0 引 言

 

  滇藏鐵路是我國正在規劃建設的大型鐵路工程之一, 麗江—香格里拉段是繼大理—麗江段后進行的第二段規劃建設段, 該段地形地貌和地質條件非常復雜, 雖然經過多輪論證, 線路仍難最后確定。按照初期規劃(圖1), 滇藏鐵路麗江—香格里拉段共有3個走向方案可以比選:(1)麗江—長松坪—虎跳峽上峽口—香格里拉方案(西線方案);(2)麗江—大具—白水臺—小中甸—香格里拉方案(組合方案);(3)麗江—大具—白水臺—天生橋—香格里拉方案(東線方案)。初步分析認為, 西線方案工程地質條件相對較好, 可以作為推薦方案, 但該方案的工程地質條件仍很復雜且存在許多重大工程地質問題, 工程建設難度大。

 

  西南山區是我國西部開發工程建設的重點地區之一, 也是工程地質條件最復雜的地區之一,隨著工程建設的深入, 工程地質條件的復雜程度已經成為制約工程建設的重要因素。工程地質條件一直是工程地質界研究的熱點, 丁繼新等對工程地質條件的概念和應用進行了相關的研究,但基于正在規劃建設的大型工程的工程地質條件分區評價方面的研究則較少。本文以滇藏鐵路麗江—香格里拉段為例, 闡述工程地質條件分區評價在線路比選和優化方面的應用;在區域地殼穩定性評價的基礎上, 將基于GIS技術的層次分析法引入到麗江—香格里拉段鐵路規劃區的工程地質條件評價中;充分利用GIS技術處理海量數據信息的優勢, 采用層次分析法模型, 進行麗江—香格里拉段鐵路規劃區的工程地質分區評價, 評價結果對鐵路選線具有一定指導意義。

 

  1 區域工程地質概況

 

  研究區在地貌上屬構造剝蝕高中山與深切河谷區, 地勢總體西北高、東南低。地面高程多在2 500 ～ 5 000 m, 最高峰為麗江北西面的玉龍雪山, 主峰扇子陡高程5 596 m, 最低處為麗江以北白馬廠一帶金沙江河谷, 高程約1 570m, 河流切割深度最大可達2 000 m以上。

 

  研究區位于中國兩大地貌階梯青藏高原東南緣向云貴高原的過渡部位, 為揚子地臺、松潘—甘孜塊體和三江塊體的結合部位, 構造背景甚為復雜。在印度板塊向北推擠和青藏高原南南東向擠出疊加作用下, 新構造運動十分強烈, 表現為強烈的垂直差異運動和塊體側向滑移, 以及NW向斷裂右旋位移、近SN向和NNE向斷裂左旋位移的斷裂活動特征, 主要斷裂有鶴慶—洱源斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、金沙江斷裂帶、塔城—紅巖斷裂、中甸斷裂帶、玉龍—哈巴雪山東麓斷裂、中甸—海羅斷裂、龍蟠—喬后斷裂帶、小中甸—大具斷裂帶等。研究區新構造運動強烈, 地震頻發, 上新世以來發生多次構造活動。研究區自前古生代至新生代的地層均有出露。

 

  2 評價方法簡介

 

  工程地質條件分區評價的核心是確定各種影響因素對工程地質條件影響的大小、分布與發育強度, 計算出不同地區的工程地質條件指數作為量化指標。結合研究區的工程地質條件和實際工程規劃現狀, 采用基于GIS的層次分析法作為工程地質分區評價的研究方法。層次分析法適用于多準則、多目標復雜問題的決策分析, 可以將決策者對復雜系統的決策思維過程實行數量化, 為選出最優決策提供依據[ 6] 。經過多年的研究和應用實踐, 不少研究者開始將GIS技術與AHP方法相結合, 大大提高了傳統的AHP方法在地學研究中的應用效果。

 

  本文采用基于GIS的工程地質條件分區評價方法, 在確定研究區、研究對象和研究目標后,對各種資料進行數據處理并建立相應的空間數據庫;根據研究目標的特征, 分析影響目標的因素,建立目標的層次指標模型和層次結構, 構造判斷矩陣;在專家對影響因素進行綜合評分的基礎上,進行層次單排序、求解權向量和一致性檢驗, 從而獲得各指標因素值, 并運用GIS空間分析功能提取分析因子。數據處理計算采用大型地理信息系統ArcGIS9.2 軟件, 對研究區域進行柵格化,每一個柵格作為模型評價的一個運算單元, 并將數據庫中的數據按照規則進行柵格化處理。再采用圖形疊加的模型評價方式, 將參與評價的各個因素權值分配到不同的柵格上。將各個因素進行圖形疊加, 對屬性值進行代數運算, 再將疊加后的柵格數據化生成新的圖形, 并形成最終評價結果。評價流程見圖2。

 

  

  本文將根據計算獲得的工程地質條件指數值的分布范圍, 結合野外實際調查情況進行驗證和分析, 對各工程地質區域的工程地質條件進行分區評價, 對鐵路工程建設的影響及適宜性進行討論和說明。

 

  3 評價指標的確定和評價模型

 

  3.1 評價指標的確定

 

  研究區位于我國的西南山區, 工程地質條件復雜, 影響工程地質條件的因素較多, 在充分考慮各種因素的基礎上, 選取地形地貌、工程地質巖組、斜坡結構、地質災害發育現狀、潛在震源區、活動斷裂、微地貌類型(地形與鐵路設計高程間的高差)、人類工程活動、降水量(主要考慮垂直降水量的差別)、與溝谷間的距離等10個因素作為一級評價指標。

 

  3.2 層次結構模型

 

  根據評價指標體系組建和操作的基本原則,采用分層遞階方法, 將研究區工程地質條件評價指標體系分為總體目標層、約束層(一級指標層)、評價指標層(二級指標層)和對象層(評價對象層)4個層次(圖3)。

 

  目標層是系統分析的最高層, 用以表達鐵路工程建設的適宜性。在本次分析中, 確定工程地質條件分區是總目標。按照影響鐵路工程建設的邏輯關系, 分列地形坡度、工程地質巖組、斜坡結構、地質災害發育程度、潛在震源區、活動斷裂發育狀況、微地貌類型、人類工程活動、降水量等方面的因素, 分別考慮其對總目標的影響,這些影響因素構成約束層。在約束層的基礎上,對其中各種因素具體細分, 一共有32個指標層,這些指標層的權值在上述約束層權重計算的基礎上進行劃分。對象層是系統分析的最底層, 在本次研究中, 把工程地質條件分區作為對象層。

 

  4 評價過程及評價結果

 

  4.1 評價指標的量化途徑

 

  在上述評價指標確定后, 充分利用GIS技術強大的基礎數據處理和空間分析功能, 在ArcGIS9.2平臺上形成地形坡度、工程地質巖組、斜坡結構類型區、地質災害發育程度、潛在震源區、活動斷裂, 微地貌類型、人類工程活動、降水量柵格、水系距離分析等相關的柵格文件格式的專題圖(圖4(a)— (d))。基于上述專題圖層, 對于能夠直接量化的指標, 可以在矢量化的專題圖層提取相應的數據信息, 然后對指標進行等級劃分并賦值;對于不能直接量化的指標, 采用評分比較的方法進行分區劃分等級并賦值。以上可獲得各評價指標的單因素等級量化結果。根據研究區范圍和工程地質條件特征, 將柵格大小定為50 m×50 m, 將6 621.5 km2的研究區劃分為2 648 600個柵格單元。

 

  4.2 影響因素和指標權重的確定

 

  影響因素和評價指標的權重計算采用在專家打分法確定各影響因素影響因子大小的基礎上,構造相關判斷矩陣, 求解得到影響因素和指標的權重, 表1為在匯總分析專家打分的基礎上建立的因素判斷比較矩陣。經過計算, λmax =10.369,CI=0.041 0, RI=1.49, CR=0.027 5 <0.1, 符合一致性判據, 各影響因素權重分配見表2。

 

  從權重分配表中可以看出, 地質災害發育程度和活動斷裂的權重在各因素中位于前列, 其次是工程地質巖組, 這3 個因素是進行工程地質條件評價的基礎, 是影響鐵路工程選線和建設的先決條件;地形坡度和斜坡結構是影響區域崩塌、滑坡和泥石流的重要條件, 所以權重也較高;微地貌類型、人類工程活動和降水量的權值差異不大。

 

  以上分析表明, 通過專家打分法和層次分析法相結合確定的影響因素權重是符合客觀實際的。

 

  在各影響因素權值確定的基礎上, 對各評價指標層進行權重劃分和賦值(表3), 其中, 活動斷裂指標又按照與活動斷裂間的遠近程度進行了距離分析, 不同距離范圍的權值見表4。數值的大小表示其對鐵路工程地質條件的影響程度, 數值越大, 表示該因素越不利于鐵路工程建設。

 

  4.3 評價計算和結果分析

 

  4.3.1 計算過程

 

  利用ArcGIS軟件空間分析的空間信息再分類功能, 按照評價指標權重對各個柵格文件的不同屬性類別進行賦值。采用ArcGIS軟件的柵格計算功能, 對經過空間信息再分類處理的10個影響因素的柵格文件進行各柵格權重值的求和運算, 根據式(1)計算每個柵格的工程地質條件指數值。計算結果表明研究區內各柵格的工程地質條件指數值分布在0.054 ～ 0.303之間, 集中分布在0.080～ 0.230之間, 平均值為0.150, 標準差為0.034,變異系數為0.227。工程地質條件指數值分布的平穩性較好, 反映了工程地質條件在區域上的變化具有一定的遞變性, 與實際工程地質情況相符。

 

  綜合考慮計算結果、野外地質調查和工程地質勘察資料, 確定了用于進行工程地質條件分區的指數閥值, 將研究區工程地質條件分為較好(B≤0.130)、中等(0.130 <B≤0.155)、較差(0.1550<B≤0.200)和差(0.200 <B≤0.310)4級, 并在ArcGIS軟件平臺自動生成工程地質條件區劃柵格圖, 經過局部平滑和噪音處理, 獲得研究區鐵路規劃區的工程地質條件計算成果圖。

 

  4.3.2 結果分析

 

  根據研究區工程地質條件評價結果圖(圖4(e))和相關工程地質資料, 將各分區中的主要工程地質問題分析如下。

 

  (1)工程地質條件差。該類分區主要分布于玉龍雪山東麓文筆水庫—麗江市西側—玉湖—玉龍雪山—大具—哈巴雪山(古魯巴)—俄迪條帶狀區域內, 在香格里拉縣城附近及仁河—龍蟠一帶也有小面積分布。影響本類工程地質分區的最主要因素是活動斷裂, 突出表現為與強活動斷裂距離較近, 特別是在強活動斷裂1 km范圍內, 如玉龍雪山東麓和哈巴雪山中部地區;在多條斷裂相交或近于相交的地區工程地質條件亦較差, 如麗江市縣城至文筆水庫一帶處于多條中等-強活動斷裂的交匯部位,在該區域內工程地質條件差;地質災害發育地帶、軟弱松散第四系土石類、順向坡及斜坡坡度大于45°的地帶一般也位于工程地質條件差的區域。該類分區約占研究區總面積的6.52%。

 

  (2)工程地質條件較差。該類分區主要分布在工程地質條件差區域的外圍, 其一方面受活動斷裂的影響, 多位于距活動斷裂1 ～ 5 km的范圍內;另一方面, 雖然部分區域與強活動斷裂之間的距離小于1 km, 如玉湖和古魯巴附近, 但由于地形較平坦或斜坡平緩, 工程地質巖組和斜坡結構好,遠離溝谷影響, 因而工程地質條件屬較差級。此外, 在仁和以西的虎跳峽鎮至哈巴雪山之間的順向坡發育地帶工程地質條件較差, 這些地區斜坡結構因素起主導作用。該類分區約占研究區總面積的32.24%。

 

  (3)工程地質條件中等。該類分區多呈點狀和塊狀分布, 在麗江市團山地區、拉市海一帶、月亮坪—俄迪一帶、小中甸鎮—碧古—阿熱一帶以及那帕海地區分布較多。該類工程地質條件分區多位于中等活動斷裂和弱活動斷裂的影響范圍內,距離溝谷水系近, 地質災害較發育, 地形坡度小、斜坡結構一般。該類分區約占評估區總面積的32.41%。

 

  (4)工程地質條件較好。該類分區主要分布在4個地帶, 即虎跳峽鎮一帶、團山—文化村一帶、安南地區和阿熱北部區域, 在研究區其他區域僅零星分布。該類地區遠離活動斷裂帶, 地質災害不發育, 工程地質巖組以較堅硬中厚層狀砂板巖、玄武巖巖組和堅硬塊狀碳酸鹽巖巖組為主, 地形坡度一般小于15°, 斜坡結構好, 以橫向坡、反向坡和平坡為主。該類分區約占研究區總面積的28.83%。

 

  5  線路方案工程地質條件評價和優化

 

  從工程地質分區圖(圖4(e))可以看出, 研究區內工程地質條件差的區域集中分布在麗江縣城至古魯巴條帶狀區域內, 麗江—香格里拉段鐵路東線方案、西線方案和組合方案都不可避免地通過這些區域。其中, 東線方案工程地質條件較好段約占10%, 工程地質條件中等段約占40%, 工

 

  程地質條件較差段約占30%, 工程地質條件差段約占20%;主要工程地質問題是大具盆地段位于

 

  哈巴—玉龍雪山東麓斷裂5 km影響范圍內, 斜坡結構以順向坡為主, 滑石板滑坡和金沙江深切河谷的地貌特征增加了工程地質條件的復雜程度,阿熱到香格里拉段位于中甸斷裂的影響范圍內。

 

  西線方案工程地質條件較好段約占10%, 工程地質條件中等段約占20%, 工程地質條件較差段約占30%, 工程地質條件差段約占40%;主要工程

 

  地質問題是線路在麗江盆地內與玉龍雪山東麓斷裂斜交, 尤以小玉龍附近影響最大, 從小玉龍附近開始, 鐵路設計高程和玉龍雪山山體之間的高差大, 鐵路呈NW向以隧道(玉峰寺隧道)形式通

 

  過玉龍雪山, 隧道最大埋深達1 000 m以上, 受這兩種因素的控制, 該段工程地質條件差。組合方案工程地質條件較好段約占15%, 工程地質條件中等段約占25%, 工程地質條件較差段約占30%, 工程地質條件差段約占30%, 該方案與哈巴—玉龍雪山東麓斷裂近直交, 延伸至俄迪一帶,影響本方案的突出地質問題是活動斷裂。

 

  在上述工程地質條件分區和線路規劃方案分析的基礎上, 認為西線方案可以作為麗江—香格里拉段鐵路推薦線路方案, 但該方案南段存在較大工程地質問題———玉龍雪山活動斷裂影響和玉峰寺深埋隧道, 需要進一步優化。根據工程地質分區評價結果, 建議西線方案由原來的從團山附近接入大麗線(大理—麗江鐵路)改為從麗江市南端太平村附近接入, 線路總體走向為太平村—中吉村—文筆水庫—下長水—三家村—仁河—中義—龍蟠, 在龍蟠處接原西線方案, 這樣, 可以減弱玉龍雪山東麓斷裂對鐵路的影響以及避免玉峰寺深埋隧道引起的相應的重大工程地質問題。

 

  6 結 語

 

  基于ArcGIS平臺和層次分析法對滇藏鐵路麗江—香格里拉段的工程地質條件進行了分區與評價研究, 得到如下認識:

 

  (1)滇藏鐵路麗江—香格里拉段地形地貌和地質條件非常復雜, 新構造運動強烈, 影響鐵路工程地質條件的因素較多, 主要有地形坡度、工程巖組、斜坡結構類型、地質災害發育程度、潛在震源區、活動斷裂、微地貌類型、人類工程活動、降水量、水系距離等10個因素。

 

  (2)經過專家打分法和層次分析法計算認為地質災害發育程度和活動斷裂的權重在各評價因素中位于前列, 其次是工程地質巖組, 這3個因素是進行工程地質條件評價的基礎, 是影響鐵路工程選線和建設的先決條件。

 

  (3)根據計算所得的工程地質條件指數值分布范圍和野外實際調查結果, 將研究區工程地質條件分為差、較差、中等和較好等4 類。工程地質條件差的地區約占總面積的6.52%, 該類地區集中在玉龍雪山東麓和哈巴雪山地區;工程地質條件較差的地區約占研究區總面積的32.24%, 在研究區內分布面積較大;工程地質條件中等的地區約占研究區總面積的32.41%;工程地質條件較好的地區約占研究區總面積的28.83%。

 

  (4)綜合分析表明西線方案的工程地質條件總體優于其他比選方案, 基于評價結果對西線線路方案進行了優化, 優化后的方案減弱了玉龍雪山東麓斷裂對鐵路的影響, 可避免玉峰寺深埋隧道引起的工程地質問題。