陳永寶，山成菊

(1.金華市水旱災(zāi)害防御技術(shù)中心，浙江 金華 321013；2.浙江水利水電學(xué)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(fù)合薄膜與基床防水板相結(jié)合的方式[1-3]。這種防水方式存在著失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重、施工工藝復(fù)雜等缺陷，嚴(yán)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(yàn)，分析和總結(jié)降雨環(huán)境下路基的濕度變化規(guī)律和變形規(guī)律對(duì)鐵路路基的保護(hù)至關(guān)重要[10]。

文獻(xiàn)[11]采用計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算基床底層不同細(xì)顆粒含量對(duì)路基內(nèi)部水分運(yùn)移的影響；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中在基床底層與基床表層之間設(shè)置毛細(xì)屏障，分析了水囊的控制方法。文獻(xiàn)[12]研究浸水入滲條件下路基的響應(yīng)程度。依托浩吉(浩勒?qǐng)?bào)吉-吉安)重載鐵路工程背景，開展循環(huán)加載400萬的現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：路基干燥與浸水狀態(tài)下，動(dòng)應(yīng)力與路基深度變化趨勢(shì)吻合，浸水入滲與列車動(dòng)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(nèi)試驗(yàn)與分析方法，并以室內(nèi)試驗(yàn)方法為依據(jù)，在京滬鐵路天津段工程背景下，進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，為路塹基床在不同坡度條件下的應(yīng)用提供了參考資料。

1 不同坡度的路塹基床特性室內(nèi)試驗(yàn)與分析方法

1.1 路塹基床的材料特性

按照室內(nèi)土木試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文所用的膨脹土土質(zhì)性質(zhì)如表1所示。

表1 本文所用的膨脹土土質(zhì)性質(zhì)

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

為分析坡度對(duì)路塹基床特性的影響，當(dāng)坡長為6 m時(shí)，在不同坡度、同一降雨強(qiáng)度的條件下測(cè)定路塹基床特性。室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)景

坡度是指地表陡緩的程度，如圖1所示，室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)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(shè)成35°、45°、55°、65°。本文使用短時(shí)間強(qiáng)降雨模擬測(cè)試，將每個(gè)坡度實(shí)施間隔為4 min、持續(xù)時(shí)間為4 min的降雨。降雨強(qiáng)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(jìn)行標(biāo)記。

室內(nèi)降雨強(qiáng)度控制裝置是雨強(qiáng)控制器，包括噴灑器與壓力泵，如圖2所示。

圖2 雨強(qiáng)控制器

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量采用的是自動(dòng)測(cè)控，通過圖1設(shè)計(jì)的室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的傳感器每隔0.5 m布置在軌道兩側(cè)，將各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給自動(dòng)測(cè)控微電腦，自動(dòng)顯示測(cè)試結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)介紹

試驗(yàn)場(chǎng)地的測(cè)試手段是本文研究的基礎(chǔ)，本次試驗(yàn)以入滲量、含水率、水流速度、產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流強(qiáng)度、平均水深等作為測(cè)試路塹基床特性的指標(biāo)。

入滲量，即入滲容量，指降水滲入地面土壤時(shí)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(jí)，在室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)際含水量多少。

水流速度，指水流單位時(shí)間內(nèi)流過的距離，一般單位為m/s。

產(chǎn)流時(shí)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(shí)，產(chǎn)流時(shí)間是判斷侵蝕產(chǎn)流的核心指標(biāo)。

產(chǎn)流強(qiáng)度是在產(chǎn)流時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度，一般與產(chǎn)流時(shí)間成正比關(guān)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(guān)系。

1.4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.4.1入滲量變化

不同坡度、同一降雨強(qiáng)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(yàn)結(jié)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(jí)，在室內(nèi)試驗(yàn)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(dāng)?shù)?次降雨時(shí)，降雨強(qiáng)度大于路塹基床的初期入滲度，這時(shí)，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?yàn)榻涤陱?qiáng)度一致，路塹基床的土體滲透性出現(xiàn)變化，降雨強(qiáng)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(shí)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(yàn)結(jié)果結(jié)合分析，在3次降雨入滲測(cè)試中，路塹基床坡表面入滲量最大值是坡度為35°時(shí)，達(dá)到2 800 cm3，最小值是坡度為65°時(shí)低至2 000 cm3。和砂土的差異在于，路塹基床邊坡在降雨后，因?yàn)闈B透性較差，雨量變多時(shí)，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(huì)扮演防滲膜的角色，而針對(duì)滲透性較差的土體，路塹基床因?yàn)槠露鹊淖兇?，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(yàn)存在一定誤差，但試驗(yàn)精度不低于80%，可保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和客觀性。

1.4.2含水率變化

不同坡度、同一降雨強(qiáng)度下，計(jì)算降雨前后路塹基床坡表面的含水率，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 降雨前后坡表面含水率試驗(yàn)結(jié)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(cè)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(shì)，當(dāng)坡度為35°時(shí)，路塹基床坡表面達(dá)到含水率變化最大值12%，當(dāng)坡度為65°時(shí)含水率變化低至9%。此趨勢(shì)與上文測(cè)試結(jié)果相呼應(yīng)，表示本文方法的試驗(yàn)結(jié)果具有合理性。

1.4.3流速變化

不同坡度、同一降雨強(qiáng)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(qiáng)度下，路塹基床坡表面的水流速度，伴隨坡度變大而變快。當(dāng)坡度為65°時(shí)，路塹基床坡表面流速達(dá)到0.04 m/s，當(dāng)坡度為35°時(shí)流速低至0.02 m/s。分析原因是坡度較大、降雨強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度下，坡度變大時(shí)，路塹基床坡表面的平均水深值變小。當(dāng)坡度為35°時(shí)，路塹基床坡表面平均水深達(dá)到最大值1.1 m，當(dāng)坡度為65°時(shí)平均水深達(dá)到最小值0.49 mm。

1.4.5產(chǎn)流時(shí)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(shí)即為產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流時(shí)間是判斷侵蝕產(chǎn)流的核心指標(biāo)。

不同坡度、同一降雨強(qiáng)度條件下，路塹基床坡面產(chǎn)流時(shí)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(chǎn)流時(shí)間變化

分析圖8可知，不同坡度、同一降雨強(qiáng)度條件下，坡度從35°提升至65°時(shí)，對(duì)應(yīng)的路塹基床坡面產(chǎn)流時(shí)間從10 min降低為2 min，表示路塹基床坡面產(chǎn)流時(shí)間伴隨坡度變大而變短。

1.4.6產(chǎn)流強(qiáng)度變化

不同坡度、同一降雨強(qiáng)度條件下，路塹基床坡面產(chǎn)流強(qiáng)度變化如表3所示。

表3 不同坡度、同一降雨強(qiáng)度條件下,路塹基床坡面產(chǎn)流強(qiáng)度變化

分析表3可知，當(dāng)產(chǎn)流歷時(shí)變多，不同坡度、同一降雨條件下，路塹基床坡面的產(chǎn)流強(qiáng)度逐漸變大，降雨時(shí)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(chǎn)流量變大達(dá)到0.65 mm/min，路塹基床坡面產(chǎn)流強(qiáng)度伴隨產(chǎn)流歷時(shí)變多而變大、伴隨坡度變大而變大。

2 應(yīng)用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法的鐵路工程實(shí)地試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地與試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)工程背景選擇中鐵十八局勘察設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)的某個(gè)路段，此線段為I級(jí)客貨共線鐵路，客車時(shí)速200 km/h、貨車時(shí)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(gè)路段作為試驗(yàn)場(chǎng)地。

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

表4 場(chǎng)地邊坡參數(shù)

經(jīng)過測(cè)量(見圖9)，4個(gè)路段的坡度測(cè)量數(shù)據(jù)依次為32.3°、35.6°、41.5°、43.3°。

圖9 鐵路坡度實(shí)地測(cè)量

使用自動(dòng)測(cè)控器采集試驗(yàn)當(dāng)日降雨的相關(guān)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 降雨測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)相同(詳見2.2)，對(duì)不同坡度的路塹基床特性進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

2.2 實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1入滲量變化

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

表6 不同坡度、相同降雨強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)坡度為32.3°時(shí)，路塹基床坡表面入滲量達(dá)到最大值1 800 cm3，當(dāng)坡度為43.3°時(shí)入滲量達(dá)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(cè)試結(jié)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(dāng)坡度為32.3°時(shí)，路塹基床坡表面達(dá)到含水率最大值40%，當(dāng)坡度為43.3°時(shí)含水率低至10%。該試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)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(gè)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果

分析圖10可知，同一雨強(qiáng)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(dāng)坡度是65°時(shí)，水流速度快于其他坡度，達(dá)到0.043 m/s，分析原因?yàn)榇藭r(shí)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(cè)試結(jié)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(dāng)坡度是35°時(shí)，水深值最大，達(dá)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(chǔ)，水深值將會(huì)變小。

2.2.5產(chǎn)流時(shí)間與產(chǎn)流強(qiáng)度變化

不同坡度條件下，路塹基床坡表面的產(chǎn)流時(shí)間與產(chǎn)流強(qiáng)度變化測(cè)試結(jié)果如表8所示。

表8 不同坡度條件下,路塹基床坡表面的產(chǎn)流時(shí)間、強(qiáng)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(chǎn)流時(shí)間與產(chǎn)流強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)坡度變大時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間逐漸變短，最低值為1 700 min；路塹基床坡表面的產(chǎn)流強(qiáng)度伴隨坡度變大而變大，最大值達(dá)到0.45 mm/min。原因是坡度變大，將加速雨水的流速，產(chǎn)流時(shí)間也將變短，產(chǎn)流強(qiáng)度變大。

3 結(jié)論

本文對(duì)降雨影響下不同坡度的路塹基床徑流與滲流特性分別進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要從不同坡度同一降雨強(qiáng)度條件下，對(duì)路塹基床徑流與滲流特性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如下：

a.不同坡度同一降雨強(qiáng)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?。宦穳q基床坡表面入滲量最大值是坡度為35°時(shí)，最小值是坡度為65°時(shí)。

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(chǎn)流時(shí)間伴隨坡度變大而變短；產(chǎn)流強(qiáng)度伴隨產(chǎn)流時(shí)間變少而變大、伴隨坡度變大而變大。

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，鐵路路塹基床應(yīng)提高坡度到65°，同時(shí)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。