李家春，馬保成，田偉平，徐志榮，，劉洪，劉相如，3

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064; 2.延安公路管理局，陜西延安 716000;3.菏澤市公路管理局，山東菏澤 274000)

黃土地區(qū)公路邊坡降雨失穩(wěn)預報研究

李家春1，馬保成1，田偉平1，徐志榮1，2，劉洪2，劉相如1，3

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064; 2.延安公路管理局，陜西延安 716000;3.菏澤市公路管理局，山東菏澤 274000)

為了研究黃土地區(qū)公路邊坡降雨失穩(wěn)災害的預測預警方法，通過現(xiàn)場調查和理論分析，研究了黃土地區(qū)公路邊坡降雨災害危險性初步判別的標準;在分析公路邊坡穩(wěn)定性主要影響因素(邊坡結構、邊坡形態(tài)和植被特征)的基礎上，提出了黃土地區(qū)公路邊坡標準坡型的模型;以標準邊坡坡型為基準，根據(jù)邊坡失穩(wěn)資料和降雨數(shù)據(jù)，建立了公路邊坡抗災能力評分表和評分標準。由此提出了適合于陜北黃土地區(qū)(包括砂黃土地區(qū)和典型黃土地區(qū))公路邊坡降雨災害預測預警的抗災雨量法，可以針對某個具體的黃土地區(qū)公路邊坡的降雨災害進行工點失穩(wěn)預報。工程應用表明抗災雨量法可操作性較好。

黃土地區(qū);公路邊坡;降雨災害;抗災雨量法;標準邊坡坡型;失穩(wěn)預報

0 引言

陜西北部黃土地區(qū)自然條件比較差，區(qū)內交通以公路為主，公路邊坡災害嚴重制約著當?shù)亟煌ê徒?jīng)濟的發(fā)展。據(jù)有關資料統(tǒng)計，陜西省公路災害中，陜北黃土地區(qū)公路邊坡災害占有很大的比例，每年造成巨大的經(jīng)濟損失，因交通中斷和受阻導致的經(jīng)濟損失則更為嚴重。其中，降雨是引發(fā)公路邊坡災害的主要因素之一。但是，在黃土地區(qū)，并非所有的降雨都會引起邊坡失穩(wěn)。

邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞與工程地質條件和降雨因素關系密切。在鐵路防洪中，汛期降雨量的警戒值和邊坡抗洪能力評分表用于部分區(qū)段和工點土質邊坡坍塌發(fā)展趨勢的時空預測預報［1－3］。全國地質災害氣象預警工作自2003年啟動以來成效顯著，一些地區(qū)以縣級或流域區(qū)域的臨界雨量(或雨強)作為預報預警的依據(jù)，但是預報的精度等方面仍有待研究［4－8］。針對黃土地區(qū)公路邊坡，李家春等［9］提出了基于有效降雨量的雨量線預測法;王福恒等［10］利用人工模擬降雨裝置和路堤土工模型，研究了降雨對黃土路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，以及路基在不同初始含水量、壓實度、降雨歷時和降雨強度條件下的入滲規(guī)律;黃志全等［11］通過監(jiān)測某一公路邊坡所在地區(qū)的降雨情況，計算出邊坡土的飽和度，來監(jiān)測出邊坡是否會發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可見，黃土地區(qū)公路邊坡降雨災害預測方面的研究中關于工點邊坡失穩(wěn)的預測還較少。進一步研究黃土地區(qū)公路邊坡降雨災害的預測預警方法，具有重要的工程意義。

雨量線法是對某個區(qū)域范圍內的黃土公路邊坡降雨災害進行預測［9］。而降雨時哪些邊坡更易發(fā)生損毀，則是預測的難點。因此，本文在對陜北、隴東等黃土地區(qū)的公路邊坡降雨災害進行大量實地調查觀測的基礎上，提出了抗災雨量法?？篂挠炅糠ㄖ饕轻槍δ硞€具體的黃土公路邊坡在降雨條件下發(fā)生失穩(wěn)破壞的預測。

1 公路邊坡降雨災害抗災雨量預測法

在一定的降雨條件下，公路邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，也可能不發(fā)生破壞;當邊坡發(fā)生破壞時，可能產(chǎn)生大的災害，也可能產(chǎn)生小的災害。公路邊坡數(shù)量很多，逐一分析評價的工作量很大，而且也沒有必要。因此，在進行降雨條件下的邊坡抗災能力預測時，首先應該對邊坡的降雨災害危險性進行初步評定。對于降雨災害危險性小的邊坡，可以不必進行邊坡抗災能力預測;對于降雨災害危險性大的邊坡，則需要進行進一步的分析，有重點的進行降雨災害的預測預警。這樣，既可以減少公路養(yǎng)護管理部門邊坡災害調查分析的工作量，又可以重點掌握降雨災害危險性大的邊坡的抗災能力。

1.1 邊坡降雨災害危險性評定

根據(jù)對黃土地區(qū)公路邊坡降雨災害的實地調查及資料分析，當公路邊坡高度較小(小于6～8m)時，降雨對邊坡致災作用相對較小，邊坡穩(wěn)定性一般較好，即使邊坡發(fā)生局部的破壞，由于其高度較低，其危害性相對較小;邊坡坡面的防護措施，可以有效減少雨水對坡面的沖刷和降雨入滲;完善的坡面排水系統(tǒng)，既可以有效攔截地表徑流流入邊坡范圍，又可以使坡面水流迅速匯集并排出坡面。當邊坡的植被(特別是苔蘚植物)生長較好時，說明植被已經(jīng)生長了很長的時間且坡面穩(wěn)定的時間也較長，植被對邊坡已經(jīng)具備很好的沖刷保護作用。

因此，本文提出以下3條作為邊坡危險性大小的基本判斷標準:①公路邊坡高度小于6～8m;②邊坡坡面防護措施與排水系統(tǒng)完善，并且沒有變形跡象;③邊坡植被完好。采用上述3條基本判斷標準篩選以后，當所選定的邊坡滿足其中一條或一條以上時，可以先不對其進行邊坡的抗災能力預測;不滿足要求的邊坡，則應該對其抗災能力進行進一步的分析判斷，并作出降雨災害的預測預警。

1.2 邊坡降雨災害預測預警的抗災雨量法

1.2.1 邊坡失穩(wěn)影響因素

影響公路邊坡穩(wěn)定性的因素可以分為內在因素和外在因素。內在因素主要是指邊坡坡體的固有特性(如:結構構造、巖土類型、物理力學性質、水理性質、密實度、坡高、坡長、坡度等);外在因素主要有人工切坡或堆載、降雨、地震等。

在陜北黃土地區(qū)，公路邊坡的邊坡結構、邊坡形態(tài)(坡高、坡度等)、土質(砂黃土、典型黃土或其它)等因素對邊坡穩(wěn)定性具有很大的影響;而邊坡失穩(wěn)的外在影響因素主要是降雨。

(1)邊坡結構。當邊坡中存在古土壤、紅粘土、礫石層、黃土與基巖接觸面等情況時，黃土邊坡呈層狀結構，或“上土下巖”的二元結構。雖然黃土地區(qū)地下水較少，但黃土層中的砂層透鏡體與具有隔水意義的古土壤層、黃土中的礫石層或黃土高階地下的砂礫石層與下伏的第三系紅粘土或泥巖、頁巖，可以組成較好的含水系統(tǒng)，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。

(2)邊坡形態(tài)。邊坡形態(tài)是決定邊坡內部應力狀態(tài)的直接因素。隨著坡度、高度的增大，邊坡內的最大應力值和應變值均升高，失穩(wěn)破壞的可能性迅速增大［12］。

(3)植被特征。植被對邊坡有明顯的防護作用，是一個不可忽視的因素。新開挖的邊坡，多數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，久而久之，在水、溫度、風化等的共同作用下開始出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。風化作用是一個持續(xù)作用的因素，溫度的變化，干濕循環(huán)，水的淋濾，生物化學作用，均不斷破壞土體的結構。而地表植被的存在，可以保護邊坡的表土，穩(wěn)定邊坡的內部土體，起到以土保土的作用。

為了得到不同公路邊坡的抗災能力，需要對邊坡的影響因素進行分級，為降雨條件下的邊坡抗災能力預測評價打下基礎。具體分級見表1。

表1 邊坡失穩(wěn)影響因素分級表Table 1 Rating table for factors of slope instability

1.2.2 邊坡抗災能力評分表

降雨是邊坡失穩(wěn)的主要影響因素之一。不同的降雨量和雨型，均不同程度的影響著邊坡的穩(wěn)定性。而邊坡結構、邊坡形態(tài)、土質類型及植被特征等因素又在一定程度上影響著降雨量對邊坡的作用。為了使這些定性與定量因素得到量化，采用評分表作為影響因素的評分標準，同時也作為衡量邊坡抗災能力的評分標準。

1)標準邊坡坡型的影響因素及抗災能力分值

(1)標準邊坡坡型

為了對邊坡的抗災能力進行評價，提出黃土地區(qū)公路邊坡標準坡型的模型，即邊坡結構為均質黃土、坡高為8m、坡度為1∶0.75、植被特征為良的邊坡為標準坡型。標準坡型是根據(jù)黃土地區(qū)公路邊坡工程經(jīng)驗以及邊坡優(yōu)化設計而提出的，具有較高的穩(wěn)定性和較強的抗降雨災害能力。

(2)標準邊坡坡型各影響因素的權重

為了區(qū)別各因素影響的大小，根據(jù)現(xiàn)場調查，把各影響因素分別賦予權重，其值見表2。

(3)標準邊坡坡型影響因素抗災能力表

設標準邊坡坡型可以抵抗相當于警戒雨量線值(砂黃土地區(qū)為70mm，典型黃土地區(qū)為85mm)［9］的有效降雨量。則標準邊坡各因素對應的抗災雨量值可以通過影響因素權重和警戒雨量線值計算得到，即抗災雨量值=權重×警戒雨量線。因此，在砂黃土地區(qū)，標準坡型下的各影響因素的抗災雨量值為，邊坡結構: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。在典型黃土地區(qū)，標準坡型下的各影響因素的抗災雨量值為，邊坡結構: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 標準邊坡坡影響因素權重表Table 2 Weights for factors of standard slope

結合工程經(jīng)驗，對以上數(shù)值進行修正，由此可以得到砂黃土地區(qū)和典型黃土地區(qū)在標準坡型下的各影響因素的抗災雨量值(表3)。

表3 標準坡型影響因素抗災能力評分表Table 3 Scoring table for the hazard-resistant ability of factors of standard slope type

2)邊坡影響因素抗災能力評分表

以標準坡型下各影響因素的抗災雨量值為基準，分析邊坡失穩(wěn)資料和降雨資料，結合有效降雨量，確定各影響因素的打分標準(表4、表5)。

3)判斷分

通過影響因素評分表，可以得到工點邊坡的抗災能力值。但是，對于公路邊坡的穩(wěn)定性，除了考慮上述影響因素外，還應該考慮可能存在的其它有利或者不利條件(如:邊坡是否有發(fā)育的裂隙、是否有完善的排水系統(tǒng)或防護措施、是否設置邊坡平臺或設置是否合理等)。因此，通過邊坡影響因素評分表得到的抗災雨量值還不能完全反映邊坡的抗災能力，需結合邊坡存在的上述條件，對其抗災雨量值進行修正，修正后的分值即為邊坡的抗災雨量值。

本文按下述原則修正:修正值不能超過正負60 分;當邊坡有失穩(wěn)跡象時，減去60分值;當邊坡排水系統(tǒng)完善時，增加10分值;當有坡腳防護時，增加30分值;當邊坡設置平臺且設置合理時，增加20分值。除此之外，當邊坡出現(xiàn)其它情況時，可以酌情加減分值。

4)邊坡抗災能力評分標準及計算式

通過以上步驟，可以得到最終的邊坡抗災能力評分標準，見表4、表5。

表4 砂黃土地區(qū)公路邊坡抗災能力評分表及評分標準Table 4 Scoring and criteria for the hazard-resistant ability of highway slope in sand loess areas

表5 典型黃土地區(qū)公路邊坡抗災能力評分表及評分標準Table 5 Scoring and criteria for the hazard-resistant ability of highway slope in typical loess areas

本文將抗災雨量作為因變量，把影響公路邊坡穩(wěn)定性的主要因素(即邊坡結構、坡度坡高和植被特征等)作為自變量，建立關系式如下:

式中:Y——抗災雨量值;

Xi——影響因素的分值(見表4、表5);

n——影響因素的個數(shù)(n=4);

XZ——判斷分。

抗災雨量法是針對具體公路邊坡進行失穩(wěn)預測，其實質是通過對邊坡失穩(wěn)影響因素的分析，建立抗災雨量與各影響因素的關系式。通過邊坡的抗災雨量值評價邊坡抵御降雨災害的抗災能力。當該地區(qū)有效降雨量超過邊坡抗災雨量值時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性大。

1.2.3抗災雨量法應用

邊坡抗災能力評分表具有比較好的可操作性。在工程應用時，按表4、表5所列內容進行現(xiàn)場量測調查，可得到邊坡的定量數(shù)據(jù)和定性等級說明，按評分標準給定評分值，并按式(1)將各分值進行加減，即可得到邊坡抗災能力值。但當表中所列情況與實際工程出現(xiàn)差異時，應考慮當?shù)丶肮愤吰戮唧w情況，結合工程實踐經(jīng)驗，確定邊坡的抗災能力值。

2 公路邊坡降雨失穩(wěn)預報

公路邊坡降雨失穩(wěn)預報就是預報在降雨條件下邊坡失穩(wěn)的時間。在雨季，衡量邊坡是否穩(wěn)定，也就是衡量邊坡雨季抗災能力大小問題，本文采用邊坡最多承受的有效降雨量(即抗災雨量值)來表示邊坡抗災能力?？篂挠炅糠ㄊ峭ㄟ^可操作性較強的邊坡抗災能力評分表，并考慮當?shù)丶肮愤吰戮唧w情況，結合工程實踐經(jīng)驗，得到邊坡的抗災雨量值，以此來評價邊坡的抗降雨災害能力。

因此，邊坡失穩(wěn)與否，取決于抗災能力與實際降雨量的對比情況。邊坡失穩(wěn)預報的具體方法是，根據(jù)邊坡抗災能力評分表(表4、表5)，計算出邊坡的抗災能力值，同時根據(jù)近期降雨量和天氣預報降雨量值計算有效降雨量，當有效降雨量超過邊坡抗災能力值時，就可判斷邊坡會發(fā)生失穩(wěn)破壞，由此作出時間與空間的聯(lián)合預報。

公路邊坡降雨失穩(wěn)預報的具體步驟如下:

(1)判斷邊坡的危險性大小;

(2)調查邊坡的邊坡結構、邊坡形態(tài)和植被特征等邊坡情況;

(3)根據(jù)邊坡抗災能力評分標準對各影響因素進行打分，得到邊坡抗災能力值;

(4)根據(jù)氣象部門發(fā)布的降雨信息，計算有效降雨量值［9］;

(5)比較邊坡抗災能力值和有效降雨量值，當抗災能力值大于有效降雨量值時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);當抗災能力值小于有效降雨量值時，邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，需要采取措施，以提高邊坡的抗災能力。

3 結論

(1)本文提出了黃土地區(qū)公路邊坡降雨災害危險性大小的基本判斷標準，用于公路邊坡降雨災害危險性的初步評定。

(2)在分析邊坡結構、邊坡形態(tài)和植被特征的基礎上，提出了黃土地區(qū)公路邊坡標準坡型的模型。

(3)以標準坡型下各影響因素的抗災雨量值為基準，建立了邊坡抗災能力評分表及評分標準。

(4)邊坡失穩(wěn)與否，取決于抗災能力與實際降雨量的對比情況。通過實際降雨計算得到有效降雨量，當有效降雨量超過抗災雨量值時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性大。將雨量線法與本文提出的抗災雨量法相結合，可以對黃土地區(qū)公路邊坡的降雨災害進行預測。

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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

西部交通建設科技項目——路基災害防治技術推廣及應用示范(2006 318 000 07)

李家春(1968—)，男，陜西商南人，博士后，長安大學副教授，主要從事道路災害防治的研究。

E－mail:fz03@gl.chd.edu.cn