应对措施。

2.1 雨量警戒值

制订雨量警戒值是雨量警戒制度得以执行的一项重要工作[2]。现行雨量警戒值大多是根据历史降雨量与灾害的统计数据或者依据经验制订。

根据灾害是否发生及影响程度，将雨量警戒值划分成3级进行警戒。

①注意警戒：灾害尚未发生或基本没有发生。

②限速警戒：灾害开始发生。

③封锁警戒：灾害已经危害线路，强降雨正在发生并有持续趋势，灾害有可能扩大。

表3是某铁路局的雨量警戒值。从中可以看出雨量警戒值主要根据连续雨量与1 h雨量值来确定。

表3 某铁路局防灾安全监控系统雨量警戒值

2.2 存在的问题

通过以上分析可知，目前雨量警戒值的制订过于依赖经验，科学依据不足，没有具体分析降雨致灾的机理，对于降雨量与灾害程度未进行充分研究。这在一定程度上导致了防汛工作的盲目性。为此有必要针对降雨与灾害之间的关系展开进一步研究。

3 坡面冲刷机理及发展过程

冲刷是雨水的重要作用之一。冲刷过程中，边坡表面颗粒不断流失，边坡结构不断发生改变，稳定性逐渐降低。因此，研究坡面冲刷机理及发展过程有助于进一步研究边坡的灾害形式。

3.1 坡面冲刷机理

降雨过程中，雨水冲刷作用引起坡面土颗粒分离、泥沙转移和沉积[3]。在此过程中，主要影响因素有填料性质、降雨量等。

填料力学性能及级配特性直接决定雨水冲刷过程中起动颗粒粒径的大小及范围，是冲刷破坏发生的主要内因。不良填料摩擦因数及内黏聚力小，一旦雨水冲刷，结构很容易破坏，使得冲刷更为严重。

降雨则是冲刷破坏发生的主要外因。不同降雨强度的雨水具有不同的流速及冲击作用力。降雨强度大，则流速快，作用力大，冲刷作用明显；降雨强度小，则流速慢，作用力小，冲刷作用弱。

在内因与外因的综合作用下坡面颗粒起动，形成冲刷。坡面冲刷受力分析如图1所示。

图1 坡面冲刷受力

假设路基边坡坡度为θ，坡面水流方向与坡面水平轴交角为β，作用在斜面上O点处土颗粒上的力有：拖曳力FD，与水流方向相同；上举力FL，与边坡面垂直；浮重力W，作用方向向下；渗透压力FS，作用方向与重力方向一致。

由颗粒受力分析可知，沿坡面方向的合力大小为

(1)

由平衡关系可知，坡面颗粒起动的临界条件为

φ

(2)

式中：f为摩擦因数；φ为土体在水下的休止角，一般指坡面土的内摩擦角。

3.2 坡面冲刷发展过程

综合目前国内外研究成果，根据冲刷发展阶段和冲蚀痕迹的形态特征，可将坡面降雨冲刷分为面蚀、沟蚀等类型[4]。其中沟蚀破坏性较大，根据沟槽横向剖面形态发展过程可以分为细沟、浅沟、冲沟3类，如图2所示。

图2 沟蚀形式

沟槽内流量大小是衡量沟槽破坏程度的重要指标，下面以图2(a)所示沟槽形态分析沟槽流速，其截面形状按等腰直角三角形考虑，如图3所示。

图3 坡面冲刷沟槽断面简化图

沟槽内冲刷水流的截面积S=h2。其中，h为冲沟的水流深度。冲沟的截面流量q=vS=vh2。

4 降雨引起坡体溜坍失稳

雨水冲刷作用形成的冲沟发展到一定程度，冲沟两侧物质黏聚力减小并在自重作用下失去平衡，进而产生掉块、泻溜和坍塌，即边坡溜坍[5]。

4.1 边坡溜坍机理

边坡溜坍过程大致分为3个阶段。

1)吸水膨胀阶段。降雨前边坡岩土体受前期冲刷作用影响，在表层浅部发育了一定开度的裂隙和沟槽。降雨时，雨水很快沿裂隙下渗到相应深度，使裂隙周边的岩土体吸水膨胀并逐渐向周边扩散，从而使土体上层浅部土体趋于饱和。

2)逐渐闭合阶段。边坡浅部岩土体饱和的同时，裂隙和沟槽也因膨胀而逐渐闭合，土体的渗透系数因而减小，水分下渗阻力增大，因此雨水继续下渗深度极其有限，一旦雨停后，入渗即刻停止，土中的水分则继续向周围扩散。

3)破坏阶段。膨胀降低了浅层土体颗粒之间的吸力作用，使土的抗剪强度降低，当降低到不足以抵抗土体重力时，土体开始滑动。

在这3个阶段中，主要存在2种作用形式[6]：

1)水-岩作用。水-岩作用主要包括物理、化学、力学3类作用。物理作用主要是指润滑、软化和泥化等；化学作用主要是指地下水与岩体之间的离子交换、溶解、水化作用、溶蚀作用等；力学作用主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用等。

2)降雨作用。降雨对浅层滑坡的影响是渗入坡体中的地下水的溶蚀、潜蚀作用。此外，还表现为对坡面的冲刷和对坡脚的掏蚀作用。

4.2 冲刷-溜坍影响因素

根据前述分析，冲刷-溜坍过程中以下5个因素影响最大。

观察组37例中，治愈19例，有效17例，无效1例，总有效率为97.30%；对照组37例中，治愈15例，有效16例，无效6例，总有效率为83.78%，观察组明显优于对照组，两组效果比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。

1)边坡防护情况。无防护土质或岩质边坡表层岩土体在露天恶劣环境下逐渐风化并剥落堆积，为溜坍提供了物质基础。而采取了防护措施的边坡如采用植被护坡的边坡，植被在一定程度上起到了固坡阻水的作用，从而降低了病害发生的可能性。

2)土质。膨胀岩土等不良土质亲水性强，膨胀率大，降雨过程中此类岩土体在水流浸润作用下黏聚力c，内摩擦角φ随吸水率的增加衰减幅度大，极易发生软化、泥化和崩解破坏，从而丧失结构联结。

3)降雨强度。高强度降雨入渗使边坡土体迅速饱和，同时在高雨强作用下土体的排水条件受到限制，此时若土体受到扰动并产生较大的应变，土体将被激发产生较大的超静孔隙水压力，进而崩解破坏。降雨强度越高，冲刷作用越厉害，冲蚀现象越明显。

4)累计降雨量。连续降雨作用下，雨水逐渐渗入边坡岩土体，导致其含水量增加，重度增大，c,φ值降低，进而稳定性降低。

5)坡高坡率。松散堆积层边坡的稳定性与其坡高坡率有关。坡高坡率越大，稳定性越差。

5 结论与建议

1)分析总结了降雨引发的铁路路基边坡病害类型，综合最新调查数据得到边坡浅层溜坍失稳为降雨过程中铁路路基最为严重的病害形式。

2)分析总结了现有雨量预警制度，指出雨量警戒值的制订过程中缺少对降雨成灾机理的分析，科学依据不足。

3)分析了降雨过程中边坡冲刷机理及发展过程，指出冲刷是边坡溜坍病害发生的必经阶段，为研究边坡溜坍提供了理论基础和科学依据。

4)概括总结了降雨过程中影响边坡溜坍发生的5个因素，分析了边坡溜坍病害的产生机理和发展过程。

建议应用层次分析法对雨量警戒值进行重新优化分级，并按照确定影响因素→路基边坡溜坍临界状态分析→制订雨量预警值这一流程展开研究。这一研究思路为健全铁路雨量预警制度，合理制订雨量警戒值提供了新的方向。

[1]接小峰.铁路水害致灾模式与预警预报方法研究[D].长沙：中南大学,2014.

[2]汤家法,姚令侃，伍衡昭,等.雨量警戒制度应用技术分析[J].灾害学,2003,18(2):43-47.

[3]廖华容.路基边坡冲刷机理及防护研究[D].长沙：湖南大学,2012.

[4]郭增强.铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律的研究[D].北京：中国铁道科学研究院,2012.

[5]樊永杰.降雨量与边坡溜坍定量关系的探讨[J].铁道建筑,2004,44(9):28-30.

[6]黄细超,任光明,周纵横,等.浅层滑坡中的地下水作用机理及治理方法概述[J].水利与建筑工程学报,2016,14(5):181-188.