青藏高原工程地质稳定性分区及工程扰动灾害分布浅析*

祁生文 李永超 宋帅华 兰恒星 马凤山 李志清 陈晓清 崔振东 张路青 刘春玲 陈卫忠 邹 宇 唐凤娇 鲁 晓 郭松峰

(①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)(②中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)(③中国科学院大学，地球与行星科学学院，北京 100049，中国)(④长安大学，西安 710064，中国)(⑤中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101，中国)(⑥中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041，中国)(⑦中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083，中国)(⑧中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071，中国)

0 引 言

近些年，随着西部大开发、“一带一路”倡议等相继实施，一些重大工程例如青藏铁路、西电东送、西气东输、CZ铁路等相继在青藏高原及周边地区上马，高原上工程活动日趋频繁。作为地球的第三极，青藏高原隆升强烈，区内构造运动活跃，地质条件复杂，生态环境脆弱。为保障重大工程的安全建设与运营，同时避免对生态环境造成破坏，在进行工程建设时，需要合理地选择场址或路线。工程地质稳定性分区是指将工程地质条件与特性相似的区域划分为独立的单元或系统，从而为区域土地利用以及工程设计提供参考(Ondrasik et al.，1992)。开展工程地质稳定性分区评价，深化地质环境认识，不仅可有效降低工程受自然灾害的影响，还可以减少由工程所引发的灾害，对工程的安全建设与运营具有重要意义，因此早在1979年的全国第一次工程地质学术会议上，地质工作者就开始呼吁开展工程地质稳定性分区研究(张倬元，1982)。刘国昌于1959年发表《中国工程地质分区原则》一文，系统地论述了工程地质稳定性分区的依据、目的以及原则，并根据大地构造、新大地构造以及地貌活动将我国划分为28个地域及11个副地域。此后，工程地质稳定性分区在我国得到发展，冯希杰等(1986)、王思敬等(1990)、Shang et al.(1998，2000)，聂洪峰等(2002)、张永军等(2014)、黄艺丹等(2020)、姚鑫等(2021)采用不同的方法、手段及评价指标，对我国的重庆、兰州等区域以及金川矿区、某公路然乌—鲁朗段等工程进行了工程地质稳定性分区研究，相关工作的开展，为我国工程建设的顺利进行提供了有力保障。

工程地质稳定性分区可以帮助选择工程建设场址，规避风险，但是工程建设中以及建设后工程扰动灾害仍然不可避免。工程扰动灾害，顾名思义，是指由工程的建设或者运营对工程附近区域造成扰动，导致岩土体破坏形成危害人类及环境的灾害，如水库蓄水后，常常会诱发库岸崩塌或者滑坡。张咸恭等(1990)根据灾害发生机理将工程扰动灾害分为由移动土石活动(如修路、采矿、兴建城市、开发能源等)引起、移动地下流体活动(如抽取地下水、开采石油、抬升地下水位等)引起、触发性诱发地质灾害如水库诱发地震、注水诱发地震及一些超大型滑坡以及工程失事造成的灾害如水库决堤。通过收集大量的实例，唐春安(2004)对东北矿区开采诱发的工程扰动灾害进行研究，主要包括边坡滑移、地面沉陷、岩爆、冲击地压、突水、突气等灾害。彭建兵等(2020)在进行黄土高原滑坡研究时，指出工程扰动会造成黄土边坡应力状态的改变，导致结构面扩展或松动，成为诱发地质灾害的一种重要地质营力。

一般地，工程地质稳定性分区的划分工作考虑的指标包括地质构造、新构造运动、地形地貌、气候水文、构造应力场、地震烈度、岩性、物理地质现象等(刘国昌，1993；聂洪峰等，2002；祁生文等，2010；罗路广等，2021)，由于这些指标对于工程扰动灾害有不同程度的影响(祁生文等，2009)，因此不同工程地质稳定性分区，其工程扰动灾害的频度、规模也有所差异。但是目前，尚未见工程地质稳定性分区与工程扰动灾害之间关系的探讨。

本文以全新世大型活动断裂及地形地貌因素为主要控制因子，利用模糊数学方法开展了青藏高原工程地质稳定性分区评价，并绘制了青藏高原工程地质稳定性分区评价图。在现场调查、遥感解译的基础上，建立了青藏高原全区重大工程扰动灾害数据库，结合工程扰动灾害的空间分布情况，初步探讨工程地质稳定性分区与工程扰动灾害之间的关系，从而为青藏高原上重大工程建设的选址及灾害的预防提供指导。

1 青藏高原地理地质条件概述

1.1 大地构造背景

青藏高原自早古生代以来，经历了原特提斯洋—古特提斯洋—新特提斯洋的多期次洋盆演化，形成了一系列不同时代的岛弧、海沟以及蛇绿混杂岩带(潘裕生等，1998)。在青藏高原内部形成了5条近东西走向展布、规模巨大的蛇绿混杂岩带，自北向南分别为西昆仑-阿尔金-北祁连蛇绿混杂岩带(QLS)，阿尼玛卿-南昆仑蛇绿混杂岩带(SKS)，可可西里-金沙江蛇绿混杂岩带(HJS)，班公-怒江蛇绿混杂岩带(BNS)，雅鲁藏布江蛇绿混杂岩带(YZS)。在各蛇绿混杂岩带之间则发育相对稳定的构造块体或地体(李廷栋等，1996)。

大部分学者以最晚缝合的雅鲁藏布蛇绿混杂岩带(YZS)为界，将其北部划分为亚洲大陆，自北向南依次为昆仑-祁连、松潘-甘孜、羌塘、拉萨等地块，缝合带南部为印度大陆，主要由喜马拉雅地块组成(吴福元等，2008)。青藏高原最北端的昆仑-祁连地体与塔里木-华北克拉通之间以阿尔金-北祁连蛇绿混杂岩带(QLS)为界限，昆仑-祁连地块由一系列古生代岛弧所构成，目前该地块多被划分为北祁连、中祁连和南祁连3个亚地块；松潘-甘孜地块北以阿尼玛卿蛇绿混杂岩带，南以金沙江蛇绿混杂岩带分别与祁连山和羌塘地块相接，区内地质体主要为三叠纪的碎屑沉积构造；羌塘地块南以班公湖-怒江蛇绿混杂岩带，北以金沙江蛇绿混杂岩带分别与拉萨和松潘-甘孜地块相接触。羌塘地块中部主要为侏罗纪地层，并发育晚古生代浅海相沉积岩，同时发育喀喇昆仑和江达花岗岩；拉萨地块南以雅鲁藏布江蛇绿混杂岩带，北以班公湖-怒江蛇绿混杂岩带为界，以大量发育中-新生代火成岩为特征，如冈底斯花岗岩和林子宗火山岩等；雅鲁藏布江蛇绿混杂岩以南为印度板块，主要由一系列北倾断层所围限的地块构成，自北向南依次为特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和印度地块等(图1)。

图1 青藏高原大地构造单元划分(据Decelles et al.(2002)，吴福元等(2008)修改)

1.2 气象水文

青藏高原是世界上平均海拔最高、面积最大、地形最为复杂的高原之一，被称为“地球第三极”，大气相对同纬度低海拔地区较为稀薄，气候随高原内地形地貌的差异变化较大。青藏高原隆升形成高大的屏障，可以通过对大气层的动力、热力和摩擦作用显著影响东亚气候格局及北半球大气环流(樊威伟等，2021)。在青藏高原动力和热力作用的季节变化影响下，形成了以高原大小为尺度的区域性环流-高原季风环流。青藏高原的动力和热力作用是形成高原独特气候的重要原因，冬季形成青藏冷高压，夏季形成青藏热低压(钱永甫等，2002)。

青藏高原是地球上中低纬度地区最大冻土岛的冰川作用中心，冰川和冻土发育较多，冰川覆盖面积约4.9×104km2，占全国冰川总面积的80%以上。现代冰川主要集中在念青唐古拉山、喜马拉雅山中段、西昆仑山、喀喇昆仑山和祁连山等地。青藏高原降水量偏少，大部分地区年降水量在1000mm以下，降水趋势从东南向西北逐渐减少(莫申国等，2004)。青藏高原南部与东部的边缘山区河网密集，水力资源丰富，河流侵蚀切割强烈；高原内部河网稀疏，季节性河流居多(《中国大百科全书》总编辑委员会，2009)。高原上湖泊总面积约3.2×104km2，尤以藏北内流区的湖泊面积大，数量多。青藏高原及周边地区孕育着黄河、长江、恒河、澜沧江、印度河、萨尔温江和伊洛瓦底江等亚洲的重要河流，被称为“亚洲水塔”(郑度等，2006)。

1.3 地形地貌

新生代以来，印度板块与欧亚板块的俯冲-增生碰撞作用，导致青藏高原发生强烈的挤压缩短，地壳增厚以及巨量隆升，形成了世界上面积最大、海拔最高的大陆高原。青藏高原南侧为恒河平原，北侧为塔里木盆地，东北侧为鄂尔多斯盆地，东侧为四川盆地，东南侧为云贵高原(图2)。

图2 青藏高原构造地貌影像图

青藏高原平均海拔约4500m，总体地势为西北高，东南低。主要大山有东西或近东西走向、由北而南依次排列的阿尔金山脉、祁连山脉、昆仑山脉、喀喇昆仑山脉、唐古拉山脉、冈底斯山脉、念青唐古拉山脉、喜马拉雅山脉，以及北西—南东或南北纵列走向的横断山脉，这些高大山脉构成了高原地形的骨架。在这些山脉之间分布着由低山、丘陵和宽谷盆地共同组成的高原主平面，总的地势由西北向东南倾斜，海拔从平均5000m以上渐次递降至4000m左右(邵兆刚等，2009)。高原地形结构的区域性差异明显，高原腹地藏北地区为高原面保存较完整的典型高原；藏南雅鲁藏布江中游流域为山原宽谷地形；青海柴达木发育我国四大盆地之一的柴达木盆地；川西滇北的横断山区则为强烈切割、高差悬殊的高山峡谷地形。

2 工程地质稳定性分区

2.1 工程地质稳定性影响因素

不同地区影响工程地质稳定性的因素及其作用强度存在显著差异，因而在进行稳定性评价时，需要综合分析不同地区的特征，选择对该地区稳定性有显著影响的主要因素作为评价指标，并对各指标权重进行赋值。已有学者对青藏高原上滑坡的发生与高程、坡度、坡向、岩性、距断裂距离、距河流距离等因子之间的相关性进行分析，发现内动力因素中的控制性指标断裂以及外动力因素的控制性指标地形地貌(坡度)是影响滑坡发生的最主要因素，其他因子对滑坡的发生影响较小且受这两个因子控制(Qi et al.，2010；Zou et al.，2022)。由于在进行青藏高原区域性评价时，涉及范围广，所用地形栅格文件分辨率为30m，通过计算得到的坡度文件精度相对较低，故选择与坡度物理意义相似但同时能表达大范围区域内地形地貌变化情况的起伏度来进行评价，最终本次计算选取距全新世活动断裂距离及地面起伏度作为青藏高原工程地质稳定性分区指标。其中：断裂指标选取长度超100km的全新世活动断裂，数据来源于第五代地震区划图基础数据，如图3所示；地形地貌指标选取地面起伏度来进行评价，如图4所示。起伏度指在特定的区域内，最高点海拔与最低点海拔的差值，反映地势的起伏变化(Li et al.，2020)，本次评价时，研究区高程数据来源于地理空间数据云，起伏度的计算区域为半径1km的圆形区域。

图3 青藏高原全新世活动断裂分布图

图4 青藏高原地面起伏图

2.2 评价模型构建

由于影响工程地质稳定性的因素复杂多样，各项指标界限模糊，各种因素的影响很难用经典数学模型加以度量，而模糊数学方法能较好地克服经典模型中的确定性表达(祁生文等，2011)，综合考虑被评事物或其属性的相关因素(郭松峰等，2016)，更符合自然规律。因此本文采用模糊数学中的隶属函数方法构建评价模型。

本次构建评价模型时，将青藏高原全区分为5类，其中Ⅰ～Ⅴ区依次代表工程地质稳定性差、较差、一般、较好和好。工程地质条件的好坏与距断裂距离关系密切，断裂带附近，工程地质条件极差，随距断裂距离的增大，对工程地质条件的影响快速降低(Qi et al.，2010；Zou et al.，2022)，根据这一认识并结合研究区内各位置距断裂的距离，绘制了距全新世活动断裂距离的隶属函数图像，如图5所示：

图5 全新世活动断裂隶属函数图像

图中：L-D(Ⅰ)，L-D(Ⅱ)，L-D(Ⅲ)，L-D(Ⅳ)，L-D(Ⅴ)分别为全新世活动断裂属于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ级工程地质稳定性分区的隶属度曲线。

起伏度反映地形地貌的变化，与坡度类似，起伏度越大，表明地势越险峻，越易发生地质灾害(Li et al.，2020)，工程地质条件也越差，结合青藏高原全区起伏度变化情况，绘制了地面起伏度的隶属函数图像，如图6所示：

图6 地面起伏度隶属函数图像

图中：L-Q(Ⅰ)，L-Q(Ⅱ)，L-Q(Ⅲ)，L-Q(Ⅳ)，L-Q(Ⅴ)分别为起伏度属于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ级工程地质稳定性分区的隶属度曲线。

2.3 评级结果

在进行工程地质稳定性分区评价时，各要素的权重分配对评价结果至关重要。由于当距断裂的距离越近时，地面起伏度对滑坡发生的权重影响越小；当距断裂的距离越大时，地面起伏度对滑坡发生的权重影响越大，地面起伏度越大，滑坡越容易发生，地面起伏度越小，滑坡越不容易发生。因此本文采用单极性S形函数(朱大奇等，2006)来描述地面起伏度的权重变化情况，采用的S形函数如下：

(1)

则距断裂距离的权重函数如下：

(2)

式中：WQ为地面起伏度的权重函数；WD为距断裂距离的权重函数。图7为地面起伏度的权重函数图像。

图7 地面起伏度权重函数图像

最终得到的青藏高原工程地质稳定性分区结果如图8所示，各区面积占比如下，Ⅰ区：22.48%，Ⅱ区18.01%，Ⅲ区28.79%，Ⅳ区22.72%，Ⅴ区8.00%，这一结果能够较客观地反映青藏高原各区块的工程地质稳定性情况。根据图8可以看出，在青藏高原北部及中部偏西位置，有较大区域工程地质稳定性较好，在未来一些重大工程可以选择该区域进行建设。

图8 青藏高原工程地质稳定性分区图

3 青藏高原重大工程扰动灾害分布

3.1 青藏高原重大工程类型及分布

通过查阅文献、新闻报道，并利用Google Earth影像人工目视解译青藏高原全区重大工程，共解译出铁路工程(含在建某交通线路、西成铁路)22条，合计里程12364km；国道、高速公路69条，合计里程40549km；重大电网线路4条，共长1120km；大(1)型、大(2)型水电站72座；矿山工程1992座；口岸工程15座；油田工程2座，如图9。

图9 青藏高原重大工程分布图

青藏高原全区共有大(1)型、大(2)型水电站72座，主要分布在横断山高山峡谷区，有65个；其次分布在祁连山-阿尔金区和亚洲水塔区，如图9。

青藏高原线路工程主要包括公路、铁路和电网工程，主要分布在青藏高原周缘地区。其中公路工程主要为G108、G109、G213、G214、G317、G318等国道和渝昆高速、连霍高速、大永高速等高速公路，线路总长40549km。铁路工程主要有CZ铁路、青藏铁路等，线路总长12364km。电网工程包含某联网工程、林芝电网、朗县电网、亚东电网等，线路总长1120km。

全区共有塔里木油田、吐哈油田2座油田，分布在天山-帕米尔区。矿山共有1992座，主要分布在横断山脉区域和东南亚跨境区。口岸共有15座，主要分布在东南亚跨境区、喜马拉雅区和天山帕米尔区，如图9。

3.2 青藏高原重大工程扰动灾害的分布

在确定区内重大工程的分布位置及建设时间后，利用Google Earth多期影像解译在重大工程建设后其附近区域内出现的灾害，将其定为工程扰动灾害，以此为基础，建立了青藏高原全区1︰25万重大工程扰动灾害数据库，分析了灾害发育规律，全区范围共解译了6562个工程扰动灾害，以斜坡灾害为主，主要为重大铁路工程扰动灾害、重大水电工程扰动灾害以及重大公路工程扰动灾害，分别有2660个、1877个和1866个，主要分布在横断山脉及东南亚跨境区，如图10。

图10 青藏高原重大工程扰动灾害分布图

4 青藏高原重大工程扰动灾害的机制浅析

4.1 重大工程扰动灾害与工程地质稳定性分区关系

分析工程地质稳定性分区图及重大工程扰动灾害分布图，可以得到工程扰动灾害在各级分区中的分布情况，Ⅰ区内重大工程扰动灾害共有3209个，Ⅱ区内共有1362个，Ⅲ区内1184个，Ⅳ区内807个，Ⅴ区内0个。表1所示为全区重大工程扰动灾害分布规律统计，可以看出Ⅰ区内工程扰动灾害数量与区域面积比最大，为217.55%，从Ⅰ区到Ⅴ区，灾害数量与区域面积比值逐渐降低，说明Ⅴ区内相对最为安全。这反映工程地质稳定性越好，工程扰动灾害越少，从侧面也说明了工程地质分区的重要意义。

表1 重大工程扰动灾害分布规律统计

4.2 重大工程扰动灾害的机制浅析

对获取的重大工程扰动灾害进行统计分析，可以发现以重大线路(铁路、公路)及水电工程扰动灾害居多。其中：线路工程扰动灾害的诱发因素主要为修建工程时的切坡，水电工程扰动灾害的诱发因素主要为切坡和蓄水，下面对这两种重大工程扰动灾害的机制进行简要分析。

根据对重大线路工程扰动灾害统计分析，发现该类灾害大多是由于在工程建设期间切坡造成的。天然条件下，在内外动力因素作用下，边坡会达到自然的平衡稳定，而边坡开挖(切坡)导致坡形的改变，打破边坡内部原有的应力平衡，应力场发生调整，在新形成的临空面表层一定深度内发生卸荷回弹，岩土体内部出现裂隙，使得表层岩土体松散破碎，抗风化、侵蚀能力及强度显著下降，边坡稳定性也逐渐降低。裂缝逐渐发展，当在岩体内部形成贯通面时，坡体整体失稳破坏(彭建兵等，2020)。

通过线路调查发现，线路工程扰动的切坡失稳主要发生在滑坡路段、厚层崩坡积路段以及强卸荷路段，冲洪积、冰碛物及基岩路段偶发。同时，工程扰动的切坡灾害与非工程扰动的斜坡崩滑灾害有较高重合度。图11是G317公路理县段工程扰动灾害与自然崩滑灾害分布图，其中：工程扰动灾害的判定依据为，发生时间在公路修建后。从分布位置可以看出，两者都主要发育在峡谷区，零散分布，规律性较差，且发育有自然灾害的地段也可能发生工程扰动灾害，尤其是在自然灾害发育相对集中的区域；数量上，自然灾害明显多于工程扰动灾害，表明工程活动虽然会诱发一定的灾害，但相比于自然灾害，数量、规模都有限。

图11 G317公路理县段工程扰动及自然灾害分布图

对于水电工程扰动灾害，按照灾害发生时间，可分为水电站修建过程中以及修建完成后发生的灾害，前者往往由于切坡导致，后者则主要由于水库蓄水造成。关于切坡诱发灾害的机制，已在前面叙述，故只对水库蓄水灾害进行说明。水库蓄水诱发的灾害主要可分为两类，一类是对库岸的侵蚀，导致库岸的失稳、坍塌，数量较少；另一类则是老滑坡的复活以及松散堆积物中新滑坡的出现，数量较多。分析原因，主要是蓄水后，水与库区岩土体之间发生一系列的物理、化学反应，改变库区岩土体的饱和度及容重，使水位以下的岩土体发生软化，强度降低。此外水位的变化还会改变岩土体内的静水压力和动水压力，并对地下水渗流场进行调整，改变岩土体的受力状态，对滑坡体的稳定性造成影响(文宝萍等，2008；易连兴等，2021)。

初步的调查表明，水库蓄水诱发滑坡数量和面积整体上呈现随着蓄水年份增加逐渐减小的趋势，并主要发生在水库蓄水初期的5年(唐凤娇等，2022)。

5 结论与建议

本文以全新世活动断裂及地形地貌中的起伏度为评价指标，基于模糊数学开展了青藏高原工程地质稳定性分区研究。评价显示，全新世活动断裂分布对青藏高原工程地质稳定性分区的影响较大，工程地质稳定性差的Ⅰ区和较差的Ⅱ区，面积占比分别为22.48%和18.01%，约占整个区域的五分之二，面积较大。结合建立的重大工程扰动灾害数据库，发现重大工程扰动灾害主要发生在Ⅰ、Ⅱ区，扰动灾害数量与区域面积比值分别是217.55%、115.28%，远超其余3个区域。表明工程地质稳定性对工程扰动灾害具有重要控制作用，工程地质稳定性差的区域是重大工程扰动灾害的高发区域，因此建议在今后修建重大工程时，必须加强工程地质稳定性分区工作，选址选线应尽量避开工程地质稳定性差和较差的区域，如若不能避免，则应当增强防护措施。

致 谢中国科学院地质与地球物理研究所王学良副研究员、李丽慧副研究员、中国地质大学(北京)杨国香副教授、绍兴文理学院沙鹏副教授、中国地质调查局成都地质调查中心周洪福正高级工程师、华北水利水电大学袁广祥副教授、甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院尹政正高级工程师、杭州鲁尔物联科技有限公司宋杰高级工程师、衢州学院廖小辉副教授、新疆维吾尔自治区地质环境监测院乔华副高级工程师、中国地质环境监测院魏云杰正高级工程师、中交公路规划设计院有限公司李腾飞高级工程师等参加了科考并对文中图9、图10提供了部分数据的支持，在此一并致谢。