曾 勇,賀 燚,龔 雷,單海東,宋洪銳

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

隨著“一帶一路”倡議和“交通強國”戰(zhàn)略不斷實施，我國中西部地區(qū)交通路網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，各等級鐵路、公路陸續(xù)開始在西部復(fù)雜艱險山區(qū)進行規(guī)劃建設(shè)[1]。我國西部高原地形復(fù)雜多變，地勢起伏大，巖體風(fēng)化程度高，導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育[2]，為山區(qū)地面交通線路規(guī)劃與設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。豐沛的降水、廣布的冰川及寒凍土，為冰川滑坡等特殊地質(zhì)災(zāi)害提供了孕育條件[3-4]，僅針對一般滑坡地段的地質(zhì)選線方法已難以有效規(guī)避相關(guān)風(fēng)險。因此，當?shù)孛娼煌ň€路需穿越危害大、分布廣的冰川滑坡地帶時，為得到線路安全走廊，應(yīng)首先進行相關(guān)災(zāi)害易發(fā)性分析，進而建立一種能夠?qū)崿F(xiàn)“防災(zāi)減災(zāi)”目標的線路走廊識別方法，對于高海拔山區(qū)地面交通線路規(guī)劃、建設(shè)及后期運營的安全性具有重要意義。

滑坡易發(fā)性分析是艱險山區(qū)地面交通線路走廊識別的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外學(xué)者基于GIS平臺對一般滑坡的易發(fā)性做了大量研究。DEVKOTA[5]利用航拍影像和實地調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了尼泊爾中部山區(qū)歷史滑坡的成因，選取地形、斷層及土地利用等12個指標，建立滑坡易發(fā)性評估體系；王佳佳[6]基于滑坡與指標因素相關(guān)性分析結(jié)果，選取地形、河流及土地利用等7項指標對山峽庫區(qū)滑坡進行易發(fā)性評估，精度達87%；BUDIMIR[7]通過整理全球范圍的滑坡易發(fā)性評估模型，建立滑坡顯著因素數(shù)據(jù)庫，得出不同類型滑坡發(fā)生的影響因素差異較大，但坡度與各類滑坡關(guān)系密切；郭子正等[8]針對不同的滑坡特征將區(qū)域滑坡分為2類，建立2套不同的評估指標體系。但上述關(guān)于滑坡易發(fā)性研究均未考慮冰川因素的影響。

在地質(zhì)選線方面，杜宇本[9]根據(jù)成蘭鐵路沿線地質(zhì)地形條件進行方案比選，總結(jié)得出地質(zhì)選線定線原則；張志亮[10]針對西成鐵路沿線高壓氣藏及軟巖大變形等特殊地質(zhì)問題，提出相應(yīng)的選線策略；張馳[11]通過建立凍土病害危險度計算模型，確立青藏高原多年凍土區(qū)公路選線方法；楊宗佶[12]基于滑坡危險性區(qū)劃，實現(xiàn)了川藏鐵路局部路段的方案比選；宋陶然[13-14]將滑坡、崩塌和地震等災(zāi)害的風(fēng)險評估模型與成本模型結(jié)合，建立了鐵路線路風(fēng)險-成本雙目標優(yōu)化模型；蒲浩[15]提出了一種地質(zhì)災(zāi)害區(qū)分類方法，對鐵路線路風(fēng)險-成本雙目標優(yōu)化模型進行了補充和完善。上述文獻表明，當前地質(zhì)選線研究對象多為高等級鐵路和公路，研究成果往往以定性化的選線原則和建議為主，對于定量化分析方法研究不多，而對于冰川滑坡地段的交通選線問題研究則更為少見。

因此，首先基于冰川地帶滑坡發(fā)生機理，確定冰川滑坡易發(fā)性指標；然后，基于GIS技術(shù)并運用指標疊加法和層次分析法，建立冰川地帶滑坡易發(fā)性指數(shù)計算方法；最后，以地面交通線路防災(zāi)減災(zāi)為目標，提出冰川滑坡地帶地面交通走廊識別方法，并通過案例驗證方法可行性。

1 冰川滑坡易發(fā)指數(shù)計算

1.1 冰川地帶滑坡機理分析

相關(guān)研究表明，全球變暖正使得山體滑坡的風(fēng)險顯著增加[16]。不同于受重力作用的土坡失穩(wěn)，冰川滑坡主要表現(xiàn)為凍融過程中斜坡土體的力學(xué)性能不斷降低，部分融化的冰水混合物裹挾坡面土顆粒質(zhì)點加速向下滑移。在持續(xù)凍融循環(huán)作用下，土顆粒質(zhì)點會沿最大融深凍脹前坡面滑動，引起質(zhì)點之間的相對位移，從而導(dǎo)致其內(nèi)部裂隙逐漸擴張、貫通，土體體積進一步膨脹的時效響應(yīng)特征，如圖1所示。土顆粒質(zhì)點P1凍脹后沿垂直坡面方向移動至P2，升溫沿鉛垂方向融沉?xí)r，受沿坡面下滑的泥流作用影響，移動至P3，繼續(xù)沿豎向融沉過程中，由于質(zhì)點間的相互碰撞形成摩擦阻力，最終使其偏離鉛垂方向移動至P4，其中，G為泥流融化向下滑動的融沉位移，R為層間摩阻引起的回退位移[17]。由此可知，溫度上升帶來冰川融水對冰川滑坡具有顯著的觸發(fā)作用，溫度變化是冰川滑坡易發(fā)性分析的重要指標之一。同時，地形坡度、植被覆蓋條件及融水程度等多重因素影響著質(zhì)點位移的具體距離，在宏觀上決定了滑坡的規(guī)模，在指標體系的建立過程中應(yīng)重點考慮。

圖1 斜坡質(zhì)點遷移示意

不僅如此，地表裸露冰川受熱融化后，融水受重力作用下滲、集聚，下部土體被潤濕后處于飽和或過飽和狀態(tài)，形成孔隙水壓的浮托作用，使得土體強度不斷降低；同時，內(nèi)部滯水的潤滑作用會引起地下冰面摩擦系數(shù)顯著降低，導(dǎo)致土體極易在地震動或降雨作用下沿冰面向下滑動，將勢能轉(zhuǎn)換為動能高速滑落。斜坡上部土體滑落后，原地下冰面暴露會繼續(xù)融化，為新的滑坡提供孕育條件，如此循環(huán)往復(fù)，為鄰近設(shè)施帶來長期安全威脅。因此，土體中冰層及寒凍土含量是推動冰川滑坡持續(xù)發(fā)生的重要因素，應(yīng)在巖土條件因素中加以考慮。另外，地形條件、土壤類型等因素對坡體抗滑度有重要影響，而降雨量、坡向、地震烈度等則是外界對坡體擾動的主要因素。

1.2 冰川滑坡易發(fā)性分析指標

易發(fā)性分析指標的選取往往決定了冰川滑坡易發(fā)性分析有效性。從冰川地帶滑坡發(fā)生機理出發(fā)，充分考慮土體內(nèi)部因素和外部擾動因素對冰川滑坡易發(fā)性的影響，主要從外界觸發(fā)條件、地形地貌、環(huán)境條件3個方面出發(fā)，選取高程、坡度、坡向、剖面曲率、巖土條件、歸一化植被指數(shù)、地震烈度、年降雨量和最高溫度共9層指標，構(gòu)建冰川滑坡易發(fā)性分析指標體系。其中，巖土條件、地震烈度、年降雨量和最高溫度等指標值主要通過現(xiàn)場觀測確定，高程、坡度、坡向和剖面曲率等指標值通過數(shù)字高程模型獲得，歸一化植被指數(shù)值則由衛(wèi)星遙感影像分析得到，如圖2所示。

圖2 冰川滑坡易發(fā)性分析指標體系

1.3 冰川滑坡易發(fā)指數(shù)計算

冰川滑坡易發(fā)性采用相關(guān)易發(fā)指數(shù)進行表示。在確定冰川滑坡易發(fā)性分析指標體系后，冰川滑坡易發(fā)指數(shù)利用式(1)進行計算。

(1)

式中，P為冰川滑坡易發(fā)指數(shù)；yi為第i層指標取值；λi為第i層指標對應(yīng)的權(quán)重值，采用專家調(diào)查法和層次分析法研究確定。

計算冰川滑坡易發(fā)指數(shù)時，首先，應(yīng)利用式(2)對各層指標值進行歸一化處理，以減小量綱影響，使數(shù)據(jù)更具可比性；然后，將每層帶權(quán)指標分別利用GIS圖層進行表示，并劃分為多個精細柵格；之后，再利用指標疊加法將GIS圖層依次疊加；最后，即可形成研究區(qū)域冰川滑坡易發(fā)指數(shù)分布圖，如圖3所示。

(2)

式中，X*為各層指標歸一值；X為各層指標原始取值；Xmax為各層指標原始最大值；Xmin為各層指標原始最小值。

圖3 冰川滑坡易發(fā)指數(shù)分布

滑坡易發(fā)指數(shù)分級不但需保持圖面各級重量感均衡，且應(yīng)能清晰反映其分布特征。采用自然斷點法[18]，在保證級內(nèi)數(shù)值差異較小的同時可兼顧量值重量感均衡，通過不斷迭代計算，將研究區(qū)分為高易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)、一般易發(fā)區(qū)、較低易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，形成研究區(qū)冰川滑坡易發(fā)程度分布圖，為地面交通走廊識別提供條件和依據(jù)。

2 冰川滑坡區(qū)域線路走廊識別

冰川滑坡區(qū)域線路走廊識別的具體流程如圖4所示。

圖4 冰川滑坡地帶地面交通線路走廊識別流程

首先，基于提出的冰川滑坡易發(fā)指數(shù)計算方法及指標體系，結(jié)合GIS技術(shù)計算得到冰川滑坡易發(fā)指數(shù)分布圖層；其次，根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)險計算方法和滑坡易發(fā)指數(shù)得到走廊通行風(fēng)險，進而獲得起點與終點的風(fēng)險距離；之后，運用廊道分析方法計算得出區(qū)域內(nèi)環(huán)狀累積風(fēng)險分布；最后，選取閾值并檢驗廊道寬度及通行區(qū)域的合理性，形成帶狀地面交通線路走廊。

2.1 走廊通行風(fēng)險計算

冰川滑坡易發(fā)指數(shù)體現(xiàn)了滑坡的危險性，但滑坡的危險性并不完全等同于線路走廊通行滑坡區(qū)域時面臨的風(fēng)險，走廊通行風(fēng)險可考慮采用聯(lián)合國公布的災(zāi)害風(fēng)險評估模型[19]，如式(3)所示。

R=H×V

(3)

式中，R為走廊通行風(fēng)險；H為滑坡危險性，用冰川滑坡易發(fā)指數(shù)表示；V為結(jié)構(gòu)易損性，用地面線路易損指數(shù)表示，V可通過依據(jù)受災(zāi)體損毀等級與線路價值損失率間關(guān)聯(lián)性[20]建立的其與冰川滑坡易發(fā)指數(shù)H之間函數(shù)關(guān)系得到，如圖5所示。

圖5 V與H關(guān)系曲線

在圖5中，當H∈[0，15)時，普通損失水平下的地面線路易損指數(shù)V1可由式(4)計算。

V1=(1.602H2-4.608H)×10-2+0.034

(4)

當H∈[15，70]時，較高損失水平下的地面線路易損指數(shù)V2可由式(5)計算。

V2=-9.619 08H3×10-4+0.120 25H2-

2.704 43H+19.98

(5)

當H∈(70，100]時，高損失水平下的地面線路易損指數(shù)V3可由式(6)計算。

V3=-0.012 5H2+2.455H-20.55

(6)

通過式(4)～式(6)計算出不同冰川滑坡易發(fā)指數(shù)對應(yīng)的地面線路易損指數(shù)后，可依據(jù)式(3)求得區(qū)域走廊通行風(fēng)險。此外，為使線路繞避冰川滑坡高風(fēng)險區(qū)域，利用自然斷點法對區(qū)域走廊通行風(fēng)險分級后，高風(fēng)險區(qū)風(fēng)險值應(yīng)在原有取值基礎(chǔ)上乘以較大的懲罰系數(shù)，本文分析時取20。

2.2 風(fēng)險距離計算

在冰川滑坡災(zāi)害區(qū)，采用風(fēng)險距離表達區(qū)域內(nèi)指定點到其他點的走廊通行風(fēng)險總和。任意指定點Si，到其余點的最小風(fēng)險距離計算程式如下。

①對區(qū)域中所有頂點編號，創(chuàng)建指定頂點Si的臨近頂點集合U，將所有與指定頂點Si相鄰的頂點加入U，生成Si的鄰接矩陣A，如式(7)所示。

(7)

②建立由Si出發(fā)且已找到最小風(fēng)險距離的頂點集合T，初始化后將起點加入T，即：T={Si}。從Si出發(fā)至任意頂點Sa的最小風(fēng)險距離記為Da。

④新增與T中任意兩頂點相鄰且存在于U的頂點Sk，計算各條不同路徑的風(fēng)險距離，若

(8)

則

(9)

⑤更新T={Si，Sm，Sk}，重復(fù)步驟④，直至U中所有頂點加入T；將區(qū)域內(nèi)不屬于T且與T中任意頂點存在相鄰關(guān)系的頂點加入U。

⑥重復(fù)步驟⑤，直至T中包含區(qū)域內(nèi)所有頂點，區(qū)域中指定點到其余點的最小風(fēng)險距離即可求得。

以線路起、終點分別作為指定點，根據(jù)最小風(fēng)險距離計算程式，即能得到起、終點的最小風(fēng)險距離。

2.3 廊道分析

最小風(fēng)險距離僅能表達從起點到終點面臨的走廊通行風(fēng)險累積最小值，無法展示最小風(fēng)險距離下的實際路徑。因此，需運用廊道分析方法計算每個點位到起、終點的最小風(fēng)險距離之和，如式(10)所示，形成以起、終點連線為中心的環(huán)狀累積風(fēng)險分布圖。

(10)

在環(huán)狀累積風(fēng)險分布圖中，走廊寬度與累積風(fēng)險值呈正相關(guān)，需通過選取閾值實現(xiàn)二者的平衡。

2.4 閾值選取

擴大走廊寬度可為多目標選線提供更為豐富的選擇，但也會囊括更多的冰川滑坡高易發(fā)區(qū)域，威脅線路通行安全。因此，閾值選取應(yīng)兼顧地質(zhì)風(fēng)險與走廊寬度需要，并以最小累積風(fēng)險為依據(jù)，具體取值范圍如式(11)所示。

Fmin≤F≤KFmin

(11)

式中，F(xiàn)min為起、終點間最小累積風(fēng)險；F為走廊閾值，一般情況下取范圍內(nèi)最大值；K為安全系數(shù)，主要根據(jù)走廊內(nèi)高危區(qū)面積隨走廊寬度增加的變化情況確定；例如，當走廊寬度取30～90 m時，經(jīng)過反復(fù)試驗分析，K的取值范圍為[1.000 2，1.000 3]。

3 案例分析

選擇藏東南地區(qū)作為研究區(qū)，區(qū)域內(nèi)地勢險要，地質(zhì)條件復(fù)雜，冰川廣布，各類滑坡極為發(fā)育。根據(jù)冰川滑坡易發(fā)指數(shù)計算指標體系和計算模型要求收集區(qū)域內(nèi)的相關(guān)資料，對獲得的各層指標值進行歸一化處理，并利用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，得到各指標權(quán)值系數(shù)，如表1所示。

表1 研究區(qū)冰川滑坡易發(fā)性分析各層級權(quán)值排序

根據(jù)式(1)將各指標因子疊加，形成研究區(qū)冰川滑坡易發(fā)指數(shù)分布圖層，并依據(jù)自然斷點法進行分級，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 研究區(qū)冰川滑坡易發(fā)指數(shù)分布

通過式(4)～式(6)計算出不同冰川滑坡易發(fā)指數(shù)對應(yīng)的地面線路易損指數(shù)，再利用式(3)求得區(qū)域走廊通行風(fēng)險并進行分級，結(jié)合分析選定的高風(fēng)險區(qū)懲罰系數(shù)，得出研究區(qū)走廊通行風(fēng)險分布圖；確定走廊起點和終點，依據(jù)風(fēng)險距離計算程式獲得區(qū)域的最小風(fēng)險距離；然后，運用廊道分析形成兩點間的環(huán)狀累積風(fēng)險分布，根據(jù)30～90 m的目標寬度取安全系數(shù)K為1.000 25，由式(11)按一般情況選定相應(yīng)閾值，可得到冰川滑坡區(qū)域地面交通線路走廊(后文稱為冰川走廊)，如圖7所示。

圖7 研究區(qū)冰川走廊與既有路網(wǎng)

由圖7可知，冰川走廊東北段、中段與既有路網(wǎng)較為接近，但局部仍經(jīng)過較高及高風(fēng)險區(qū)，為線路的安全通行帶來較大威脅，需進一步調(diào)整改善。走廊西南段與既有路網(wǎng)形成較大差距，一方面是由于區(qū)域內(nèi)人口稀疏，路網(wǎng)建設(shè)尚未完善，且走廊走向與人口分布帶方向相異；另一方面則由于當前沒有成熟可行的線路走廊識別方法，僅能通過遠距離的繞行避開冰川滑坡高風(fēng)險區(qū)，但在繞行過程中仍面臨著冰川滑坡帶來的各種危險。

統(tǒng)計冰川走廊和既有路網(wǎng)經(jīng)行各風(fēng)險區(qū)的面積占比，如圖8所示。既有路網(wǎng)中冰川滑坡高風(fēng)險地區(qū)面積占7.64%，較高風(fēng)險區(qū)面積占16.83%，所有中等及以上風(fēng)險區(qū)面積占比超過40%。而冰川走廊所有中等及以上風(fēng)險區(qū)經(jīng)行面積僅占1.65%，大幅降低了冰川滑坡對地面線路的潛在危害，顯著提高了地面線路通行冰川滑坡區(qū)域時的安全性。

圖8 不同風(fēng)險區(qū)既有路網(wǎng)與冰川廊道面積比

為進一步論證文中所建立方法的合理性，采用傳統(tǒng)滑坡分析方法[21]確定線路走廊，并將文中方法分析結(jié)果進行對比。利用未考慮冰川因素影響的傳統(tǒng)滑坡分析方法得到地面交通線路走廊(后文稱為傳統(tǒng)走廊)，如圖9所示。

圖9 研究區(qū)冰川走廊與傳統(tǒng)走廊

統(tǒng)計圖9冰川走廊和傳統(tǒng)走廊經(jīng)行不同風(fēng)險區(qū)的面積占比，結(jié)果如圖10所示。傳統(tǒng)走廊中冰川滑坡高風(fēng)險地區(qū)面積占3.23%，較高風(fēng)險區(qū)面積占8.34%，中等風(fēng)險區(qū)面積占17.13%；冰川走廊中冰川滑坡高風(fēng)險區(qū)面積為0，較高風(fēng)險區(qū)面積占0.10%，中等風(fēng)險區(qū)面積占1.55%。冰川走廊所處中高風(fēng)險冰川滑坡區(qū)面積均較低，能夠達到“減災(zāi)”的目的。另外，相比于傳統(tǒng)走廊，冰川走廊完全避開了冰川滑坡高風(fēng)險區(qū)，較高風(fēng)險區(qū)減少98.80%，中等風(fēng)險區(qū)減少90.95%，可有效避免冰川地帶滑坡災(zāi)害對地面交通線路的潛在威脅。

圖10 不同風(fēng)險區(qū)廊道面積比

4 結(jié)論

(1)全球變暖引發(fā)的冰川融水會大幅降低土體的力學(xué)性能，導(dǎo)致土體內(nèi)部裂隙逐漸擴張、貫通并促使坡體發(fā)生滑移，對冰川滑坡具有顯著的觸發(fā)作用。選取最高溫度和包含冰川及寒凍土分類的巖土條件作為分析指標，并結(jié)合高程、坡度、坡向、剖面曲率、歸一化植被指數(shù)、地震烈度和降雨等指標共同建立冰川滑坡易發(fā)指數(shù)計算指標體系，可適用于冰川滑坡易發(fā)性分析。

(2)利用受災(zāi)體損毀等級與線路價值損失率間的關(guān)聯(lián)性，提出冰川滑坡區(qū)域地面交通線路易損性指數(shù)計算方法，結(jié)合冰川滑坡易發(fā)性指數(shù)求得線路走廊通行風(fēng)險；并以藏東南冰川滑坡地帶為例，既有路網(wǎng)超過40%的面積位于中等及以上風(fēng)險區(qū)，高風(fēng)險地區(qū)面積占比高達7.64%，冰川滑坡區(qū)域的線路及交通安全需引起重視。

(3)提出冰川滑坡區(qū)域地面交通線路走廊識別方法，得到的冰川走廊實現(xiàn)了對冰川滑坡高風(fēng)險區(qū)的全繞避，較高風(fēng)險區(qū)比傳統(tǒng)分析方法得到的走廊減少98.80%，中等風(fēng)險區(qū)減少90.95%，中等及以上風(fēng)險區(qū)總經(jīng)行面積僅占比1.65%，充分說明建立的走廊識別方法的優(yōu)越性，可為冰川滑坡區(qū)域地面交通線路早期規(guī)劃與設(shè)計提供參考。

(4)提出的線路走廊識別方法在冰川滑坡區(qū)域具有良好的減災(zāi)作用，但在選線設(shè)計中還應(yīng)考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保、舒適、安全等方面的多重復(fù)雜因素，在綜合決策的基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的線路走廊方案。