降雨影響下不同坡度的路塹基床徑流與滲流特性的試驗與分析

陳永寶，山成菊

(1.金華市水旱災害防御技術中心，浙江 金華 321013；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

目前，我國鐵路基床的防水措施主要是采用復合薄膜與基床防水板相結合的方式[1-3]。這種防水方式存在著失穩(wěn)現(xiàn)象嚴重、施工工藝復雜等缺陷，嚴重影響了基床的防水效果[4-6]。路塹基床病害的核心原因是水，其不僅來自降水，還來自氣候變化過程中土壤水分的再分配，深埋路塹路基水分蒸發(fā)及遷移逐漸累積，使路基濕度及變形發(fā)生顯著變化[7-9]。因此通過試驗，分析和總結降雨環(huán)境下路基的濕度變化規(guī)律和變形規(guī)律對鐵路路基的保護至關重要[10]。

文獻[11]采用計算數(shù)值的方法建立了高速鐵路路基滲流模型。以2013年杭州市的降雨數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，計算基床底層不同細顆粒含量對路基內部水分運移的影響；現(xiàn)場試驗中在基床底層與基床表層之間設置毛細屏障，分析了水囊的控制方法。文獻[12]研究浸水入滲條件下路基的響應程度。依托浩吉(浩勒報吉-吉安)重載鐵路工程背景，開展循環(huán)加載400萬的現(xiàn)場激振試驗。試驗結果表明：路基干燥與浸水狀態(tài)下，動應力與路基深度變化趨勢吻合，浸水入滲與列車動載的加劇作用更多體現(xiàn)在基床表層與底層的銜接處。

基于以上研究成果，本文以浸水環(huán)境下的路塹基床特性為研究核心，從不同坡度角度出發(fā)，提出了不同坡度路塹基床特性的室內試驗與分析方法，并以室內試驗方法為依據(jù)，在京滬鐵路天津段工程背景下，進行實地試驗，為路塹基床在不同坡度條件下的應用提供了參考資料。

1 不同坡度的路塹基床特性室內試驗與分析方法

1.1 路塹基床的材料特性

按照室內土木試驗標準，本文所用的膨脹土土質性質如表1所示。

表1 本文所用的膨脹土土質性質

1.2 室內試驗場地設計

為分析坡度對路塹基床特性的影響，當坡長為6 m時，在不同坡度、同一降雨強度的條件下測定路塹基床特性。室內試驗場地設計如圖1所示。

圖1 室內試驗場景

坡度是指地表陡緩的程度，如圖1所示，室內試驗場景中，集流槽存在坡度，可收集徑流雨水。將急流槽坡度依次設成35°、45°、55°、65°。本文使用短時間強降雨模擬測試，將每個坡度實施間隔為4 min、持續(xù)時間為4 min的降雨。降雨強度為65 mm/h，降雨次數(shù)為3次。將各次降雨的雨量和獲取的徑流雨量進行標記。

室內降雨強度控制裝置是雨強控制器，包括噴灑器與壓力泵，如圖2所示。

圖2 雨強控制器

試驗數(shù)據(jù)的測量采用的是自動測控，通過圖1設計的室內試驗場地內的傳感器每隔0.5 m布置在軌道兩側，將各項指標數(shù)據(jù)實時傳輸給自動測控微電腦，自動顯示測試結果。

1.3 試驗指標介紹

試驗場地的測試手段是本文研究的基礎，本次試驗以入滲量、含水率、水流速度、產流時間、產流強度、平均水深等作為測試路塹基床特性的指標。

入滲量，即入滲容量，指降水滲入地面土壤時的最大入滲率。一般情況下，滲透系數(shù)的上限低于10-8m/s量級，在室內試驗的開始階段，路塹基床的坡表面在正常狀態(tài)中存在非飽和狀態(tài)。

含水率，即含水量，指的是土壤中實際含水量多少。

水流速度，指水流單位時間內流過的距離，一般單位為m/s。

產流時間指開始降雨后，路塹基床出現(xiàn)徑流并開始從集流槽流到集水池的耗時，產流時間是判斷侵蝕產流的核心指標。

產流強度是在產流時間內降雨強度，一般與產流時間成正比關系。

平均水深指的是平均水深變化，平均水深與坡度和降雨量存在密切關系。

1.4 室內試驗結果與分析

1.4.1入滲量變化

不同坡度、同一降雨強度下，路塹基床坡表面入滲量如表2所示。

表2 坡表面入滲量試驗結果

分析表2可知，不同坡度下，路塹基床的坡表面入滲量存在一定差異，坡度越大，入滲量越小，3次降雨中，路塹基床的坡表面入滲量均存在此變化規(guī)律。

一般情況下，滲透系數(shù)的上限低于10-8m/s量級，在室內試驗的開始階段，路塹基床的坡表面在正常狀態(tài)中存在非飽和狀態(tài)，當?shù)?次降雨時，降雨強度大于路塹基床的初期入滲度，這時，土體吸納水分的速度低于自身滲透速度，滲流將存在不飽和性，屬于無壓滲透。第2次降雨與第3次降雨中，因為降雨強度一致，路塹基床的土體滲透性出現(xiàn)變化，降雨強度高于土體的滲透性能，路塹基床的土坡表面層飽和度逐漸提升，出現(xiàn)積水與徑流，伴隨降雨時間變多，路塹基床的土體入滲性能慢慢變差，此步驟為有壓滲透，所以3次降雨中，路塹基床坡表面雨水入滲量逐漸變少，直至降低至200 cm3。

不同坡度變化下，3次降雨入滲總量的變化如圖3所示。

圖3 不同坡度變化下3次降雨入滲總量的變化

將表1、圖3的試驗結果結合分析，在3次降雨入滲測試中，路塹基床坡表面入滲量最大值是坡度為35°時，達到2 800 cm3，最小值是坡度為65°時低至2 000 cm3。和砂土的差異在于，路塹基床邊坡在降雨后，因為滲透性較差，雨量變多時，因入滲性能存在約束，便很容易出現(xiàn)積水，裂隙在雨水的填充下，土體便會扮演防滲膜的角色，而針對滲透性較差的土體，路塹基床因為坡度的變大，入滲量變小。以此類推，坡度越小，路塹基床的入滲量越多，坡度越大，路塹基床的入滲量越少。

3次降雨模擬試驗存在一定誤差，但試驗精度不低于80%，可保證試驗數(shù)據(jù)的準確性和客觀性。

1.4.2含水率變化

不同坡度、同一降雨強度下，計算降雨前后路塹基床坡表面的含水率，測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 降雨前后坡表面含水率試驗結果

圖5 降雨前后坡表面含水率變化

分析圖4、圖5可知，路塹基床坡表面含水率變化與降雨入滲量存在直接聯(lián)系，按照上文所測試的入滲量因坡度變大而變小的規(guī)律，降雨前后，路塹基床坡表面含水率變化也存在此趨勢，當坡度為35°時，路塹基床坡表面達到含水率變化最大值12%，當坡度為65°時含水率變化低至9%。此趨勢與上文測試結果相呼應，表示本文方法的試驗結果具有合理性。

1.4.3流速變化

不同坡度、同一降雨強度下，路塹基床坡表面的水流速度變化如圖6所示。

圖6 不同坡度路塹基床坡表面的水流速度變化

分析圖6可知，不同坡度、同一降雨強度下，路塹基床坡表面的水流速度，伴隨坡度變大而變快。當坡度為65°時，路塹基床坡表面流速達到0.04 m/s，當坡度為35°時流速低至0.02 m/s。分析原因是坡度較大、降雨強度不變，路塹基床坡表面的積水率較低，所以水流速度變快。

1.4.4平均水深變化

不同坡度、同一降雨強度下，路塹基床坡表面的平均水深變化如圖7所示。

圖7 不同坡度路塹基床坡表面的平均水深變化

分析圖7可知，不同坡度、同一降雨強度下，坡度變大時，路塹基床坡表面的平均水深值變小。當坡度為35°時，路塹基床坡表面平均水深達到最大值1.1 m，當坡度為65°時平均水深達到最小值0.49 mm。

1.4.5產流時間變化

在開始降雨后，路塹基床出現(xiàn)徑流并開始從集流槽流到集水池的耗時即為產流時間，產流時間是判斷侵蝕產流的核心指標。

不同坡度、同一降雨強度條件下，路塹基床坡面產流時間變化如圖8所示。

圖8 不同坡度同一降雨量下路塹基床坡面產流時間變化

分析圖8可知，不同坡度、同一降雨強度條件下，坡度從35°提升至65°時，對應的路塹基床坡面產流時間從10 min降低為2 min，表示路塹基床坡面產流時間伴隨坡度變大而變短。

1.4.6產流強度變化

不同坡度、同一降雨強度條件下，路塹基床坡面產流強度變化如表3所示。

表3 不同坡度、同一降雨強度條件下,路塹基床坡面產流強度變化

分析表3可知，當產流歷時變多，不同坡度、同一降雨條件下，路塹基床坡面的產流強度逐漸變大，降雨時間變多，坡面土壤含水率逐漸變大，路塹基床的土壤水飽和，降雨入滲損失慢慢變少，坡面產流量變大達到0.65 mm/min，路塹基床坡面產流強度伴隨產流歷時變多而變大、伴隨坡度變大而變大。

2 應用室內模擬試驗方法的鐵路工程實地試驗

2.1 試驗場地與試驗指標

試驗工程背景選擇中鐵十八局勘察設計院負責的某個路段，此線段為I級客貨共線鐵路，客車時速200 km/h、貨車時速120 km/h的鐵路。在此線段上選擇坡長為10 m、坡度不同的4個路段作為試驗場地。

研究區(qū)域邊坡的初始狀態(tài)相關情況，邊坡參數(shù)如表4所示。

表4 場地邊坡參數(shù)

經過測量(見圖9)，4個路段的坡度測量數(shù)據(jù)依次為32.3°、35.6°、41.5°、43.3°。

圖9 鐵路坡度實地測量

使用自動測控器采集試驗當日降雨的相關數(shù)據(jù)，試驗結果如表5所示。

表5 降雨測試數(shù)據(jù)

試驗指標與室內試驗指標相同(詳見2.2)，對不同坡度的路塹基床特性進行試驗與分析。

2.2 實地試驗結果與分析

2.2.1入滲量變化

在實際工程線段上，不同坡度、同一降雨強度條件下，路塹基床坡表面不同測試位置的入滲量變化測試結果如表6所示。

表6 不同坡度、相同降雨強度條件下,路塹基床坡表面的入滲量變化

分析表6可知，不同坡度、相同降雨強度下，路塹基床的坡表面入滲量存在一定差異，坡度較大，入滲量較小。當坡度為32.3°時，路塹基床坡表面入滲量達到最大值1 800 cm3，當坡度為43.3°時入滲量達到最小值1 200 cm3。

2.2.2含水率變化

不同坡度條件下，路塹基床坡表面的含水率變化測試結果如表7所示。

表7 不同坡度條件下,路塹基床坡表面的含水率變化

分析表7可知，不同坡度，路塹基床的坡表面含水率存在一定差異，坡度較大，含水率較小。當坡度為32.3°時，路塹基床坡表面達到含水率最大值40%，當坡度為43.3°時含水率低至10%。該試驗結果與室內試驗結果趨勢一致。

2.2.3流速的變化

流速具有延展性，因此將坡長也定為變量，分別在4個路段選定2、4、6、8 m作為坡長。不同坡度、不同坡長條件下，路塹基床坡表面的水流速度測試結果如圖10所示。

圖10 不同坡度、不同坡長條件下，路塹基床坡表面的水流速度測試結果

分析圖10可知，同一雨強條件中，伴隨坡長變大，水流速度逐漸變大，表示坡長越大，水流速度越快。當坡度是65°時，水流速度快于其他坡度，達到0.043 m/s，分析原因為此時流速的不同是受坡度、坡長雙重因素影響。坡度越大，水流速度也越快。

2.2.4平均水深的變化

不同坡度條件下，路塹基床坡表面的平均水深變化測試結果如圖11所示。

圖11 不同坡度路塹基床坡表面的平均水深變化

分析圖11可知，平均水深伴隨坡度變大而變小，當坡度是35°時，水深值最大，達到2.02 mm。

伴隨坡度變大，水深值逐漸變小，原因是坡度較高，雨水的積水性變差，不利于雨水的存儲，水深值將會變小。

2.2.5產流時間與產流強度變化

不同坡度條件下，路塹基床坡表面的產流時間與產流強度變化測試結果如表8所示。

表8 不同坡度條件下,路塹基床坡表面的產流時間、強度變化

分析表8可知，不同坡度條件下，路塹基床坡表面的產流時間與產流強度均出現(xiàn)明顯變化。當坡度變大時，產流時間逐漸變短，最低值為1 700 min；路塹基床坡表面的產流強度伴隨坡度變大而變大，最大值達到0.45 mm/min。原因是坡度變大，將加速雨水的流速，產流時間也將變短，產流強度變大。

3 結論

本文對降雨影響下不同坡度的路塹基床徑流與滲流特性分別進行了室內試驗和室外現(xiàn)場試驗，主要從不同坡度同一降雨強度條件下，對路塹基床徑流與滲流特性進行測試，試驗結果如下：

a.不同坡度同一降雨強度條件下，路塹基床的坡表面入滲量存在一定差異，坡度較大，入滲量較小；路塹基床坡表面入滲量最大值是坡度為35°時，最小值是坡度為65°時。

b.含水率因坡度變大而變小。

c.水流速度伴隨坡度變大而變快。

d.坡度變大，平均水深值變小。

e.產流時間伴隨坡度變大而變短；產流強度伴隨產流時間變少而變大、伴隨坡度變大而變大。

基于以上試驗結果，鐵路路塹基床應提高坡度到65°，同時加大膨脹土地基的厚度，以減少基床的含水率，保證路塹基床的穩(wěn)固。