高玉祥，程建軍，董曉峰，李澤宇

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044; 2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832003;3.北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100044; 4.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 700043)

引言

地質(zhì)問(wèn)題一直是影響鐵路選線設(shè)計(jì)的重要因素，不良地質(zhì)的空間分布及危害程度決定了線路走向、建(構(gòu))筑物布設(shè)和工程投資等內(nèi)容。風(fēng)沙危害是一種由風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)而引起的典型不良地質(zhì)災(zāi)害，鐵路沙害的主要形式為風(fēng)蝕路基、鋼軌磨蝕和沙埋鐵路，其貫穿沙區(qū)鐵路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程[1-3]。風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)需要著重考慮沙害問(wèn)題，采取合理的線路方案或沙害整治措施，盡可能減弱、降低風(fēng)沙流對(duì)線路工程的影響。根據(jù)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》(2021)、《國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃》(2021)和《西部陸海新通道總體規(guī)劃》(2019)，西北地區(qū)鐵路在未來(lái)一段時(shí)期建設(shè)量仍然很大，而這些區(qū)域戈壁、沙漠廣泛分布，擬修建的很多條線路都穿行于風(fēng)沙危害頻發(fā)區(qū)域，風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線的技術(shù)水平、作業(yè)效率面臨更大的挑戰(zhàn)，如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息建模技術(shù)為選線服務(wù)是風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線急需解決的問(wèn)題。

風(fēng)沙災(zāi)害是一種發(fā)生于地表的地質(zhì)危害，通過(guò)利用現(xiàn)代化勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)選線范圍內(nèi)的沙害區(qū)進(jìn)行識(shí)別、提取與表達(dá)，建立線路沿線的帶狀地理環(huán)境模型，進(jìn)而分析線路與不良地質(zhì)的空間關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，是當(dāng)前風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線設(shè)計(jì)的必然要求與發(fā)展趨勢(shì)。易思蓉等[4]最早提出了虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)的智能環(huán)境模型，通過(guò)研發(fā)虛擬選線系統(tǒng)模擬真實(shí)地理環(huán)境來(lái)輔助鐵路選線設(shè)計(jì)。蒲浩等[5]采用OSG技術(shù)二次開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互式設(shè)計(jì)的鐵路三維可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鐵路三維場(chǎng)景的快速構(gòu)建。呂?？萚6]利用遙感技術(shù)提取線路沿線區(qū)域地質(zhì)信息，對(duì)基于地質(zhì)建模的復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路三維選線技術(shù)進(jìn)行了研究。李為樂(lè)等[7]利用Google Earth影像數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)解譯了滇藏鐵路選線范圍內(nèi)的不良地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高海拔大高差地區(qū)地質(zhì)選線的方案比選。RS、GIS技術(shù)在鐵路選線領(lǐng)域中多被用來(lái)提取沿線的地質(zhì)信息[8-9]，在風(fēng)沙鐵路中的應(yīng)用主要是沙害區(qū)域的識(shí)別，且應(yīng)用到風(fēng)沙區(qū)鐵路選線中主要以二維影像和文本為主，信息的利用率和直觀程度不夠[10]，適用于選線分析的信息多維表達(dá)研究也不深入，與地質(zhì)環(huán)境可視化的空間立體選線目標(biāo)還有一定差距，已不能適應(yīng)新時(shí)期風(fēng)沙地區(qū)鐵路減災(zāi)選線的復(fù)雜性。

鑒于此，本文提出矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)相集成的風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線地質(zhì)環(huán)境建模方法。首先，通過(guò)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)地物及不良地質(zhì)的信息提取，利用多源數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)建立風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，基于GIS平臺(tái)將數(shù)字地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)集成構(gòu)建三維地形環(huán)境；然后，疊加不良地質(zhì)形成可用于風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線的三維可視化地質(zhì)環(huán)境，通過(guò)在三維地質(zhì)環(huán)境中分析不良地質(zhì)與線路的空間關(guān)系及風(fēng)沙危害程度，實(shí)現(xiàn)線路方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為提高風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)水平和效率提供技術(shù)支持。

1 基于GIS的風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

1.1 地形數(shù)據(jù)獲取

三維地形環(huán)境是數(shù)字化鐵路選線設(shè)計(jì)的環(huán)境基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建地形環(huán)境可對(duì)線路沿線地表信息特征進(jìn)行三維可視化表達(dá)[11]。高程數(shù)據(jù)DEM(Digital Elevation Model)和影像數(shù)據(jù)是建立三維虛擬地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)，高程數(shù)據(jù)的獲取可利用互聯(lián)網(wǎng)提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，從國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)站(https://www.gscloud.cn/)或美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局UCGS網(wǎng)站(http://www.usgs.gov/)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，操作時(shí)通過(guò)上傳矢量邊界或選定行政區(qū)劃來(lái)制定下載的范圍，格庫(kù)鐵路沿線高程分布見(jiàn)圖1。影像數(shù)據(jù)獲取常用的方法是通過(guò)無(wú)人機(jī)、航測(cè)飛機(jī)等航測(cè)方式來(lái)獲取影像，或利用互聯(lián)網(wǎng)獲取免費(fèi)影像資源。

圖1 格庫(kù)鐵路沿線地形高程分布

1.2 不良地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取

風(fēng)沙危害作為一種發(fā)生于地表的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，具有明顯的平面特征。解譯遙感影像是識(shí)別地質(zhì)信息的一種先進(jìn)可靠技術(shù)，通過(guò)建立解譯標(biāo)志和參照物，對(duì)擬選線區(qū)域內(nèi)的遙感影像進(jìn)行解譯可得到地物、水系、滑坡、泥石流、風(fēng)沙區(qū)等信息[12]，還可以利用現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。風(fēng)速、風(fēng)向決定著風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和路徑，通過(guò)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data. cma.cn/)和架設(shè)移動(dòng)式氣象站獲取區(qū)域氣象數(shù)據(jù)。風(fēng)沙區(qū)選線的不良地質(zhì)信息組成如圖2所示，基于GIS技術(shù)可進(jìn)一步分析不良地質(zhì)的分布規(guī)律、發(fā)展趨勢(shì)和危害程度等。

圖2 風(fēng)沙區(qū)選線不良地質(zhì)信息組成

(1)柵格地質(zhì)信息獲取

將線路沿線帶狀區(qū)域作為柵格數(shù)據(jù)操作的研究區(qū)，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖、Landsat-5TM遙感影像、中國(guó)沙漠分布圖(http://westdc.westgis.ac.cn)等數(shù)據(jù)，借助軟件解譯功能實(shí)現(xiàn)監(jiān)督分類，判別選線區(qū)域的不良地質(zhì)、地物、植被等，沿線地物識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖3。著重提取風(fēng)沙區(qū)時(shí)，可對(duì)影像進(jìn)行7、4、2波段的假彩色合成，這種波段組合可有效區(qū)分沙丘、沙地與其他地物類型。

圖3 格庫(kù)鐵路沿線地物識(shí)別

(2)矢量地質(zhì)信息獲取

不良地質(zhì)分布及范圍識(shí)別以后，使用ENVI軟件的AOI模塊提取地質(zhì)對(duì)象的空間位置、邊界點(diǎn)坐標(biāo)、周長(zhǎng)和范圍等信息，還可用按腌膜提取工具實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)柵格格式數(shù)據(jù)的提取。為了更直觀有效地進(jìn)行三維可視化分析，將柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)疊加到一起，實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)的矢量柵格一體化表達(dá)。

由于不同類型沙丘對(duì)線路設(shè)計(jì)的影響作用不同，在風(fēng)沙區(qū)空間位置及范圍確定后，需要在遙感解譯的基礎(chǔ)上借助Google Earth軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、實(shí)地調(diào)研,既有研究成果數(shù)據(jù)對(duì)沙丘類型、移動(dòng)特征、移動(dòng)方向等信息進(jìn)行補(bǔ)充完善。根據(jù)風(fēng)沙地貌學(xué)相關(guān)知識(shí)[13-15]，并結(jié)合實(shí)地考察調(diào)研，分別建立流動(dòng)沙丘/沙地、半固定沙丘/沙地、固定沙丘/沙地、戈壁風(fēng)沙流、風(fēng)蝕的解譯標(biāo)志，其中建立的流動(dòng)沙丘解譯標(biāo)志如表1所示。

表1 流動(dòng)沙丘解譯標(biāo)志

利用Google Earth的添加路徑工具，選取風(fēng)沙區(qū)界線的起點(diǎn)，依次選取下一點(diǎn)直至沙害區(qū)地質(zhì)界線繪制完成，設(shè)置不同的文件名后保存為相應(yīng)的KML文件，將GE的WGS84地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為需要的坐標(biāo)系統(tǒng)后，基于GIS的點(diǎn)轉(zhuǎn)柵格功能、Excel轉(zhuǎn)表功能、TXT文件構(gòu)建矢量風(fēng)沙區(qū)范圍，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的面圖層，在面shp的Table中將沙害類型、移動(dòng)特征、危害程度等信息添加進(jìn)去，利用分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果可研究各類型沙害的空間分布格局及組合關(guān)系。格庫(kù)鐵路沿線主要的風(fēng)沙危害類型空間分布如圖4所示。由矢量數(shù)據(jù)可知，沿線范圍內(nèi)風(fēng)積沙地段369.5 km，戈壁風(fēng)沙流地段235.9 km，風(fēng)蝕地段146.3 km。根據(jù)風(fēng)沙流對(duì)鐵路的危害類型及作用機(jī)理，將風(fēng)沙類型主要分為流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙地、半固定沙丘、半固定沙地、戈壁風(fēng)沙流、風(fēng)蝕、固定沙丘7種，其中，流動(dòng)沙地主要分布在羅布莊至通古斯巴、瓊吐?tīng)栔亮_布莊、東柴山至大烏斯、茫崖湖東至茫崖湖等地段，是線路與防沙工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)區(qū)域。

(3)地形數(shù)據(jù)

地面是風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的環(huán)境基礎(chǔ)，地表的粗糙度、起伏度、坡度、坡向等影響著沙源的分布，對(duì)風(fēng)沙流的形成以及運(yùn)動(dòng)發(fā)展有重要的決定作用。這些數(shù)據(jù)雖然也是柵格形式，卻是不良地質(zhì)區(qū)域平面表達(dá)分析的重要內(nèi)容，需通過(guò)二次分析后得到，利用GIS的Spatial Analyst空間分析模塊處理DEM可獲得這類數(shù)據(jù)，計(jì)算的鐵路沿線粗糙度見(jiàn)圖5。

圖4 格庫(kù)鐵路沿線風(fēng)沙危害

圖5 格庫(kù)鐵路沿線地表粗糙度

(4)風(fēng)況數(shù)據(jù)

風(fēng)沙流是一種典型的氣固兩相流，只有當(dāng)風(fēng)速大于起沙風(fēng)速時(shí)才會(huì)發(fā)生風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)[16]，因此風(fēng)況決定著區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙流的危害程度，是風(fēng)沙災(zāi)害分析的重要內(nèi)容。這類數(shù)據(jù)獲取的途徑主要是利用國(guó)家氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地架設(shè)觀測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，經(jīng)規(guī)范化處理后可得到主導(dǎo)風(fēng)向、平均風(fēng)速、起沙風(fēng)頻率、風(fēng)玫瑰、輸沙勢(shì)等?；贕IS的非空間數(shù)據(jù)空間化方法，利用沿線氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)格庫(kù)鐵路沿線風(fēng)速數(shù)據(jù)空間化結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 格庫(kù)鐵路沿線風(fēng)環(huán)境

(5)鉆孔數(shù)據(jù)

通過(guò)鉆孔取樣得到的數(shù)據(jù)可以直接獲取采樣區(qū)域內(nèi)詳細(xì)的巖層分布、巖性、厚度、斷層特征等，具有直觀、詳細(xì)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，也是進(jìn)行巖層三維可視化、模擬分析的主要依據(jù)。但初始狀態(tài)的鉆孔數(shù)據(jù)在平面上的分布具有不規(guī)則、離散、稀疏等不足，在使用GIS三維建模之前需要進(jìn)行地層劃分、排序和編號(hào)等標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)特點(diǎn)和鐵路選線不良地質(zhì)三維實(shí)體建模的需求，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容及部分處理結(jié)果如表2所示。

表2 部分地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

1.3 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

鐵路選線過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)特性，基于GIS技術(shù)將選線區(qū)域不良地質(zhì)體坐標(biāo)位置作為各類型地質(zhì)信息的組織框架，通過(guò)GIS建立的地質(zhì)信息庫(kù)可實(shí)現(xiàn)地形、地質(zhì)、地物、正射影像、沙害類型、地下水深等空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，將各種要素?cái)?shù)據(jù)的特征信息以屬性表的形式存儲(chǔ)，并與矢量數(shù)據(jù)鏈接，進(jìn)而利用分析模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙地區(qū)選線不良地質(zhì)信息的提取與表達(dá)。Arc GIS主要是用Geo database實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[17]，根據(jù)風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線數(shù)據(jù)要素需求，對(duì)地貌類型、沙丘疏密度、植被類型及覆蓋度和土壤類型等按要素特征分別存儲(chǔ)在不同的Feature dataset中，沙丘、沙地、林地及草地、自然保護(hù)區(qū)等以polygon格式存儲(chǔ)，褶皺、斷層、線路設(shè)計(jì)方案、風(fēng)沙區(qū)邊界等以line格式存儲(chǔ)，城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、居民點(diǎn)等以point格式存儲(chǔ)，建立的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容見(jiàn)圖7。

圖7 線路地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)于矢量數(shù)據(jù)的屬性信息及部分以矢量格式無(wú)法存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可通過(guò)屬性表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，作為對(duì)矢量、柵格數(shù)據(jù)的一種有效補(bǔ)充，這種方法增加了數(shù)據(jù)的豐富性、擴(kuò)展性和可分析性。在選線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)直接點(diǎn)擊地質(zhì)實(shí)體模型中的要素可以獲取地質(zhì)對(duì)象的屬性信息，進(jìn)而結(jié)合選線知識(shí)進(jìn)行綜合分析。建立的線路風(fēng)沙危害信息庫(kù)，按風(fēng)沙災(zāi)害類型對(duì)格庫(kù)鐵路全線統(tǒng)計(jì)了475個(gè)路段，沿線風(fēng)沙危害數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容如圖8所示。根據(jù)屬性表中的字段數(shù)據(jù)，借助GIS將非空間的離散數(shù)據(jù)表達(dá)為連續(xù)空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，可利用Interpolation模塊中的IDW、Kriging、Spline等插值方法實(shí)現(xiàn)離散數(shù)據(jù)的空間化表達(dá)，然后進(jìn)一步分析地質(zhì)因素對(duì)線路的空間影響范圍及程度。

圖8 格庫(kù)鐵路沿線風(fēng)沙危害數(shù)據(jù)

2 風(fēng)沙區(qū)選線地質(zhì)環(huán)境建模

2.1 建立三維地形環(huán)境

數(shù)字高程模型DEM是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)以密集地形模型點(diǎn)的坐標(biāo)X、Y、Z表達(dá)地面形態(tài)和描述地表起伏情況，也可利用其提取各種地形參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路選線設(shè)計(jì)領(lǐng)域[18]。DEM最主要的3種表示模型是不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型、規(guī)則格網(wǎng)模型和等高線模型，其中TIN模型在線路設(shè)計(jì)方面應(yīng)用最多。根據(jù)獲取的影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，利用GIS的表面模型將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TIN網(wǎng)，然后疊加該區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，即可快速建立選線區(qū)域的三維地形環(huán)境，處理結(jié)果如圖9所示。不同顏色表示不同的高程范圍，能比較直觀地觀察分析風(fēng)沙區(qū)的位置、范圍、面積等信息，結(jié)合區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)的分布可實(shí)現(xiàn)線路方案的初步選定。

圖9 三維地形環(huán)境

2.2 平面表達(dá)分析

風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)更加強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)選線、環(huán)境選線、減災(zāi)選線的理念，對(duì)各種不良地質(zhì)的準(zhǔn)確表達(dá)有助于避免線路設(shè)計(jì)修建及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一些重大地質(zhì)問(wèn)題，特別是局部不良地質(zhì)的有效表達(dá)更為重要。

沙丘是地表沙粒在風(fēng)力的作用下搬運(yùn)、堆積形成的地貌形態(tài)，根據(jù)沙丘流動(dòng)程度可將其劃分為固定沙丘、半固定沙丘和流動(dòng)沙丘[19]，其中流動(dòng)沙丘會(huì)隨著時(shí)間發(fā)展向一定方向移動(dòng)，且流動(dòng)沙丘區(qū)域內(nèi)的沙粒極易被風(fēng)吹起，故這類沙丘會(huì)淹沒(méi)道路、村莊、農(nóng)田等，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響最大，而半固定、固定沙丘由于表面沙流相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)生風(fēng)沙流危害現(xiàn)象的可能性較小，造成的破壞也較輕[20]。不同類型沙丘都具有特有的表面形態(tài)，格庫(kù)鐵路新疆段沿線主要沙丘類型組成見(jiàn)圖10。

圖10 沿線沙丘類型

風(fēng)沙區(qū)是一種具有典型平面特性的不良地質(zhì)，利用遙感解譯得到的影像數(shù)據(jù)將不良地質(zhì)矢量信息在地理環(huán)境中進(jìn)行疊加，可以得到不良地質(zhì)的表面區(qū)域。利用ENVI軟件獲取的風(fēng)沙區(qū)邊界坐標(biāo)文件和GIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)新建polygon要素，實(shí)現(xiàn)不同類型沙丘的空間范圍勾繪，要素表達(dá)見(jiàn)圖11。

圖11 不良地質(zhì)表面要素表達(dá)

沙丘地貌提取完成以后，按照沙丘的流動(dòng)特征、形態(tài)特征對(duì)其分類，并將數(shù)字地貌類型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的矢量圖。起伏度是指比較范圍內(nèi)最大高程與最小高程之間的差值，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，將起伏度的閾值設(shè)定為16 m，可較好地實(shí)現(xiàn)沙丘、沙地的類型區(qū)分。用Arc Map的點(diǎn)線面編輯工具勾畫沙丘單元，并添加相應(yīng)屬性信息。由于部分區(qū)域存在非平滑的邊界折線，還需對(duì)其進(jìn)行平滑處理。利用GIS空間分析可實(shí)現(xiàn)面積統(tǒng)計(jì)、空間分布特征分析，選線設(shè)計(jì)中當(dāng)線路穿過(guò)風(fēng)沙區(qū)時(shí)，對(duì)有交集的不良地質(zhì)進(jìn)行高亮顯示，并根據(jù)ID調(diào)入已存儲(chǔ)的不良地質(zhì)屬性信息，結(jié)合三維空間分析功能實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)對(duì)線路影響程度的判別，另外將兩期影像聯(lián)合分析還可得到沙丘的移動(dòng)規(guī)律、空間范圍變化等，沿線局部路段的沙丘移動(dòng)速率如圖12所示。

圖12 若羌—尉犁段沿線沙丘移動(dòng)速率

2.3 立面表達(dá)分析

不良地質(zhì)信息的立體表達(dá)主要是通過(guò)線路沿線的三維地形環(huán)境和鉆孔數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蟮谋磉_(dá)方法，利用GIS平臺(tái)將地質(zhì)信息集成到三維環(huán)境中進(jìn)行有效表達(dá)。將帶有位置信息的鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維空間點(diǎn)，分層次提取每一層鉆孔點(diǎn)，將獨(dú)立保存的鉆孔數(shù)據(jù)依次生成每一層的地質(zhì)體，完成地質(zhì)體的三維建模，立體表達(dá)結(jié)果見(jiàn)圖13(a)。

線路作為一個(gè)帶狀的三維空間實(shí)體，在不良地質(zhì)區(qū)域往往會(huì)穿越斷層，而斷層的存在破壞了地層連續(xù)性，其對(duì)橋梁、隧道的局部方案設(shè)計(jì)有很大影響。而斷層區(qū)域的三維地質(zhì)體建模就是通過(guò)分別存儲(chǔ)斷層兩側(cè)的鉆孔數(shù)據(jù)，在建模后將地層分界點(diǎn)進(jìn)行連接即可，斷層區(qū)域地質(zhì)建模如圖13(b)所示。

圖13 不良地質(zhì)實(shí)體

2.4 不良地質(zhì)體與地形融合

鐵路選線設(shè)計(jì)時(shí)，為更好地分析對(duì)比線路方案，避免部分優(yōu)秀方案的缺失，通過(guò)將生成的不良地質(zhì)實(shí)體疊加到線路三維地形環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)兩者的融合[21]。首先要確定融合區(qū)域，不良地質(zhì)體與地形融合影響區(qū)域確定的實(shí)質(zhì)就是將不良地質(zhì)體的邊界投影到地形網(wǎng)格上，形成一個(gè)多邊形區(qū)域。兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以為一對(duì)多或者多對(duì)一，即多個(gè)融合區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)地形網(wǎng)格。地質(zhì)實(shí)體模型讀入后，可通過(guò)分解模型的包圍盒進(jìn)行融合區(qū)域的確定。

進(jìn)行地質(zhì)體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)求解融合區(qū)域與地形塊網(wǎng)格，利用約束三角網(wǎng)刪除內(nèi)部的三角形，以融合區(qū)域的邊界為特征邊對(duì)剩余的三角形進(jìn)行重構(gòu)網(wǎng)，不良地質(zhì)體循環(huán)構(gòu)網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體與地形的融合，結(jié)果如圖14所示。

圖14 不良地質(zhì)在三維地形環(huán)境中表達(dá)

3 風(fēng)沙區(qū)線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

格庫(kù)鐵路是連接青海省格爾木市和新疆自治區(qū)庫(kù)爾勒市的一條國(guó)鐵Ⅰ級(jí)客貨共線電氣化鐵路[22]，全長(zhǎng)1213.7 km，設(shè)計(jì)速度120 km/h。某沙害段線路走行于山前沖洪積平原及低山丘陵區(qū)，地勢(shì)略起伏，線路穿越東柴山小越嶺地段，附近發(fā)育有風(fēng)蝕殘丘、風(fēng)蝕洼地、流動(dòng)沙地、半固定沙地沙丘及戈壁風(fēng)沙流等不良地質(zhì)，局部段落風(fēng)積沙嚴(yán)重。

風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)建立沿線三維地形環(huán)境和不良地質(zhì)體模型，能夠較為全面地考慮風(fēng)沙危害對(duì)線路平面走向的影響。根據(jù)沙害類型及程度，不僅可以采用平面繞避、橫穿的方法，當(dāng)平面繞避對(duì)線路走向影響較大時(shí)，還可以對(duì)不良地質(zhì)體和構(gòu)造物進(jìn)行空間立體化分析，通過(guò)設(shè)置橋隧采用立面繞避的方式，進(jìn)而確定線路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.2 線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

為繞避流動(dòng)沙地、沙丘等不良地質(zhì)，在保證工程設(shè)置安全性的前提下盡可能節(jié)約投資，利用獲取的數(shù)據(jù)基于GIS建立選線區(qū)域三維地理環(huán)境及不良地質(zhì)表達(dá)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平、立面一體化的地質(zhì)選線，多角度地尋求最優(yōu)方案。設(shè)計(jì)的兩個(gè)工程方案如圖15所示，隧道方案對(duì)風(fēng)沙危害采用立面避開(kāi)設(shè)計(jì)，線路以短直方向設(shè)隧道穿越該埡口，出隧道后線路繼續(xù)足坡而下至比較終點(diǎn)；路基方案則以路基結(jié)構(gòu)形式通過(guò)該沙害地段，從比較起點(diǎn)引出后向西以路基繞東柴山足坡而下至比較終點(diǎn)，結(jié)合沿線地理環(huán)境條件，在線路兩側(cè)的沙害區(qū)域采用“遠(yuǎn)阻近固”的工程防沙體系。

圖15 沙害區(qū)選線方案

基于該區(qū)域選線地質(zhì)環(huán)境模型的空間分析可知，隧道方案在比較段落內(nèi)的線路長(zhǎng)度為21.42 km，橋隧比重14.1%；路基方案在比較段落內(nèi)的線路長(zhǎng)度21.96 km，橋梁比重2.9%，兩方案中路基結(jié)構(gòu)形式通過(guò)風(fēng)沙段的長(zhǎng)度比較如表3所示。路基方案中線路通過(guò)風(fēng)沙影響嚴(yán)重的流動(dòng)沙地段落較長(zhǎng)，地質(zhì)條件較差，而隧道方案極大地減少了風(fēng)沙危害對(duì)線路的影響。

地質(zhì)條件影響著工程施工，為進(jìn)一步分析隧道施工的安全性，利用實(shí)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)建立隧道區(qū)域的矢量柵格一體化地質(zhì)實(shí)體模型，利用線路中線和鉆孔信息生成該隧道的地質(zhì)縱剖面，見(jiàn)圖16?？臻g分析表明，擬建隧道全長(zhǎng)為1 960 m，埋深范圍為25～30 m，最大埋深52 m，隧道進(jìn)口處為厚度1～2 m的風(fēng)積沙，出口為戈壁風(fēng)沙流，洞身范圍內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖的長(zhǎng)度為1 960 m。結(jié)合地形條件，在主導(dǎo)風(fēng)向的作用下，可能出現(xiàn)部分風(fēng)沙流在隧道洞口堆積的現(xiàn)象，施工難度與風(fēng)險(xiǎn)較大，屬高風(fēng)險(xiǎn)隧道，而路基方案施工則相對(duì)簡(jiǎn)單，安全性較高。

圖16 擬建隧道地質(zhì)剖面

綜合分析可知，在構(gòu)造物設(shè)置上路基方案比隧道方案的線路長(zhǎng)度增加0.54 km，橋梁長(zhǎng)度減少0.43 km，隧道長(zhǎng)度減少1.96 km，工程投資節(jié)省約1.62億元。雖然隧道方案的挖方地段、半固定沙地、流動(dòng)沙地地段長(zhǎng)度短于路基方案，但并沒(méi)有徹底地消除風(fēng)沙危害的影響，特別是該隧道的工程地質(zhì)條件差，增加了施工的難度，還存在風(fēng)積沙掩埋隧道洞口的隱患。而路基方案雖然沙丘、沙地地段較長(zhǎng)，但通過(guò)戈壁風(fēng)沙流的落段及風(fēng)沙影響段可被后續(xù)的防沙工程治理，工程投資低于隧道方案。故推薦風(fēng)險(xiǎn)可控、投資較省的路基方案。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)鐵路數(shù)字化減災(zāi)選線設(shè)計(jì)的目標(biāo)，研究并建立了適用于風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線不良地質(zhì)信息的內(nèi)容組成及其識(shí)別、獲取方法，設(shè)計(jì)多源異構(gòu)地質(zhì)信息的組織框架與入庫(kù)規(guī)則，構(gòu)建了基于GIS的風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線不良地質(zhì)信息庫(kù)。

(2)采用矢量-柵格-專題一體化的風(fēng)沙區(qū)地質(zhì)環(huán)境建模方法，基于GIS的三維建模、空間分析功能，實(shí)現(xiàn)了不良地質(zhì)信息在選線環(huán)境中的多維表達(dá)與空間分析，進(jìn)而能夠在三維地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行線路方案的快速比選與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)以格庫(kù)鐵路某沙害區(qū)選線為例，利用獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境模型，通過(guò)空間分析風(fēng)沙危害對(duì)不同線路方案的影響程度，得到較為合理的設(shè)計(jì)方案。研究表明，基于GIS的風(fēng)沙地區(qū)不良地質(zhì)環(huán)境建模方法能比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)線路方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為今后風(fēng)沙地區(qū)鐵路選線提供一定的技術(shù)支持。