襄渝铁路南段边坡溜坍雨量预警指标及量值研究

刘振宇，张千里，郭增强，王仲锦，杜晓燕

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081； 3.铁路工务技术中心，北京 100081)

汛期是铁路线路地质灾害的多发期。襄渝铁路沿线的灾害事件主要是由降雨诱发边坡溜坍而产生的。统计2015—2017年襄渝铁路沿线发生水害的情况，发现襄渝铁路沿线边坡溜坍占水害事件的50%以上，尤以南段为甚。因此以“降水”为核心开展汛期警戒是铁路灾害防御体系的主要方向[1]。根据降雨量及本地区(线路区段)历史上发生过的水害资料，结合铁路设备防洪抗灾能力，对可能发生的水害作出预测，及时发出预报[2]。中国铁路总公司《铁路防洪工作管理办法》针对如何确定雨量警戒值提出：雨量警戒主要防范山洪和边坡坍塌、滑坡等水害，可按照主要水害类型致灾降雨量的90%作为封锁基准值，致灾降雨量的75%作为限速基准值。如何依据各地的具体情况确定文件中提出的“致灾降雨量”仍十分困难。本文提出一种确定致灾降雨量的方法，对铁路防洪管理工作具有一定指导意义。

1 沿线降雨特征

襄渝铁路南段处于秦巴山区，该地区多以崩滑流为主的地质灾害(隐患)，且具有分布范围广、灾害点密度高、灾害发生频次高的特点[3-5]。该地区夏季(6—8月)降雨量为全年的峰值，秋季(9—10月)受华西秋雨[6-7]影响而频繁南下的冷空气与停滞在该地区的暖湿空气相遇，锋面活动加剧而产生较长时间的阴雨，其特征主要表现为降雨量大且降雨持续时间长，降雨日数较多。2015年襄渝铁路全线的显著华西秋雨现象如图1所示。

图1 2015年襄渝铁路全线降雨量统计

2015—2017年襄渝铁路沿线各雨量站累积雨量见图2。可知，全年降雨的峰值多集中于万源—毛坝段，尤其是2017年青花站全年降雨量达到1000 mm以上，为历年之最。宣汉—达州段全年降雨量较万源—毛坝段显著减少，表明2个区段降雨特征存在明显差异。

图2 2015—2017年沿线各雨量站累积雨量

万源—达州段收集了33处边坡溜坍。根据安康工务段对襄渝铁路雨量警戒值的分区，万源—毛坝段收集了23处边坡溜坍，宣汉—达州段收集了10处边坡溜坍；襄渝铁路56处边坡溜坍均发生于土质或碎石土类边坡。病害资料记录了发现边坡溜坍的具体时刻，但此时刻并不可完全认为是边坡溜坍发生的准确时刻，尤其是一些边坡溜坍发生在降雨结束的几小时内。对于上述情况，本文中考虑按照降雨结束时刻作为病害发生时刻。一般认为，边坡溜坍是由前期累积雨量和激发雨量[8]的综合影响导致的。

2 边坡溜坍与降雨量统计关系

为了确定哪一种降雨量同边坡溜坍的发生关系密切，探讨雨量警戒值应该使用什么指标来确定，研究了边坡溜坍发生次数与发生的前1周降雨量因子的相关性。经计算，不同区段的边坡溜坍数量与降雨量因子相关性见表1。

表1 不同区段的边坡溜坍数量与降雨量因子相关性

由表1可知：

1)万源—毛坝段边坡溜坍发生的前1周内降雨量因子与边坡溜坍数量的相关性均较好，除120 h(5 d降雨量)外，其相关性系数均大于0.9；宣汉—达州段只有96 h(4 d降雨量)以及168 h(7 d降雨量)相关性系数在0.9以上，表明2段线路的地质条件、边坡土性有所不同，边坡溜坍与降雨量因子的敏感性有所差异。

2)24 h降雨量与边坡溜坍数量的相关性普遍较差，尤其是在宣汉—达州段，其相关系数只有 0.805 3，在各降雨量因子与边坡溜坍数量的排序中位于末位，而万源—毛坝段24 h降雨量与边坡溜坍数量的相关性同样较低，表明现行的铁路雨量警戒值中将24 h降雨量作为主要防范连续降雨和短时强降雨共同作用诱发的山洪、泥石流、滑坡、坍塌等严重水害的指标并不是最优选择[9]，或者说该指标不适宜作为表征累积降雨量的唯一指标。

3)万源—毛坝段边坡溜坍发生的前1周降雨量因子与边坡溜坍数量普遍具有较高相关性；宣汉—达州段内相对较长时间(4，6，7 d)的降雨量因子与边坡溜坍数量的相关性好，因此本文中采用边坡溜坍发生的前1周降雨量信息作为评价铁路路堑边坡是否进入预警值的评价指标。

3 有效降雨量模型的确定

由于一次降雨不一定会导致边坡溜坍发生，而每次降雨量中也只有部分雨量会渗入边坡土体中从而对边坡溜坍产生作用，因此雨量站所记录的雨量信息不能作为致灾降雨量。本文用一段时间的当天降雨量分别乘以有效降雨系数得到有效降雨量[10]。有效降雨量Rc可用幂指数计算式进行计算，即

Rc=R0+αR1+α2R2+…+αnRn

式中：R0为当天降雨量；α为有效降雨量系数；Rn为n日前降雨量；n为降雨经历的天数。

在使用有效降雨量模型时，α的取值是有效降雨量模型是否准确的关键因素。选取α分别为0.9,0.8,0.7,0.6,0.5进行计算，并对各系数值与边坡溜坍数量进行相关性分析，结果见表2。

表2 α与边坡溜坍数量相关性

由表2可知，万源—毛坝段、宣汉—达州段计算有效降雨量时，α应分别采用0.9，0.7。

4 致灾降雨量的确定

本文将有效降雨量作为评价累积雨量指标，将1 h最大降雨量作为评价激发雨量的指标。

万源—毛坝段降雨特征与边坡溜坍发生次数的关系见图3。

图3 万源—毛坝段降雨特征与边坡溜坍发生次数的关系

由图3(a)可知，万源—毛坝段有效降雨量小于60 mm 时，3年中仅发生4起边坡溜坍，表明在此雨量特征下几乎不发生边坡溜坍；有效降雨量处于60～90 mm 时，边坡溜坍发生次数有所上升，但曲线上升较缓，表明该有效降雨量不可选定为万源—毛坝段边坡溜坍有效降雨量的致灾降雨量；有效降雨量处于90～110 mm时，边坡溜坍数量显著上升，根据2015—2017年统计资料，万源—毛坝段在该有效降雨量范围内发生边坡溜坍数量9次，较之前边坡溜坍发生数量增加一倍。在该雨量范围内曲线最陡，同样表明该雨量范围对边坡溜坍的激发作用显著。建议万源—毛坝段采用累积雨量与激发雨量双指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为90 mm。当有效降雨量达到140 mm 及以上时，边坡溜坍发生次数又存在较大的上升趋势，故建议万源—毛坝段采用累积雨量单指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为140 mm。

由图3(b)可知，万源—毛坝段1 h最大降雨量处于0～22 mm，边坡溜坍发生次数缓慢上升，但变化较缓；1 h最大雨量处于22～34 mm时，边坡溜坍发生次数显著上升，发生于该区间内的溜坍次数有12次，曲线较陡。建议采用累积雨量与激发雨量双指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为22 mm。

宣汉—达州段降雨特征与边坡溜坍发生次数的关系见图4。

图4 宣汉—达州段降雨特征与边坡溜坍发生次数的关系

由图4(a)可知，宣汉—达州段有效降雨量<80 mm 时，没有边坡溜坍发生；有效降雨量处于80～130 mm时，边坡溜坍数量显著上升，根据2015—2017年统计资料，宣汉—达州段在该有效降雨量范围内边坡溜坍发生了8次。在该雨量范围内曲线最陡，同样表明该雨量范围对边坡溜坍的激发作用显著。建议宣汉—达州段采用累积雨量与激发雨量双指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为90 mm。当有效降雨量达到150 mm 及以上时，边坡溜坍发生次数又存在较大的上升趋势，故建议宣汉—达州段采用累积雨量单指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为150 mm。

由图4(b)可知，万源—毛坝段1 h最大雨量为 0～36 mm时边坡溜坍基本不发生；1 h最大雨量为36～46 mm 时边坡溜坍发生次数显著上升，发生于该区间内的溜坍次数有8次，曲线斜率较陡。故本文建议采用累积雨量与激发雨量双指标时边坡溜坍的致灾降雨量定为36 mm。

综上分析，安康工务段管内襄渝铁路南线万源—毛坝段、宣汉—达州段致灾降雨量见表3。

表3 襄渝铁路南线致灾降雨量 mm

5 结论

根据降雨量资料以及历史边坡溜坍资料的统计结果，分析了襄渝铁路南段边坡溜坍与降雨量的相关性。主要结论如下：

1)边坡溜坍发生的前3 d或4 d降雨量因子与灾害发生的相关性最好，表明当前全路广泛采用的24 h降雨量作为雨量预警指标具有局限性；

2)采用病害发生的前1周降雨量计算有效降雨量，并将有效降雨量作为边坡溜坍的雨量预警关键性指标。统计分析了有效降雨量与边坡溜坍发生次数的关系，确定了万源—毛坝段以累积雨量作为雨量警戒值的致灾降雨量为140 mm，以累积雨量+激发雨量作为雨量警戒值的致灾降雨量为90 mm+22 mm；宣汉—达州段以累积雨量作为雨量警戒值的致灾降雨量为150 mm，以累积雨量+激发雨量作为雨量警戒值的致灾降雨量为90 mm+36 mm。