冰川滑坡区域地面交通线路走廊识别

曾 勇,贺 燚,龚 雷,单海东,宋洪锐

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

引言

随着“一带一路”倡议和“交通强国”战略不断实施，我国中西部地区交通路网规模持续扩大，各等级铁路、公路陆续开始在西部复杂艰险山区进行规划建设[1]。我国西部高原地形复杂多变，地势起伏大，岩体风化程度高，导致滑坡等地质灾害极为发育[2]，为山区地面交通线路规划与设计带来巨大挑战。丰沛的降水、广布的冰川及寒冻土，为冰川滑坡等特殊地质灾害提供了孕育条件[3-4]，仅针对一般滑坡地段的地质选线方法已难以有效规避相关风险。因此，当地面交通线路需穿越危害大、分布广的冰川滑坡地带时，为得到线路安全走廊，应首先进行相关灾害易发性分析，进而建立一种能够实现“防灾减灾”目标的线路走廊识别方法，对于高海拔山区地面交通线路规划、建设及后期运营的安全性具有重要意义。

滑坡易发性分析是艰险山区地面交通线路走廊识别的基础。目前，国内外学者基于GIS平台对一般滑坡的易发性做了大量研究。DEVKOTA[5]利用航拍影像和实地调查数据，分析了尼泊尔中部山区历史滑坡的成因，选取地形、断层及土地利用等12个指标，建立滑坡易发性评估体系；王佳佳[6]基于滑坡与指标因素相关性分析结果，选取地形、河流及土地利用等7项指标对山峡库区滑坡进行易发性评估，精度达87%；BUDIMIR[7]通过整理全球范围的滑坡易发性评估模型，建立滑坡显著因素数据库，得出不同类型滑坡发生的影响因素差异较大，但坡度与各类滑坡关系密切；郭子正等[8]针对不同的滑坡特征将区域滑坡分为2类，建立2套不同的评估指标体系。但上述关于滑坡易发性研究均未考虑冰川因素的影响。

在地质选线方面，杜宇本[9]根据成兰铁路沿线地质地形条件进行方案比选，总结得出地质选线定线原则；张志亮[10]针对西成铁路沿线高压气藏及软岩大变形等特殊地质问题，提出相应的选线策略；张驰[11]通过建立冻土病害危险度计算模型，确立青藏高原多年冻土区公路选线方法；杨宗佶[12]基于滑坡危险性区划，实现了川藏铁路局部路段的方案比选；宋陶然[13-14]将滑坡、崩塌和地震等灾害的风险评估模型与成本模型结合，建立了铁路线路风险-成本双目标优化模型；蒲浩[15]提出了一种地质灾害区分类方法，对铁路线路风险-成本双目标优化模型进行了补充和完善。上述文献表明，当前地质选线研究对象多为高等级铁路和公路，研究成果往往以定性化的选线原则和建议为主，对于定量化分析方法研究不多，而对于冰川滑坡地段的交通选线问题研究则更为少见。

因此，首先基于冰川地带滑坡发生机理，确定冰川滑坡易发性指标；然后，基于GIS技术并运用指标叠加法和层次分析法，建立冰川地带滑坡易发性指数计算方法；最后，以地面交通线路防灾减灾为目标，提出冰川滑坡地带地面交通走廊识别方法，并通过案例验证方法可行性。

1 冰川滑坡易发指数计算

1.1 冰川地带滑坡机理分析

相关研究表明，全球变暖正使得山体滑坡的风险显著增加[16]。不同于受重力作用的土坡失稳，冰川滑坡主要表现为冻融过程中斜坡土体的力学性能不断降低，部分融化的冰水混合物裹挟坡面土颗粒质点加速向下滑移。在持续冻融循环作用下，土颗粒质点会沿最大融深冻胀前坡面滑动，引起质点之间的相对位移，从而导致其内部裂隙逐渐扩张、贯通，土体体积进一步膨胀的时效响应特征，如图1所示。土颗粒质点P1冻胀后沿垂直坡面方向移动至P2，升温沿铅垂方向融沉时，受沿坡面下滑的泥流作用影响，移动至P3，继续沿竖向融沉过程中，由于质点间的相互碰撞形成摩擦阻力，最终使其偏离铅垂方向移动至P4，其中，G为泥流融化向下滑动的融沉位移，R为层间摩阻引起的回退位移[17]。由此可知，温度上升带来冰川融水对冰川滑坡具有显著的触发作用，温度变化是冰川滑坡易发性分析的重要指标之一。同时，地形坡度、植被覆盖条件及融水程度等多重因素影响着质点位移的具体距离，在宏观上决定了滑坡的规模，在指标体系的建立过程中应重点考虑。

图1 斜坡质点迁移示意

不仅如此，地表裸露冰川受热融化后，融水受重力作用下渗、集聚，下部土体被润湿后处于饱和或过饱和状态，形成孔隙水压的浮托作用，使得土体强度不断降低；同时，内部滞水的润滑作用会引起地下冰面摩擦系数显著降低，导致土体极易在地震动或降雨作用下沿冰面向下滑动，将势能转换为动能高速滑落。斜坡上部土体滑落后，原地下冰面暴露会继续融化，为新的滑坡提供孕育条件，如此循环往复，为邻近设施带来长期安全威胁。因此，土体中冰层及寒冻土含量是推动冰川滑坡持续发生的重要因素，应在岩土条件因素中加以考虑。另外，地形条件、土壤类型等因素对坡体抗滑度有重要影响，而降雨量、坡向、地震烈度等则是外界对坡体扰动的主要因素。

1.2 冰川滑坡易发性分析指标

易发性分析指标的选取往往决定了冰川滑坡易发性分析有效性。从冰川地带滑坡发生机理出发，充分考虑土体内部因素和外部扰动因素对冰川滑坡易发性的影响，主要从外界触发条件、地形地貌、环境条件3个方面出发，选取高程、坡度、坡向、剖面曲率、岩土条件、归一化植被指数、地震烈度、年降雨量和最高温度共9层指标，构建冰川滑坡易发性分析指标体系。其中，岩土条件、地震烈度、年降雨量和最高温度等指标值主要通过现场观测确定，高程、坡度、坡向和剖面曲率等指标值通过数字高程模型获得，归一化植被指数值则由卫星遥感影像分析得到，如图2所示。

图2 冰川滑坡易发性分析指标体系

1.3 冰川滑坡易发指数计算

冰川滑坡易发性采用相关易发指数进行表示。在确定冰川滑坡易发性分析指标体系后，冰川滑坡易发指数利用式(1)进行计算。

(1)

式中，P为冰川滑坡易发指数；yi为第i层指标取值；λi为第i层指标对应的权重值，采用专家调查法和层次分析法研究确定。

计算冰川滑坡易发指数时，首先，应利用式(2)对各层指标值进行归一化处理，以减小量纲影响，使数据更具可比性；然后，将每层带权指标分别利用GIS图层进行表示，并划分为多个精细栅格；之后，再利用指标叠加法将GIS图层依次叠加；最后，即可形成研究区域冰川滑坡易发指数分布图，如图3所示。

(2)

式中，X*为各层指标归一值；X为各层指标原始取值；Xmax为各层指标原始最大值；Xmin为各层指标原始最小值。

图3 冰川滑坡易发指数分布

滑坡易发指数分级不但需保持图面各级重量感均衡，且应能清晰反映其分布特征。采用自然断点法[18]，在保证级内数值差异较小的同时可兼顾量值重量感均衡，通过不断迭代计算，将研究区分为高易发区、较高易发区、一般易发区、较低易发区和低易发区，形成研究区冰川滑坡易发程度分布图，为地面交通走廊识别提供条件和依据。

2 冰川滑坡区域线路走廊识别

冰川滑坡区域线路走廊识别的具体流程如图4所示。

图4 冰川滑坡地带地面交通线路走廊识别流程

首先，基于提出的冰川滑坡易发指数计算方法及指标体系，结合GIS技术计算得到冰川滑坡易发指数分布图层；其次，根据现有风险计算方法和滑坡易发指数得到走廊通行风险，进而获得起点与终点的风险距离；之后，运用廊道分析方法计算得出区域内环状累积风险分布；最后，选取阈值并检验廊道宽度及通行区域的合理性，形成带状地面交通线路走廊。

2.1 走廊通行风险计算

冰川滑坡易发指数体现了滑坡的危险性，但滑坡的危险性并不完全等同于线路走廊通行滑坡区域时面临的风险，走廊通行风险可考虑采用联合国公布的灾害风险评估模型[19]，如式(3)所示。

R=H×V

(3)

式中，R为走廊通行风险；H为滑坡危险性，用冰川滑坡易发指数表示；V为结构易损性，用地面线路易损指数表示，V可通过依据受灾体损毁等级与线路价值损失率间关联性[20]建立的其与冰川滑坡易发指数H之间函数关系得到，如图5所示。

图5 V与H关系曲线

在图5中，当H∈[0，15)时，普通损失水平下的地面线路易损指数V1可由式(4)计算。

V1=(1.602H2-4.608H)×10-2+0.034

(4)

当H∈[15，70]时，较高损失水平下的地面线路易损指数V2可由式(5)计算。

V2=-9.619 08H3×10-4+0.120 25H2-

2.704 43H+19.98

(5)

当H∈(70，100]时，高损失水平下的地面线路易损指数V3可由式(6)计算。

V3=-0.012 5H2+2.455H-20.55

(6)

通过式(4)～式(6)计算出不同冰川滑坡易发指数对应的地面线路易损指数后，可依据式(3)求得区域走廊通行风险。此外，为使线路绕避冰川滑坡高风险区域，利用自然断点法对区域走廊通行风险分级后，高风险区风险值应在原有取值基础上乘以较大的惩罚系数，本文分析时取20。

2.2 风险距离计算

在冰川滑坡灾害区，采用风险距离表达区域内指定点到其他点的走廊通行风险总和。任意指定点Si，到其余点的最小风险距离计算程式如下。

①对区域中所有顶点编号，创建指定顶点Si的临近顶点集合U，将所有与指定顶点Si相邻的顶点加入U，生成Si的邻接矩阵A，如式(7)所示。

(7)

②建立由Si出发且已找到最小风险距离的顶点集合T，初始化后将起点加入T，即：T={Si}。从Si出发至任意顶点Sa的最小风险距离记为Da。

④新增与T中任意两顶点相邻且存在于U的顶点Sk，计算各条不同路径的风险距离，若

(8)

则

(9)

⑤更新T={Si，Sm，Sk}，重复步骤④，直至U中所有顶点加入T；将区域内不属于T且与T中任意顶点存在相邻关系的顶点加入U。

⑥重复步骤⑤，直至T中包含区域内所有顶点，区域中指定点到其余点的最小风险距离即可求得。

以线路起、终点分别作为指定点，根据最小风险距离计算程式，即能得到起、终点的最小风险距离。

2.3 廊道分析

最小风险距离仅能表达从起点到终点面临的走廊通行风险累积最小值，无法展示最小风险距离下的实际路径。因此，需运用廊道分析方法计算每个点位到起、终点的最小风险距离之和，如式(10)所示，形成以起、终点连线为中心的环状累积风险分布图。

(10)

在环状累积风险分布图中，走廊宽度与累积风险值呈正相关，需通过选取阈值实现二者的平衡。

2.4 阈值选取

扩大走廊宽度可为多目标选线提供更为丰富的选择，但也会囊括更多的冰川滑坡高易发区域，威胁线路通行安全。因此，阈值选取应兼顾地质风险与走廊宽度需要，并以最小累积风险为依据，具体取值范围如式(11)所示。

Fmin≤F≤KFmin

(11)

式中，Fmin为起、终点间最小累积风险；F为走廊阈值，一般情况下取范围内最大值；K为安全系数，主要根据走廊内高危区面积随走廊宽度增加的变化情况确定；例如，当走廊宽度取30～90 m时，经过反复试验分析，K的取值范围为[1.000 2，1.000 3]。

3 案例分析

选择藏东南地区作为研究区，区域内地势险要，地质条件复杂，冰川广布，各类滑坡极为发育。根据冰川滑坡易发指数计算指标体系和计算模型要求收集区域内的相关资料，对获得的各层指标值进行归一化处理，并利用层次分析法构造判断矩阵，得到各指标权值系数，如表1所示。

表1 研究区冰川滑坡易发性分析各层级权值排序

根据式(1)将各指标因子叠加，形成研究区冰川滑坡易发指数分布图层，并依据自然断点法进行分级，分析结果如图6所示。

图6 研究区冰川滑坡易发指数分布

通过式(4)～式(6)计算出不同冰川滑坡易发指数对应的地面线路易损指数，再利用式(3)求得区域走廊通行风险并进行分级，结合分析选定的高风险区惩罚系数，得出研究区走廊通行风险分布图；确定走廊起点和终点，依据风险距离计算程式获得区域的最小风险距离；然后，运用廊道分析形成两点间的环状累积风险分布，根据30～90 m的目标宽度取安全系数K为1.000 25，由式(11)按一般情况选定相应阈值，可得到冰川滑坡区域地面交通线路走廊(后文称为冰川走廊)，如图7所示。

图7 研究区冰川走廊与既有路网

由图7可知，冰川走廊东北段、中段与既有路网较为接近，但局部仍经过较高及高风险区，为线路的安全通行带来较大威胁，需进一步调整改善。走廊西南段与既有路网形成较大差距，一方面是由于区域内人口稀疏，路网建设尚未完善，且走廊走向与人口分布带方向相异；另一方面则由于当前没有成熟可行的线路走廊识别方法，仅能通过远距离的绕行避开冰川滑坡高风险区，但在绕行过程中仍面临着冰川滑坡带来的各种危险。

统计冰川走廊和既有路网经行各风险区的面积占比，如图8所示。既有路网中冰川滑坡高风险地区面积占7.64%，较高风险区面积占16.83%，所有中等及以上风险区面积占比超过40%。而冰川走廊所有中等及以上风险区经行面积仅占1.65%，大幅降低了冰川滑坡对地面线路的潜在危害，显著提高了地面线路通行冰川滑坡区域时的安全性。

图8 不同风险区既有路网与冰川廊道面积比

为进一步论证文中所建立方法的合理性，采用传统滑坡分析方法[21]确定线路走廊，并将文中方法分析结果进行对比。利用未考虑冰川因素影响的传统滑坡分析方法得到地面交通线路走廊(后文称为传统走廊)，如图9所示。

图9 研究区冰川走廊与传统走廊

统计图9冰川走廊和传统走廊经行不同风险区的面积占比，结果如图10所示。传统走廊中冰川滑坡高风险地区面积占3.23%，较高风险区面积占8.34%，中等风险区面积占17.13%；冰川走廊中冰川滑坡高风险区面积为0，较高风险区面积占0.10%，中等风险区面积占1.55%。冰川走廊所处中高风险冰川滑坡区面积均较低，能够达到“减灾”的目的。另外，相比于传统走廊，冰川走廊完全避开了冰川滑坡高风险区，较高风险区减少98.80%，中等风险区减少90.95%，可有效避免冰川地带滑坡灾害对地面交通线路的潜在威胁。

图10 不同风险区廊道面积比

4 结论

(1)全球变暖引发的冰川融水会大幅降低土体的力学性能，导致土体内部裂隙逐渐扩张、贯通并促使坡体发生滑移，对冰川滑坡具有显著的触发作用。选取最高温度和包含冰川及寒冻土分类的岩土条件作为分析指标，并结合高程、坡度、坡向、剖面曲率、归一化植被指数、地震烈度和降雨等指标共同建立冰川滑坡易发指数计算指标体系，可适用于冰川滑坡易发性分析。

(2)利用受灾体损毁等级与线路价值损失率间的关联性，提出冰川滑坡区域地面交通线路易损性指数计算方法，结合冰川滑坡易发性指数求得线路走廊通行风险；并以藏东南冰川滑坡地带为例，既有路网超过40%的面积位于中等及以上风险区，高风险地区面积占比高达7.64%，冰川滑坡区域的线路及交通安全需引起重视。

(3)提出冰川滑坡区域地面交通线路走廊识别方法，得到的冰川走廊实现了对冰川滑坡高风险区的全绕避，较高风险区比传统分析方法得到的走廊减少98.80%，中等风险区减少90.95%，中等及以上风险区总经行面积仅占比1.65%，充分说明建立的走廊识别方法的优越性，可为冰川滑坡区域地面交通线路早期规划与设计提供参考。

(4)提出的线路走廊识别方法在冰川滑坡区域具有良好的减灾作用，但在选线设计中还应考虑技术、经济、环保、舒适、安全等方面的多重复杂因素，在综合决策的基础上确定最优的线路走廊方案。