姚裕春 魏永幸 李安洪

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

滑坡及高边坡区高速铁路路基设计风险分析

姚裕春 魏永幸 李安洪

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

我国西部艰险山区通常山高谷深并存在大量的地质灾害，其中主要以滑坡及高边坡失稳为主。滑坡及高边坡失稳会给铁路造成巨大的损失，但在西部山区要完全绕避滑坡及高边坡是难以实现的，故开展滑坡及高边坡区高速铁路路基设计风险分析具有重要意义。西部复杂艰险山区是地质构造运动活跃的地区，山地环境系统的动态演变对滑坡及开挖高边坡的稳定具有持续的不利影响；滑坡及开挖边坡体在外界扰动和水入渗情况下会发生损伤演变，当其处于损伤后期阶段时，需要提高安全储备进行工程加固；滑坡及开挖高边坡演化是一个动态过程且具有自组织特性，开挖高边坡过程中应及时采取措施阻止坡体自组织过程的形成，路基工程应尽量避免通过处于非平衡非线性区的滑坡体。研究成果可应用于山区铁路路基设计，特别是西部山区高速铁路路基工程设计。

滑坡； 高边坡； 路基工程； 风险分析

我国西部艰险山区通常山高谷深并存在大量的地质灾害，其中主要以滑坡及高边坡失稳为主。鉴于滑坡及高边坡失稳会给铁路造成极其巨大的损失，在滑坡及高边坡区进行铁路选线原则上应从源头上绕避边滑坡灾害[1-2]，但在我国山区特别是西部山区要完全绕避滑坡及高边坡是难以实现的。特别是西部山区的高速铁路建设，需要选择更高标准的线路平、纵断面，一旦出现大的边滑坡路基灾害，线路难以修复抢通，局部改线困难或改线长度较大，为此付出的工程代价也将十分巨大。

目前山区高速铁路相应的技术积累十分薄弱，很多具体的操作仍然基本停留在经验的层面上，还缺乏科学的评价体系和方法，可见在现代设计方法及概念的框架下，开展滑坡及高边坡区高速铁路路基设计风险分析具有重要意义。论文分别分析了西部山区地球大环境及滑坡和开挖高边坡小环境演变对铁路路基存在的影响风险，从而提出铁路路基设计建议。

1 山地环境系统对滑坡及开挖高边坡影响分析

山地环境系统的演变及山地环境灾害受地球内外动力耦合作用影响[3]，我国西部是地质构造运动活跃的地区，地球内外动力耦合作用对区域内的山地环境演变和山地环境灾害作用明显，同时西部艰险山区受地质构造影响，地质环境十分脆弱，边滑坡工程受山地环境系统的影响较大。

1.1 地球内外动力对山地环境的作用

地球的动力系统一般分为内动力作用和外动力作用两类，即地球动力系统由构造动力系统和地表外营力系统两大部分组成，这是创造和改造地球表层特征的两大动力系统[4]，根据文献[4]可以得到主要影响我国西部地区的内外动力系统关系如图1所示，这两种内外动力作用也可称为山地动力系统。在我国西部地区，无论是地质灾害还是工程活动促发的山地灾害，其过程均可能是地球内外动力耦合作用的产物。地球内动力作用的结果是使表层山体或松散覆盖层发生变形，并在外动力作用下得到加强；外动力的作用是使山地夷平，使山地内能释放。

图1 地球动力系统关系图

1.2 山地动力系统组成及相互关系

山地动力系统由山地风化营力系统、山地水文动力系统、山地重力动力系统、山地阻力系统和构造动力系统组成，其相互关系与影响如图2所示。

山地风化营力系统主要由物理、化学和生物作用形成的各种营力组合，其包括温差变化引起的膨胀力、水综合作用产生的化学溶蚀力等；山地水文动力系统指液态水和固态水对山地坡体产生的各种力，液态水对坡体冲刷产生磨蚀力，水入渗到坡体内部，增加坡体容重，减小坡体抗剪强度，固态水形成冰川运动对山地坡体产生侵蚀、撞击等；山地重力动力系统使坡体在潜在滑动面上的下滑力增大，在重力动力系统作用下使坡体发生变形和破坏；构造动力系统使山地隆升，加大地表物质的重力作用和水流的下切侵蚀与搬运作用[3]。

1.3 山地动力系统对滑坡工程的影响

艰险山区特别是西部山区地球内动力作用持续且明显，内动力作用驱动地壳运动，并导致地球表层山体或松散覆盖层的变形，在其影响下外动力作用往往得到增强。山地动力系统对滑坡体的影响可表现为[5]：(1)滑坡体变得更加松驰，使风化营力系统作用更加强烈；(2)减小了山地阻力系统作用；(3)松驰滑体裂隙更加发育，水的入渗更加容易，增加了滑坡体的山地重力动力系统作用。故山地动力系统的持续作用对滑坡体的长期稳定性具有不利影响。

1.4 边坡开挖对山地动力系统的影响

据统计，世界上边坡(滑坡)灾害的75%以上与人类工程活动有关，其中由边坡开挖引起的环境灾害占据大部分，有的边坡环境灾害是在边坡开挖过程中或开挖后不久就发生，很快形成“工程—灾害—工程”灾害链；另外的环境灾害是在边坡开挖一定时间后才发生，这时边坡开挖对环境造成的是中长期影响，形成“工程—环境恶化—灾害—工程”灾害链。

山地环境演化影响了山地边坡环境的演化进程或引发山地边坡环境地质灾害，边坡开挖对山地动力系统或动力系统作用环境的影响主要表现在以下几个方面：(1)开挖坡体受扰动影响，坡体特别是浅层坡体结构疏松，使风化营力作用更加强烈；(2)影响山地水文动力系统，开挖坡体失去表层硬壳、植被，结构变差，增加了水的冲刷、侵蚀作用，扰动区为水的入渗提供了良好通道，水入渗可产生静水压力或动水压力，冬季冰冻更增加了坡体结构的破坏；(3)影响山地重力动力系统，边坡开挖增加坡体的重力势能，如果水入渗，则增加了坡体容重，增大了坡体在潜在滑动面的下滑力；(4)影响山地阻力系统，坡体松弛，抗剪强度降低，水入渗强度参数进一步下降，抗破坏阻力继续减小，开挖坡体坡面抗冲刷作用降低。边坡开挖对山地边坡环境影响如图3所示[5]，其造成结果是使山地边坡环境向不稳定演化加剧，使坡体环境对外力作用影响更加敏感。

图3 边坡开挖对山地动力系统的影响

从上述山地动力系统对滑坡及开挖边坡的影响分析表明：复杂艰险山区特别是我国西部山区是地质构造运动活跃的地区，山地环境演变及山地环境灾害表现明显，地球内外动力耦合作用是主要因素，其对滑坡及开挖边坡的稳定具有明显且持续的不利影响。

2 滑坡及边坡体演变损伤分析

2.1 扰动对滑坡及边坡体损伤分析

对于开挖的高边坡由于开挖应力松驰，会形成一个强扰动区。滑坡体或开挖坡体在应力松弛影响下，坡体单元的孔隙和微裂缝会扩展或演变，当应力松弛到一定程度，宏观裂纹形成或边坡土体结构发生明显损伤，则可用损伤力学有关理论分析应力松弛对边坡单元的损伤影响。

变形模量是边坡岩土体受卸荷影响产生变形或发生破坏程度大小的一个重要参数，同时又能综合反映边坡土体的各种参数，因此可以采用边坡岩土体的变形模量来进行边坡岩土体的损伤演变分析[5]，即

D=1-E′/E

(1)

式中：E′——受损状态的变形模量；E——基准损伤状态的变形模量。

不同的围压大小可以反应边坡岩土体的不同扰动影响程度，因此可以分析不同围压条件下岩土体变形模量的变化情况，计算出岩土体的损伤变量D[5]。结果表明：边滑坡体在扰动初期(卸荷程度较低)的损伤较快发展，扰动中期(卸荷程度较大)的损伤缓慢发展，扰动后期(卸荷程度很大，以至完成卸荷)的损伤迅速发展，如图4所示，并通过离心模型试验得到了验证。

图4 损伤变化趋势

2.2 水入渗对滑坡及边坡体损伤分析

水的入渗也是影响滑坡及边坡体稳定和变形的重要原因。水的入渗既增加了边滑坡体的重量，又降低了边滑坡体的强度参数，从而不利于边滑坡体的稳定，这种影响可以从土体微观单元的粘塑性模型及损伤力学的角度进行分析。

(1)水入渗边坡土体微观单元的粘塑性模型

边坡岩土体一般均为天然沉积，都有一定的结构性和结构强度。胶结强度是形成边坡岩土体特别是土质边坡结构强度的主要原因之一。对于土质边坡，土颗粒表面带有一层结合水膜，颗粒之间通过结合水膜联结，这是土质(特别是粘土)边坡内聚力和流变的根源。随着水的入渗和地下水的作用，由于水中的离子交换，引起土颗粒双电层结合水膜的变化，而结合水膜的厚薄关系到土颗粒之间的接触胶结强度，从而影响土体的强度参数。

土颗粒在结合水的作用下具有粘滞性和塑性变形特征，采用Bingham粘塑性模型，按Drucker-Pranger屈服准则，由下式计算屈服函数[6]。

(2)

其中J2=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/6

σm=(σ1+σ2)/2。

对于每个单元逐一判断F是否小于0，若F<0，则该单元处于粘弹性阶段，否则为粘塑性阶段。

当该单元进入粘塑性阶段，采用相关联的流动法则，粘塑性应变率为：

(3)

式中：F0——使系数无量纲化，对屈服函数F取用的任意参考值，可取1；

η——粘滞系数；

[P]、[Q]——系数矩阵，对于平面应变问题有

(4)

由式(2)和不同含水量对土体的强度参数c、φ的影响[7]可以看出，随含水量的增大(水入渗增加)，土体强度参数特别是粘聚力c降低幅度较大，土体单元屈服函数F将迅速大于0，进入粘塑性阶段。

由式(3)可以看出，随含水量的增大，土体强度参数(特别是粘聚力c)降低，粘塑性应变率增大，当含水量增大到一定程度后，由于c、φ降低幅度减小，土体单元的粘塑性应变率变化趋于缓慢增长。

(2)水入渗土边坡破坏损伤分析

图5 土体含水量与损伤变量

地表水(降雨)入渗使边坡土体含水量增加，土体中孔隙水应力增大，土体强度降低，土颗粒间结构会发生变化(受损)，损伤力学有关理论的引入，可以研究结构性土体受损后的力学行为。通过对试验边坡采用土体变形模量，利用式(4)进行土体强度损伤演变分析[5]。分析结果表明：初始阶段随着含水量的增加，土体损伤积累很快(土体中胶结物质破坏，土结构发生变形)，然后缓慢的增长，当达到一定程度后损伤变量发生突变(这时土体结构性完全丧失)，随含水量继续增大，损伤不再发展，达到损伤极值(土体粘聚力c很低)，如图5所示。随含水量的不同，边坡存在材料破坏(拉裂缝破坏)和几何破坏(滑塌破坏)两种破坏形式。说明边滑坡体在水入渗较小的情况下，其变形主要以形成拉裂变形为主，水入渗到一定程度后，边滑坡体就可能发生突然滑塌破坏。

滑坡及边坡体的演变损伤分析表明：滑坡及边坡体在受到扰动或雨水入渗影响的情况下，其坡体会发生损伤演变，且其损伤演变一般可分为3个阶段，分别是初期的快速损伤、中期的损伤缓慢发展及后期的快速损伤或突变。对于滑坡体而言，应判断出其所处的环境状态及当前所处的损伤状态，滑坡治理才更加具有针对性。当滑坡体处于中期损伤末段或后期损伤阶段，例如滑体松散且含水量较大甚至饱和，其极可能发生损伤突变形成滑坡灾害。铁路选线时，应以绕避为主，滑坡加固治理须充分考虑损伤突变的影响，即应提高设计安全储备，而不能以当前极限状态的滑坡参数进行加固治理设计。对于汶川地震后西部山区形成的大量松散、饱水滑坡体加固时应予以高度重视。对于开挖高边坡而言，应采取及时开挖及时支护的理念，避免开挖边坡体处于损伤演变平衡区的后阶段，从而不利于边坡的稳定。

3 滑坡及边坡体演化的自组织特性分析

3.1 滑坡及边坡体演化的自组织特性

黄润秋等人研究表明，滑坡及边坡体的演化具有自组织特性[8-9]，当滑坡及边坡体的不利下滑力逐渐增大时，滑坡及边坡体的变形与下滑力逐渐呈非线性关系，滑坡及边坡体的自组织过程也逐渐形成，从而造成滑坡及边坡体的失稳，形成滑坡及边坡环境灾害。滑坡及边坡体在外界扰动或开挖过程中介质力学特性的非线性，必然导致其变形破坏过程也呈现出非线性，滑坡及边坡体会形成累进性破坏，变形也从等速的线性变为加速的非线性，即滑坡及边坡体演化具有自组织特性。

滑坡体或天然边坡，在扰动或雨水入渗的影响下，岩土体本身具有的平衡结构会受到严重干扰。当外界影响强度较小时，边坡岩土体可以通过自身自动地调整应力和变形，以达到平衡；当外界的扰动过大时，岩土体的自身调节能力受到限制，岩土体就会逐渐由稳定状态向失稳状态发展，这种演化一般要经过3个阶段：平衡态→近平衡态→远离平衡态。

3.2 滑坡及边坡体演化的自组织特性定量描述

滑坡及边坡具有的这种非线性特性和自组织特性可以采用耗散结构理论进行描述[8-9]：

σ=∑Jk×Xk≥0

(5)

式中：σ——局域熵；Jk——第k种变形；Xk——第k种不利下滑力。

系统总的熵为：

P=∫vσdv

(6)

式中：v——滑坡及边坡的总体积。

当滑坡及边坡系统处于平衡区时

σ=0Jk=0Xk=0

(7)

即平衡区的变形和不利下滑力均为零，但当系统离开平衡区时，变形就会发生。

由上述分析知，变形肯定是不利下滑力的某种函数，假定变形Jk是边坡体系中不利下滑力({Xi} =X1，X2，X3…，Xn)的函数

Jk=Jk({Xi})

(8)

对式(8)作Taylor展开，有

(9)

如果系统偏离平衡区很小，不利下滑力{Xi}较小，在式(9)中的高阶项可以忽略，式(9)可简化为

(10)

其中：

(11)

此时变形与不利下滑力呈线性关系。

在边坡演化的滑面形成过程中，边坡开挖强度或扰动的加大，相当于不利下滑力增大。潜在滑面逐渐形成时，滑面抗阻力与滑体下滑力相比逐渐减小，当不利下滑力增大到某一阀值时，式(9)中的高阶项就必须考虑，此时变形与不利下滑力呈非线性关系，系统逐渐远离平衡区状态。将满足式(9)非线性关系的非平衡区称为非平衡非线性区，只有在非平衡非线性区，滑坡及边坡体的自组织特性才会出现。滑坡及边坡体的变形与演化时间关系如图6所示。

图6 滑坡及边坡演化曲线图

姚裕春等人[5,10]进行了外界扰动及开挖对边坡不可逆力的力学影响分析，分析了开挖深度变化、开挖坡度变化、扰动及降雨等对边坡不可逆力的力学影响，认为开挖深度越大、开挖坡度越陡、扰动及降雨的作用，边坡不利下滑力均会迅速的变大，且影响逐渐向非线性发展，故会导致边坡体变形迅速增大，会加速边坡体自组织过程的形成。此外，还通过信息熵的原理，把外界扰动对边坡自组织过程影响进行了定量计算，提出了滑坡及边坡工程灾害的防治对策。

陈国庆等人[11]研究了基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析，结果表明边坡及滑坡的破坏是一个动态渐进失稳的过程，其稳定性系数存在急剧变化的过程。这与边坡岩土体损伤规律及边滑坡演化自组织性特性具有相同的属性。

滑坡及边坡自组织特性分析表明：滑坡及边坡体演化具有自组织特性，演化后期边滑坡的受力与变形将出现非线性关系。铁路选线应避免通过处于非平衡非线性区的滑坡体，开挖高边坡应及时采取有效措施控制边坡体不利下滑力的增大，即阻止边坡体自组织过程的形成，从而避免边坡体的失稳破坏。

4 结论

滑坡及开挖高边坡区路基设计风险分析结果表明：

(1)复杂艰险山区特别是我国西部山区是地质构造运动活跃的地区，山地环境演变及山地环境灾害表现明显，地球内外动力耦合作用是主要因素，其对滑坡及边坡体的稳定具有明显且持续的不利影响。

(2)滑坡及边坡体在受到扰动或雨水入渗影响的情况下，其坡体会发生损伤演变。对于滑坡体处于中期损伤末段或后期损伤阶段，铁路选线应以绕避为主，滑坡治理应提高设计安全储备；对于开挖高边坡，应贯彻及时开挖、及时加固防护的理念，避免开挖边坡体演化到损伤平衡区的末期。

(3)滑坡及边坡体演化具有自组织特性，铁路选线应避免通过处于非平衡非线性区的滑坡体；开挖高边坡应及时采取有效措施控制边坡体不利下滑力的增大，阻止边坡体自组织过程的形成，从而避免边坡体的失稳破坏。

(4)西部山区边滑坡演化及失稳是一个动态渐进的过程，工程勘察须根据其所处的不同演化阶段，提出合理的地勘建议参数，工程设计也应根据不同演化阶段采用不同的安全储备。

[1] 朱颖．复杂艰险山区铁路选线与总体设计论文集[M]．北京: 中国铁道出版社，2010．ZhuYing．EssaysofRailwayRouteSelectionandGeneralDesigninComplexDangerousMountainAreas[M]．Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse，2010．

[2] 杜宇本,袁传保，王彦东，等.成兰铁路主要地质灾害与地质选线[J].铁道工程学报, 2012,29(8)：11-15.DUYuben,YUANChuanbao，WANGYandong,etal.MajorGeologicalHazardandGeologicalAlignmentofChengdu-LanzhouRailway[J].JournalofRailwayEngineeringSociety, 2012,29(8)：11-15.

[3] 王思敬.地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探[J].工程地质学报，2002，11(2)：115-117.WANGSijing.Couplingofearthsendogenicandexogenicgeologicalprocessesandoriginsonseriousgeologicaldisasters[J].JournalofEngineeringGeology，2002，11(2) : 115-117．

[4] 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所.山地学概论与中国山地研究[M].成都：四川科学技术出版社，2000.InstituteofMountainhazardsandEnvironment,CAS.IntroductionofmountainscienceandChinesemountainresearch[M].Chengdu:Sichuanscienceandtechnologypublishinghouse,2000.

[5] 姚裕春.边坡开挖工程活动对环境影响研究[D].成都：西南交通大学，2005.YAOYuchun.Studyoninfluenceofslopecuttingtoenvironment[D].SouthwestJiaotongUniversity,2005.

[6] 孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M].北京：中国建材工业出版社，1999.SUNJun.Rheologicalbehaviorofgeotechnicalmaterialsanditsengineeringapplication[M].Beijing：ChinaArchitectureandBuildingPress，1999.

[7] 姚裕春，姚令侃，王元勋，等.水入渗条件下边坡破坏离心模型试验研究[J].自然灾害学报,2004,13(2):149-154.YAOYuchun,YAOLingkan,WANGYuanxun,etal.Centrifugemodeltestofslopefailureunderwater’spermeation[J].JournalofNaturalDisasters, 2004,13(2):149-154.

[8] 黄润秋，许强.工程地质广义系统科学分析原理及应用[M] 北京：地质出版社，1997.HUANGRunqiu,XUQiang．Principleandapplicationofnonlinearscienceinengineeringgeology[M].Geologicalpublishinghouse, 1997．

[9] 黄润秋，许强.开挖过程的非线性理论分析[J].工程地质学报，1999，7(1)：9-14.HUANGRunqiu，XUQiang.Nonlineartheoryanalysisofrockmassmovementinexcavation[J]．JournalofEngineeringGeology，1997(1)：9-14．

[10]姚裕春，姚令侃，袁碧玉，等.开挖边坡自组织特性及灾害防治对策研究[J].成都理工大学学报(自然科学版),2007，34(1)：76-81.YAOYuchun,YAOLingkan,YUANBiyu,etal.Self-organizationcharacteristicsofacutslopeanditsdisasterprevention[J].JournalofChengduUniversityofTechnology,2007，34(1)：76-81.

[11]陈国庆,黄润秋,石豫川,等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33(2)：243-256.CHENGGuoqing,HUANGRunqiu，SHIYuchuan,etal．Stabilityanalysisofslopebasedondynamicandwholestrengthreductionmethods[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2014，33(2)：243-256.

(编辑：刘会娟 刘彦琳)

Risk Analysis for High Speed Railway’s Subgrade Design in Landslide and High Slope Areas

YAO Yuchun WEI Yongxing LI Anhong

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Due to deep valleys and steep mountains of west China, massive geological disaster is distributed in the complex dangerous mountain areas, mainly of which exist as landslide and stable high slope. The disaster of landslide or high slope can cause a very large loss to railway. Yet it is impossible to completely avoid the landslide and high slope for railway’s construction in west China. So it is very significant to carry out risk analysis for high speed railway’s subgrade designing in landslide and high slope areas. The complex dangerous mountain areas of west China is in the most tectonically active regions. Evolution and disaster of mountain environment obviously and continuously affected by the dynamic systems of the earth, thus it has adverse impact to landslide and high slope. The landslide and high slope will occur damage evolution when disturbed by out force and affected by surface water infiltrating. When the landslide and high slope in the later stage of damage evolution, a more safe provision of landslide and high slope should be adopted.Evolution of landslide and high slope behaves as self-organization characteristics with dynamic process, for which measures should be taken timely. The subgrade shall not be built though the landslide in non-equilibrium and nonlinear region. The research results can be applied in the railway's subgrade design in mountainous areas, especially for high speed railway of mountainous areas.

landslide; high slope; subgrade engineering; risk analysis

2016-06-27

姚裕春(1974-)，男，教授级高级工程师。

中国铁路总公司科研资助(2014G004)

1674—8247(2016)06—0001—06

U213.1+3

A