李其帥

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

中國(guó)境內(nèi)冰湖主要分布在青藏高原腹地西藏地區(qū)念青唐古拉山和喜馬拉雅山等區(qū)域[1]。冰湖潰決是發(fā)生在中國(guó)西藏山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，其所表現(xiàn)的突發(fā)性、隱蔽性和災(zāi)難性等特征，嚴(yán)重威脅著影響區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全和道路交通管線安全[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，喜馬拉雅—興都庫(kù)什一帶分布有超過(guò)8 000個(gè)冰湖[3]，近80年有超過(guò)15次較大的冰湖潰決事件發(fā)生在西藏境內(nèi)[4]，它們大部分屬于瞬時(shí)部分潰決或全部潰決[5]。如2002年夏，發(fā)生在沖堆普溝(西藏聶拉木縣)的兩次冰湖潰決，毀壞沿途道橋系統(tǒng)及周圍4.70 hm2土地，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)750萬(wàn)元[6]。

對(duì)于某高原地區(qū)冰湖潰決的研究，該區(qū)域冰湖大致可分為冰斗湖、槽谷湖、終磧湖等3種類型，一般會(huì)發(fā)生“水枕”和“應(yīng)力釋放”兩種破壞模式[7]。劉晶晶等(2008)通過(guò)調(diào)查分析西藏地區(qū)冰湖潰決的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)潰決災(zāi)害與氣候有著顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]；莊樹(shù)裕(2010)提出了西藏地區(qū)冰湖潰決的基于粗糙集理論的非線性預(yù)測(cè)模型[9]；劉春玲等(2016)采用QuickBird和ETM等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究了西藏南部冰湖潰決災(zāi)害隱患和誘發(fā)因素[10]；余斌等(2016)建立了基于冰川條件和溫度的終磧堤冰湖潰決預(yù)警模型[11]；楊金波等(2018)從冰湖穩(wěn)定性、潰決洪水計(jì)算、減災(zāi)調(diào)度措施等方面論述了終磧冰湖潰決對(duì)下游工程的影響[12]；閆帥營(yíng)(2020)基于GIS軟件，對(duì)帕隆藏布流域進(jìn)行了冰湖潰決的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[6]；李佶航和孫渤鏮(2020)系統(tǒng)總結(jié)了波密地區(qū)冰湖的空間分布狀態(tài)，并對(duì)冰湖的類型、面積及分布高程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[13]。

盡管青藏高原整體冰川消減速度正在加快，但其內(nèi)部冰川面積基本保持穩(wěn)定[14]。然而，在氣候、地震等內(nèi)外動(dòng)力作用下，溝道內(nèi)的建筑物和構(gòu)筑物可能受到冰湖潰決洪水和泥石流的破壞[15]。就本文而言，擬建車站作為某高原鐵路的關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)，很可能受到極端條件下冰湖潰決洪水的影響。盡管學(xué)者們對(duì)這一地區(qū)冰湖的分布狀態(tài)已經(jīng)知曉，但上游冰湖發(fā)展變化趨勢(shì)與潰決洪水對(duì)擬建車站的影響方面的研究還需要開(kāi)展，從而支撐鐵路和車站的選址與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 研究區(qū)地理環(huán)境

某高原鐵路伯舒拉嶺—林芝段是一條穿越高山-峽谷區(qū)和多條斷裂構(gòu)造帶的擬建鐵路。鐵路沿線地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)條件極為復(fù)雜。受印度洋濕氣流和地震影響，該區(qū)是滑坡、泥石流、冰湖潰決等易發(fā)區(qū)[16-18]。

研究區(qū)位于帕隆藏布流域，流域總面積約為2.86×104km2，流域高山環(huán)繞，自西向東、自南到北氣候逐漸由濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)向半干旱過(guò)渡，海洋性冰川發(fā)育。此外，該區(qū)構(gòu)造作用和冰川侵蝕作用強(qiáng)烈，主峽谷水流湍急，帕隆藏布兩岸巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，河谷寬窄相間，巖屑堆、洪積扇、階地發(fā)育，在寬谷兩側(cè)冰川泥石流發(fā)育，且活動(dòng)頻繁。其中，位于帕隆藏布河左岸的一級(jí)支流林珠藏布發(fā)源于一系列冰川群，上游可見(jiàn)多個(gè)冰湖，呈串珠狀分布。

在上述如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下，擬建鐵路出多木格隧道后順波堆藏布南下跨國(guó)道G318，線路折向西沿帕隆藏布河谷北岸設(shè)車站。然而，林珠藏布冰湖潰決極有可能對(duì)車站構(gòu)成一定威脅。因此，需要開(kāi)展冰湖潰決洪水影響評(píng)估。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

對(duì)帕隆藏布左岸一級(jí)支流林珠藏布流域及鄰近區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)資料收集。主要包括多時(shí)段航空遙感影像、水文氣象數(shù)據(jù)、林珠藏布流域1∶10 000航測(cè)地形圖、相關(guān)地災(zāi)調(diào)查報(bào)告、鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范和堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)導(dǎo)則等。在前期準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上，多次進(jìn)行野外調(diào)查和踏勘工作。

2.2 研究方法

在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，開(kāi)展室內(nèi)分析和計(jì)算，利用遙感影像，進(jìn)行遙感解譯，內(nèi)容包括林珠藏布流域冰川冰湖分布，冰川冰湖面積及其歷史演化規(guī)律，冰湖壩體的幾何形態(tài)特征等。獲得林珠藏布流域冰湖分布及面積變化規(guī)律，估算冰湖水深與總水量，計(jì)算冰湖潰決條件下林珠藏布潰決洪水到擬建車站附近的洪峰流量。

根據(jù)鐵路線路與林珠藏布的空間位置關(guān)系，在相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析林珠藏布冰湖潰決洪水對(duì)車站的影響，并針對(duì)性地提出防治對(duì)策和建議。

3 結(jié)果分析

3.1 冰湖分布與活動(dòng)趨勢(shì)(圖1)

圖1 林珠藏布冰湖A～E面積和庫(kù)容變化折線

林珠藏布流域是冰川活動(dòng)和冰川融水匯聚成的地表河流，其上游冰湖數(shù)量過(guò)百(以冰磧湖和冰川阻塞湖為主)，其中有5個(gè)大規(guī)模冰湖。為研究方便，由上游至下游分別將其命名為冰湖A～E，5個(gè)冰湖總面積約33.56 km2。

總體而言，從1990年至2019年，5個(gè)冰湖的規(guī)模排序?yàn)椋罕﨎>冰湖E>冰湖A>冰湖C>冰湖D。冰湖規(guī)模呈現(xiàn)出“縮減-擴(kuò)張-縮減-再擴(kuò)張”趨勢(shì)：即①1990—1999年，5個(gè)冰湖面積減少了1.68%；②1999—2008年增加10.58%； ③2008—2015年減小3.67%；④2015—2019年增加3.11%。此外，庫(kù)容變化也有上述趨勢(shì)，平均庫(kù)容在1.88億m3～2.14億 m3之間波動(dòng)。具體而言，冰湖B、冰湖C和冰湖E的變化相對(duì)穩(wěn)定，冰湖B在1990—2019年面積增加了5.4萬(wàn)m2，總體變化率為4.05%；冰湖C面積增加了0.27萬(wàn)m2，總體變化率為1.71%；冰湖E面積增加了3.36萬(wàn)m2，面積變化率為4.0%。冰湖A(面積擴(kuò)張率39.6%)和冰湖D(面積擴(kuò)張率10.97%)則發(fā)生了較為明顯的擴(kuò)張。冰湖A擴(kuò)張最為明顯的原因是，1990—2019年冰川末端的擴(kuò)張，其上游冰川冰舌不斷退后導(dǎo)致。冰湖D在1999年相比于1990年面積縮小了17.55%，在2008年又?jǐn)U張了35.81%達(dá)到正常水平，此后至2019年冰湖面積相對(duì)穩(wěn)定，其主要原因是上游湖底較淺，水量的突然增加或減少會(huì)影響大面積的湖面區(qū)域。冰湖E擴(kuò)張則主要集中在壩體一側(cè)，其逐年向壩體一側(cè)擴(kuò)張可能給壩體帶來(lái)更大的壓力，導(dǎo)致壩體的穩(wěn)定性受到損害。

此外，由于平均湖深在25～26 m波動(dòng)，其庫(kù)容變化也有上述趨勢(shì)。

3.2 冰湖潰決對(duì)鐵路影響分析

據(jù)調(diào)查，上述5個(gè)冰湖均為冰磧湖，其中冰湖A、C和E是終磧湖，冰湖B和D為側(cè)磧湖，它們?yōu)楸ㄍ丝s后形成的冰磧壩，壩體的穩(wěn)定性相對(duì)較差。其中，冰湖A與冰川相連，冰湖B、D和E與冰川分離，形成了明顯的陡坎。隨著冰川運(yùn)動(dòng)，4個(gè)冰湖上游冰川直入湖造成涌浪潰壩的可能性都存在。在氣候的快速變化下，冰川演化更不穩(wěn)定，冰川入湖在歷史上多次導(dǎo)致冰湖潰決。

在特定的環(huán)境下每個(gè)冰湖都存在潰決風(fēng)險(xiǎn)，上游冰湖一旦潰決，甚至?xí)纬蔀?zāi)害鏈?zhǔn)叫?yīng)，導(dǎo)致下游的串狀冰湖連續(xù)潰決，形成大型潰決災(zāi)害。

為充分考慮這5個(gè)冰湖對(duì)擬建車站的影響，假定如下極端工況情景。

①將最下游冰湖的體積考慮為冰湖A～E庫(kù)容之和，并按最下游冰湖潰決考慮。

②距離采用該冰湖群最下游冰湖至車站的距離。

根據(jù)該地區(qū)已發(fā)生的塔阿錯(cuò)冰湖(潰決前面積：63萬(wàn)m2，湖水深28.36 m，湖水體積0.18億m3，實(shí)測(cè)流量1 036 m3/s)和桑旺錯(cuò)冰湖(潰決前面積538萬(wàn)m2，湖水深70 m，湖水體積3.75億m3，實(shí)測(cè)流量1萬(wàn)m3/s)[19]可知，由Costa和Schuster(1988)所提出的經(jīng)驗(yàn)公式適用于本研究。公式如下

(1)

此外，壩址以下溝道冰湖潰決洪水最大流量采用規(guī)范SL451—2009《堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)導(dǎo)則》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式估算。距冰湖壩址處下游一定距離的最大洪峰流量采用如下公式計(jì)算

(2)

式中，Qxm為冰湖壩下游某處洪峰流量，m3/s；Qm為壩址處洪峰流量，m3/s；Vw為潰壩下泄總水量，m3；L為下游斷面至壩址距離，m；vw為河道洪水期斷面最大平均流速，m/s，在有資料地區(qū)可采用實(shí)測(cè)最大值；如無(wú)資料，一般山區(qū)可采用vw=3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可采用vw=2.0～3.0 m/s，平原區(qū)可采用vw=1.0～2.0 m/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)取K=1.1～1.5，半山區(qū)取K=1.0，平原區(qū)取K=0.8～0.9。本次計(jì)算中，vw取5.0 m/s，K取1.5。

由式(1)計(jì)算出冰湖群潰決洪水在壩址處的洪峰流量為4.76×104m3/s，由式(2)所計(jì)算出下游63～76.2 km處洪水沿程流量，以及不同斷面處疊加百年一遇洪水的流量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 林珠藏布冰湖潰決洪水沿程流量計(jì)算

在車站位置斷面(DK1 094+000)，該段河道糙率取值為0.045時(shí)，計(jì)算水力參數(shù)見(jiàn)表2。受下游卡口(錯(cuò)卡)阻水作用，洪水會(huì)向帕隆藏布壅水，形成較淺的淹沒(méi)區(qū)，此時(shí)擬建車站附近(DK1 094+000)流深略有增加，約為0.23 m，水面高程2 670.59 m，總體而言對(duì)擬建車站影響不大。

表2 DK1094+000斷面冰湖潰決洪水特征值

4 工程措施建議

擬建車站位于帕隆藏布北岸河床，地勢(shì)平坦，緊鄰G318國(guó)道南側(cè)，交通便利。

車站軌面和工區(qū)設(shè)計(jì)高程為2 679.26 m，貨場(chǎng)設(shè)計(jì)高程為2 678.0 m，危險(xiǎn)品作業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)高程為2 677.0 m，站房為線側(cè)下式，高程為2 672.8 m，房建場(chǎng)坪區(qū)高程為2 671.0 m。因此根據(jù)冰湖潰決與百年水位疊加后水位，擬建車站各相關(guān)工程的高程均高于水位線。

線路以填方形式通過(guò)，中心最大填方高度約12.4 m。工點(diǎn)區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、細(xì)圓礫土、粗圓礫土及漂石土。地表水為帕隆藏布常年季節(jié)性流水，水流自東向西，百年洪水位2 669.0～2 671.2 m，平均流速1.5～2 m/s。區(qū)內(nèi)基本地震加速度值0.30g(相當(dāng)于地震基本烈度八度)，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。因此，建議工程措施如下。

(1)沖刷防護(hù)高度=綜合水位(百年洪水位與冰湖潰決水位加權(quán)疊加)+壅水高+波浪侵襲高+0.5 m。

(2)沖刷防護(hù)高度以下邊坡采用混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，護(hù)坡采用0.3 m厚C45混凝土澆筑，基礎(chǔ)采用混凝土腳墻，埋置深度于沖刷深度線以下≮1.0 m。

(3)沖刷防護(hù)高度以下邊坡坡率為1∶2.0。

(4)沖刷防護(hù)高度以下路基采用滲水土填筑。

5 結(jié)論與討論

研究通過(guò)資料與文獻(xiàn)收集，歸納和分析波堆藏布流域內(nèi)林珠藏布冰湖潰決洪水的環(huán)境背景條件，提取了林珠藏布上游冰湖面積隨時(shí)間的演化特征，獲得了林珠流域面積、溝道基本特征值等重要參數(shù)；在資料整理和野外工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有鐵路選線方案，評(píng)估了林珠藏布冰湖潰決洪水對(duì)車站的影響，主要結(jié)論如下。

(1)林珠藏布上游5個(gè)冰湖，從1990—2019年間呈現(xiàn)出“縮減—擴(kuò)張—縮減—再擴(kuò)張” 趨勢(shì)，平均湖深在25～26 m之間波動(dòng)，平均庫(kù)容在1.88億m3～2.14億m3之間波動(dòng)。

(2)林珠藏布5個(gè)冰湖潰決洪水總量為1.09億m3，潰口處的峰值流量約為4.76萬(wàn)m3/s；在擬建車站處，潰決洪水峰值流量8 778.3 m3/s，疊加百年一遇洪水流量為11 988.3 m3/s。

(3)典型斷面分析表明：雖然潰決洪水到達(dá)擬建車站流量大，但由于車站所處位置河谷開(kāi)闊，各斷面線位高程均高于水面高程。因此，對(duì)車站沒(méi)有影響。

(4)給出了擬建車站沖刷防護(hù)高度、邊坡防護(hù)措施、基礎(chǔ)埋置深度、坡率及路基填筑方式等工程措施建議。