崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链铁路减灾选线策略

王承振,姚令侃,2,3,黄艺丹,2,3,Sarfraz Ali

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 3.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室,成都 610031； 4.National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

在印度板块与亚欧板块的共同作用下，青藏高原经历多次强烈隆升与河流垂直侵蚀作用，因而孕育出高原周缘区第一、第二阶梯面间特殊的地貌、地质、大气降水和地下水等环境，使青藏高原南缘成为全球发生崩塌滑坡堵江事件最密集的地区之一[1-4]。崩塌滑坡堵江形成的堰塞湖灾害链，其危害与防治难度都远大于崩塌滑坡本身[5-7]。这不仅会造成人员伤亡与财产损失，更严重制约着山区交通的畅通，使其经济、社会效益难以发挥。青藏高原南缘近年来发生的崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链危害道路典型的案例分布如图1所示。

图1 青藏高原南缘几大滑坡位置分布

例如，2014年8月因连降暴雨，尼泊尔中尼公路K83+000附近发生滑坡堵江。滑体滑入Bhote Koshi河河床并冲向对岸，堵塞Bhote Koshi河后形成堰塞湖并引起该段多处中小型滑坡。如图2所示。堰塞堆积体最大高度曾达到52 m，造成该段2.5 km既有公路因被严重破坏和淹没而被迫改建，改建项目预计3年完成。

图2 中尼公路K83+000处大型滑坡全貌(中铁二院工程集团有限责任公司提供)

1967年8月29日，川藏公路林芝县排龙乡西距东久乡拉月村3 km处发生特大型高位岩质滑坡——拉月大塌方，如图3所示。东久河川藏公路一侧山体突然发生1.2×107m3以上土石方量的特大山体滑坡，滑坡瞬间将东久河截断。滑坡形成的堰塞坝高达70～90 m，水深达50 m，回水淹没公路近3 km，当场死亡15人，掩埋汽车数十辆，川藏公路因此中断达4个月之久[8]。

图3 拉月大塌方遥感影像(西藏自治区交通厅科学研究所提供)

巴基斯坦喀喇昆仑山和兴都库什山区，历史上发生大型滑坡超过370处，其中滑坡堵塞中巴经济走廊的事件就有9次。最近一次大型滑坡堵江发生在2010年，位于中巴喀喇昆仑公路对岸的阿塔巴德村(Attabad)边。如图4所示。滑坡堵塞Hunza河河谷形成堰塞坝，堰塞湖溢流口高出老河床底约118 m，堰塞湖库容5.0×108m3，回水长度达25 km。湖水淹没中巴喀喇昆仑公路至少20 km并造成25人死亡[9]，公路改建工程项目全长23.66 km，历时3年完成，花费2.7亿美元。

图4 中巴喀喇昆仑公路Attabad滑坡全貌(中国路桥工程有限责任公司提供)

随着国家“十三五”西部深度开发战略的实施和“一带一路”交通基础设施建设的需要，铁路网势必向青藏高原及周边延伸。例如，我国川藏铁路康林段(康定-林芝)已进入可行性研究阶段，在我国《中长期铁路网规划》新颁布的面向“一带一路”国际通道的规划中，日喀则—亚东、喀什—红其拉甫(中巴铁路中国段)、日喀则—吉隆(中尼铁路中国段)等口岸铁路均列入其中。从青藏高原南缘出境通往南亚次大陆是我国尚未从事过铁路建设的区域，我国铁路也缺乏应对崩塌滑坡形成堰塞湖灾害的经验。目前，虽然可以对滑坡堵江危险性地段做出评估[10-13]，但预测堵江的具体地点尚属世界性难题。新建铁路在设计时就针对具有很强不确定性的现象，采用对工程投资影响很大的方案是不合理的，但通过一些选线策略在一定程度上控制堰塞湖风险则具有可操作性；此外，当堰塞湖形成后，通过线路优化设计减少绕湖改建工程投资更是减灾的直接手段；二者均是崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链铁路减灾选线缺一不可的环节。以拟建哈维连至喀什铁路Attabad堰塞湖段为案例，提出既有线灾后绕湖铁路改建工程的选线设计要点，同时探讨在崩塌滑坡堵江高风险区新建铁路的选线设计减灾策略。

1 哈维连至喀什铁路Attabad滑坡堵江段受灾情况介绍

崩塌滑坡堵江给铁路带来的危害包括滑坡堵江后堰塞坝上游水位上涨淹没铁路线路，堰塞坝溃决形成的超常洪水对下游铁路的冲刷，经济上主要体现为灾后为修建绕湖铁路所必须增加的改建工程投资。以下就拟建哈维连至喀什铁路Attabad堰塞湖段受灾案例进行具体分析。

1.1 哈维连至喀什铁路介绍

受国家铁路局委托，中国中铁二院工程集团有限责任公司于2008年按概略定线要求，完成了中巴经济走廊哈维连至喀什段新建铁路的线路设计。该条铁路是一条以货运为主、兼顾客运的客货共线铁路，线路总趋势是北高南低，为适应地形，线路几乎是单边紧坡北上。除哈维连段地势相对平缓开阔外，其余地段均为地形起伏剧烈、复杂艰险的高、中山。在这些山区中，受到地形条件的限制，铁路沿印度河及其支流Hunza河的河谷进行展布，常常穿越在水流湍急、山高谷深、陡崖峭壁、交通不便的峡谷[14]。该铁路采用国内客货共线铁路I级线路设计标准设计(表1)。

表1 哈维连至喀什拟建铁路主要技术标准

1.2 Attabad滑坡堰塞湖对既有铁路的影响

Attabad滑坡堵后，设计部门未对原设计方案进行修改。从研究角度，特假定该铁路在滑坡前已经修建，从而可以按“既有线”被毁，研究既有线灾后改建工程的选线设计要点，并进一步总结出崩塌滑坡堵江高风险区新建铁路的选线设计减灾策略。

由于该滑坡规模巨大，又处于交通不便、人迹罕至的山区，Attabad堰塞湖的泄洪工作开展艰难。至2010年11月，堰塞湖湖区水位上涨至最高点2 432 m，后采取了爆破等措施开挖溢流口，水位下降约30 m，所留下的堰塞湖水位无法再降低，因此可视为永久性问题。被永久淹没的线路起于K502+000处，终止于K519+000处，淹没里程达17 km，其中包含2个中间站(Niabad站、Shiakat站)，故必须进行改线。

2 绕湖铁路设计方案介绍

绕湖铁路改建工程设计的原则是，在保证改建工程达到原设计运输能力要求的前提下，尽量减少改建工程投资。以车站为分界点将改建工程分为3段进行设计，分别介绍设计思路。

2.1 车站位置的重新选择

堰塞湖的影响范围分为3个区间，涉及4个车站，其中两个端头站(Passu站、Niabad站)保留。改建线路设计首先面临中间两个被淹没车站(原Shishkat站、原Niabad站)的重新选址问题。湖区水位上涨后，新建Shishkat站移至上游河流阶地，设站位置高于原站70 m；新建Niabad站向靠山一侧平移，高度提高了40 m，因地形限制只能在山体隧道内设站，并将中间站改为会让站。车站位置定好后参照相关铁路线路设计标准进行平纵断面设计。线路方案如图5所示。

图5 Attabad堰塞湖湖区既有线与改建铁路示意

2.2 Passu站至新建Shishkat站线路设计思路

Passu站至新建Shishkat站长约10 km，改建线路尚未到达堰塞湖湖区。该段既有线沿Hunza河左侧山体行进，全程用足双机坡度(20‰)单向下坡，工程以隧道桥梁形式为主。既有线在行至Passu站至下游6 km处，线路下降至与新建Shishkat站相同高程。选择此位置作为改建工程的起点，之后改建线路采用平坡到达新建Shishkat站，平面位置与既有线接近。

2.3 新建Shishkat站至新建Niabad站线路设计思路

新建Shishkat站至新建Niabad站长约10 km，改建线路位于堰塞湖湖区。既有线在经过此区域时，线路利用河流阶地全程用足限制坡度(10‰)单向下坡，工程上以路基、桥梁形式为主。发生滑坡堵江后，既有线路全部被淹没，铁路需重新选线。由于堰塞湖已基本保持稳定，在改建时参考了国内水库地区铁路选线设计要求[15]：线路在高程上需要考虑到湖水水位变化、地下水壅升、淤积等因素；在平面上需要考虑绕避坍岸范围。改建线路自新建Shishkat站起，纵断面为保持高于湖区最高水位10 m的平坡，在进入山体后选择双机坡度下降高程，线路平面为绕避堰塞湖沿湖区左岸向外侧平移。

2.4 新建Niabad站至Nagar站线路设计思路

新建Niabad站至Nagar站长约10 km，改建线路自新建Niabad站出发，已离开堰塞湖湖区。既有线在经过此区域时，用足双机坡度由Hunza河流域修建长隧进入其支流Nagar河流域，然后顺Nagar河再次进入Hunza河流域。既有线在跨越Nagar河时，采用了跨径480 m、桥墩高度60 m的大桥1座。新建Niabad站与原Niabad站相比，虽然平面位置变化不大，但高程增加40 m，若仍采用双机坡度，无法以短直方案下降至既有Nagar站。为此，设计了3个比较方案，其中方案1、方案2为展线方案，方案3为提高加力牵引坡度的短直方案。线路方案如图6所示。

图6 堰塞湖湖区下游改建铁路与既有线接线方案

方案1设计思路如下。

尽量利用既有线，特别是重大工程，是减少改建工程投资的重要手段。方案1考虑利用原Nagar河跨河大桥。大桥Sost端与新建Niabad站间航距8.0 km，高差160 m，改建线路采用双机坡度时，展线系数达到1.2才能与桥梁接轨。改建线路以新建Niabad站和下游既有跨河桥梁Sost端作为控制点，有意选择利用Hunza河左侧横坡较缓的一处山坡布线。此段改建线路分为3部分，线路在出新建Niabad站后，先穿越山体到达Hunza河左侧山坡，再沿山坡以路基形式布线1.7 km，最后由Hunza河流域通过隧道进入Nagar河流域与大桥Sost端连接。若采用该方案，需要修建的最长隧道(包含新建Niabad车站之前的一段隧道)为9.2 km。

方案2设计思路如下。

由于Nagar站上游河流左侧存在一处较平坦地形，方案2考虑对此进行利用后必须放弃Nagar跨河大桥。以Nagar站与新建Niabad站作为控制点，航距9.0 km，高差180 m，若仍采用双机坡度，线路展线系数需要达到1.2。方案2以新建Niabad站和下游Nagar站为控制点，改建线路分为两部分，由Hunza河流域修建长隧进入其支流Nagar河流域，然后在距既有线桥位上游2.5 km处新修跨河桥到达Nagar河左岸，最后以路基工程到达Nagar站。若采用该方案，需要修建的最长隧道(包含新建Niabad车站之前的一段隧道)为12.37 km。

方案3设计思路如下。

仍考虑利用原Nagar河跨河大桥，以大桥Sost端与新建Niabad站为控制点，若选择三机坡度(25‰)可采用短直方案。因此，方案3线路出新建Niabad站后直接与大桥Sost端连接。若采用该方案，需要修建的最长隧道(包含新建Niabad车站之前的一段隧道)为13.66 km。

3个改建方案工程数量统计如表2所示，下面对3个方案进行讨论。

表2 3个改建方案工程数量统计

方案1：该方案由于利用了既有工程，改建工程投资排第二位；主要技术标准与邻近线路保持一致，不会增加运营成本。

方案2：该方案由于未利用既有工程，导致改建工程投资最大(与方案1相比，工程投资增加11%)；主要技术标准与邻近线路保持一致，不会增加运营成本；虽然新建工程中路基比例比其他方案高，但需要新建一座技术难度较大的跨河特大桥(886 m曲线特大桥)。

方案3：该方案也利用了既有工程，同时采用了三机坡度，体现了以移动设备适应地形的思想，所以改建工程投资最低(与方案1相比，工程投资减少7%)；但是改建后采用三机坡度改变了既有线的主要技术标准，这样虽然节省了土建工程投资，但是将导致运营费用增加。所以，除非在临近地段也有采用三机坡度的情况，一般情况下不可取。

在3个比选方案中，方案1投资适中；设计技术标准前后一致，运营成本不增加；最长隧道长度最短，有利于降低施工难度，缩短施工周期。综上，决定以方案1为推荐方案。

3 灾后改建线路设计要点与新建铁路减灾选线设计策略

以中巴经济走廊拟建哈维连至喀什铁路Attabad堰塞湖段改建工程为案例，总结出灾后铁路改建工程的选线要点，同时针对崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链高风险区提出新建铁路减灾选线策略。

既有线灾后绕湖铁路改建选线设计要点如下。

(1)对于已成堰塞湖，首先要考虑尽早在水位较低时通过开挖溢流口甚至修建引水隧洞等措施[16-19]，降低堰塞湖水位甚至排干堰塞湖。一般溢流口开挖的难度随深度增加而增加，如Attabad堰塞湖溢流口开挖深度达30 m后就无法继续开挖。从改建工程选线角度，应分析水位下降后出露地面区域的地形条件，若存在河流阶地等选线有利地形时，可以有利地形高度控制溢流口开挖深度。

(2)当必须通过改线工程绕避堰塞湖时，应尽量利用既有工程，尤其是长大桥梁隧道、车站等重大工程。

(3)山区峡谷段通常为铁路紧坡地段，改建工程在绕避堰塞湖时会大幅度高于既有线。因此，改建线路在离开湖区后应就近利用有利地形集中展线，尽快与既有线接轨以减少改建工程投资。

(4)纵坡是影响改建工程投资的重要因素。某些情况下，提高限制坡度也是节省改建工程投资的有效手段。

崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链高风险区新建铁路减灾选线策略如下。

(1)提倡高位选线：山区沿河线一般线位越低、投资越省，但抗灾能力越弱；反之线位越高、投资越大，但抗灾能力越强。在改革开放之前，我国经济基础薄弱，铁路为了降低工程造价，通常利用低阶地走沿河低线以减少桥隧工程投资。但以东川铁路支线为案例的分析表明，从全生命周期来看，高线位方案在安全性和经济性上都更加合理[20]。因此，在山地灾害严重的山区，沿河线尤其是在峡谷段提倡走高线位方案，不仅可减少常见山地灾害，也是从源头上控制滑坡堵江堰塞湖灾害链风险的有力措施。

(2)酌情预留采取提高限坡措施的条件：从上述改建工程案例可知，纵坡标准对改建工程投资的影响显著。新建铁路设计时，一般会采用与地面平均自然纵坡陡峻地段相适应的较大限制坡度。但在崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链高风险区，尽量避免将限坡取到地形和牵引条件允许的极限值，而酌情预留一定的调整空间。这样一旦发生堰塞湖灾害，具有采取提高限坡措施的条件，从而有效地减少改建工程投资。

(3)尽量不跨河：新建铁路在沿河谷进行线位设计时，为了交替利用左右岸较好的地形和地质条件，跨河改变岸侧是常用的手段。发生崩塌滑坡堵江事件后，无论是堰塞坝上游淹没还是溃坝洪水都会首先危及到跨河桥梁的安全。因此在崩塌滑坡堵江堰塞湖灾害链高风险区，新建线路应尽量不跨河，少换岸侧。