基于滑坡危险性区划的山区铁路规划选线方法

杨宗佶,丁朋朋,2,游 勇,乔建平,聂 勇,田宏岭

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041； 2.中国科学院大学,北京 100049)

随着我国西部大开发发展战略和“一带一路”倡议的深入实施，重要交通干线和高等级铁路公路等基础设施向西部地质环境脆弱区进行规划建设势在必行。由于我国西部山区受构造和地形条件等影响，滑坡泥石流等山地灾害十分发育，交通干线的地质选线往往无法避绕或完全规避山地灾害带来的风险，因此在传统的交通干线选线规划中，对滑坡或古堆积体以避绕为主的原则需要重新审视甚至彻底颠覆，所以基于灾害危险性分析来指导选线规划，对于地质脆弱地区交通干线的选线、建设和后期运营中的灾害管理和安全具有重要意义。

滑坡危险性评价是在特定时间内对滑坡灾害发生的概率进行定量分析[1]，是滑坡灾害防治重要的非工程措施。20世纪90代开始，国内外学者开始对滑坡灾害危险性进行评价，并在综合减灾效益方面进行了系统的分析研究[2-3]，如Carrara等[4]利用多变量模型对意大利北部不同环境条件下的滑坡危险性进行了评价。21世纪以来，随着GIS技术的发展，基于统计模型的滑坡灾害危险性评价方法得到广泛应用[5-8]。

目前，现行的铁路选线方法主要有地质选线、环保选线、工程选线等[9-14]，对线路方案进行评价的方法还主要以定性分析为主[15]，而基于山地灾害危险性分析方面，开展铁路线路方案比选的专门研究还未见报道，本研究引入贡献权重方法[16-17]，建立评价指标体系和评价模型，对各方案的滑坡灾害危险性进行定量评价和统计分析，运用山地灾害危险性分析方法，对拟建川藏铁路康定—林芝段开展线路设计方案比选研究。

1 滑坡危险性评价方法

1.1 评价模型

区域性危险性评价正逐步由定性化到定量化，由于滑坡灾害的影响因素众多，目前尚未有通用的评估方法，本研究在所收集资料及以往研究成果的基础上，采取以定量为主，结合半定量和定性相结合的方法，量化各因素在滑坡中所起的作用。采用贡献率法[18]构建川藏铁路沿线滑坡灾害危险性定量评价模型

(1)

1.2 指标体系的建立

本文在选取危险性影响因素时，首先考虑的是滑坡灾害的孕灾环境，其次是外动力对滑坡的诱发作用。综合考虑线路沿线的地质条件、地形地貌以及滑坡的诱发因素，选取了地层岩性、断层与断裂带、坡度、相对高差等8个因素作为滑坡灾害危险性评价指标，如图1所示。

图1 川藏铁路滑坡灾害危险性区划指标体系

1.3 指标数据获取与处理

通过遥感解译等方式获得灾害的位置信息，高差、坡度、海拔、坡形等地形相关因子的数据信息均由DEM在GIS软件内按相应算法导出；河流水系数据采用国家五级以上河流；以川藏地区1∶20万地质图裁切，将各系地层进行归并到系一级，以便评价；在进行危险性评价之前，首先应对指标数据进行无量纲处理，目的是为了使数据具有可比性，本文采用极值标准化处理方法。极值标准化法是对原始数据进行线性变换，其公式为

(2)

式中，x＇为标准化后的值；x为原数据；xmin为原数据中的最小值；xmax为原数据中的最大值。

1.4 指标因子的权重

本文采用贡献率法计算各因子的权重。因为贡献率代表了指标因子对滑坡灾害危险性的贡献程度差异，已经具有权重的意义，所以在贡献率计算的基础上，经过均值化、归一化处理，可以将贡献率转换为权重。采用贡献率法求权重定量化程度高，可以避免人为主观因素的影响[19]。

2 算例

目前川藏铁路已被列为“十三五”国家规划重点项目，林芝至拉萨段已经开工建设，成都至康定段已完成可行性研究，而康定至林芝段可研及设计工作也正在紧张进行中[20]。拟建川藏铁路横穿青藏高原东缘地形急变带，横跨14条江河。受青藏高原强烈隆升的影响，川藏铁路沿线地势起伏大，河流切割强烈，具有相对高差大、山坡陡峭和沟谷深切的典型特点，使得川藏铁路沿线是我国山地灾害最发育、最活跃、类型最齐全，危害最严重的地区之一。例如，帕隆藏布沿线长271 km，有各类灾害点399处，危害长度71.63 km，其中包括了易贡滑坡、102滑坡群、米堆沟和古乡沟泥石流等重大灾害。因此山地灾害成为川藏铁路局部乃至全线的关键控制节点，关乎川藏铁路建设的成败。

本研究以川藏铁路康定至林芝段为例，开展滑坡灾害危险性分区评价，并对不同方案的线路的滑坡危险度进行统计与对比分析，从山地灾害危险性分析的角度为川藏铁路康定至林芝段提供优选方案。

2.1 线路备选方案

本研究根据川藏铁路康定—林芝段的4种备选方案(图2)：理塘—八宿方案、道孚—甘孜方案、巴塘—左贡方案、类乌齐—洛隆方案，开展线路方案比选。

(1)经理塘—八宿方案：线路自起点康定，经理塘、巴塘、白玉、昌都、八宿、波密到终点林芝，线路长1 004 km。

(2)经道孚—甘孜方案：线路自起点康定，经道孚、炉霍、甘孜、德格到终点江达，线路长494 km。

(3)经巴塘—左贡方案：线路自起点毛垭坝，经巴塘、芒康、左贡到终点八宿，线路长373 km。

(4)经类乌齐—洛隆方案：线路自起点妥坝，经昌都、类乌齐、洛隆、岗乡到终点波密，线路长373 km。

2.2 滑坡危险性区划与评价

川藏铁路沿线滑坡灾害危险性分区与评价是开展区域尺度铁路选线的基础和前提。根据上述4种比选方案穿越的区域作为研究区；依据指标体系进行各因子数据处理分析，采用贡献率法计算各灾害因子的互权重(表1)，将各因素按权重进行叠加分析，得到研究区危险度连续值(3.086～23.274)分布图，再利用自然断点法进行5级分区：低危险度区(3.086～7.678)、较低危险度区(7.678～9.419)、中危险度区(9.419～11.082)、较高危险度区(11.082～12.903)、高危险度区(12.903～23.274)，得到危险度分级区划图(图2)。危险度级别越高，说明线路的风险越大，滑坡发生的条件越充分，发生概率越大，可能对铁路造成的危险越严重。

表1 滑坡灾害危险性指标互权重

图2 研究区滑坡灾害危险性区划

各方案铁路走向线路的滑坡危险度由线路穿越方案和滑坡灾害危险度区划图通过空间分析方法计算得出。各方案的线路滑坡危险度依据铁路线路的工程类型(路基、桥梁、隧道)进行统计分析，以计算各类型铁路线路及其相应的滑坡危险度。以此为基础开展铁路选线方案比选。

2.3 线路方案比选

铁路两侧近距离发生滑坡灾害时，会掩埋路基、冲撞桥梁等，从而对铁路运输产生危害。而滑坡灾害对铁路线隧道的影响主要是堵塞隧道口。因此，在进行方案比选时，本研究也将各隧道口的危险度等级进行统计分析，在滑坡危险性区划结果的基础上，采用GIS系统中的空间分析方法，将铁路线路与研究区滑坡灾害危险性区划图进行叠加分析，从而提取出各危险度等级中路基、桥梁的长度以及隧道口的数量等基础数据(图3～图5)，以此对各设计方案铁路线路开展可行性分析。从图2可知，根据4种方案穿越廊道的路径、范围及起止点的交叉情况，将康定至林芝段分成3个分段进行方案比选：即康定—江达段(图3)、妥坝—波密段(图4)、毛垭坝—八宿段(图5)。通过4种方案的对比，选出川藏铁路康定至林芝段的优选方案。

2.3.1 康定—江达段(图3)

图3 道孚—甘孜方案与理塘—八宿方案各类型危险度对比

危险度等级越高，滑坡发生的概率越大，对线路的危害越严重。图3表明：川藏铁路道孚—甘孜方案穿越较高和高危险度的桥长(21.1 km)、路基长(49.5 km)和隧道口(64个)的数量比理塘—八宿方案分别高14.9%、16.5%和17.7%。因此基于滑坡灾害危险度的康定至江达段的优选方案为理塘—八宿方案。

2.3.2 毛垭坝—八宿段(图4)

图4 巴塘—左贡与理塘—八宿方案各类型线路危险度对比

图4中，巴塘—左贡方案桥、路基处于较高危险度以上的长度分别为7.1、6.6 km，低于理塘—八宿方案的9.0、11.1 km，但由于线路长度差异，从所占的比例分析巴塘—左贡方案(33.7%、31.5%)高于理塘—八宿方案(16.4%、13.8%)，并且其处于较高和高危险度的隧道口数量(50个)和百分比(78.1%)都超过理塘—八宿方案(44个、47.8%)，因此，经过两种方案的滑坡灾害危险度对比分析，将理塘—八宿方案选为毛垭坝—八宿段的优选方案。

2.3.3 妥坝—波密段(图5)

图5 类乌齐—洛隆与理塘—八宿方案各类型线路危险度对比

图5中，类乌齐—洛隆方案桥、路基经过较高和高危险区的长度(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%)，并且其隧道口的数量(23个)和比例(32.8%)明显较理塘—八宿方案(25个、56.3%)低。由此可以得出，基于滑坡灾害危险度的妥坝—波密段的优选方案应为类乌齐—洛隆方案。

2.3.4 综合比选及推荐意见

由于铁路建设关系国家国民经济发展，除了从线路穿越山地灾害危险性的角度对4种方案进行对比分析外，还需考虑其他经济和建设成本等因素。本研究根据数据可获取情况及重要程度，在危险性分析的基础上，综合考虑线路建设工程量和经过的经济据点两方面进行方案比选分析。线路建设工程量、滑坡灾害危险度和经过的经济据点在线路比选和建设时都是非常重要的指标，本研究将其重要程度视为一致。

表2表明：康定—江达段的道孚—甘孜方案隧道长较理塘—八宿方案短8.65 km，但其总线路、桥和路基长分别超出理塘—八宿方案62.61、12.91、58.35 km，且二者所经过的经济据点数量一致，故将理塘—八宿方案作为优选方案；在毛垭坝—八宿段，巴塘—左贡方案的线路总长、桥长和路基长与理塘—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，同时其经过的经济据点(4个)少于理塘—八宿方案(6个)，因此，两种方案皆可作为优选方案；妥坝—波密段中，类乌齐—洛隆方案的总线路、桥、路基及隧道长各超出理塘—八宿方案75.57、12.16、44.92、18.49 km，且其经过的经济据点的数量少于理塘—八宿方案，故宜将理塘—八宿方案定为该段的优选方案。

综合以上3个区段内各设计方案建设工程量和经过的经济据点对比分析，再结合各方案的滑坡灾害危险度的分析以及线路建设工程量、滑坡灾害危险度和经过的经济据点的重要程度等同的原则，可以得出，3个区段的优选方案均为理塘—八宿方案。因此，川藏铁路康定—林芝段全线推荐采用理塘—八宿选线方案。

表2 各设计方案建设工程量及经过的经济据点对比分析

3 结论

基于贡献率方法建立重大线性工程沿线滑坡危险性定量评价模型并以川藏铁路康定—林芝段为例开展危险性区划，依据铁路线路的4种设计方案确定危险性评估范围及线路比选方案，在危险性分析基础上进行川藏铁路选线方案比选研究，并得到以下结论。

(1)综合考虑滑坡灾害孕灾环境、诱发条件和灾害特征，构建重大线性工程滑坡灾害危险性指标体系及贡献率模型。该方法能更全面地反映灾害的危险性特征，评价的结果与现场调查定性认识一致。

(2)基于川藏铁路不同选线方案的空间关系开展铁路选线的滑坡危险性分析，在此基础上进行分类统计与对比分析，通过综合对比分析，推选出理塘—八宿方案为最优方案。该方法为铁路设计方案比选提供了一种新手段，具有一定的参考性。

(3)重大线性工程的选线是一个复杂和综合的系统工程，川藏铁路沿线山地灾害的危险性是选线需要考虑的一个方面。需要说明，本研究主要从重大工程线路沿线山地灾害危险性分析的角度出发，开展灾害危险性分析和方案优选，为最终的决策提供技术支撑，但最终铁路的规划方案还需要进一步结合其他因素(如环保、资源等)综合研究确定。

致谢：中铁二院集团公司蒋良文、魏永幸、张广泽几位教授级高级工程师参加了论文所研究项目的相关工作，并提出了许多建设性的建议，在此一并表示感谢。