降雨影响下不同坡度的路堑基床径流与渗流特性的试验与分析

陈永宝，山成菊

(1.金华市水旱灾害防御技术中心，浙江 金华 321013；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

目前，我国铁路基床的防水措施主要是采用复合薄膜与基床防水板相结合的方式[1-3]。这种防水方式存在着失稳现象严重、施工工艺复杂等缺陷，严重影响了基床的防水效果[4-6]。路堑基床病害的核心原因是水，其不仅来自降水，还来自气候变化过程中土壤水分的再分配，深埋路堑路基水分蒸发及迁移逐渐累积，使路基湿度及变形发生显著变化[7-9]。因此通过试验，分析和总结降雨环境下路基的湿度变化规律和变形规律对铁路路基的保护至关重要[10]。

文献[11]采用计算数值的方法建立了高速铁路路基渗流模型。以2013年杭州市的降雨数据作为试验数据，计算基床底层不同细颗粒含量对路基内部水分运移的影响；现场试验中在基床底层与基床表层之间设置毛细屏障，分析了水囊的控制方法。文献[12]研究浸水入渗条件下路基的响应程度。依托浩吉(浩勒报吉-吉安)重载铁路工程背景，开展循环加载400万的现场激振试验。试验结果表明：路基干燥与浸水状态下，动应力与路基深度变化趋势吻合，浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处。

基于以上研究成果，本文以浸水环境下的路堑基床特性为研究核心，从不同坡度角度出发，提出了不同坡度路堑基床特性的室内试验与分析方法，并以室内试验方法为依据，在京沪铁路天津段工程背景下，进行实地试验，为路堑基床在不同坡度条件下的应用提供了参考资料。

1 不同坡度的路堑基床特性室内试验与分析方法

1.1 路堑基床的材料特性

按照室内土木试验标准，本文所用的膨胀土土质性质如表1所示。

表1 本文所用的膨胀土土质性质

1.2 室内试验场地设计

为分析坡度对路堑基床特性的影响，当坡长为6 m时，在不同坡度、同一降雨强度的条件下测定路堑基床特性。室内试验场地设计如图1所示。

图1 室内试验场景

坡度是指地表陡缓的程度，如图1所示，室内试验场景中，集流槽存在坡度，可收集径流雨水。将急流槽坡度依次设成35°、45°、55°、65°。本文使用短时间强降雨模拟测试，将每个坡度实施间隔为4 min、持续时间为4 min的降雨。降雨强度为65 mm/h，降雨次数为3次。将各次降雨的雨量和获取的径流雨量进行标记。

室内降雨强度控制装置是雨强控制器，包括喷洒器与压力泵，如图2所示。

图2 雨强控制器

试验数据的测量采用的是自动测控，通过图1设计的室内试验场地内的传感器每隔0.5 m布置在轨道两侧，将各项指标数据实时传输给自动测控微电脑，自动显示测试结果。

1.3 试验指标介绍

试验场地的测试手段是本文研究的基础，本次试验以入渗量、含水率、水流速度、产流时间、产流强度、平均水深等作为测试路堑基床特性的指标。

入渗量，即入渗容量，指降水渗入地面土壤时的最大入渗率。一般情况下，渗透系数的上限低于10-8m/s量级，在室内试验的开始阶段，路堑基床的坡表面在正常状态中存在非饱和状态。

含水率，即含水量，指的是土壤中实际含水量多少。

水流速度，指水流单位时间内流过的距离，一般单位为m/s。

产流时间指开始降雨后，路堑基床出现径流并开始从集流槽流到集水池的耗时，产流时间是判断侵蚀产流的核心指标。

产流强度是在产流时间内降雨强度，一般与产流时间成正比关系。

平均水深指的是平均水深变化，平均水深与坡度和降雨量存在密切关系。

1.4 室内试验结果与分析

1.4.1入渗量变化

不同坡度、同一降雨强度下，路堑基床坡表面入渗量如表2所示。

表2 坡表面入渗量试验结果

分析表2可知，不同坡度下，路堑基床的坡表面入渗量存在一定差异，坡度越大，入渗量越小，3次降雨中，路堑基床的坡表面入渗量均存在此变化规律。

一般情况下，渗透系数的上限低于10-8m/s量级，在室内试验的开始阶段，路堑基床的坡表面在正常状态中存在非饱和状态，当第1次降雨时，降雨强度大于路堑基床的初期入渗度，这时，土体吸纳水分的速度低于自身渗透速度，渗流将存在不饱和性，属于无压渗透。第2次降雨与第3次降雨中，因为降雨强度一致，路堑基床的土体渗透性出现变化，降雨强度高于土体的渗透性能，路堑基床的土坡表面层饱和度逐渐提升，出现积水与径流，伴随降雨时间变多，路堑基床的土体入渗性能慢慢变差，此步骤为有压渗透，所以3次降雨中，路堑基床坡表面雨水入渗量逐渐变少，直至降低至200 cm3。

不同坡度变化下，3次降雨入渗总量的变化如图3所示。

图3 不同坡度变化下3次降雨入渗总量的变化

将表1、图3的试验结果结合分析，在3次降雨入渗测试中，路堑基床坡表面入渗量最大值是坡度为35°时，达到2 800 cm3，最小值是坡度为65°时低至2 000 cm3。和砂土的差异在于，路堑基床边坡在降雨后，因为渗透性较差，雨量变多时，因入渗性能存在约束，便很容易出现积水，裂隙在雨水的填充下，土体便会扮演防渗膜的角色，而针对渗透性较差的土体，路堑基床因为坡度的变大，入渗量变小。以此类推，坡度越小，路堑基床的入渗量越多，坡度越大，路堑基床的入渗量越少。

3次降雨模拟试验存在一定误差，但试验精度不低于80%，可保证试验数据的准确性和客观性。

1.4.2含水率变化

不同坡度、同一降雨强度下，计算降雨前后路堑基床坡表面的含水率，测试结果如图4、图5所示。

图4 降雨前后坡表面含水率试验结果

图5 降雨前后坡表面含水率变化

分析图4、图5可知，路堑基床坡表面含水率变化与降雨入渗量存在直接联系，按照上文所测试的入渗量因坡度变大而变小的规律，降雨前后，路堑基床坡表面含水率变化也存在此趋势，当坡度为35°时，路堑基床坡表面达到含水率变化最大值12%，当坡度为65°时含水率变化低至9%。此趋势与上文测试结果相呼应，表示本文方法的试验结果具有合理性。

1.4.3流速变化

不同坡度、同一降雨强度下，路堑基床坡表面的水流速度变化如图6所示。

图6 不同坡度路堑基床坡表面的水流速度变化

分析图6可知，不同坡度、同一降雨强度下，路堑基床坡表面的水流速度，伴随坡度变大而变快。当坡度为65°时，路堑基床坡表面流速达到0.04 m/s，当坡度为35°时流速低至0.02 m/s。分析原因是坡度较大、降雨强度不变，路堑基床坡表面的积水率较低，所以水流速度变快。

1.4.4平均水深变化

不同坡度、同一降雨强度下，路堑基床坡表面的平均水深变化如图7所示。

图7 不同坡度路堑基床坡表面的平均水深变化

分析图7可知，不同坡度、同一降雨强度下，坡度变大时，路堑基床坡表面的平均水深值变小。当坡度为35°时，路堑基床坡表面平均水深达到最大值1.1 m，当坡度为65°时平均水深达到最小值0.49 mm。

1.4.5产流时间变化

在开始降雨后，路堑基床出现径流并开始从集流槽流到集水池的耗时即为产流时间，产流时间是判断侵蚀产流的核心指标。

不同坡度、同一降雨强度条件下，路堑基床坡面产流时间变化如图8所示。

图8 不同坡度同一降雨量下路堑基床坡面产流时间变化

分析图8可知，不同坡度、同一降雨强度条件下，坡度从35°提升至65°时，对应的路堑基床坡面产流时间从10 min降低为2 min，表示路堑基床坡面产流时间伴随坡度变大而变短。

1.4.6产流强度变化

不同坡度、同一降雨强度条件下，路堑基床坡面产流强度变化如表3所示。

表3 不同坡度、同一降雨强度条件下,路堑基床坡面产流强度变化

分析表3可知，当产流历时变多，不同坡度、同一降雨条件下，路堑基床坡面的产流强度逐渐变大，降雨时间变多，坡面土壤含水率逐渐变大，路堑基床的土壤水饱和，降雨入渗损失慢慢变少，坡面产流量变大达到0.65 mm/min，路堑基床坡面产流强度伴随产流历时变多而变大、伴随坡度变大而变大。

2 应用室内模拟试验方法的铁路工程实地试验

2.1 试验场地与试验指标

试验工程背景选择中铁十八局勘察设计院负责的某个路段，此线段为I级客货共线铁路，客车时速200 km/h、货车时速120 km/h的铁路。在此线段上选择坡长为10 m、坡度不同的4个路段作为试验场地。

研究区域边坡的初始状态相关情况，边坡参数如表4所示。

表4 场地边坡参数

经过测量(见图9)，4个路段的坡度测量数据依次为32.3°、35.6°、41.5°、43.3°。

图9 铁路坡度实地测量

使用自动测控器采集试验当日降雨的相关数据，试验结果如表5所示。

表5 降雨测试数据

试验指标与室内试验指标相同(详见2.2)，对不同坡度的路堑基床特性进行试验与分析。

2.2 实地试验结果与分析

2.2.1入渗量变化

在实际工程线段上，不同坡度、同一降雨强度条件下，路堑基床坡表面不同测试位置的入渗量变化测试结果如表6所示。

表6 不同坡度、相同降雨强度条件下,路堑基床坡表面的入渗量变化

分析表6可知，不同坡度、相同降雨强度下，路堑基床的坡表面入渗量存在一定差异，坡度较大，入渗量较小。当坡度为32.3°时，路堑基床坡表面入渗量达到最大值1 800 cm3，当坡度为43.3°时入渗量达到最小值1 200 cm3。

2.2.2含水率变化

不同坡度条件下，路堑基床坡表面的含水率变化测试结果如表7所示。

表7 不同坡度条件下,路堑基床坡表面的含水率变化

分析表7可知，不同坡度，路堑基床的坡表面含水率存在一定差异，坡度较大，含水率较小。当坡度为32.3°时，路堑基床坡表面达到含水率最大值40%，当坡度为43.3°时含水率低至10%。该试验结果与室内试验结果趋势一致。

2.2.3流速的变化

流速具有延展性，因此将坡长也定为变量，分别在4个路段选定2、4、6、8 m作为坡长。不同坡度、不同坡长条件下，路堑基床坡表面的水流速度测试结果如图10所示。

图10 不同坡度、不同坡长条件下，路堑基床坡表面的水流速度测试结果

分析图10可知，同一雨强条件中，伴随坡长变大，水流速度逐渐变大，表示坡长越大，水流速度越快。当坡度是65°时，水流速度快于其他坡度，达到0.043 m/s，分析原因为此时流速的不同是受坡度、坡长双重因素影响。坡度越大，水流速度也越快。

2.2.4平均水深的变化

不同坡度条件下，路堑基床坡表面的平均水深变化测试结果如图11所示。

图11 不同坡度路堑基床坡表面的平均水深变化

分析图11可知，平均水深伴随坡度变大而变小，当坡度是35°时，水深值最大，达到2.02 mm。

伴随坡度变大，水深值逐渐变小，原因是坡度较高，雨水的积水性变差，不利于雨水的存储，水深值将会变小。

2.2.5产流时间与产流强度变化

不同坡度条件下，路堑基床坡表面的产流时间与产流强度变化测试结果如表8所示。

表8 不同坡度条件下,路堑基床坡表面的产流时间、强度变化

分析表8可知，不同坡度条件下，路堑基床坡表面的产流时间与产流强度均出现明显变化。当坡度变大时，产流时间逐渐变短，最低值为1 700 min；路堑基床坡表面的产流强度伴随坡度变大而变大，最大值达到0.45 mm/min。原因是坡度变大，将加速雨水的流速，产流时间也将变短，产流强度变大。

3 结论

本文对降雨影响下不同坡度的路堑基床径流与渗流特性分别进行了室内试验和室外现场试验，主要从不同坡度同一降雨强度条件下，对路堑基床径流与渗流特性进行测试，试验结果如下：

a.不同坡度同一降雨强度条件下，路堑基床的坡表面入渗量存在一定差异，坡度较大，入渗量较小；路堑基床坡表面入渗量最大值是坡度为35°时，最小值是坡度为65°时。

b.含水率因坡度变大而变小。

c.水流速度伴随坡度变大而变快。

d.坡度变大，平均水深值变小。

e.产流时间伴随坡度变大而变短；产流强度伴随产流时间变少而变大、伴随坡度变大而变大。

基于以上试验结果，铁路路堑基床应提高坡度到65°，同时加大膨胀土地基的厚度，以减少基床的含水率，保证路堑基床的稳固。