瓦斯沟至康定段铁路崩塌落石灾害发育分布规律研究

王剑锋 李天斌 曾 鹏 陈 伟 王 栋

(1. 成都理工大学， 成都 610059； 2. 四川藏区高速公路有限责任公司， 成都 610000；3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

瓦斯沟—康定段铁路位于康定市东北侧，区域内崩塌落石灾害尤为突出，对铁路的建设和运营安全造成了严重威胁。因此研究瓦斯沟—康定段崩塌落石灾害发育分布规律对铁路选线和危岩落石灾害防治具有重要意义。

由于滑坡、崩塌以及泥石流等地质灾害给人们的生命和财产安全带来了巨大威胁，胡厚田[1-3]等学者对灾害的运动特征和地质力学模式等进行了研究；丁浩江[4-9]等人对灾害的发育分布规律开展了研究。

目前，处于选线阶段的瓦斯沟—康定段铁路灾害发育尤为突出，给铁路选线带来了许多困扰。基于此，本文在遥感解译、实地地质调查和无人机航拍等的基础上，开展对瓦斯沟崩塌落石灾害在空间、平面、坡面结构以及断层发育分布规律等方面的研究，为瓦斯沟—康定段铁路选线以及灾害防治提供一定的科学依据和参考。

1 崩塌落石灾害发育分布概况

现场调查共计20处落石灾害，其中崩塌隐患点16处，占比66.7%；落石隐患点8处，占比33.3%。瓦斯沟崩塌落石灾害分布如图1所示。

图1 瓦斯沟至康定段崩塌落石灾害分布图

左、右岸崩塌落石灾害统计如图2所示。由图2可以看出，瓦斯沟左岸发育崩塌落石灾害17处，占总灾害数的70.8%，崩塌发育12处，落石发育5处。右岸发育崩塌落石灾害7处，占总灾害数的29.2%，崩塌发育4处，落石发育3处。左岸发育的崩塌落石地质灾害较多，推测和左岸的坡体结构相关，左岸坡体结构多发育似层状顺向坡，右岸多发育似层状逆向坡。

图2 左、右岸崩塌落石灾害统计图

瓦斯沟—康定段崩塌落石灾害特征统计如表1所示。由表1可知，瓦斯沟地质灾害多发育崩塌落石灾害，这与该地区的高陡地形有关。规模大于100×105m3的特大型崩塌发育5处，占崩塌灾害总数的31%；规模在10～100×105m3之间的大型崩塌发育11处，占崩塌灾害总数的69%。由此可知，瓦斯沟崩塌落石灾害多为大型及以上规模。

2 崩塌落石灾害空间发育分布规律

2.1 崩塌落石灾害发育分布与高程的关系

高程对崩塌落石灾害的发育有一定影响，特别是在发生地震的时候。高程高的斜坡会放大地震波的加速度，加剧坡体的变形破坏，甚至会直接将斜坡上的岩体水平或向上斜抛出去，破坏力十分惊人。据调查资料显示，瓦斯沟崩塌落石灾害大多发育在高程 1 400～2 600 m之间，为能更好地反应高程对崩塌落石灾害发育的影响，本文取灾害隐患区前缘高程作为统计对象，将高程 1 400～2 500 m划分成11个区间，每个区间以 100 m间隔，分别为h1～h12(如 1 400～1 500 m为h1)。瓦斯沟崩塌落石灾害高程分布如图3所示。

表1 瓦斯沟至康定段崩塌落石灾害特征统计

图3 崩塌落石灾害高程分布图

为研究高程和崩塌落石灾害发育两者之间的关系，本文从崩塌落石灾害的数量和体积与高程的定量关系出发，采用贡献率的方式统计，最终得到高程和崩塌落石灾害的综合贡献率，以此方法研究高程对崩塌落石灾害的影响。

2.1.1不同高程的数量贡献率Q1

对24个崩塌落石灾害点进行归纳统计，得到不同高程崩塌落石灾害发育的数量及其对应的数量贡献率Q1，如图4所示。

图4 不同高程区间的灾害数量及贡献率图

从图4可总结出不同高程区间崩塌落石灾害数量贡献率Q1为以下关系:

Q1(h2)=Q1(h8)=Q1(h9)=Q1(h11)>

Q1(h5)=Q1(h6)=Q1(h10)=Q1(h12)>

Q1(h1)=Q1(h3)=Q1(h4)=Q1(h7)

(1)

从上述分析可以看出，不同高程区间对应的数量贡献率的变化比较平稳，说明高程对灾害发育数量的影响规律不明显。

2.1.2不同高程的体积贡献率Q2

为进一步研究高程对崩塌落石灾害发育的影响，本文对16个崩塌落石灾害点体积进行归纳统计，得到不同高程区间崩塌落石灾害发育体积及其对应的体积贡献率Q2，如图5所示。

图5 不同高程区间的灾害发育体积及其贡献率图

从图5可总结出不同高程崩塌落石灾害发育体积贡献率Q2为以下关系:

Q2(h7)>Q2(h8)>Q2(h11)>

Q2(h2)>Q2(h9)>Q2(h3)>

Q2(h5)>Q2(h1)>Q2(h12)>

Q2(h4) =Q2(h6)=Q2(h10)

(2)

其中，高程区间h7(2 000～2 100 m)、h8(2 100～2 200 m)和h11(2 400～2 500 m)的体积贡献率较大，分别为34.1%、30.7%和26.3%，其总和为91.1%。高程区间h4(1 700～1 800 m)、h6(1 900～2 000 m)和h10(2 300～2 400 m)的体积贡献率为0。由此可见，不同高程的体积贡献率变化很剧烈。

2.1.3不同高程的综合贡献率Q0

为更准确直观地评价高程对崩塌落石灾害发育分布的影响，本文采取综合贡献率Q0指标来评价。综合贡献率Q0是根据式(1)和式(2)，对不同高程区间的贡献率按表2从小到大进行赋值，计算出平均贡献指数，可得不同高程区间对应的综合贡献指数Q，然后再由式(3)求解得出。其最终结果如图6所示。

表2 贡献指数赋值表

图6 综合贡献指数及综合贡献率图

(3)

式中：Q0(i)——各个不同高程区间的综合贡献率；

Q(i)——各个不同高程区间的综合贡献指数；

T——各个高程区间综合贡献指数的总和。

综合分析可知，高程区间h8(2 100～2 200 m)、h7(2 000～2 100 m)、h11(2 400～2 500 m)和h2(1 500～1 600 m)的综合贡献率最高，其和为59.4%。以上4个高程区间的崩塌落石灾害的数量贡献率和为41.7%，体积贡献率和为94.3%。由此可见，这4个高程区间的数量贡献率和相对不高，体积贡献率和增长却相对较快，表明崩塌落石灾害在这4个高程区间内发育规模较大，受高程的影响较大。

2.2 崩塌落石灾害发育分布与斜坡坡度坡向的关系

斜坡的坡度与崩塌落石灾害的发生之间存在一些关系，坡度不同，发生灾害的概率也会不同。对于同一个斜坡来说，大多数情况下，坡度越高，发生灾害的概率越大；坡度越低，发生灾害的概率就越小。因此，对瓦斯沟—康定段崩塌落石灾害发育的斜坡坡度进行整理研究是很有必要的，可为瓦斯沟—康定段铁路选线提供参考。

崩塌落石灾害发育的斜坡坡向主要受地质构造运动影响，瓦斯沟地区断层的发育与运动影响了灾害斜坡坡向的发育。此外，灾害斜坡坡向还受降水、冰雪消融以及温差等因素影响，以上因素共同影响斜坡坡向发育的方向。瓦斯沟—康定段崩塌落石灾害斜坡坡度坡向发育分布(以每20°为一个统计范围)如图7所示。

图7 坡度坡向发育分布图

从图7可以看出，瓦斯沟崩塌落石灾害斜坡坡向整体上为SW和NW方向，这和灾害发育分布的岸别有很大关系。崩塌隐患点3、崩塌隐患点5、崩塌隐患点11、崩塌隐患点15、2017年拟定线路隧道进出口2、2017年拟定线路隧道进出口5与2018年拟定线路隧道进出口2的坡向为NW向，范围为280°～350°，坡度在48°～61°之间，且均发育在右岸；其余较多灾害隐患点发育在左岸，坡向为SE向和SW向，主要优势方向为245°∠58°。瓦斯沟主沟流向方向为N72°E，与灾害发育斜坡的优势方向斜交，不利于斜坡的稳定。

3 崩塌落石灾害发育分布与坡体结构的关系

坡体结构与岩体结构不同，它是在边坡结构和岩体结构基础上发展来的一个更能反映斜坡地质情况的综合概念。之所以要提出坡体结构这一综合概念，是因为其重点分析了临空面和控制性结构面两者之间的一些组合关系。目前，许多学者把坡体结构和边坡稳定性分析联系起来，并且提出了大量不同的地质力学模型。如唐世强[10]分析了反倾向岩质边坡的变形破坏特征，总结了一些规律，说明坡体结构在一定程度上影响地质灾害的发育。

3.1 不同坡体结构的数量贡献率P1

不同坡体结构的数量贡献率统计如表3所示。从表3可以看出，崩塌落石灾害发育在似层状顺向坡较多，有18处，占75%，这与河谷卸荷作用有一定的关系；其余灾害发育在似层状逆向坡，有6处，占25%，两者发育数量差距较大。

表3 不同坡体结构的数量贡献率统计表

3.2 不同坡体结构的体积贡献率P2

根据表1可统计分析得到不同坡体结构崩塌落石灾害发育的体积和体积贡献率，如表4所示。

表4 不同坡体结构的体积贡献率统计表

分析表4可知，似层状顺向坡崩塌落石灾害发育体积很大，达到4 109.8×105m3，体积贡献率为70.2%；而似层状逆向坡灾害发育体积较小，为 1 748×105m3，体积贡献率为29.8%。两者的体积贡献率差别也很大。

3.3 不同坡体结构的综合贡献率P0

根据以上所得数量、体积贡献率的大小，计算得到综合贡献指数与综合贡献率，如表5所示。

表5 不同坡体结构的综合贡献率统计表

综合分析可知，不同坡体结构发育的瓦斯沟崩塌落石灾害数量和规模差别很大。从表5可以看出，瓦斯沟似层状顺向坡发育的崩塌落石灾害的综合贡献率很高。究其原因，首先是与瓦斯沟沟谷的发育形态、走向以及下切卸荷作用有关，斜坡体临空面和沟谷走向、岩层产状斜交；其次是与瓦斯沟附近的断层活动和地震活动有关，这两者给崩塌落石提供了主要的动力条件，使斜坡构造结构面大量发育，并造成斜坡坡体较破碎。

4 崩塌落石灾害发育分布与断层的关系

断层在崩塌落石灾害的发育分布上会发挥控制性的作用，学者们已经取得了大量的研究成果。瓦斯沟附近断层走滑活动形成的挤压应力区与拉张应力区对两侧岩层造成一定程度的损伤破坏，也会形成大量的构造裂隙，使斜坡体岩体结构破碎，还会形成对地下水活动有利的空间。本文根据遥感解译、踏勘及断层分布图，研究崩塌落石灾害发育分布与断层之间的关系。崩塌落石灾害发育分布与断层之间距离统计如图8所示，崩塌落石灾害发育分布和断层关系如图9所示。

图8 崩塌落石灾害发育分布与断层之间距离统计图

图9 崩塌落石灾害发育分布和断层关系图

从图中可以看出，发育在断层两盘附近的崩塌落石地质灾害共计24处；其中发育在断层NE盘较多，有 15处，占比62.5%；SW盘发育的灾害相对少一点，有9处，占比37.5%。

崩塌落石灾害“距离效应”比较明显。在距断层 1 km 之内的灾害数量有8处，占总数的33.4%；大多数灾害发育在距断层2 km以内，总计达21处，占比87.5%；距断层2 km以外的地质灾害较少，仅有3处，占总数的12.5%。由此可知，与断层相距2 km以内的距离是崩塌落石灾害发育的敏感集中区域，伴随着距离增大，断层的活动性也逐渐减弱，崩塌落石灾害发育也逐渐减弱。

进一步统计分析可知，发育在断层SW盘的崩塌落石灾害体积总计为 2 474×105m3，占总体积的42.2%；发育在断层NE盘的灾害体积相对较大，总计为 3 383.8×105m3，占总体积的57.8%。发育在断层SW盘且规模为特大型的灾害有2处，其余3处特大型规模的灾害发育在断层NE盘。

通过对距断层不同距离的地质灾害的数量以及体积进行统计分析，发现发育在断层NE盘的灾害数量相对较多，体积相对较大，且多为大型、特大型规模的灾害；断层SW段发育的灾害数量、体积规模均相对较小。总体来讲，瓦斯沟崩塌落石灾害沿断层发育分布具有一定的规律性。

5 结论

瓦斯沟段铁路发育崩塌落石灾害共计24处。从发育数量方面来说，瓦斯沟左岸发育数量比右岸多；从发育规模方面来说，多为大型及以上规模的崩塌落石灾害。统计分析可得其发育分布规律如下：

(1)高程区间h8(2 100～2 200 m)、h7(2 000～2 100 m)、h11(2 400～2 500 m)和h2(1 500～1 600 m)的崩塌落石灾害综合贡献率较高，其和为59.4%。以上4个区间崩塌落石灾害发育规模大且集中，受高程影响较大。较多灾害发育在左岸，主要优势方向为245°∠58°。瓦斯沟主沟流向方向为N72°E，与灾害发育斜坡的优势方向斜交，不利于斜坡的稳定。

(2)瓦斯沟似层状顺向坡发育的崩塌落石灾害的综合贡献率最高。这首先与瓦斯沟沟谷的发育形态、走向以及下切卸荷作用有关，斜坡临空面与沟谷走向、岩层产状斜交；其次与瓦斯沟附近的断层活动和地震活动有关。

(3)瓦斯沟崩塌落石灾害发育分布受其附近断层的影响，其 “距离效应”比较明显。与断层相距2 km以内的距离是崩塌落石灾害发育的敏感集中区域，伴随着距离增大，断层的活动性也逐渐减弱，崩塌落石灾害发育也逐渐减弱。