冰川滑坡區域地面交通線路走廊識別

曾 勇,賀 燚,龔 雷,單海東,宋洪銳

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

隨著“一帶一路”倡議和“交通強國”戰略不斷實施，我國中西部地區交通路網規模持續擴大，各等級鐵路、公路陸續開始在西部復雜艱險山區進行規劃建設[1]。我國西部高原地形復雜多變，地勢起伏大，巖體風化程度高，導致滑坡等地質災害極為發育[2]，為山區地面交通線路規劃與設計帶來巨大挑戰。豐沛的降水、廣布的冰川及寒凍土，為冰川滑坡等特殊地質災害提供了孕育條件[3-4]，僅針對一般滑坡地段的地質選線方法已難以有效規避相關風險。因此，當地面交通線路需穿越危害大、分布廣的冰川滑坡地帶時，為得到線路安全走廊，應首先進行相關災害易發性分析，進而建立一種能夠實現“防災減災”目標的線路走廊識別方法，對于高海拔山區地面交通線路規劃、建設及后期運營的安全性具有重要意義。

滑坡易發性分析是艱險山區地面交通線路走廊識別的基礎。目前，國內外學者基于GIS平臺對一般滑坡的易發性做了大量研究。DEVKOTA[5]利用航拍影像和實地調查數據，分析了尼泊爾中部山區歷史滑坡的成因，選取地形、斷層及土地利用等12個指標，建立滑坡易發性評估體系；王佳佳[6]基于滑坡與指標因素相關性分析結果，選取地形、河流及土地利用等7項指標對山峽庫區滑坡進行易發性評估，精度達87%；BUDIMIR[7]通過整理全球范圍的滑坡易發性評估模型，建立滑坡顯著因素數據庫，得出不同類型滑坡發生的影響因素差異較大，但坡度與各類滑坡關系密切；郭子正等[8]針對不同的滑坡特征將區域滑坡分為2類，建立2套不同的評估指標體系。但上述關于滑坡易發性研究均未考慮冰川因素的影響。

在地質選線方面，杜宇本[9]根據成蘭鐵路沿線地質地形條件進行方案比選，總結得出地質選線定線原則；張志亮[10]針對西成鐵路沿線高壓氣藏及軟巖大變形等特殊地質問題，提出相應的選線策略；張馳[11]通過建立凍土病害危險度計算模型，確立青藏高原多年凍土區公路選線方法；楊宗佶[12]基于滑坡危險性區劃，實現了川藏鐵路局部路段的方案比選；宋陶然[13-14]將滑坡、崩塌和地震等災害的風險評估模型與成本模型結合，建立了鐵路線路風險-成本雙目標優化模型；蒲浩[15]提出了一種地質災害區分類方法，對鐵路線路風險-成本雙目標優化模型進行了補充和完善。上述文獻表明，當前地質選線研究對象多為高等級鐵路和公路，研究成果往往以定性化的選線原則和建議為主，對于定量化分析方法研究不多，而對于冰川滑坡地段的交通選線問題研究則更為少見。

因此，首先基于冰川地帶滑坡發生機理，確定冰川滑坡易發性指標；然后，基于GIS技術并運用指標疊加法和層次分析法，建立冰川地帶滑坡易發性指數計算方法；最后，以地面交通線路防災減災為目標，提出冰川滑坡地帶地面交通走廊識別方法，并通過案例驗證方法可行性。

1 冰川滑坡易發指數計算

1.1 冰川地帶滑坡機理分析

相關研究表明，全球變暖正使得山體滑坡的風險顯著增加[16]。不同于受重力作用的土坡失穩，冰川滑坡主要表現為凍融過程中斜坡土體的力學性能不斷降低，部分融化的冰水混合物裹挾坡面土顆粒質點加速向下滑移。在持續凍融循環作用下，土顆粒質點會沿最大融深凍脹前坡面滑動，引起質點之間的相對位移，從而導致其內部裂隙逐漸擴張、貫通，土體體積進一步膨脹的時效響應特征，如圖1所示。土顆粒質點P1凍脹后沿垂直坡面方向移動至P2，升溫沿鉛垂方向融沉時，受沿坡面下滑的泥流作用影響，移動至P3，繼續沿豎向融沉過程中，由于質點間的相互碰撞形成摩擦阻力，最終使其偏離鉛垂方向移動至P4，其中，G為泥流融化向下滑動的融沉位移，R為層間摩阻引起的回退位移[17]。由此可知，溫度上升帶來冰川融水對冰川滑坡具有顯著的觸發作用，溫度變化是冰川滑坡易發性分析的重要指標之一。同時，地形坡度、植被覆蓋條件及融水程度等多重因素影響著質點位移的具體距離，在宏觀上決定了滑坡的規模，在指標體系的建立過程中應重點考慮。

圖1 斜坡質點遷移示意

不僅如此，地表裸露冰川受熱融化后，融水受重力作用下滲、集聚，下部土體被潤濕后處于飽和或過飽和狀態，形成孔隙水壓的浮托作用，使得土體強度不斷降低；同時，內部滯水的潤滑作用會引起地下冰面摩擦系數顯著降低，導致土體極易在地震動或降雨作用下沿冰面向下滑動，將勢能轉換為動能高速滑落。斜坡上部土體滑落后，原地下冰面暴露會繼續融化，為新的滑坡提供孕育條件，如此循環往復，為鄰近設施帶來長期安全威脅。因此，土體中冰層及寒凍土含量是推動冰川滑坡持續發生的重要因素，應在巖土條件因素中加以考慮。另外，地形條件、土壤類型等因素對坡體抗滑度有重要影響，而降雨量、坡向、地震烈度等則是外界對坡體擾動的主要因素。

1.2 冰川滑坡易發性分析指標

易發性分析指標的選取往往決定了冰川滑坡易發性分析有效性。從冰川地帶滑坡發生機理出發，充分考慮土體內部因素和外部擾動因素對冰川滑坡易發性的影響，主要從外界觸發條件、地形地貌、環境條件3個方面出發，選取高程、坡度、坡向、剖面曲率、巖土條件、歸一化植被指數、地震烈度、年降雨量和最高溫度共9層指標，構建冰川滑坡易發性分析指標體系。其中，巖土條件、地震烈度、年降雨量和最高溫度等指標值主要通過現場觀測確定，高程、坡度、坡向和剖面曲率等指標值通過數字高程模型獲得，歸一化植被指數值則由衛星遙感影像分析得到，如圖2所示。

圖2 冰川滑坡易發性分析指標體系

1.3 冰川滑坡易發指數計算

冰川滑坡易發性采用相關易發指數進行表示。在確定冰川滑坡易發性分析指標體系后，冰川滑坡易發指數利用式(1)進行計算。

(1)

式中，P為冰川滑坡易發指數；yi為第i層指標取值；λi為第i層指標對應的權重值，采用專家調查法和層次分析法研究確定。

計算冰川滑坡易發指數時，首先，應利用式(2)對各層指標值進行歸一化處理，以減小量綱影響，使數據更具可比性；然后，將每層帶權指標分別利用GIS圖層進行表示，并劃分為多個精細柵格；之后，再利用指標疊加法將GIS圖層依次疊加；最后，即可形成研究區域冰川滑坡易發指數分布圖，如圖3所示。

(2)

式中，X*為各層指標歸一值；X為各層指標原始取值；Xmax為各層指標原始最大值；Xmin為各層指標原始最小值。

圖3 冰川滑坡易發指數分布

滑坡易發指數分級不但需保持圖面各級重量感均衡，且應能清晰反映其分布特征。采用自然斷點法[18]，在保證級內數值差異較小的同時可兼顧量值重量感均衡，通過不斷迭代計算，將研究區分為高易發區、較高易發區、一般易發區、較低易發區和低易發區，形成研究區冰川滑坡易發程度分布圖，為地面交通走廊識別提供條件和依據。

2 冰川滑坡區域線路走廊識別

冰川滑坡區域線路走廊識別的具體流程如圖4所示。

圖4 冰川滑坡地帶地面交通線路走廊識別流程

首先，基于提出的冰川滑坡易發指數計算方法及指標體系，結合GIS技術計算得到冰川滑坡易發指數分布圖層；其次，根據現有風險計算方法和滑坡易發指數得到走廊通行風險，進而獲得起點與終點的風險距離；之后，運用廊道分析方法計算得出區域內環狀累積風險分布；最后，選取閾值并檢驗廊道寬度及通行區域的合理性，形成帶狀地面交通線路走廊。

2.1 走廊通行風險計算

冰川滑坡易發指數體現了滑坡的危險性，但滑坡的危險性并不完全等同于線路走廊通行滑坡區域時面臨的風險，走廊通行風險可考慮采用聯合國公布的災害風險評估模型[19]，如式(3)所示。

R=H×V

(3)

式中，R為走廊通行風險；H為滑坡危險性，用冰川滑坡易發指數表示；V為結構易損性，用地面線路易損指數表示，V可通過依據受災體損毀等級與線路價值損失率間關聯性[20]建立的其與冰川滑坡易發指數H之間函數關系得到，如圖5所示。

圖5 V與H關系曲線

在圖5中，當H∈[0，15)時，普通損失水平下的地面線路易損指數V1可由式(4)計算。

V1=(1.602H2-4.608H)×10-2+0.034

(4)

當H∈[15，70]時，較高損失水平下的地面線路易損指數V2可由式(5)計算。

V2=-9.619 08H3×10-4+0.120 25H2-

2.704 43H+19.98

(5)

當H∈(70，100]時，高損失水平下的地面線路易損指數V3可由式(6)計算。

V3=-0.012 5H2+2.455H-20.55

(6)

通過式(4)～式(6)計算出不同冰川滑坡易發指數對應的地面線路易損指數后，可依據式(3)求得區域走廊通行風險。此外，為使線路繞避冰川滑坡高風險區域，利用自然斷點法對區域走廊通行風險分級后，高風險區風險值應在原有取值基礎上乘以較大的懲罰系數，本文分析時取20。

2.2 風險距離計算

在冰川滑坡災害區，采用風險距離表達區域內指定點到其他點的走廊通行風險總和。任意指定點Si，到其余點的最小風險距離計算程式如下。

①對區域中所有頂點編號，創建指定頂點Si的臨近頂點集合U，將所有與指定頂點Si相鄰的頂點加入U，生成Si的鄰接矩陣A，如式(7)所示。

(7)

②建立由Si出發且已找到最小風險距離的頂點集合T，初始化后將起點加入T，即：T={Si}。從Si出發至任意頂點Sa的最小風險距離記為Da。

④新增與T中任意兩頂點相鄰且存在于U的頂點Sk，計算各條不同路徑的風險距離，若

(8)

則

(9)

⑤更新T={Si，Sm，Sk}，重復步驟④，直至U中所有頂點加入T；將區域內不屬于T且與T中任意頂點存在相鄰關系的頂點加入U。

⑥重復步驟⑤，直至T中包含區域內所有頂點，區域中指定點到其余點的最小風險距離即可求得。

以線路起、終點分別作為指定點，根據最小風險距離計算程式，即能得到起、終點的最小風險距離。

2.3 廊道分析

最小風險距離僅能表達從起點到終點面臨的走廊通行風險累積最小值，無法展示最小風險距離下的實際路徑。因此，需運用廊道分析方法計算每個點位到起、終點的最小風險距離之和，如式(10)所示，形成以起、終點連線為中心的環狀累積風險分布圖。

(10)

在環狀累積風險分布圖中，走廊寬度與累積風險值呈正相關，需通過選取閾值實現二者的平衡。

2.4 閾值選取

擴大走廊寬度可為多目標選線提供更為豐富的選擇，但也會囊括更多的冰川滑坡高易發區域，威脅線路通行安全。因此，閾值選取應兼顧地質風險與走廊寬度需要，并以最小累積風險為依據，具體取值范圍如式(11)所示。

Fmin≤F≤KFmin

(11)

式中，Fmin為起、終點間最小累積風險；F為走廊閾值，一般情況下取范圍內最大值；K為安全系數，主要根據走廊內高危區面積隨走廊寬度增加的變化情況確定；例如，當走廊寬度取30～90 m時，經過反復試驗分析，K的取值范圍為[1.000 2，1.000 3]。

3 案例分析

選擇藏東南地區作為研究區，區域內地勢險要，地質條件復雜，冰川廣布，各類滑坡極為發育。根據冰川滑坡易發指數計算指標體系和計算模型要求收集區域內的相關資料，對獲得的各層指標值進行歸一化處理，并利用層次分析法構造判斷矩陣，得到各指標權值系數，如表1所示。

表1 研究區冰川滑坡易發性分析各層級權值排序

根據式(1)將各指標因子疊加，形成研究區冰川滑坡易發指數分布圖層，并依據自然斷點法進行分級，分析結果如圖6所示。

圖6 研究區冰川滑坡易發指數分布

通過式(4)～式(6)計算出不同冰川滑坡易發指數對應的地面線路易損指數，再利用式(3)求得區域走廊通行風險并進行分級，結合分析選定的高風險區懲罰系數，得出研究區走廊通行風險分布圖；確定走廊起點和終點，依據風險距離計算程式獲得區域的最小風險距離；然后，運用廊道分析形成兩點間的環狀累積風險分布，根據30～90 m的目標寬度取安全系數K為1.000 25，由式(11)按一般情況選定相應閾值，可得到冰川滑坡區域地面交通線路走廊(后文稱為冰川走廊)，如圖7所示。

圖7 研究區冰川走廊與既有路網

由圖7可知，冰川走廊東北段、中段與既有路網較為接近，但局部仍經過較高及高風險區，為線路的安全通行帶來較大威脅，需進一步調整改善。走廊西南段與既有路網形成較大差距，一方面是由于區域內人口稀疏，路網建設尚未完善，且走廊走向與人口分布帶方向相異；另一方面則由于當前沒有成熟可行的線路走廊識別方法，僅能通過遠距離的繞行避開冰川滑坡高風險區，但在繞行過程中仍面臨著冰川滑坡帶來的各種危險。

統計冰川走廊和既有路網經行各風險區的面積占比，如圖8所示。既有路網中冰川滑坡高風險地區面積占7.64%，較高風險區面積占16.83%，所有中等及以上風險區面積占比超過40%。而冰川走廊所有中等及以上風險區經行面積僅占1.65%，大幅降低了冰川滑坡對地面線路的潛在危害，顯著提高了地面線路通行冰川滑坡區域時的安全性。

圖8 不同風險區既有路網與冰川廊道面積比

為進一步論證文中所建立方法的合理性，采用傳統滑坡分析方法[21]確定線路走廊，并將文中方法分析結果進行對比。利用未考慮冰川因素影響的傳統滑坡分析方法得到地面交通線路走廊(后文稱為傳統走廊)，如圖9所示。

圖9 研究區冰川走廊與傳統走廊

統計圖9冰川走廊和傳統走廊經行不同風險區的面積占比，結果如圖10所示。傳統走廊中冰川滑坡高風險地區面積占3.23%，較高風險區面積占8.34%，中等風險區面積占17.13%；冰川走廊中冰川滑坡高風險區面積為0，較高風險區面積占0.10%，中等風險區面積占1.55%。冰川走廊所處中高風險冰川滑坡區面積均較低，能夠達到“減災”的目的。另外，相比于傳統走廊，冰川走廊完全避開了冰川滑坡高風險區，較高風險區減少98.80%，中等風險區減少90.95%，可有效避免冰川地帶滑坡災害對地面交通線路的潛在威脅。

圖10 不同風險區廊道面積比

4 結論

(1)全球變暖引發的冰川融水會大幅降低土體的力學性能，導致土體內部裂隙逐漸擴張、貫通并促使坡體發生滑移，對冰川滑坡具有顯著的觸發作用。選取最高溫度和包含冰川及寒凍土分類的巖土條件作為分析指標，并結合高程、坡度、坡向、剖面曲率、歸一化植被指數、地震烈度和降雨等指標共同建立冰川滑坡易發指數計算指標體系，可適用于冰川滑坡易發性分析。

(2)利用受災體損毀等級與線路價值損失率間的關聯性，提出冰川滑坡區域地面交通線路易損性指數計算方法，結合冰川滑坡易發性指數求得線路走廊通行風險；并以藏東南冰川滑坡地帶為例，既有路網超過40%的面積位于中等及以上風險區，高風險地區面積占比高達7.64%，冰川滑坡區域的線路及交通安全需引起重視。

(3)提出冰川滑坡區域地面交通線路走廊識別方法，得到的冰川走廊實現了對冰川滑坡高風險區的全繞避，較高風險區比傳統分析方法得到的走廊減少98.80%，中等風險區減少90.95%，中等及以上風險區總經行面積僅占比1.65%，充分說明建立的走廊識別方法的優越性，可為冰川滑坡區域地面交通線路早期規劃與設計提供參考。

(4)提出的線路走廊識別方法在冰川滑坡區域具有良好的減災作用，但在選線設計中還應考慮技術、經濟、環保、舒適、安全等方面的多重復雜因素，在綜合決策的基礎上確定最優的線路走廊方案。