某高原鐵路伯舒拉嶺至林芝段冰湖潰決對擬建車站的影響

李其帥

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

中國境內冰湖主要分布在青藏高原腹地西藏地區念青唐古拉山和喜馬拉雅山等區域[1]。冰湖潰決是發生在中國西藏山區常見的地質災害之一，其所表現的突發性、隱蔽性和災難性等特征，嚴重威脅著影響區居民的生命財產安全和道路交通管線安全[2]。據統計，喜馬拉雅—興都庫什一帶分布有超過8 000個冰湖[3]，近80年有超過15次較大的冰湖潰決事件發生在西藏境內[4]，它們大部分屬于瞬時部分潰決或全部潰決[5]。如2002年夏，發生在沖堆普溝(西藏聶拉木縣)的兩次冰湖潰決，毀壞沿途道橋系統及周圍4.70 hm2土地，直接經濟損失達750萬元[6]。

對于某高原地區冰湖潰決的研究，該區域冰湖大致可分為冰斗湖、槽谷湖、終磧湖等3種類型，一般會發生“水枕”和“應力釋放”兩種破壞模式[7]。劉晶晶等(2008)通過調查分析西藏地區冰湖潰決的時空分布特征，發現潰決災害與氣候有著顯著的對應關系[8]；莊樹裕(2010)提出了西藏地區冰湖潰決的基于粗糙集理論的非線性預測模型[9]；劉春玲等(2016)采用QuickBird和ETM等衛星遙感數據，研究了西藏南部冰湖潰決災害隱患和誘發因素[10]；余斌等(2016)建立了基于冰川條件和溫度的終磧堤冰湖潰決預警模型[11]；楊金波等(2018)從冰湖穩定性、潰決洪水計算、減災調度措施等方面論述了終磧冰湖潰決對下游工程的影響[12]；閆帥營(2020)基于GIS軟件，對帕隆藏布流域進行了冰湖潰決的危險性評價[6]；李佶航和孫渤鏮(2020)系統總結了波密地區冰湖的空間分布狀態，并對冰湖的類型、面積及分布高程進行了統計學分析[13]。

盡管青藏高原整體冰川消減速度正在加快，但其內部冰川面積基本保持穩定[14]。然而，在氣候、地震等內外動力作用下，溝道內的建筑物和構筑物可能受到冰湖潰決洪水和泥石流的破壞[15]。就本文而言，擬建車站作為某高原鐵路的關鍵性控制節點，很可能受到極端條件下冰湖潰決洪水的影響。盡管學者們對這一地區冰湖的分布狀態已經知曉，但上游冰湖發展變化趨勢與潰決洪水對擬建車站的影響方面的研究還需要開展，從而支撐鐵路和車站的選址與優化設計。

1 研究區地理環境

某高原鐵路伯舒拉嶺—林芝段是一條穿越高山-峽谷區和多條斷裂構造帶的擬建鐵路。鐵路沿線地區新構造運動活躍，巖體節理裂隙發育，區域地質條件極為復雜。受印度洋濕氣流和地震影響，該區是滑坡、泥石流、冰湖潰決等易發區[16-18]。

研究區位于帕隆藏布流域，流域總面積約為2.86×104km2，流域高山環繞，自西向東、自南到北氣候逐漸由濕潤、半濕潤向半干旱過渡，海洋性冰川發育。此外，該區構造作用和冰川侵蝕作用強烈，主峽谷水流湍急，帕隆藏布兩岸巖石風化強烈，河谷寬窄相間，巖屑堆、洪積扇、階地發育，在寬谷兩側冰川泥石流發育，且活動頻繁。其中，位于帕隆藏布河左岸的一級支流林珠藏布發源于一系列冰川群，上游可見多個冰湖，呈串珠狀分布。

在上述如此復雜的地質條件下，擬建鐵路出多木格隧道后順波堆藏布南下跨國道G318，線路折向西沿帕隆藏布河谷北岸設車站。然而，林珠藏布冰湖潰決極有可能對車站構成一定威脅。因此，需要開展冰湖潰決洪水影響評估。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

對帕隆藏布左岸一級支流林珠藏布流域及鄰近區進行基礎資料收集。主要包括多時段航空遙感影像、水文氣象數據、林珠藏布流域1∶10 000航測地形圖、相關地災調查報告、鐵路線路設計規范和堰塞湖應急處置技術導則等。在前期準備工作基礎上，多次進行野外調查和踏勘工作。

2.2 研究方法

在野外調查基礎上，開展室內分析和計算，利用遙感影像，進行遙感解譯，內容包括林珠藏布流域冰川冰湖分布，冰川冰湖面積及其歷史演化規律，冰湖壩體的幾何形態特征等。獲得林珠藏布流域冰湖分布及面積變化規律，估算冰湖水深與總水量，計算冰湖潰決條件下林珠藏布潰決洪水到擬建車站附近的洪峰流量。

根據鐵路線路與林珠藏布的空間位置關系，在相關運動參數計算及危險性評價結果的基礎上，分析林珠藏布冰湖潰決洪水對車站的影響，并針對性地提出防治對策和建議。

3 結果分析

3.1 冰湖分布與活動趨勢(圖1)

圖1 林珠藏布冰湖A～E面積和庫容變化折線

林珠藏布流域是冰川活動和冰川融水匯聚成的地表河流，其上游冰湖數量過百(以冰磧湖和冰川阻塞湖為主)，其中有5個大規模冰湖。為研究方便，由上游至下游分別將其命名為冰湖A～E，5個冰湖總面積約33.56 km2。

總體而言，從1990年至2019年，5個冰湖的規模排序為：冰湖B>冰湖E>冰湖A>冰湖C>冰湖D。冰湖規模呈現出“縮減-擴張-縮減-再擴張”趨勢：即①1990—1999年，5個冰湖面積減少了1.68%；②1999—2008年增加10.58%； ③2008—2015年減小3.67%；④2015—2019年增加3.11%。此外，庫容變化也有上述趨勢，平均庫容在1.88億m3～2.14億 m3之間波動。具體而言，冰湖B、冰湖C和冰湖E的變化相對穩定，冰湖B在1990—2019年面積增加了5.4萬m2，總體變化率為4.05%；冰湖C面積增加了0.27萬m2，總體變化率為1.71%；冰湖E面積增加了3.36萬m2，面積變化率為4.0%。冰湖A(面積擴張率39.6%)和冰湖D(面積擴張率10.97%)則發生了較為明顯的擴張。冰湖A擴張最為明顯的原因是，1990—2019年冰川末端的擴張，其上游冰川冰舌不斷退后導致。冰湖D在1999年相比于1990年面積縮小了17.55%，在2008年又擴張了35.81%達到正常水平，此后至2019年冰湖面積相對穩定，其主要原因是上游湖底較淺，水量的突然增加或減少會影響大面積的湖面區域。冰湖E擴張則主要集中在壩體一側，其逐年向壩體一側擴張可能給壩體帶來更大的壓力，導致壩體的穩定性受到損害。

此外，由于平均湖深在25～26 m波動，其庫容變化也有上述趨勢。

3.2 冰湖潰決對鐵路影響分析

據調查，上述5個冰湖均為冰磧湖，其中冰湖A、C和E是終磧湖，冰湖B和D為側磧湖，它們為冰川退縮后形成的冰磧壩，壩體的穩定性相對較差。其中，冰湖A與冰川相連，冰湖B、D和E與冰川分離，形成了明顯的陡坎。隨著冰川運動，4個冰湖上游冰川直入湖造成涌浪潰壩的可能性都存在。在氣候的快速變化下，冰川演化更不穩定，冰川入湖在歷史上多次導致冰湖潰決。

在特定的環境下每個冰湖都存在潰決風險，上游冰湖一旦潰決，甚至會形成災害鏈式效應，導致下游的串狀冰湖連續潰決，形成大型潰決災害。

為充分考慮這5個冰湖對擬建車站的影響，假定如下極端工況情景。

①將最下游冰湖的體積考慮為冰湖A～E庫容之和，并按最下游冰湖潰決考慮。

②距離采用該冰湖群最下游冰湖至車站的距離。

根據該地區已發生的塔阿錯冰湖(潰決前面積：63萬m2，湖水深28.36 m，湖水體積0.18億m3，實測流量1 036 m3/s)和桑旺錯冰湖(潰決前面積538萬m2，湖水深70 m，湖水體積3.75億m3，實測流量1萬m3/s)[19]可知，由Costa和Schuster(1988)所提出的經驗公式適用于本研究。公式如下

(1)

此外，壩址以下溝道冰湖潰決洪水最大流量采用規范SL451—2009《堰塞湖應急處置技術導則》推薦的經驗公式估算。距冰湖壩址處下游一定距離的最大洪峰流量采用如下公式計算

(2)

式中，Qxm為冰湖壩下游某處洪峰流量，m3/s；Qm為壩址處洪峰流量，m3/s；Vw為潰壩下泄總水量，m3；L為下游斷面至壩址距離，m；vw為河道洪水期斷面最大平均流速，m/s，在有資料地區可采用實測最大值；如無資料，一般山區可采用vw=3.0～5.0 m/s，半山區可采用vw=2.0～3.0 m/s，平原區可采用vw=1.0～2.0 m/s；K為經驗系數，山區取K=1.1～1.5，半山區取K=1.0，平原區取K=0.8～0.9。本次計算中，vw取5.0 m/s，K取1.5。

由式(1)計算出冰湖群潰決洪水在壩址處的洪峰流量為4.76×104m3/s，由式(2)所計算出下游63～76.2 km處洪水沿程流量，以及不同斷面處疊加百年一遇洪水的流量結果見表1。

表1 林珠藏布冰湖潰決洪水沿程流量計算

在車站位置斷面(DK1 094+000)，該段河道糙率取值為0.045時，計算水力參數見表2。受下游卡口(錯卡)阻水作用，洪水會向帕隆藏布壅水，形成較淺的淹沒區，此時擬建車站附近(DK1 094+000)流深略有增加，約為0.23 m，水面高程2 670.59 m，總體而言對擬建車站影響不大。

表2 DK1094+000斷面冰湖潰決洪水特征值

4 工程措施建議

擬建車站位于帕隆藏布北岸河床，地勢平坦，緊鄰G318國道南側，交通便利。

車站軌面和工區設計高程為2 679.26 m，貨場設計高程為2 678.0 m，危險品作業區設計高程為2 677.0 m，站房為線側下式，高程為2 672.8 m，房建場坪區高程為2 671.0 m。因此根據冰湖潰決與百年水位疊加后水位，擬建車站各相關工程的高程均高于水位線。

線路以填方形式通過，中心最大填方高度約12.4 m。工點區地層主要為第四系全新統粉質黏土、粉土、細砂、細圓礫土、粗圓礫土及漂石土。地表水為帕隆藏布常年季節性流水，水流自東向西，百年洪水位2 669.0～2 671.2 m，平均流速1.5～2 m/s。區內基本地震加速度值0.30g(相當于地震基本烈度八度)，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.45 s。因此，建議工程措施如下。

(1)沖刷防護高度=綜合水位(百年洪水位與冰湖潰決水位加權疊加)+壅水高+波浪侵襲高+0.5 m。

(2)沖刷防護高度以下邊坡采用混凝土護坡進行防護，護坡采用0.3 m厚C45混凝土澆筑，基礎采用混凝土腳墻，埋置深度于沖刷深度線以下≮1.0 m。

(3)沖刷防護高度以下邊坡坡率為1∶2.0。

(4)沖刷防護高度以下路基采用滲水土填筑。

5 結論與討論

研究通過資料與文獻收集，歸納和分析波堆藏布流域內林珠藏布冰湖潰決洪水的環境背景條件，提取了林珠藏布上游冰湖面積隨時間的演化特征，獲得了林珠流域面積、溝道基本特征值等重要參數；在資料整理和野外工作的基礎上，結合現有鐵路選線方案，評估了林珠藏布冰湖潰決洪水對車站的影響，主要結論如下。

(1)林珠藏布上游5個冰湖，從1990—2019年間呈現出“縮減—擴張—縮減—再擴張” 趨勢，平均湖深在25～26 m之間波動，平均庫容在1.88億m3～2.14億m3之間波動。

(2)林珠藏布5個冰湖潰決洪水總量為1.09億m3，潰口處的峰值流量約為4.76萬m3/s；在擬建車站處，潰決洪水峰值流量8 778.3 m3/s，疊加百年一遇洪水流量為11 988.3 m3/s。

(3)典型斷面分析表明：雖然潰決洪水到達擬建車站流量大，但由于車站所處位置河谷開闊，各斷面線位高程均高于水面高程。因此，對車站沒有影響。

(4)給出了擬建車站沖刷防護高度、邊坡防護措施、基礎埋置深度、坡率及路基填筑方式等工程措施建議。