裂点的河流地貌演变效应及铁路选线原则

苏 玥,姚令侃,2,3,魏永幸,黄艺丹,2,3,SARFRAZ Ali

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031；3.西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室,成都 610031； 4.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 5.National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

引言

裂点最早是在1924年由德国地貌学家与地质学家Walther Penck提出[1]，Penck认为正常条件下河流纵剖面应为平滑连续的，而实际在河流纵剖面上往往会出现一些陡缓突变点，这些陡缓突变点称为Knickpunkte(裂点)。裂点的形成和发育主要受到构造活动导致的差异性隆升，冰川、滑坡、崩塌、泥石流堵河等事件的影响[2-4]。针对裂点开展的代表性工作有：Gardner等[5]对裂点的演化类型进行了水槽模型实验，将裂点的演化分为平行后退、移位和倾斜3类；Whipple等[6]提出裂点具有形成后河床会不断向均衡状态调整而溯源迁移的特性；Berline等[7]建立了水力波速模型研究裂点的溯源迁移速率，提出裂点的后退速率随着上游流域面积的不断减小而下降；张会平等[8]对我国望天鹅火山区的裂点分布特征进行了研究，定量计算了裂点后退速率与流域面积的关系。毕丽思等[9]对霍山山前的裂点进行了识别，利用裂点的溯源迁移判断了古地震序列事件的发生时间；刘怀湘、王兆印等[10]通过对河床结构的研究，提出裂点的形成是河床结构发育的结果，河床结构是河流系统自我调节作用的体现，形成了“侵蚀下切—崩塌滑坡—河床结构发育—抑制侵蚀下切—平衡”这一负反馈机制；李文哲、王兆印等[11]通过对阶梯—深潭系统的研究，提出裂点如一个个巨型阶梯—深潭系统，能消耗大量水流能量，防止河床下切导致的两岸山体失稳。以上文献反映了从研究裂点形成条件向其对河流地貌稳定性影响的发展趋势，但讨论对重大工程影响的文献甚少。

中巴经济走廊是“一带一路”倡议的先试区和重点项目区，拟建中巴铁路是其重要组成部分。中巴铁路红其拉普—塔科特段位于中巴经济走廊的北部(图1)，穿过青藏高原西缘，通过世界最年轻的三大山系-喜马拉雅、喀喇昆仑、兴都库什三大山系的交汇区，是世界上地壳隆升最快的地区之一，分布有多条活跃的断裂带，如著名的主喀喇昆仑逆冲断裂(MKT)、洪扎断裂、主地幔断裂(MMT)等，差异性隆升现象突出；高山峡谷区河流深切，崩坍滑坡泥石流等山地灾害发育；特别是铁路行经的喀喇昆仑山脉为全球山谷冰川最发育的区域，冰川堵河的威胁不可忽视；这样的地理环境为裂点的形成创造了有利的条件，因此中巴走廊内裂点分布密集，类型齐全。鉴此，特以中巴经济走廊红其拉普—塔科特段作为研究区，首先基于铁路选线对地貌观测尺度的需求，提出了不同类型裂点的判识方法；然后通过对裂点上下游山地灾害严重性的对比分析，论证了裂点的减灾效应；最后通过对不同类型裂点地貌效应的分析，提出了选线原则。希望为铁路选线合理利用裂点地貌提供具普适性意义的认识，同时为中巴铁路选线线路方案优化提供科技支撑。

图1 研究区域水系、断层、冰川分布

1 裂点及类型的判识方法

裂点在河流纵剖面上主要表现为上凸的异常部位，裂点下游的河道坡度迅速变大，上游随着泥沙淤积往往产生一段平坡段。目前对裂点的规模定义尚无标准，必须首先界定。堵河成因的裂点，实际就是堰塞湖，根据SL450-2009《堰塞湖风险等级划分标准》，具有危险性的堰塞湖最小坝高为15 m；目前我国铁路可以利用的河流最大纵坡约为30‰，此时堰塞湖回淤长度将达500 m，这一尺度反映裂点的地形和减灾效应，对于铁路选线而言尚具工程意义；基于上述两点暂以15 m作为选线研究裂点的规模判据。

图2 选线尺度下裂点提取流程

以中巴铁路红其拉普至塔科特段为例，基于选线阶段可获得的公开资料，本文利用的是在地理空间数据云中下载的30 m DEM数据，利用上文提到的ΔL选取原则使ΔL=110 m，利用MATLAB脚本采用线性插值的方法得到河段长度ΔL为110 m时的落差ΔH，继而得到各个河段的点坡度值为G并绘制整个河段点坡度图，以G＇=0.14(15 m/110 m)为阈值，当G≥0.14时初步提取15个裂点；红其拉普到塔科特段河床平均纵坡d为7.15‰，当坝高不低于15 m时，平坡段长度阈值S＇为2 km(15 m/7.15‰)，将初步识别裂点上游存在不低于2 km平坡段的13个裂点定为选线设计需考察的裂点(图3)。

图3 红其拉普至塔科特点坡度

在裂点类型判识过程中，构造型裂点是指因活动构造断裂带引起的地壳不均匀隆升而形成的裂点，红其拉普至塔科特段断裂带位置确定依据的是巴基斯坦石油与自然资源部提供的沿喀喇昆仑公路工程地质图，共提取喀喇昆仑逆冲断裂、洪扎断裂、主地幔断裂等6条断裂带附近的6个构造型裂点；滑坡堵江形成的裂点为滑坡型裂点，能形成15 m高堰塞坝的滑坡一般需要较大规模，这样会具有明显的地貌特征，可以通过航卫片进行识别，同时往往还能查到相关的文献报道，本文识别的唯一一个滑坡型裂点为2010年发生在巴基斯坦境内Attabad附近的大型山体滑坡堵河所导致的；冰川型裂点是冰川运动伴随着大量固体物质堵塞主河而形成，因此裂点位于大型冰川槽谷的附近，巴基斯坦内的冰川大多成群分布，本文利用航卫片识别了研究区内目前仍有冰川存在的13条冰川槽谷，其中12条分别属于四大冰川群：固加尔帕冰川群(1条)、红其拉普冰川群(1条)、帕苏冰川群(6条)、拉卡波希冰川群(4条)，利用冰川槽谷的形态指数b可以很好的区分槽谷的类型[14]，形态指数b的计算公式为

y=axb

式中，x为冰川槽谷横断面上一点到槽谷最低点的水平距离；y为槽谷横断面上一点到槽谷最低点的垂直距离，通过计算距沟口2 km范围内槽谷断面两侧的形态指数，分别记为b1和b2，存在b1或b2大于1.5的槽谷为“U”形谷，判定是冰川历史上曾到达过主河的地貌标志，最终提取6个冰川型裂点(表1)；泥石流堵河型裂点应位于泥石流沟口附近，且沟口存在大型泥石流堆积扇，可利用航卫片识别，此外还需采用泥石流阻河综合判据进行定量判识[15]。研究区内的13个裂点中并未发现泥石流型裂点。

现对提取的各类裂点进行分析。由于强隆升区断层分布广泛，构造型裂点基本上在整个研究区段均有分布;冰川型裂点主要分布在海拔高度2 000 m以上的高海拔地区；从裂点规模来看，滑坡型裂点规模最大，如Attabad滑坡堵江堰塞坝高在118 m以上[16]；其次为冰川型裂点，裂点上下游平均落差为78 m；构造型裂点的规模较小，平均落差低于40 m。究其原因是，研究区滑坡、冰川堵江都是年代相对较近的且一次性造成堰塞湖的事件，河流改造效果弱，裂点规模较大；而构造运动时间尺度是以千万年计的，在河床坡度出现差异的同时水流运动又在使其平滑化，二者反向作用的综合效应使得裂点规模最小。这一规律也为铁路百年服务期裂点发育的趋势预测提供了科学依据。

表1 冰川型裂点主要参数

2 裂点的减灾效应

裂点一旦形成将引起上游河段的淤积抬升，这对河床地貌形态、河流纵剖面及河床下切均具有控制性作用。河流下切速率的减缓，使得因岸坡失稳导致的崩坍滑坡等灾害的发展趋势得到减轻；更进一步，主河的淤积抬升，意味着支沟的侵蚀基准面抬升，从而也减缓了支沟沟道下切的速率，使得支沟岸坡失稳的趋势减缓，对泥石流灾害也有抑制作用。

本文对沿喀喇昆仑公路(KKH)不同类型裂点上下游5 km范围内的滑坡、泥石流灾害数量进行统计分析(图4)，可以看出6个构造型的裂点中裂点上游灾害数量比下游灾害数量少的裂点个数占了5个，占比为83.3%；6个冰川型的裂点有5个表现为裂点上游的灾害数量小于裂点下游，占比为83.3%；即构造型裂点与冰川型裂点都表现为仅有一个裂点表现为上下游灾害数量相等的现象，其余均表现出了以裂点为分界点在裂点下游灾害数量增多的特征(图5)。裂点上游河段更稳定这一规律，为铁路选线设计区段稳定性的把握增加了新的认识，例如在桥位必选时，选择在裂点上游跨河更为有利。

图4 KKH泥石流、大型滑坡灾害分布示意

图5 构造型裂点统计

3 不同类型裂点的地貌改造效应与选线原则

从对地貌演变影响效应角度，裂点又大体上可归结为构造型裂点与山地灾害堵河而形成的堵河型裂点两类，二者对地貌演变的影响主要体现在河型演变与沿河阶地发育两方面。

3.1 构造型裂点的地貌效应及选线原则

区域性构造活动的影响范围明显大于一般的堵河事件，在宏观上表现为构造型裂点上游向宽谷地貌转变而裂点下游向峡谷地貌发展，上下游的河型呈现出显著的差异。裂点上游河道明显展宽，逐步发育成分叉、辫状河道，裂点下游为单一的蜿蜒型河道。同时构造隆升提升了裂点上游的侵蚀基准面，裂点上游河段相对下游河床下切速率减缓，河道展宽，泥沙沉积作用增强，沉积物上覆在基岩之上，在河流进一步下切之后形成河流相基座阶地，因为构造活动影响范围大，因此形成的河流阶地连续性好。这样构造型裂点上游往往为铁路提供了较大的可利用空间，特别是河流阶地，具有地形平坦连续、地基条件好的特点，为铁路修建大段沿河明线提供了有利条件。

例如，位于线路廊道内Collision Point即“碰撞点”(由巴基斯坦中央喀喇昆仑国家公园提供，位于N36°14′13″，E74°18′15″)附近的构造型裂点与喀喇昆仑逆冲断裂(MKT)有关。大约5 500万年前，印度和欧亚大陆板块沿着穿过碰撞点的边界相撞，巨大的压力迫使地壳弯曲，形成了喀喇昆仑山脉的高耸山脉，如今印度板块仍以每年约5 cm的速度向北推入欧亚大陆，导致山脉每年上升约7 mm。在此长期造山运动作用下，裂点上游开阔的宽谷段地貌与下游深切的峡谷地貌对比明显，裂点上下游落差30多m，裂点上下游5 km的河床平均纵坡由4‰迅速增加到11‰，且裂点上游形成了面积约6 km2的基座型阶地(图6)，成为铁路布线或布设车站的良好地形。

图6 碰撞点上下游地貌演化差异

3.2 山地灾害堵河型裂点的地貌效应与选线策略

堵河型裂点均以堵河并形成堰塞湖为标志性事件，地貌改变主要以堰塞湖效应体现，其影响范围也限制于堰塞湖区域。随着堰塞湖的淤满以及地壳的抬升和河流的不断下切，堰塞湖最终会演变出平坦开阔的湖相沉积地貌；此外随着堰塞湖溃决之后河流下切，裂点上游发育阶地，但河流一般不会下切到基岩，因此形成的多为湖相沉积阶地，少见基座阶地，比一般的河流阶地力学性质差。因此由堰塞湖演变出的平坦地形也是铁路设站或布设大型建筑物的有利地形，但相较于构造性裂点的阶地，堵河型裂点阶地的可利用性较差。

因为滑坡堵江事件一般不会再发生，在铁路百年服务期古滑坡型裂点形成的淤积地貌可视为值得利用的稳定区。如距Skardu[17]下游25 km处的印度河Katzarah滑坡堵河型裂点(图7)，裂点上下游落差90 m以上，裂点上游已淤积出面积达80多km2的大片平地，对铁路大型基地的布设是难得的有利地形。

图7 印度河流域Skardu大型滑坡上游演变为平坦的地形

一般泥石流堵河形成的堰塞坝较易溃决，在水流的作用下很快演变成局部堵河或潜坝的形式，难以形成15 m以上的堰塞坝，如在本研究区就未发现由于泥石流堵河而形成的裂点。但也有特大型泥石流堵河堰塞坝能长期保存的情况，如西藏古乡沟泥石流堵河形成的古乡湖[18]。因为泥石流属每年汛期都可能发生的现象，在铁路百年服务期内对地貌的影响具有不确定性，所以对泥石流形成的裂点地貌一般不建议利用。

3.3 冰川型裂点地貌的利用原则

冰川堵河现象仅存在于冰冻圈地带，冰川型裂点对地貌影响也是以堰塞湖体现的。根据冰川的水热条件和物理性质，可以将青藏高原的冰川分为海洋性冰川和大陆性冰川。前者具有消融量强烈、运动速度快，地质地貌作用强的特点，冰川裂点主要系该类冰川运动造成。在喜马拉雅山南坡和藏东南地区，受印度洋海洋季风的强大影响，冰川物质补给多集中在夏季，因而把这里的冰川称为季风海洋性冰川，拟建川藏铁路、中尼铁路均处于该区域；而高原西部的兴都库什山、西喀喇昆仑山等地受西风环流影响较大，降水集中在冬季，属于地中海型降水，这里分布的冰川被称为地中海型海洋性冰川，拟建中巴铁路位于此。在全球气候变暖、冰川消融的大背景下，季风海洋性冰川普遍处于退缩状态，所形成的冰川地貌为盛冰期时代的产物，铁路均可利用；但在地中海型海洋性冰川区则需慎重。

例如位于地中海型海洋性冰川区的洪扎河流域，历史上曾经历过规模递减的倒数第二次冰期、末次冰期、新冰期和小冰期4次较大冰期，目前正处在第四纪冰期亚间冰期。但巴基斯坦冰川，从小冰期末期(20世纪初期)到现在，冰川变化比较混乱，大部分冰川处于退缩期，但冰川的总规模没有明显减少，甚至部分冰川出现不同程度的前进现象[19]。虽然巴基斯坦冰川具有这种不同于全球冰川变化趋势的特点，我们认为巴基斯坦冰川确实萎缩不明显，但即使出现冰川超常活跃现象，仍不会超过小冰期的规模，鉴此，提出小冰期冰川运动未曾到达过的地段，铁路方可利用的选线原则。

如，距今42ka～52ka的Borit Jheel冰川期(属于末次冰期的早阶段)，由于冰川进入洪扎山谷时阻塞了Gilgit山谷，形成了Gilgit古冰川堰塞湖[20]，经历了长期的淤积作用后最终演变成了沿Gilgit河长度约10 km，面积达21 km2的古冰碛堰塞湖阶地。因为该冰川型裂点形成于大冰期，目前已不会再发生如此规模的冰川运动事件，因此属于可利用的单元。另一个反例为洪扎上游的帕苏冰川群，帕苏冰川群共有6条大型冰川，其中Hassanabad、Pasu、Batura为跃动冰川，在小冰期时都到达过主河。帕苏冰川群所在河段河床淤积严重，形成了落差达80多米的裂点，在上游出现河道明显展宽、河道分叉的现象，右岸已淤积出大片平地，已有当地居民从事植树、建房等(图8)。但在铁路百年服务期内不能排除冰川前进堵河的风险，因此不建议利用。

图8 巴托拉(Batura)冰川堵河裂点上游河道形态

4 结语

(1)以中巴经济走廊红其拉普—塔科特段作为研究区，首先按照铁路选线的精度要求，提出了不同类型裂点的判识方法；然后通过对裂点上下游山地灾害严重性的对比分析，论证了裂点的减灾效应；最后通过对不同类型裂点地貌效应的分析，提出选线原则。希望为中巴铁路定线提供科技支撑。

(2)基于裂点地貌的尺度范围，主要在选线设计局部方案和个体工程布置阶段考虑。裂点上游河段稳定性好，地形开阔，宜多修明线、跨河桥址宜选在上游，车站、维修基地等大型工程也宜布置在上游。而裂点下游多为峡谷地形、且稳定性较差，以隧道工程为宜，同时，需注意河流下切导致谷坡卸荷变形破裂发育现象，隧道宜内移避开谷坡变形改造强烈区域。此外，青藏高原持续抬升引起周边河流快速侵蚀下切，下切引发的山地灾害常常形成堰塞坝，因这类堰塞坝多为松散堆积体，且大石块较多，床面上石块在水流作用下易排列形成具有较大稳定性的床面结构，具有很大的阻力和消减水流能量的作用。自然坝通过发育河床结构消减水流能量稳定河床、控制下切，可以说崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然坝实际上是河流下切负反馈的结果[10]。虽然以上研究集中于讨论裂点上游河段地貌与稳定性方面，但裂点的发育分布实际上将对整个河流的演变产生有利影响，也是反映河流稳定性的指标之一。因此在选线设计原则比选时也是应该考虑的重要因素。

(3)中巴铁路通过的喜马拉雅西部构造结，是世界上地壳最不稳定的地区之一。20世纪50年代，李四光等老一辈地质学家提出了“安全岛”的概念，即在地质不稳定地区可以寻找出适宜建设的稳定地块。在铁路选线传统工作模式中，评价研究区稳定性的信息主要依靠地勘作业获得，本文研究为判断河段稳定状态提供了一种新手段。更进一步，长期以来，如何打通宏观地学理论到工程应用的瓶颈，一直是困扰学术界和工程界的问题，而能否找到二者研究尺度的结合点，是破解此难题的关键。本文基于铁路选线对地貌观测尺度的需求，提出了裂点规模的判据并建立了不同类型裂点的判识方法，即为在此领域的初步探索，企盼产生抛砖引玉之效。