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我國是世界上巖溶地貌分布面積最大的國家，從熱帶到寒帶，各種巖溶地貌類型齊全[1]。在西北青藏高原地區(qū)分布有大面積的高原高寒與高山峽谷型巖溶[2]。據(jù)2016年出版的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》[3]，規(guī)劃中的西寧成都鐵路，川藏鐵路、新藏鐵路等都將大面積穿越高原高寒與高山峽谷型巖溶區(qū)。高原地區(qū)氣候惡劣、人煙稀少、交通不便及基礎地質(zhì)資料缺乏[4-5]。因此，可借助地理信息系統(tǒng)(GIS)、三維可視化等技術進行該類型巖溶區(qū)的鐵路工程地質(zhì)調(diào)查，對提高勘測設計質(zhì)量，減少外業(yè)工作量十分有效[6-8]。

在已有的巖溶區(qū)鐵路遙感地質(zhì)應用研究中，大多為宜萬線、南昆線、黔張常鐵路等南方巖溶地區(qū)[9-11]。對于青藏高原廣泛分布的高原高寒型巖溶區(qū)的應用研究鮮有涉及。以新建西寧至成都鐵路某段穿越高原高寒型巖溶區(qū)為例，介紹GIS、三維可視化等技術在該類型巖溶區(qū)鐵路工程地質(zhì)調(diào)查中的應用。

1 則岔巖溶區(qū)地質(zhì)條件概述

則岔巖溶區(qū)位于甘肅省碌曲縣，平均海拔3 300 m，所處的一級構(gòu)造單元為秦嶺地槽褶皺系，二級構(gòu)造單元為瑪曲-迭部-武都褶皺帶。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，呈棋盤狀出露。區(qū)內(nèi)出露的主要地層為三疊系板巖、砂巖，二疊系灰?guī)r，石炭系灰?guī)r、白云巖，泥盆系灰?guī)r、白云巖、板巖，志留系灰?guī)r、板巖。巖溶現(xiàn)象主要發(fā)育于二疊系、石炭系、泥盆系的灰?guī)r及白云巖之中。

受限于地質(zhì)及地形條件，新建西寧至成都鐵路必須穿越則岔巖溶區(qū)，其巖溶區(qū)的選線原則為以最短距離穿越巖溶區(qū)并以安全高度跨越巖溶區(qū)。經(jīng)比選，線路以隧道形式穿越則岔巖溶區(qū)(見圖1)。在此類高原型巖溶區(qū)中，植被稀疏、巖溶地貌易于識別，綜合使用3S技術可快速準確地查明巖溶區(qū)內(nèi)巖溶相對弱發(fā)育區(qū)，峰林、洼地等巖溶地貌分布，以及地表水及巖溶水補、徑、排特征，為巖溶區(qū)地質(zhì)選線提供依據(jù)。

圖1 則岔巖溶區(qū)線路與地質(zhì)

2 則岔巖溶區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查

2.1 巖溶區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查流程

3S技術中，GIS可實現(xiàn)對地形的三維渲染，RS可對峰林、落水洞、洼地等巖溶地貌進行精確判識。相較于常規(guī)地面調(diào)查手段，3S技術對于巖溶區(qū)不良地質(zhì)調(diào)查具有簡便、高效、全面、準確等優(yōu)勢。

巖溶區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查所遵循的原則為由大到小，由粗到細。巖溶區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查流程主要分為巖溶地貌遙感判識、巖溶區(qū)水文分析、巖溶區(qū)三維地形模型建立及巖溶區(qū)典型巖溶地貌現(xiàn)場驗證及巖溶發(fā)育程度判定5大階段，見圖2。

圖2 高原型巖溶遙感地質(zhì)調(diào)查流程

2.2 巖溶區(qū)地貌遙感調(diào)查

巖溶地貌主要發(fā)育于灰?guī)r、白云巖等可溶巖中，在地表主要表現(xiàn)為巖溶洼地、石林、溶洞等，可以通過Google低精度的遙感圖片及Google Earth對區(qū)內(nèi)的巖溶地貌進行粗略判識。由于高原特殊的高寒、熱量不足等地理環(huán)境，其植被覆蓋通常以草地為主，而在巖溶發(fā)育之處，其突出的峰林地貌在遙感圖片中極易解譯。因此，可以通過直接目視解譯的方法，圈定巖溶地貌的發(fā)育范圍。由圖3可看出，巖溶地貌發(fā)育范圍沿二疊系，石炭系，泥盆系的灰?guī)r、白云巖地層東西向分布，兩者分布范圍基本一致。圖3中的①、②、③分別為高原型巖溶中的典型巖溶微地貌，其峰林地貌特征與周圍高山草原地貌相比尤為突出，極易辨認。

在此基礎上，通過實地點狀調(diào)查與驗證，可進一步提升對該區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育程度的認識。

圖3 高原型巖溶典型地貌判識

2.3 巖溶區(qū)三維地形模型建立及現(xiàn)場驗證

Google Earth是三維可視化技術在GIS應用中的代表，但分辨率有限，對于目視精確解譯分析，其可利用性不高。為此，利用已有1∶10000研究區(qū)地形圖，在ArcGIS平臺下生成高精度DEM(5 m)，再利用ArcGIS平臺下的ArcScene，以高精度DEM為高程底圖，與Google遙感圖進行疊加，再對地形進行適當?shù)拇怪笨鋸?1.5倍)，可生成相較于Google Earth更精細的研究區(qū)三維地形模型。對于直觀清晰地認識研究區(qū)巖溶地貌，分析其巖溶洼地等，有較為理想的效果，見圖4。

圖4 巖溶區(qū)三維地形模型

由則岔巖溶區(qū)三維可視化模型分析可得，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，巖溶峰林地貌較為發(fā)育，未見明顯的巖溶洼地，區(qū)內(nèi)沿線路東西兩側(cè)發(fā)育有縱貫南北的兩條大溝，組成了該區(qū)巖溶水的隔水邊界。

2.4 巖溶區(qū)水文分析

3S技術中的GIS技術可實現(xiàn)對地表水與地下水流向、流域及分水嶺的精確劃分。以ArcGIS平臺下水文分析模塊中的DEM(數(shù)字高程模型)為基礎，通過流向分析、流量累計分析、河流網(wǎng)絡提取及盆域分析等功能，可實現(xiàn)對區(qū)內(nèi)地下水和地表水流向、分水嶺及流域的精確識別，并可直觀地顯示地表水分水嶺及小流域內(nèi)地表水流向，對于分析巖溶水富集帶，輔助地面調(diào)查，查明巖溶地下水補、徑、排條件及巖溶洼地都具有指導意義，見圖5。

圖5 巖溶區(qū)水文分析成果

ArcGIS水文分析：通過對DEM(5 m)進行填洼、流向分析、流量累計分析、河流網(wǎng)絡提取及盆域分析等步驟，得到該區(qū)的水系分布及小流域分區(qū)(見圖5)。由圖5可知，則岔巖溶區(qū)可分為10個小流域，其中線路經(jīng)過其中兩個較大的小流域，地表水整體流向為自南向北。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，水系較為發(fā)達，無明顯的巖溶洼地集水，大氣降水絕大部分以坡面流和溝水的形式排走。

水文地質(zhì)專項調(diào)查發(fā)現(xiàn)：地下水主要以巖溶裂隙水的形式賦存于基巖中，從所調(diào)查的泉點分析，泉點主要集中在線路里程DK205附近，其地層巖性為石炭系灰?guī)r、白云巖，主要沿f37斷層線性分布，其流量在3.24～9.75 L/s，其形成原因與該斷層帶導水有關。線路東北部泉水出露于三疊系砂巖、板巖之中，其流量較大(74.6 L/s)，分析該泉的來源可能與二疊系灰?guī)r中的巖溶水有關。

綜上所述，研究區(qū)地表水資源豐富，流向整體為自南向北，大氣降水主要以坡面流和溝水的形式排泄至洮河及其支流。地下水分水嶺及流向與地表水基本一致，地下水主要以巖溶裂隙水的形式賦存于基巖中。線路穿行于巖溶裂隙水水平徑流帶，隧道開挖突、涌水量大，風險高。

3 巖溶區(qū)現(xiàn)場調(diào)查及驗證

在巖溶地貌遙感判識、巖溶區(qū)水文分析、巖溶區(qū)三維地形模型的基礎上，確定了該區(qū)巖溶發(fā)育的大致范圍，典型巖溶地貌分布特征，地表水、地下水補徑排條件，以及流向、分水嶺，可以彌補室內(nèi)分析工作的不足。

在巖溶區(qū)實地調(diào)查的過程中，室內(nèi)遙感解譯的成果，在實地調(diào)查過程中均得到驗證，如圖6中①、②、③，與圖3中①、②、③對應。①為一封閉洼地；②為白云巖峰林地貌，坡腳發(fā)育有多處溶洞，③為灰?guī)r溶蝕形成的峰林地貌，陡壁上發(fā)育有溶洞，并有因巖溶形成的“一線天”景觀。

圖6 巖溶調(diào)查實地驗證

此外，由于溶洞基本在垂向上發(fā)育，故只能通過實地調(diào)查進行高程與規(guī)模統(tǒng)計：區(qū)內(nèi)溶洞基本發(fā)育在陡壁之上，均為干洞，高程在3300～3820 m，且溶洞上方一般有垂直裂隙發(fā)育，溶洞應是巖溶早期產(chǎn)物，后經(jīng)河流下切與地殼抬升，故而溶洞到達目前高程。溶洞調(diào)查成果見表1。

表1 溶洞高程一覽

4 結(jié)論

(1)通過巖溶遙感調(diào)查與外業(yè)驗證，根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》中規(guī)定[12]，判定則岔巖溶區(qū)屬于巖溶弱發(fā)育。線路穿行于巖溶裂隙水水平徑流帶，隧道開挖突涌水水量大，風險高。

(2)充分發(fā)揮3S技術其相較于常規(guī)調(diào)查手段簡便、高效、全面、準確的優(yōu)勢，綜合利用巖溶地貌遙感判識、DEM水文分析、三維地形建模等手段，總結(jié)了高原型巖溶調(diào)查技術流程和方法體系，可高效準確地查明巖溶地貌分布、發(fā)育程度及地下水補徑排條件，降低了高原地區(qū)外業(yè)勘察的工作量，提高了勘測效率，對于類似地區(qū)的高原型巖溶地質(zhì)調(diào)查具有一定的參考和指導意義。

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