海洋型冰川塑造地貌特征與鐵路選線程式

鄧 桃,姚令侃,2,3,黃藝丹,2,3,陳 諾

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031；3.陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室,成都 610031； 4.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

青藏高原是世界上中低緯度地區最大的現代冰川分布區。冰川按照物理性質，可以分為大陸型冰川和海洋型冰川兩大類。大陸型冰川是低溫低濕的大陸性氣候的產物，較為穩定，由于大都分布在極高海拔之地，人跡罕至。海洋型冰川是高溫高濕的海洋性氣候的產物，具有消融量強烈、運動速度快，地質地貌作用強的特點，其冰舌末端可能到達海拔3 000 m附近，已處于人類居住和工程活動范圍。海洋型冰川和大陸型冰川的界限大致可以根據年平均降水量500 mm的界線進行劃分，年平均降水量大于500 mm的地區為海洋型冰川區，小于500 mm的地區為大陸型冰川區。

作為我國的世紀性戰略工程，川藏鐵路從青藏高原東緣進藏，而后沿著高原南部邊緣階坎部位行進；此外，作為我國“一帶一路”倡議中的重點項目，中巴、中尼鐵路也都必須穿越喜馬拉雅山脈；這些擬建干線都有大段線路穿越海洋型冰川密集分布區。冰川區是我國鐵路沒有建設經驗的地貌單元，冰川對公路工程影響的研究也才始于20世紀末葉。

最早施雅風[1]等在1975年，通過對巴基斯坦境內巴托拉躍動冰川(Batura Glacier)長達2年的現場監測，對巴托拉冰川發展趨勢進行了預測，為1978年中巴公路的成功修復提供了科技支撐；2014年朱穎彥等[2]通過5年的野外調查、資料分析和遙感解譯工作，總結了中巴公路沿線冰川災害的背景、類型、分布與特點。1984年Rana Muhammad Ali Washakh等[3]統計了喜馬拉雅中部山區歷年來發生的冰湖潰決災害，重點報導了中尼公路所在的吉隆藏布流域和波曲流域分別于1964年、1981年發生了兩起冰湖潰決事件，對沿線居民和下游公路造成了嚴重損失[4-5]；2009年Rabindra Osti等[6]對中尼公路沿線的Tam Pokhari冰湖潰決事件進行了模擬，計算出的潰決洪水都有一個10000m3/s左右的最大洪峰。2007年梁光模[7]對川藏公路通麥至105道班的泥石流危險性進行了統計分析，提出了公路整治改建工程建議;2012年程尊蘭等[8]通過對帕隆藏布流域冰湖分布及其變化的研究提出，在該區域內爆發大范圍冰湖潰決的概率很小，但發生小規模冰湖潰決的可能性很大;2017年張廣澤[9]等將川藏鐵路然烏—通麥段91條冰水泥石流分為高度危險、中度危險和低度危險三大類，建議對于高度危險的冰水泥石流溝可采取繞避或從中下游隧道下穿方案通過。

綜上，已有文獻重點討論海洋型冰川引發的災害問題，但未見討論利用冰川塑造地貌優化線路方案的文獻。青藏高原南緣是世界上筑路最為困難的地區。在克服巨大地形障礙、防治多種環境地質災害的同時，通過利用有利地形優化線路方案、節省建設投資并保證鐵路安全運營等，也是鐵路修建科技含量的重要體現。鑒此，在對冰川塑造有利地貌總結分析的基礎上，以帕隆藏布流域為例，開展了海洋型冰川分布區鐵路選線程式的研究，希望為鐵路合理利用冰川塑造地貌提供具普適性意義的認識。

1 海洋型冰川塑造地貌特征及鐵路可利用性分析

冰川的運動包括刮削陸地地表，以及獲取、搬運、堆積大量的沉積物。在冰川的侵蝕作用和沉積作用下，所塑造的地貌可分為冰川侵蝕地貌和冰川堆積地貌兩大類型。結合線路工程可利用性具體介紹如下。

1.1 可利用的冰蝕地貌特征

冰蝕地貌是指由冰川的反復凍融循環和運動引起的對冰川底部基巖的拔蝕和磨蝕，從而塑造出的冰川地貌。考慮冰蝕地貌分布位置和穩定性，線路工程可利用的冰蝕地貌主要包括冰川槽谷和谷肩。

1.1.1 冰川槽谷地貌

冰川通常沿著先前就已經存在的河谷前進，冰川會把河谷加寬、加深與變直，橫剖面曾似“V”字形的河谷，會轉變成“U”字形，所以寬展平直的“U”形谷是冰川槽谷的重要標志，適宜線狀工程布線。

例如中尼鐵路交通廊道吉隆藏布流域的“雄布卡兒”冰川槽谷(圖1)，槽谷底部平均海拔高度3106 m，縱坡平均坡度24.14‰，橫坡平均坡度21.12‰，可利用面積為5.1 km2。在此地段吉隆藏布主河縱坡陡達40‰，即使采用國內現有鐵路設計標準中最大30‰三機牽引加力坡度設計方案，仍必須利用支流側谷展線。展線常用的有“燈泡線”、“套線”等。一般水流侵蝕形成的支溝，常具有口窄肚大的形狀，為了適應溝口狹窄地形，宜采用燈泡形展線，其由3條或3條以上的曲線組成，若為3條曲線時則中間1條曲線的偏角將大于180°；當側谷比較開闊時，可以采用套線式展線，套線由3條曲線組成，每一曲線的偏角均小于180°，因此線形好于燈泡線。從圖1可看出，“雄布卡兒”冰川槽谷為采用簡單套線展線提供了有利地形。

圖1 “雄布卡兒”支冰川槽谷

1.1.2 谷肩地貌

谷肩的形成是老冰川槽谷在多期冰川運動和河流侵蝕的交互作用下，由于地殼隆升，在原“U”形槽谷底部又形成下切的“V”形河谷，將地貌橫剖面中“U”形斷面到“V”形斷面轉折點之間的條狀平坦臺地稱為谷肩[10]。因第四紀以來，全球曾經歷多次冰期與間冰期的旋回，所以在一個河谷內，可能存在分布于不同高度位置處的多階谷肩。

由于谷肩地貌是由河流在冰川槽谷底部繼續下切形成的臺地，具有類似河流階地沿河呈條狀分布的地形特點；在盛冰期形成的冰川槽，冰退后開始發育河流、深切成“V”形谷，再隨高原隆起形成“谷中谷”的形態，顯然比冰川槽形成需要更漫長的年代；此外，一般情況谷肩都高懸河谷之上，不會再遭受河流洪水威脅。因此谷肩具有地形和穩定性兼備的優點。

例如在中尼鐵路交通廊道西藏吉隆境內的東林藏布河谷兩岸，存在著沿河谷連續分布的多階谷肩(圖2)，其中最低一級的谷肩平臺為倒數第二次冰期和末次冰期時所形成，平均海拔高度為3 200～3 300 m，高出河床200～240 m。如圖2所示，埲巴村、尼昂村、郭巴村都修建在左岸的谷肩上，其中郭巴村所在的谷肩平臺長1 550 m，寬200 m，縱坡平均坡度11.25‰，橫坡平均坡度19‰，由次棱角和磨圓的大漂礫所組成，巖性成分以花崗巖、片麻巖為主，地質條件良好[11]。可見東林藏布河谷兩岸的谷肩都是鐵路理想的線路位置。

圖2 東林藏布河谷谷肩所在位置及橫剖面

1.2 可利用的冰川堆積地貌特征

冰川堆積地貌是指冰川前進過程中，冰舌裹挾內部和底部的碎屑巖石，并將其推擠集中，當冰川運動至雪線以下或更低海拔的山谷中，產生冰川消融和消失，冰川攜帶的物質未淘選而沉積，在冰川末端形成各種類型的冰川堆積地形，如終磧堤、側磧垅、中磧垅、冰磧丘陵等，統稱為冰磧臺地。此外，古冰川堵江形成的古堰塞湖盆，也屬一種特殊的冰川堆積地貌。

1.2.1 冰磧臺地地貌

冰磧臺地是冰川在運動過程中冰磧物堆積所形成的地貌類型。冰磧臺地分布于冰川下游，當支谷冰川沿主河方向間斷分布時，冰川搬運而來的冰磧物往往堆積在支溝與主河的交匯處，從而形成一系列沿主河方向間斷分布的冰磧臺地。線路工程視其具體需要，可以甄別選擇，加以利用。

由于組成冰磧臺地的冰磧物往往經由冰川搬運到現有位置后，還要歷經幾百至上萬年的自然沉積，石磧之間的膠結固化程度很高，因此冰磧臺地具有良好的工程力學和材料力學穩定性，適合工程建設。

例如在中巴鐵路交通廊道洪扎鎮(Hunza)下游，存在著一處面積達12 km2，堆積于主河谷兩側的冰磧臺地。據李吉均等[12]對第四紀冰川遺跡的調查：兩岸冰磧臺地主體均是末次冰期的產物，距今已有上萬年歷史，地質條件較為穩定，但左岸山前的新側磧和終磧堤則是小冰期的產物，說明左岸現有的Pissan冰川和Minapin冰川曾在距今僅有200年歷史的小冰期時期向下運動到達過河流左岸，且通過調查考證，河流左岸Minapin冰川是一條進退變化較大的躍動冰川，為避免在鐵路百年服務期內冰川對鐵路產生直接影響，通過此區域時，鐵路應采取跨河繞避的措施。而在鐵路跨河后，右岸的冰磧臺地能夠提供線路開闊的地形自由布線，是中巴鐵路定線值得利用的冰川堆積地貌。見圖3。

圖3 Minapin冰川和Pissan冰川下部冰磧臺地示意

1.2.2 冰川堵江古堰塞湖盆地

冰川堵江形成的古堰塞湖盆地是指由支谷中的古冰川前進，到達主河后堵塞河道，形成淤積堰塞湖，待湖面抬高、水壓增大，河水最終沖開堰塞壩，湖水流出后在原堰塞湖位置形成的平坦地形。古堰塞湖盆地為湖相沉積地貌，地形平坦、面積寬廣，在崇山峻嶺中是難得一覓的利于重大工程建設的地貌。

例如在中尼鐵路廊道吉隆藏布流域邦興村所在臺地，即為冰川堵河形成的古堰塞湖盆地。邦興盆地平均海拔高度2 890 m；長4.04 km、寬1.26 km，面積達3.4 km2；距離目前的中尼陸路口岸—熱索口岸不到18 km。跨境鐵路口岸車站的選址是重要而且還可能是相當困難的工作。參照我國已有的11個一類鐵路口岸，平均占地面積約為3.7 km2，最小的也有1.4 km2(對越南的河口鐵路口岸)。邦興盆地在面積、靠近邊境位置等方面都滿足口岸站的要求，并且海拔低于3 000 m，植被茂盛、氧氣充足，對旅客及車站工作人員健康有利。對中尼鐵路而言是一塊天賜的寶地。見圖4。

圖4 邦興盆地全貌(中科院成都山地所無人機航拍于2018年9月15日)

2 海洋型冰川分布區鐵路選線程式

在全球氣候變暖的趨勢下，冰川融水加快，冰湖潰決、冰川泥石流發生頻率增加，使得冰川區水文地質工程地質環境變得極其復雜；但是冰川作用塑造的一些特殊地貌，又為鐵路布線提供了有利的地形條件。在冰川區致災與有利因素兼備的背景下，趨利避害就成為鐵路選線的重要方針，在傳統選線作業中增加對冰川問題特別考量的環節，是這一方針得以實施的保證。冰川區鐵路選線的流程如圖5所示。

圖5 海洋型冰川分布區鐵路選線流程

選線遵循先了解區域冰川基本情況，再解決線路方案的選定和工程措施問題的基本步驟。第1環節對研究區冰川情況的把握，需要涵蓋冰川發育的歷史、現代冰川分布與活動特征，以及鐵路百年服務期冰川發展趨勢等內容，即冰川的“過去”、“現在”和“將來”。其中“過去”是確定冰川地貌分布和穩定性評估的依據，而“現在”和“將來”則直接關系到下一環節中直接作用區和間接作用區的劃定。第2環節的目的是確定鐵路可行域。根據冰川對鐵路的影響機理，可將冰川作用區分為直接作用區和間接作用區。直接作用區系指現代冰川分布和在鐵路百年服務期內冰川可能運動到的區域，若冰川與鐵路在空間直接相交，則會摧毀線路工程，并且無法采取工程措施抵御，因此鐵路只能采取完全繞避措施；間接作用區系指冰川融水引發的冰川泥石流、冰川融水洪水流經的區域，還包括冰湖潰決洪水影響的范圍，線路工程可通過間接作用區，冰川對鐵路的影響原則上可按水害問題處理。第3環節是對鐵路廊道內冰川塑造地貌的類型、分布規律、穩定狀態等進行分析，是為合理利用冰川地貌開展的專題工作。第4環節，針對原則方案或局部方案比選階段的主要備擇方案，研究冰川地貌利用策略，提出技術可行、經濟合理、災害風險可控的多目標優化線路方案。

3 川藏鐵路帕隆藏布流域選線方略

現以川藏鐵路帕隆藏布流域為例，對冰川區鐵路選線程式進行說明。

帕隆藏布流域位于西藏東部林芝地區，自西向東分別經過魯朗、通麥、古鄉、波密、松宗最后到達八宿縣然烏鄉然烏湖。流域內水系發達，冰川、冰湖廣泛分布，現存海洋型冰川總面積1 648.11 km2、冰湖總個數131個，具體分布位置如圖6所示。

圖6 川藏鐵路帕隆藏布流域所經區域位置

3.1 線路廊道冰川概況

帕隆藏布流域歷史上從遠及近曾經歷過倒數第二次冰期、末次冰期、新冰期和小冰期4次較大冰期，且冰川作用規模有隨時間推移逐次縮小的趨勢。但即便是在冰川規模最大的倒數第二次冰期，帕隆藏布流域主河谷內也未曾出現過貫穿整條主谷的冰川[13]。在現階段，全球處于小冰期后的間冰期時期，帕隆藏布流域內現代冰川規模相比之前各個歷史冰期時期都有所縮減。且在未來冰川發展趨勢上，受全球氣候變暖影響，流域內的冰川在鐵路百年服務期內仍將處于退縮狀態，即使出現波動，冰川規模相比現在起碼不會有大規模的發展。

3.2 冰川直接作用區與間接作用區的判定

冰川直接作用區主要包括：現代冰川分布范圍和現代冰川活動范圍。現代冰川分布范圍的判定，通過現場調查和遙感解譯的方式獲取；現代冰川活動范圍的確定，通過航衛片對比分析，找出每條冰川最近30年的最大活動范圍，并結合海洋型冰川活動范圍一般為100～300 m的規律，再增加300 m作為保險量，從而確定整個流域內現代冰川的活動范圍。

利用上述方法，即可得到帕隆藏布流域的現代冰川直接作用區。同時也劃定了鐵路可行域，即研究區內的冰川間接作用區，如圖7所示。

圖7 帕隆藏布流域冰川間接作用區域

3.3 冰川塑造地貌類型及分布

根據前面的分析，帕隆藏布流域主河谷內未曾出現過貫穿整條主谷的冰川，因此主河不是冰川槽，也排除了谷肩地貌的存在。現對帕隆藏布流域存在的冰川地貌類型從低海拔到高海拔進行統計列于表1。

表1 帕隆藏布流域冰川塑造地貌分布位置及特征

現仍按照從低海拔到高海拔的排序，對帕隆藏布流域冰川塑造各類地貌的利用方略分析如下。

在選線預可研階段，短直方案與地形有利的走向方案的比選，一直是工作重點。川藏鐵路要求通過昌都、波密這兩個大經濟據點，在昌都-波密段線路走向為近南北向。首先，帕隆藏布流域主河谷兩側共有冰川槽谷23條，規模較大的冰川槽谷集中于流域中下游右岸，具體包括忠壩河、加熱藏布、波堆藏布和易貢藏布這4條冰川槽谷，其中又以“波堆藏布”最大。波堆藏布槽谷形成于倒數第二次冰期和末次冰期時期，原來形態得以較完整地保存下來，“U”形槽谷寬展平直，平均寬1 km，最寬處達2 km。帕隆藏布主河為近東西走向，但這4條冰川槽谷，除易貢藏布外，其余3條均為南北走向。這3條冰川槽谷與線路走向基本一致，在考慮短直方案時利用它們修建沿河線無疑是具有價值的方案。見圖8。

圖8 帕隆藏布流域的冰川槽谷

其次，鐵路走帕隆藏布主河雖然不是短直方案，但主河是傳統的交通廊道，川藏公路(國道318)在此通過，是施工條件等更為有利的比選方案。帕隆藏布峽谷地貌自上而下，依次為現代冰川、剝蝕山地、冰磧臺地、河流階地(公路線位)、河漫灘、河流(圖9)。

圖9 帕隆藏布河谷兩側立體地貌特征

由于帕隆藏布流域經常發生因冰湖潰決、冰川泥石流堵河引發的超常洪水事件[14]，傳統利用河流階地布線的做法不能滿足防洪要求。而冰磧臺地比河流階地高，在縱向上(尤其是北岸)也呈相對連續的帶狀分布。這樣若利用冰磧臺地布線，可望設計出既能滿足防洪要求，又能降低橋隧比的線路。因此，山麓地帶的冰磧臺地，為鐵路帕隆藏布廊道方案提供了高線位定線的特殊條件。

最后，帕隆藏布流域在新冰期和小冰期時期形成的終、側磧壟冰川堆積地貌，大部分分布于各支溝內海拔較高的部位，不具備利用價值。

4 結語

(1)目前全球氣候變暖，冰川融水增加，冰湖潰決、冰川泥石流頻發，使得海洋型冰川區工程地質水文地質環境變得極其復雜，區域穩定性條件差；但是冰川作用塑造的一些特殊地貌，又為鐵路布線提供了有利的地形條件。因此，趨利避害就成為鐵路選線的重要策略。本文在對海洋型冰川塑造的冰川槽谷、谷肩、冰磧臺地和冰川堵江形成的古堰塞湖等地貌的可利用性分析的基礎上，提出了海洋型冰川分布區鐵路選線流程，并以川藏鐵路帕隆藏布流域為例，說明了作業要點。研究對海洋型冰川區鐵路選線具有普適性的指導意義。

(2)冰川地貌除侵蝕地貌、堆積地貌以外，還包括冰磧物及其漂礫，后者的分布范圍更為廣泛，實際上歷史冰川的分布范圍都是以冰磧物為佐證推斷的。選線時對冰磧物的考量主要體現在個體工程布設階段，趨利避害仍是基本方針。一般而言，冰磧物是良好的地基、也是力學性質較好的路基填料；但也是一種易滑體，如川藏公路沿線許多滑坡均與儲量豐富的第四紀冰磧松散堆積物有關，因此若挖方段或隧道洞口存在冰磧物問題，宜通過局部移動線路位置等措施規避。