楊宗佶,丁朋朋,2,游 勇,喬建平,聶 勇,田宏嶺

(1.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，重要交通干線和高等級(jí)鐵路公路等基礎(chǔ)設(shè)施向西部地質(zhì)環(huán)境脆弱區(qū)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)勢(shì)在必行。由于我國(guó)西部山區(qū)受構(gòu)造和地形條件等影響，滑坡泥石流等山地災(zāi)害十分發(fā)育，交通干線的地質(zhì)選線往往無(wú)法避繞或完全規(guī)避山地災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，因此在傳統(tǒng)的交通干線選線規(guī)劃中，對(duì)滑坡或古堆積體以避繞為主的原則需要重新審視甚至徹底顛覆，所以基于災(zāi)害危險(xiǎn)性分析來(lái)指導(dǎo)選線規(guī)劃，對(duì)于地質(zhì)脆弱地區(qū)交通干線的選線、建設(shè)和后期運(yùn)營(yíng)中的災(zāi)害管理和安全具有重要意義。

滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是在特定時(shí)間內(nèi)對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率進(jìn)行定量分析[1]，是滑坡災(zāi)害防治重要的非工程措施。20世紀(jì)90代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在綜合減災(zāi)效益方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究[2-3]，如Carrara等[4]利用多變量模型對(duì)意大利北部不同環(huán)境條件下的滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。21世紀(jì)以來(lái)，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，基于統(tǒng)計(jì)模型的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法得到廣泛應(yīng)用[5-8]。

目前，現(xiàn)行的鐵路選線方法主要有地質(zhì)選線、環(huán)保選線、工程選線等[9-14]，對(duì)線路方案進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法還主要以定性分析為主[15]，而基于山地災(zāi)害危險(xiǎn)性分析方面，開(kāi)展鐵路線路方案比選的專門研究還未見(jiàn)報(bào)道，本研究引入貢獻(xiàn)權(quán)重方法[16-17]，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，對(duì)各方案的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用山地災(zāi)害危險(xiǎn)性分析方法，對(duì)擬建川藏鐵路康定—林芝段開(kāi)展線路設(shè)計(jì)方案比選研究。

1 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)模型

區(qū)域性危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)正逐步由定性化到定量化，由于滑坡災(zāi)害的影響因素眾多，目前尚未有通用的評(píng)估方法，本研究在所收集資料及以往研究成果的基礎(chǔ)上，采取以定量為主，結(jié)合半定量和定性相結(jié)合的方法，量化各因素在滑坡中所起的作用。采用貢獻(xiàn)率法[18]構(gòu)建川藏鐵路沿線滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)模型

(1)

1.2 指標(biāo)體系的建立

本文在選取危險(xiǎn)性影響因素時(shí)，首先考慮的是滑坡災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境，其次是外動(dòng)力對(duì)滑坡的誘發(fā)作用。綜合考慮線路沿線的地質(zhì)條件、地形地貌以及滑坡的誘發(fā)因素，選取了地層巖性、斷層與斷裂帶、坡度、相對(duì)高差等8個(gè)因素作為滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 川藏鐵路滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃指標(biāo)體系

1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取與處理

通過(guò)遙感解譯等方式獲得災(zāi)害的位置信息，高差、坡度、海拔、坡形等地形相關(guān)因子的數(shù)據(jù)信息均由DEM在GIS軟件內(nèi)按相應(yīng)算法導(dǎo)出；河流水系數(shù)據(jù)采用國(guó)家五級(jí)以上河流；以川藏地區(qū)1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖裁切，將各系地層進(jìn)行歸并到系一級(jí)，以便評(píng)價(jià)；在進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)之前，首先應(yīng)對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，目的是為了使數(shù)據(jù)具有可比性，本文采用極值標(biāo)準(zhǔn)化處理方法。極值標(biāo)準(zhǔn)化法是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，其公式為

(2)

式中，x＇為標(biāo)準(zhǔn)化后的值；x為原數(shù)據(jù)；xmin為原數(shù)據(jù)中的最小值；xmax為原數(shù)據(jù)中的最大值。

1.4 指標(biāo)因子的權(quán)重

本文采用貢獻(xiàn)率法計(jì)算各因子的權(quán)重。因?yàn)樨暙I(xiàn)率代表了指標(biāo)因子對(duì)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性的貢獻(xiàn)程度差異，已經(jīng)具有權(quán)重的意義，所以在貢獻(xiàn)率計(jì)算的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)均值化、歸一化處理，可以將貢獻(xiàn)率轉(zhuǎn)換為權(quán)重。采用貢獻(xiàn)率法求權(quán)重定量化程度高，可以避免人為主觀因素的影響[19]。

2 算例

目前川藏鐵路已被列為“十三五”國(guó)家規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，林芝至拉薩段已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)，成都至康定段已完成可行性研究，而康定至林芝段可研及設(shè)計(jì)工作也正在緊張進(jìn)行中[20]。擬建川藏鐵路橫穿青藏高原東緣地形急變帶，橫跨14條江河。受青藏高原強(qiáng)烈隆升的影響，川藏鐵路沿線地勢(shì)起伏大，河流切割強(qiáng)烈，具有相對(duì)高差大、山坡陡峭和溝谷深切的典型特點(diǎn)，使得川藏鐵路沿線是我國(guó)山地災(zāi)害最發(fā)育、最活躍、類型最齊全，危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。例如，帕隆藏布沿線長(zhǎng)271 km，有各類災(zāi)害點(diǎn)399處，危害長(zhǎng)度71.63 km，其中包括了易貢滑坡、102滑坡群、米堆溝和古鄉(xiāng)溝泥石流等重大災(zāi)害。因此山地災(zāi)害成為川藏鐵路局部乃至全線的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，關(guān)乎川藏鐵路建設(shè)的成敗。

本研究以川藏鐵路康定至林芝段為例，開(kāi)展滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，并對(duì)不同方案的線路的滑坡危險(xiǎn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析，從山地災(zāi)害危險(xiǎn)性分析的角度為川藏鐵路康定至林芝段提供優(yōu)選方案。

2.1 線路備選方案

本研究根據(jù)川藏鐵路康定—林芝段的4種備選方案(圖2)：理塘—八宿方案、道孚—甘孜方案、巴塘—左貢方案、類烏齊—洛隆方案，開(kāi)展線路方案比選。

(1)經(jīng)理塘—八宿方案：線路自起點(diǎn)康定，經(jīng)理塘、巴塘、白玉、昌都、八宿、波密到終點(diǎn)林芝，線路長(zhǎng)1 004 km。

(2)經(jīng)道孚—甘孜方案：線路自起點(diǎn)康定，經(jīng)道孚、爐霍、甘孜、德格到終點(diǎn)江達(dá)，線路長(zhǎng)494 km。

(3)經(jīng)巴塘—左貢方案：線路自起點(diǎn)毛埡壩，經(jīng)巴塘、芒康、左貢到終點(diǎn)八宿，線路長(zhǎng)373 km。

(4)經(jīng)類烏齊—洛隆方案：線路自起點(diǎn)妥壩，經(jīng)昌都、類烏齊、洛隆、崗鄉(xiāng)到終點(diǎn)波密，線路長(zhǎng)373 km。

2.2 滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃與評(píng)價(jià)

川藏鐵路沿線滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)與評(píng)價(jià)是開(kāi)展區(qū)域尺度鐵路選線的基礎(chǔ)和前提。根據(jù)上述4種比選方案穿越的區(qū)域作為研究區(qū)；依據(jù)指標(biāo)體系進(jìn)行各因子數(shù)據(jù)處理分析，采用貢獻(xiàn)率法計(jì)算各災(zāi)害因子的互權(quán)重(表1)，將各因素按權(quán)重進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)危險(xiǎn)度連續(xù)值(3.086～23.274)分布圖，再利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行5級(jí)分區(qū)：低危險(xiǎn)度區(qū)(3.086～7.678)、較低危險(xiǎn)度區(qū)(7.678～9.419)、中危險(xiǎn)度區(qū)(9.419～11.082)、較高危險(xiǎn)度區(qū)(11.082～12.903)、高危險(xiǎn)度區(qū)(12.903～23.274)，得到危險(xiǎn)度分級(jí)區(qū)劃圖(圖2)。危險(xiǎn)度級(jí)別越高，說(shuō)明線路的風(fēng)險(xiǎn)越大，滑坡發(fā)生的條件越充分，發(fā)生概率越大，可能對(duì)鐵路造成的危險(xiǎn)越嚴(yán)重。

表1 滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性指標(biāo)互權(quán)重

圖2 研究區(qū)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

各方案鐵路走向線路的滑坡危險(xiǎn)度由線路穿越方案和滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度區(qū)劃圖通過(guò)空間分析方法計(jì)算得出。各方案的線路滑坡危險(xiǎn)度依據(jù)鐵路線路的工程類型(路基、橋梁、隧道)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以計(jì)算各類型鐵路線路及其相應(yīng)的滑坡危險(xiǎn)度。以此為基礎(chǔ)開(kāi)展鐵路選線方案比選。

2.3 線路方案比選

鐵路兩側(cè)近距離發(fā)生滑坡災(zāi)害時(shí)，會(huì)掩埋路基、沖撞橋梁等，從而對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生危害。而滑坡災(zāi)害對(duì)鐵路線隧道的影響主要是堵塞隧道口。因此，在進(jìn)行方案比選時(shí)，本研究也將各隧道口的危險(xiǎn)度等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用GIS系統(tǒng)中的空間分析方法，將鐵路線路與研究區(qū)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖進(jìn)行疊加分析，從而提取出各危險(xiǎn)度等級(jí)中路基、橋梁的長(zhǎng)度以及隧道口的數(shù)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖3～圖5)，以此對(duì)各設(shè)計(jì)方案鐵路線路開(kāi)展可行性分析。從圖2可知，根據(jù)4種方案穿越廊道的路徑、范圍及起止點(diǎn)的交叉情況，將康定至林芝段分成3個(gè)分段進(jìn)行方案比選：即康定—江達(dá)段(圖3)、妥壩—波密段(圖4)、毛埡壩—八宿段(圖5)。通過(guò)4種方案的對(duì)比，選出川藏鐵路康定至林芝段的優(yōu)選方案。

2.3.1 康定—江達(dá)段(圖3)

圖3 道孚—甘孜方案與理塘—八宿方案各類型危險(xiǎn)度對(duì)比

危險(xiǎn)度等級(jí)越高，滑坡發(fā)生的概率越大，對(duì)線路的危害越嚴(yán)重。圖3表明：川藏鐵路道孚—甘孜方案穿越較高和高危險(xiǎn)度的橋長(zhǎng)(21.1 km)、路基長(zhǎng)(49.5 km)和隧道口(64個(gè))的數(shù)量比理塘—八宿方案分別高14.9%、16.5%和17.7%。因此基于滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度的康定至江達(dá)段的優(yōu)選方案為理塘—八宿方案。

2.3.2 毛埡壩—八宿段(圖4)

圖4 巴塘—左貢與理塘—八宿方案各類型線路危險(xiǎn)度對(duì)比

圖4中，巴塘—左貢方案橋、路基處于較高危險(xiǎn)度以上的長(zhǎng)度分別為7.1、6.6 km，低于理塘—八宿方案的9.0、11.1 km，但由于線路長(zhǎng)度差異，從所占的比例分析巴塘—左貢方案(33.7%、31.5%)高于理塘—八宿方案(16.4%、13.8%)，并且其處于較高和高危險(xiǎn)度的隧道口數(shù)量(50個(gè))和百分比(78.1%)都超過(guò)理塘—八宿方案(44個(gè)、47.8%)，因此，經(jīng)過(guò)兩種方案的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度對(duì)比分析，將理塘—八宿方案選為毛埡壩—八宿段的優(yōu)選方案。

2.3.3 妥壩—波密段(圖5)

圖5 類烏齊—洛隆與理塘—八宿方案各類型線路危險(xiǎn)度對(duì)比

圖5中，類烏齊—洛隆方案橋、路基經(jīng)過(guò)較高和高危險(xiǎn)區(qū)的長(zhǎng)度(15.6、28.0 km)略高于理塘—八宿方案(14.3、13.4 km)，但是其百分比(41.7%、36.8%)低于理塘—八宿方案(56.9%、42.7%)，并且其隧道口的數(shù)量(23個(gè))和比例(32.8%)明顯較理塘—八宿方案(25個(gè)、56.3%)低。由此可以得出，基于滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度的妥壩—波密段的優(yōu)選方案應(yīng)為類烏齊—洛隆方案。

2.3.4 綜合比選及推薦意見(jiàn)

由于鐵路建設(shè)關(guān)系國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，除了從線路穿越山地災(zāi)害危險(xiǎn)性的角度對(duì)4種方案進(jìn)行對(duì)比分析外，還需考慮其他經(jīng)濟(jì)和建設(shè)成本等因素。本研究根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取情況及重要程度，在危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮線路建設(shè)工程量和經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)兩方面進(jìn)行方案比選分析。線路建設(shè)工程量、滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度和經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)在線路比選和建設(shè)時(shí)都是非常重要的指標(biāo)，本研究將其重要程度視為一致。

表2表明：康定—江達(dá)段的道孚—甘孜方案隧道長(zhǎng)較理塘—八宿方案短8.65 km，但其總線路、橋和路基長(zhǎng)分別超出理塘—八宿方案62.61、12.91、58.35 km，且二者所經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)數(shù)量一致，故將理塘—八宿方案作為優(yōu)選方案；在毛埡壩—八宿段，巴塘—左貢方案的線路總長(zhǎng)、橋長(zhǎng)和路基長(zhǎng)與理塘—八宿方案相差100.17、42.39、61.42 km，然其隧道超出理塘—八宿方案3.64 km，同時(shí)其經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)(4個(gè))少于理塘—八宿方案(6個(gè))，因此，兩種方案皆可作為優(yōu)選方案；妥壩—波密段中，類烏齊—洛隆方案的總線路、橋、路基及隧道長(zhǎng)各超出理塘—八宿方案75.57、12.16、44.92、18.49 km，且其經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量少于理塘—八宿方案，故宜將理塘—八宿方案定為該段的優(yōu)選方案。

綜合以上3個(gè)區(qū)段內(nèi)各設(shè)計(jì)方案建設(shè)工程量和經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)對(duì)比分析，再結(jié)合各方案的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度的分析以及線路建設(shè)工程量、滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)度和經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)的重要程度等同的原則，可以得出，3個(gè)區(qū)段的優(yōu)選方案均為理塘—八宿方案。因此，川藏鐵路康定—林芝段全線推薦采用理塘—八宿選線方案。

表2 各設(shè)計(jì)方案建設(shè)工程量及經(jīng)過(guò)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)對(duì)比分析

3 結(jié)論

基于貢獻(xiàn)率方法建立重大線性工程沿線滑坡危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)模型并以川藏鐵路康定—林芝段為例開(kāi)展危險(xiǎn)性區(qū)劃，依據(jù)鐵路線路的4種設(shè)計(jì)方案確定危險(xiǎn)性評(píng)估范圍及線路比選方案，在危險(xiǎn)性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行川藏鐵路選線方案比選研究，并得到以下結(jié)論。

(1)綜合考慮滑坡災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境、誘發(fā)條件和災(zāi)害特征，構(gòu)建重大線性工程滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性指標(biāo)體系及貢獻(xiàn)率模型。該方法能更全面地反映災(zāi)害的危險(xiǎn)性特征，評(píng)價(jià)的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查定性認(rèn)識(shí)一致。

(2)基于川藏鐵路不同選線方案的空間關(guān)系開(kāi)展鐵路選線的滑坡危險(xiǎn)性分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析，通過(guò)綜合對(duì)比分析，推選出理塘—八宿方案為最優(yōu)方案。該方法為鐵路設(shè)計(jì)方案比選提供了一種新手段，具有一定的參考性。

(3)重大線性工程的選線是一個(gè)復(fù)雜和綜合的系統(tǒng)工程，川藏鐵路沿線山地災(zāi)害的危險(xiǎn)性是選線需要考慮的一個(gè)方面。需要說(shuō)明，本研究主要從重大工程線路沿線山地災(zāi)害危險(xiǎn)性分析的角度出發(fā)，開(kāi)展災(zāi)害危險(xiǎn)性分析和方案優(yōu)選，為最終的決策提供技術(shù)支撐，但最終鐵路的規(guī)劃方案還需要進(jìn)一步結(jié)合其他因素(如環(huán)保、資源等)綜合研究確定。

致謝：中鐵二院集團(tuán)公司蔣良文、魏永幸、張廣澤幾位教授級(jí)高級(jí)工程師參加了論文所研究項(xiàng)目的相關(guān)工作，并提出了許多建設(shè)性的建議，在此一并表示感謝。