襄渝鐵路南段邊坡溜坍雨量預(yù)警指標及量值研究

劉振宇，張千里，郭增強，王仲錦，杜曉燕

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081； 3.鐵路工務(wù)技術(shù)中心，北京 100081)

汛期是鐵路線路地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)期。襄渝鐵路沿線的災(zāi)害事件主要是由降雨誘發(fā)邊坡溜坍而產(chǎn)生的。統(tǒng)計2015—2017年襄渝鐵路沿線發(fā)生水害的情況，發(fā)現(xiàn)襄渝鐵路沿線邊坡溜坍占水害事件的50%以上，尤以南段為甚。因此以“降水”為核心開展汛期警戒是鐵路災(zāi)害防御體系的主要方向[1]。根據(jù)降雨量及本地區(qū)(線路區(qū)段)歷史上發(fā)生過的水害資料，結(jié)合鐵路設(shè)備防洪抗災(zāi)能力，對可能發(fā)生的水害作出預(yù)測，及時發(fā)出預(yù)報[2]。中國鐵路總公司《鐵路防洪工作管理辦法》針對如何確定雨量警戒值提出：雨量警戒主要防范山洪和邊坡坍塌、滑坡等水害，可按照主要水害類型致災(zāi)降雨量的90%作為封鎖基準值，致災(zāi)降雨量的75%作為限速基準值。如何依據(jù)各地的具體情況確定文件中提出的“致災(zāi)降雨量”仍十分困難。本文提出一種確定致災(zāi)降雨量的方法，對鐵路防洪管理工作具有一定指導(dǎo)意義。

1 沿線降雨特征

襄渝鐵路南段處于秦巴山區(qū)，該地區(qū)多以崩滑流為主的地質(zhì)災(zāi)害(隱患)，且具有分布范圍廣、災(zāi)害點密度高、災(zāi)害發(fā)生頻次高的特點[3-5]。該地區(qū)夏季(6—8月)降雨量為全年的峰值，秋季(9—10月)受華西秋雨[6-7]影響而頻繁南下的冷空氣與停滯在該地區(qū)的暖濕空氣相遇，鋒面活動加劇而產(chǎn)生較長時間的陰雨，其特征主要表現(xiàn)為降雨量大且降雨持續(xù)時間長，降雨日數(shù)較多。2015年襄渝鐵路全線的顯著華西秋雨現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 2015年襄渝鐵路全線降雨量統(tǒng)計

2015—2017年襄渝鐵路沿線各雨量站累積雨量見圖2?？芍杲涤甑姆逯刀嗉杏谌f源—毛壩段，尤其是2017年青花站全年降雨量達到1000 mm以上，為歷年之最。宣漢—達州段全年降雨量較萬源—毛壩段顯著減少，表明2個區(qū)段降雨特征存在明顯差異。

圖2 2015—2017年沿線各雨量站累積雨量

萬源—達州段收集了33處邊坡溜坍。根據(jù)安康工務(wù)段對襄渝鐵路雨量警戒值的分區(qū)，萬源—毛壩段收集了23處邊坡溜坍，宣漢—達州段收集了10處邊坡溜坍；襄渝鐵路56處邊坡溜坍均發(fā)生于土質(zhì)或碎石土類邊坡。病害資料記錄了發(fā)現(xiàn)邊坡溜坍的具體時刻，但此時刻并不可完全認為是邊坡溜坍發(fā)生的準確時刻，尤其是一些邊坡溜坍發(fā)生在降雨結(jié)束的幾小時內(nèi)。對于上述情況，本文中考慮按照降雨結(jié)束時刻作為病害發(fā)生時刻。一般認為，邊坡溜坍是由前期累積雨量和激發(fā)雨量[8]的綜合影響導(dǎo)致的。

2 邊坡溜坍與降雨量統(tǒng)計關(guān)系

為了確定哪一種降雨量同邊坡溜坍的發(fā)生關(guān)系密切，探討雨量警戒值應(yīng)該使用什么指標來確定，研究了邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)與發(fā)生的前1周降雨量因子的相關(guān)性。經(jīng)計算，不同區(qū)段的邊坡溜坍數(shù)量與降雨量因子相關(guān)性見表1。

表1 不同區(qū)段的邊坡溜坍數(shù)量與降雨量因子相關(guān)性

由表1可知：

1)萬源—毛壩段邊坡溜坍發(fā)生的前1周內(nèi)降雨量因子與邊坡溜坍數(shù)量的相關(guān)性均較好，除120 h(5 d降雨量)外，其相關(guān)性系數(shù)均大于0.9；宣漢—達州段只有96 h(4 d降雨量)以及168 h(7 d降雨量)相關(guān)性系數(shù)在0.9以上，表明2段線路的地質(zhì)條件、邊坡土性有所不同，邊坡溜坍與降雨量因子的敏感性有所差異。

2)24 h降雨量與邊坡溜坍數(shù)量的相關(guān)性普遍較差，尤其是在宣漢—達州段，其相關(guān)系數(shù)只有 0.805 3，在各降雨量因子與邊坡溜坍數(shù)量的排序中位于末位，而萬源—毛壩段24 h降雨量與邊坡溜坍數(shù)量的相關(guān)性同樣較低，表明現(xiàn)行的鐵路雨量警戒值中將24 h降雨量作為主要防范連續(xù)降雨和短時強降雨共同作用誘發(fā)的山洪、泥石流、滑坡、坍塌等嚴重水害的指標并不是最優(yōu)選擇[9]，或者說該指標不適宜作為表征累積降雨量的唯一指標。

3)萬源—毛壩段邊坡溜坍發(fā)生的前1周降雨量因子與邊坡溜坍數(shù)量普遍具有較高相關(guān)性；宣漢—達州段內(nèi)相對較長時間(4，6，7 d)的降雨量因子與邊坡溜坍數(shù)量的相關(guān)性好，因此本文中采用邊坡溜坍發(fā)生的前1周降雨量信息作為評價鐵路路塹邊坡是否進入預(yù)警值的評價指標。

3 有效降雨量模型的確定

由于一次降雨不一定會導(dǎo)致邊坡溜坍發(fā)生，而每次降雨量中也只有部分雨量會滲入邊坡土體中從而對邊坡溜坍產(chǎn)生作用，因此雨量站所記錄的雨量信息不能作為致災(zāi)降雨量。本文用一段時間的當天降雨量分別乘以有效降雨系數(shù)得到有效降雨量[10]。有效降雨量Rc可用冪指數(shù)計算式進行計算，即

Rc=R0+αR1+α2R2+…+αnRn

式中：R0為當天降雨量；α為有效降雨量系數(shù)；Rn為n日前降雨量；n為降雨經(jīng)歷的天數(shù)。

在使用有效降雨量模型時，α的取值是有效降雨量模型是否準確的關(guān)鍵因素。選取α分別為0.9,0.8,0.7,0.6,0.5進行計算，并對各系數(shù)值與邊坡溜坍數(shù)量進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2 α與邊坡溜坍數(shù)量相關(guān)性

由表2可知，萬源—毛壩段、宣漢—達州段計算有效降雨量時，α應(yīng)分別采用0.9，0.7。

4 致災(zāi)降雨量的確定

本文將有效降雨量作為評價累積雨量指標，將1 h最大降雨量作為評價激發(fā)雨量的指標。

萬源—毛壩段降雨特征與邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)的關(guān)系見圖3。

圖3 萬源—毛壩段降雨特征與邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)的關(guān)系

由圖3(a)可知，萬源—毛壩段有效降雨量小于60 mm 時，3年中僅發(fā)生4起邊坡溜坍，表明在此雨量特征下幾乎不發(fā)生邊坡溜坍；有效降雨量處于60～90 mm 時，邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)有所上升，但曲線上升較緩，表明該有效降雨量不可選定為萬源—毛壩段邊坡溜坍有效降雨量的致災(zāi)降雨量；有效降雨量處于90～110 mm時，邊坡溜坍數(shù)量顯著上升，根據(jù)2015—2017年統(tǒng)計資料，萬源—毛壩段在該有效降雨量范圍內(nèi)發(fā)生邊坡溜坍數(shù)量9次，較之前邊坡溜坍發(fā)生數(shù)量增加一倍。在該雨量范圍內(nèi)曲線最陡，同樣表明該雨量范圍對邊坡溜坍的激發(fā)作用顯著。建議萬源—毛壩段采用累積雨量與激發(fā)雨量雙指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為90 mm。當有效降雨量達到140 mm 及以上時，邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)又存在較大的上升趨勢，故建議萬源—毛壩段采用累積雨量單指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為140 mm。

由圖3(b)可知，萬源—毛壩段1 h最大降雨量處于0～22 mm，邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)緩慢上升，但變化較緩；1 h最大雨量處于22～34 mm時，邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)顯著上升，發(fā)生于該區(qū)間內(nèi)的溜坍次數(shù)有12次，曲線較陡。建議采用累積雨量與激發(fā)雨量雙指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為22 mm。

宣漢—達州段降雨特征與邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)的關(guān)系見圖4。

圖4 宣漢—達州段降雨特征與邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)的關(guān)系

由圖4(a)可知，宣漢—達州段有效降雨量<80 mm 時，沒有邊坡溜坍發(fā)生；有效降雨量處于80～130 mm時，邊坡溜坍數(shù)量顯著上升，根據(jù)2015—2017年統(tǒng)計資料，宣漢—達州段在該有效降雨量范圍內(nèi)邊坡溜坍發(fā)生了8次。在該雨量范圍內(nèi)曲線最陡，同樣表明該雨量范圍對邊坡溜坍的激發(fā)作用顯著。建議宣漢—達州段采用累積雨量與激發(fā)雨量雙指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為90 mm。當有效降雨量達到150 mm 及以上時，邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)又存在較大的上升趨勢，故建議宣漢—達州段采用累積雨量單指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為150 mm。

由圖4(b)可知，萬源—毛壩段1 h最大雨量為 0～36 mm時邊坡溜坍基本不發(fā)生；1 h最大雨量為36～46 mm 時邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)顯著上升，發(fā)生于該區(qū)間內(nèi)的溜坍次數(shù)有8次，曲線斜率較陡。故本文建議采用累積雨量與激發(fā)雨量雙指標時邊坡溜坍的致災(zāi)降雨量定為36 mm。

綜上分析，安康工務(wù)段管內(nèi)襄渝鐵路南線萬源—毛壩段、宣漢—達州段致災(zāi)降雨量見表3。

表3 襄渝鐵路南線致災(zāi)降雨量 mm

5 結(jié)論

根據(jù)降雨量資料以及歷史邊坡溜坍資料的統(tǒng)計結(jié)果，分析了襄渝鐵路南段邊坡溜坍與降雨量的相關(guān)性。主要結(jié)論如下：

1)邊坡溜坍發(fā)生的前3 d或4 d降雨量因子與災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性最好，表明當前全路廣泛采用的24 h降雨量作為雨量預(yù)警指標具有局限性；

2)采用病害發(fā)生的前1周降雨量計算有效降雨量，并將有效降雨量作為邊坡溜坍的雨量預(yù)警關(guān)鍵性指標。統(tǒng)計分析了有效降雨量與邊坡溜坍發(fā)生次數(shù)的關(guān)系，確定了萬源—毛壩段以累積雨量作為雨量警戒值的致災(zāi)降雨量為140 mm，以累積雨量+激發(fā)雨量作為雨量警戒值的致災(zāi)降雨量為90 mm+22 mm；宣漢—達州段以累積雨量作為雨量警戒值的致災(zāi)降雨量為150 mm，以累積雨量+激發(fā)雨量作為雨量警戒值的致災(zāi)降雨量為90 mm+36 mm。