基于GIS的风沙地区铁路选线不良地质环境建模及线路优化设计研究

2023-02-18高玉祥程建军董晓峰李泽宇

铁道标准设计 2023年2期

高玉祥，程建军，董晓峰，李泽宇

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044; 2.石河子大学水利建筑工程学院，新疆维吾尔自治区石河子 832003;3.北京交通大学建筑与艺术学院，北京 100044; 4.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 700043)

引言

地质问题一直是影响铁路选线设计的重要因素，不良地质的空间分布及危害程度决定了线路走向、建(构)筑物布设和工程投资等内容。风沙危害是一种由风沙流运动而引起的典型不良地质灾害，铁路沙害的主要形式为风蚀路基、钢轨磨蚀和沙埋铁路，其贯穿沙区铁路建设、运营全过程[1-3]。风沙地区铁路选线设计需要着重考虑沙害问题，采取合理的线路方案或沙害整治措施，尽可能减弱、降低风沙流对线路工程的影响。根据《国家综合立体交通网规划纲要》(2021)、《国家“十四五”发展规划》(2021)和《西部陆海新通道总体规划》(2019)，西北地区铁路在未来一段时期建设量仍然很大，而这些区域戈壁、沙漠广泛分布，拟修建的很多条线路都穿行于风沙危害频发区域，风沙地区铁路选线的技术水平、作业效率面临更大的挑战，如何利用先进的计算机信息建模技术为选线服务是风沙地区铁路选线急需解决的问题。

风沙灾害是一种发生于地表的地质危害，通过利用现代化勘测设计技术对选线范围内的沙害区进行识别、提取与表达，建立线路沿线的带状地理环境模型，进而分析线路与不良地质的空间关系来实现方案优化设计，是当前风沙地区铁路减灾选线设计的必然要求与发展趋势。易思蓉等[4]最早提出了虚拟环境选线系统的智能环境模型，通过研发虚拟选线系统模拟真实地理环境来辅助铁路选线设计。蒲浩等[5]采用OSG技术二次开发了人机交互式设计的铁路三维可视化设计平台，实现了铁路三维场景的快速构建。吕希奎等[6]利用遥感技术提取线路沿线区域地质信息，对基于地质建模的复杂艰险山区铁路三维选线技术进行了研究。李为乐等[7]利用Google Earth影像数据和遥感技术动态解译了滇藏铁路选线范围内的不良地质，实现了高海拔大高差地区地质选线的方案比选。RS、GIS技术在铁路选线领域中多被用来提取沿线的地质信息[8-9]，在风沙铁路中的应用主要是沙害区域的识别，且应用到风沙区铁路选线中主要以二维影像和文本为主，信息的利用率和直观程度不够[10]，适用于选线分析的信息多维表达研究也不深入，与地质环境可视化的空间立体选线目标还有一定差距，已不能适应新时期风沙地区铁路减灾选线的复杂性。

鉴于此，本文提出矢量数据、栅格数据、专题数据相集成的风沙地区铁路选线地质环境建模方法。首先，通过遥感技术实现地物及不良地质的信息提取，利用多源数据和GIS技术建立风沙地区铁路选线地质环境数据库，基于GIS平台将数字地形数据和影像数据集成构建三维地形环境；然后，叠加不良地质形成可用于风沙地区铁路选线的三维可视化地质环境，通过在三维地质环境中分析不良地质与线路的空间关系及风沙危害程度，实现线路方案的优化设计，可为提高风沙地区铁路选线设计水平和效率提供技术支持。

1 基于GIS的风沙地区铁路选线地质环境数据库构建

1.1 地形数据获取

三维地形环境是数字化铁路选线设计的环境基础，通过构建地形环境可对线路沿线地表信息特征进行三维可视化表达[11]。高程数据DEM(Digital Elevation Model)和影像数据是建立三维虚拟地质环境的基础，高程数据的获取可利用互联网提供的免费数据服务，从国家地理空间数据云平台网站(https://www.gscloud.cn/)或美国地质调查局UCGS网站(http://www.usgs.gov/)进行数据下载，操作时通过上传矢量边界或选定行政区划来制定下载的范围，格库铁路沿线高程分布见图1。影像数据获取常用的方法是通过无人机、航测飞机等航测方式来获取影像，或利用互联网获取免费影像资源。

图1 格库铁路沿线地形高程分布

1.2 不良地质数据获取

风沙危害作为一种发生于地表的地质灾害现象，具有明显的平面特征。解译遥感影像是识别地质信息的一种先进可靠技术，通过建立解译标志和参照物，对拟选线区域内的遥感影像进行解译可得到地物、水系、滑坡、泥石流、风沙区等信息[12]，还可以利用现有的地质调查数据对其进行补充。风速、风向决定着风沙运动的强度和路径，通过国家气象科学数据中心(http://data. cma.cn/)和架设移动式气象站获取区域气象数据。风沙区选线的不良地质信息组成如图2所示，基于GIS技术可进一步分析不良地质的分布规律、发展趋势和危害程度等。

图2 风沙区选线不良地质信息组成

(1)栅格地质信息获取

将线路沿线带状区域作为栅格数据操作的研究区，根据土地利用现状图、Landsat-5TM遥感影像、中国沙漠分布图(http://westdc.westgis.ac.cn)等数据，借助软件解译功能实现监督分类，判别选线区域的不良地质、地物、植被等，沿线地物识别结果见图3。着重提取风沙区时，可对影像进行7、4、2波段的假彩色合成，这种波段组合可有效区分沙丘、沙地与其他地物类型。

图3 格库铁路沿线地物识别

(2)矢量地质信息获取

不良地质分布及范围识别以后，使用ENVI软件的AOI模块提取地质对象的空间位置、边界点坐标、周长和范围等信息，还可用按腌膜提取工具实现不良地质栅格格式数据的提取。为了更直观有效地进行三维可视化分析，将栅格数据、矢量数据叠加到一起，实现不良地质的矢量栅格一体化表达。

由于不同类型沙丘对线路设计的影响作用不同，在风沙区空间位置及范围确定后，需要在遥感解译的基础上借助Google Earth软件和现场监测、实地调研,既有研究成果数据对沙丘类型、移动特征、移动方向等信息进行补充完善。根据风沙地貌学相关知识[13-15]，并结合实地考察调研，分别建立流动沙丘/沙地、半固定沙丘/沙地、固定沙丘/沙地、戈壁风沙流、风蚀的解译标志，其中建立的流动沙丘解译标志如表1所示。

表1 流动沙丘解译标志

利用Google Earth的添加路径工具，选取风沙区界线的起点，依次选取下一点直至沙害区地质界线绘制完成，设置不同的文件名后保存为相应的KML文件，将GE的WGS84地理坐标系转换为需要的坐标系统后，基于GIS的点转栅格功能、Excel转表功能、TXT文件构建矢量风沙区范围，转化为相应的面图层，在面shp的Table中将沙害类型、移动特征、危害程度等信息添加进去，利用分类统计结果可研究各类型沙害的空间分布格局及组合关系。格库铁路沿线主要的风沙危害类型空间分布如图4所示。由矢量数据可知，沿线范围内风积沙地段369.5 km，戈壁风沙流地段235.9 km，风蚀地段146.3 km。根据风沙流对铁路的危害类型及作用机理，将风沙类型主要分为流动沙丘、流动沙地、半固定沙丘、半固定沙地、戈壁风沙流、风蚀、固定沙丘7种，其中，流动沙地主要分布在罗布庄至通古斯巴、琼吐尔至罗布庄、东柴山至大乌斯、茫崖湖东至茫崖湖等地段，是线路与防沙工程设计的重点区域。

(3)地形数据

地面是风沙流运动的环境基础，地表的粗糙度、起伏度、坡度、坡向等影响着沙源的分布，对风沙流的形成以及运动发展有重要的决定作用。这些数据虽然也是栅格形式，却是不良地质区域平面表达分析的重要内容，需通过二次分析后得到，利用GIS的Spatial Analyst空间分析模块处理DEM可获得这类数据，计算的铁路沿线粗糙度见图5。

图4 格库铁路沿线风沙危害

图5 格库铁路沿线地表粗糙度

(4)风况数据

风沙流是一种典型的气固两相流，只有当风速大于起沙风速时才会发生风沙流运动[16]，因此风况决定着区域内风沙流的危害程度，是风沙灾害分析的重要内容。这类数据获取的途径主要是利用国家气象站的监测数据和实地架设观测仪器实现数据获取，经规范化处理后可得到主导风向、平均风速、起沙风频率、风玫瑰、输沙势等。基于GIS的非空间数据空间化方法，利用沿线气象站点数据对格库铁路沿线风速数据空间化结果见图6。

图6 格库铁路沿线风环境

(5)钻孔数据

通过钻孔取样得到的数据可以直接获取采样区域内详细的岩层分布、岩性、厚度、断层特征等，具有直观、详细、准确的优点，也是进行岩层三维可视化、模拟分析的主要依据。但初始状态的钻孔数据在平面上的分布具有不规则、离散、稀疏等不足，在使用GIS三维建模之前需要进行地层划分、排序和编号等标准化处理。根据钻孔数据特点和铁路选线不良地质三维实体建模的需求，数据标准化内容及部分处理结果如表2所示。

表2 部分地质钻孔数据标准化处理

1.3 地质环境数据存储设计

铁路选线过程中使用的数据具有多源异构特性，基于GIS技术将选线区域不良地质体坐标位置作为各类型地质信息的组织框架，通过GIS建立的地质信息库可实现地形、地质、地物、正射影像、沙害类型、地下水深等空间数据、非空间数据的存储，将各种要素数据的特征信息以属性表的形式存储，并与矢量数据链接，进而利用分析模块实现风沙地区选线不良地质信息的提取与表达。Arc GIS主要是用Geo database实现数据存储[17]，根据风沙地区铁路选线数据要素需求，对地貌类型、沙丘疏密度、植被类型及覆盖度和土壤类型等按要素特征分别存储在不同的Feature dataset中，沙丘、沙地、林地及草地、自然保护区等以polygon格式存储，褶皱、断层、线路设计方案、风沙区边界等以line格式存储，城镇、工矿企业、居民点等以point格式存储，建立的地质环境数据库主要内容见图7。

图7 线路地质环境数据库

对于矢量数据的属性信息及部分以矢量格式无法存储的数据，可通过属性表的形式进行存储，作为对矢量、栅格数据的一种有效补充，这种方法增加了数据的丰富性、扩展性和可分析性。在选线设计的过程中，通过直接点击地质实体模型中的要素可以获取地质对象的属性信息，进而结合选线知识进行综合分析。建立的线路风沙危害信息库，按风沙灾害类型对格库铁路全线统计了475个路段，沿线风沙危害数据存储内容如图8所示。根据属性表中的字段数据，借助GIS将非空间的离散数据表达为连续空间数据的优势，可利用Interpolation模块中的IDW、Kriging、Spline等插值方法实现离散数据的空间化表达，然后进一步分析地质因素对线路的空间影响范围及程度。

图8 格库铁路沿线风沙危害数据

2 风沙区选线地质环境建模

2.1 建立三维地形环境

数字高程模型DEM是在一个区域内以密集地形模型点的坐标X、Y、Z表达地面形态和描述地表起伏情况，也可利用其提取各种地形参数，被广泛应用于公路、铁路选线设计领域[18]。DEM最主要的3种表示模型是不规则三角网(TIN)模型、规则格网模型和等高线模型，其中TIN模型在线路设计方面应用最多。根据获取的影像数据和高程数据，利用GIS的表面模型将栅格数据转化为TIN网，然后叠加该区域的影像数据，即可快速建立选线区域的三维地形环境，处理结果如图9所示。不同颜色表示不同的高程范围，能比较直观地观察分析风沙区的位置、范围、面积等信息，结合区域内不良地质的分布可实现线路方案的初步选定。

图9 三维地形环境

2.2 平面表达分析

风沙地区铁路选线设计更加强调了地质选线、环境选线、减灾选线的理念，对各种不良地质的准确表达有助于避免线路设计修建及运营过程中的一些重大地质问题，特别是局部不良地质的有效表达更为重要。

沙丘是地表沙粒在风力的作用下搬运、堆积形成的地貌形态，根据沙丘流动程度可将其划分为固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘[19]，其中流动沙丘会随着时间发展向一定方向移动，且流动沙丘区域内的沙粒极易被风吹起，故这类沙丘会淹没道路、村庄、农田等，对基础设施、社会经济的影响最大，而半固定、固定沙丘由于表面沙流相对稳定，发生风沙流危害现象的可能性较小，造成的破坏也较轻[20]。不同类型沙丘都具有特有的表面形态，格库铁路新疆段沿线主要沙丘类型组成见图10。

图10 沿线沙丘类型

风沙区是一种具有典型平面特性的不良地质，利用遥感解译得到的影像数据将不良地质矢量信息在地理环境中进行叠加，可以得到不良地质的表面区域。利用ENVI软件获取的风沙区边界坐标文件和GIS地理数据库新建polygon要素，实现不同类型沙丘的空间范围勾绘，要素表达见图11。

图11 不良地质表面要素表达

沙丘地貌提取完成以后，按照沙丘的流动特征、形态特征对其分类，并将数字地貌类型转化为相应的矢量图。起伏度是指比较范围内最大高程与最小高程之间的差值，经反复试验，将起伏度的阈值设定为16 m，可较好地实现沙丘、沙地的类型区分。用Arc Map的点线面编辑工具勾画沙丘单元，并添加相应属性信息。由于部分区域存在非平滑的边界折线，还需对其进行平滑处理。利用GIS空间分析可实现面积统计、空间分布特征分析，选线设计中当线路穿过风沙区时，对有交集的不良地质进行高亮显示，并根据ID调入已存储的不良地质属性信息，结合三维空间分析功能实现不良地质对线路影响程度的判别，另外将两期影像联合分析还可得到沙丘的移动规律、空间范围变化等，沿线局部路段的沙丘移动速率如图12所示。

图12 若羌—尉犁段沿线沙丘移动速率

2.3 立面表达分析

不良地质信息的立体表达主要是通过线路沿线的三维地形环境和钻孔数据，采用面向对象的表达方法，利用GIS平台将地质信息集成到三维环境中进行有效表达。将带有位置信息的钻孔数据转化为三维空间点，分层次提取每一层钻孔点，将独立保存的钻孔数据依次生成每一层的地质体，完成地质体的三维建模，立体表达结果见图13(a)。

线路作为一个带状的三维空间实体，在不良地质区域往往会穿越断层，而断层的存在破坏了地层连续性，其对桥梁、隧道的局部方案设计有很大影响。而断层区域的三维地质体建模就是通过分别存储断层两侧的钻孔数据，在建模后将地层分界点进行连接即可，断层区域地质建模如图13(b)所示。

图13 不良地质实体

2.4 不良地质体与地形融合

铁路选线设计时，为更好地分析对比线路方案，避免部分优秀方案的缺失，通过将生成的不良地质实体叠加到线路三维地形环境中，实现两者的融合[21]。首先要确定融合区域，不良地质体与地形融合影响区域确定的实质就是将不良地质体的边界投影到地形网格上，形成一个多边形区域。两者间的对应关系可以为一对多或者多对一，即多个融合区域对应一个地形网格。地质实体模型读入后，可通过分解模型的包围盒进行融合区域的确定。

进行地质体的坐标转换后，通过求解融合区域与地形块网格，利用约束三角网删除内部的三角形，以融合区域的边界为特征边对剩余的三角形进行重构网，不良地质体循环构网后实现地质体与地形的融合，结果如图14所示。

图14 不良地质在三维地形环境中表达

3 风沙区线路方案优化设计

3.1 工程概况

格库铁路是连接青海省格尔木市和新疆自治区库尔勒市的一条国铁Ⅰ级客货共线电气化铁路[22]，全长1213.7 km，设计速度120 km/h。某沙害段线路走行于山前冲洪积平原及低山丘陵区，地势略起伏，线路穿越东柴山小越岭地段，附近发育有风蚀残丘、风蚀洼地、流动沙地、半固定沙地沙丘及戈壁风沙流等不良地质，局部段落风积沙严重。

风沙地区铁路选线设计时，通过建立沿线三维地形环境和不良地质体模型，能够较为全面地考虑风沙危害对线路平面走向的影响。根据沙害类型及程度，不仅可以采用平面绕避、横穿的方法，当平面绕避对线路走向影响较大时，还可以对不良地质体和构造物进行空间立体化分析，通过设置桥隧采用立面绕避的方式，进而确定线路最优设计方案。

3.2 线路方案优化设计

为绕避流动沙地、沙丘等不良地质，在保证工程设置安全性的前提下尽可能节约投资，利用获取的数据基于GIS建立选线区域三维地理环境及不良地质表达模型，在此基础上进行平、立面一体化的地质选线，多角度地寻求最优方案。设计的两个工程方案如图15所示，隧道方案对风沙危害采用立面避开设计，线路以短直方向设隧道穿越该垭口，出隧道后线路继续足坡而下至比较终点；路基方案则以路基结构形式通过该沙害地段，从比较起点引出后向西以路基绕东柴山足坡而下至比较终点，结合沿线地理环境条件，在线路两侧的沙害区域采用“远阻近固”的工程防沙体系。

图15 沙害区选线方案

基于该区域选线地质环境模型的空间分析可知，隧道方案在比较段落内的线路长度为21.42 km，桥隧比重14.1%；路基方案在比较段落内的线路长度21.96 km，桥梁比重2.9%，两方案中路基结构形式通过风沙段的长度比较如表3所示。路基方案中线路通过风沙影响严重的流动沙地段落较长，地质条件较差，而隧道方案极大地减少了风沙危害对线路的影响。

地质条件影响着工程施工，为进一步分析隧道施工的安全性，利用实测钻孔数据建立隧道区域的矢量栅格一体化地质实体模型，利用线路中线和钻孔信息生成该隧道的地质纵剖面，见图16。空间分析表明，拟建隧道全长为1 960 m，埋深范围为25～30 m，最大埋深52 m，隧道进口处为厚度1～2 m的风积沙，出口为戈壁风沙流，洞身范围内Ⅴ级围岩的长度为1 960 m。结合地形条件，在主导风向的作用下，可能出现部分风沙流在隧道洞口堆积的现象，施工难度与风险较大，属高风险隧道，而路基方案施工则相对简单，安全性较高。

图16 拟建隧道地质剖面

综合分析可知，在构造物设置上路基方案比隧道方案的线路长度增加0.54 km，桥梁长度减少0.43 km，隧道长度减少1.96 km，工程投资节省约1.62亿元。虽然隧道方案的挖方地段、半固定沙地、流动沙地地段长度短于路基方案，但并没有彻底地消除风沙危害的影响，特别是该隧道的工程地质条件差，增加了施工的难度，还存在风积沙掩埋隧道洞口的隐患。而路基方案虽然沙丘、沙地地段较长，但通过戈壁风沙流的落段及风沙影响段可被后续的防沙工程治理，工程投资低于隧道方案。故推荐风险可控、投资较省的路基方案。