襄渝鐵路(胡家營-萬源段)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及危險性評價*

王 雷，趙法鎖，白朝能，李 明，沈 遠，趙振榮

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

襄渝鐵路(胡家營-萬源段)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及危險性評價*

王 雷1,2，趙法鎖1，白朝能2，李 明2，沈 遠2，趙振榮2

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

通過現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查、分析，發(fā)現(xiàn)襄渝鐵路(胡家營至萬源段)沿線主要地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌落石、溜坍和泥石流等類型，其中崩塌落石災(zāi)害為主，占總災(zāi)害點數(shù)量的3/4以上，其次為溜坍、滑坡和泥石流災(zāi)害。在此基礎(chǔ)上，運用層次分析綜合指數(shù)法對各類型地質(zhì)災(zāi)害單點進行了危險性評價，評價結(jié)果表明地質(zhì)災(zāi)害危險性極嚴重災(zāi)害點19個，嚴重點55個，中等和輕微點分別為103個和44個。通過匯總?cè)€地質(zhì)災(zāi)害點建立了全線(胡家營至萬源段)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模型，運用模糊綜合評判法，對全線地質(zhì)災(zāi)害危險性進行了分區(qū)評價，分區(qū)評價結(jié)果表明：該段鐵路評價長度289km中極高危險區(qū)0km，高度危險區(qū)179km，中度和低度危險區(qū)均為55km。

襄渝鐵路；地質(zhì)災(zāi)害；危險性；分區(qū)與評價

新建鐵路在前期一般會開展地質(zhì)災(zāi)害危險性評估[1-10]，但如襄渝鐵路等老線鐵路當時受國民經(jīng)濟等條件的影響均未開展過系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害評估工作。隨著山區(qū)老線鐵路的建設(shè)與運營，延線地質(zhì)災(zāi)害逐步發(fā)育，很多災(zāi)害已對鐵路安全運營構(gòu)成了巨大威脅，山區(qū)老線鐵路開展地質(zhì)災(zāi)害危險性評估日趨緊迫，雖有部分老線鐵路的地質(zhì)災(zāi)害特征進行了分析[11]，但沒有進行危險性分區(qū)，不便于老線鐵路的維護運營。本文在對襄渝鐵路K174+994～K464+000(胡家營-萬源)段地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用綜合指數(shù)法[12-15]和模糊綜合評判法[16-20]對該范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害進行定性分析和定量計算，研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征并進行危險性評價，對老線鐵路運營和維護具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

沿線地形起伏較大，經(jīng)過安康盆地、中低山及河谷等地貌單元。海拔高程160～1 700 m，相對高差200～900 m。該段線路主要巖性為灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁巖、千枚巖、片巖。土層一般沖洪積、坡積、殘積、崩積的碎塊石土、粉質(zhì)黏土夾碎石角礫，沖洪積砂土、卵石土、粉質(zhì)黏土、黏土、膨脹土。全線地表水分別屬于漢江和嘉陵江兩大水系，地表水系呈樹枝狀、葉脈狀分布。線路所經(jīng)地區(qū)屬亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，由于大巴山屏障作用，北側(cè)全年氣候溫和多雨，年平均降雨量800～1 100 mm，南側(cè)氣候具有“冬暖、春旱、夏熱、秋雨”的特點，年平均降雨量1 203 mm。

2 地質(zhì)災(zāi)害類型及發(fā)育特征

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，加之修建鐵路時的路基邊坡及隧道仰坡開挖，破壞了坡體穩(wěn)定平衡，目前沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，主要類型有滑坡、崩塌落石、溜坍和泥石流。

2.1 滑坡

沿線滑坡災(zāi)害主要分布于白河、安康和紫陽。按滑坡產(chǎn)生的原因可分為堆積層土質(zhì)滑坡、軟質(zhì)巖風(fēng)化層巖質(zhì)滑坡。堆積層滑坡大多發(fā)育于軟質(zhì)巖地區(qū)，因其巖性軟弱，受各種內(nèi)外地質(zhì)營力作用，巖層破碎，風(fēng)化剝落作用強烈，在其坡腳堆積了大量的坡崩積物。這種堆積體穩(wěn)定性差，在一定的條件下，特別是暴雨或者連續(xù)降雨作用下，極易沿基巖面發(fā)生滑坡。該類滑坡因其具有多期性和繼承性，在相同的地形地質(zhì)條件下以滑坡群的形式出現(xiàn)，對線路的危害性極大，是既有鐵路地質(zhì)災(zāi)害重點防治對象。沿線巖質(zhì)滑坡發(fā)育于云母片巖、千枚巖等軟質(zhì)巖中，上部覆土和植被的掩蓋下悄然發(fā)育，有隱蔽性、突發(fā)性，前期排查難度大。沿線滑坡災(zāi)害10處，其中土質(zhì)滑坡9處，巖質(zhì)滑坡1處。

2.2 崩塌落石

沿線地形陡峻，基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌落石極發(fā)育，多分布于路基塹坡、緊鄰橋梁兩側(cè)邊坡基巖裸露段，尤其是在隧道進出口邊仰坡處。同時多位于河流河谷或其支溝溝谷陡崖上，軟硬質(zhì)巖接觸帶附近。裸露巖體在節(jié)理裂隙切割作用下，加速風(fēng)化剝落脫離母巖形成崩塌。軟質(zhì)巖因差異風(fēng)化后內(nèi)陷，硬質(zhì)巖則形成倒懸，在構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙切割后形成落石。沿線崩塌落石災(zāi)害共有173處，其中隧道仰坡117處，路塹邊坡50處，橋梁兩側(cè)邊坡6處。

2.3 溜坍

沿線溜坍災(zāi)害主要為坡崩積層淺表土質(zhì)溜坍，一般土層中夾有大量的碎、塊石，在強降雨或連續(xù)降雨的情況下，土體力學(xué)性能變差、自重增加，從而發(fā)生局部失穩(wěn)溜滑坍塌。巖質(zhì)邊坡溜坍相對較少，主要為風(fēng)化巖層沿陡傾的風(fēng)化界面發(fā)生順層溜坍。溜坍病害多發(fā)生在既有防護措施上方，較為隱蔽。沿線溜坍災(zāi)害工點共有31個，其中土質(zhì)溜坍28個，巖質(zhì)溜坍3個。

2.4 泥石流

沿線溝谷中有小規(guī)模的泥石流發(fā)育，物質(zhì)補給源主要是風(fēng)化的破碎巖以及溝谷上游的堆積層、人工填土、耕植土等松散物質(zhì)。目前鐵路和沖溝交匯處均以橋、涵或明洞方式通過，地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為橋、涵淤塞。沿線泥石流災(zāi)害點共有7個，其中橋下淤塞點5個，涵洞淤塞點2個。

3 地質(zhì)災(zāi)害單點危險性評價

應(yīng)用層次分析綜合指數(shù)法對襄渝鐵路地質(zhì)災(zāi)害進行單點危險性評價。綜合指數(shù)法，是多系統(tǒng)的評估方法，即將整個評估對象分成若干單元，對每個單元分成若干個并列的子系統(tǒng)，根據(jù)子系統(tǒng)的特性提取具有代表性的評估因子，并對評估因子進行等級劃分，歸一化處理。將子系統(tǒng)評估因子的權(quán)重進行疊加，得出一個子系統(tǒng)的評估總權(quán)重，再對各子系統(tǒng)的權(quán)重進行疊加，得出每個單元的總權(quán)重指數(shù)。最后分析各單元的指數(shù)，進行對整個對象的總體評估。綜合指數(shù)法的模型如下：

(1)

式中：DL為第i單元的危險度值；i為評估因子；ωi為第i個評估因子的權(quán)重；Ii為第i個評估因子在第i單元的賦值；n為評價因子數(shù)。

(1)ωi的確定

評估因子權(quán)重的確定一般根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生形成條件由專家直接給定或者采用半定量化的層次分析方法。本文應(yīng)用層次分析法，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并綜合分析現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害危險性評估因子，確定襄渝鐵路(胡家營至萬源段)地質(zhì)災(zāi)害影響因素主要體現(xiàn)在以下兩方面：地質(zhì)條件及其他條件。針對不同類型地質(zhì)災(zāi)害，地質(zhì)條件和其他條件所包含的具體因子不盡相同，詳見表1～表3。

(2)Ii的取值

評估因子在第i單元的賦值是定性的定量化，根據(jù)實地勘察情況，本文評估因子等級用極嚴重、嚴重、中等和輕微等來定性描述，與其相對應(yīng)的定量值分別為4、3、2和1。

(3)DL的判斷

根據(jù)綜合指數(shù)法模型，結(jié)合構(gòu)造判斷矩陣得出的各因子權(quán)重及評估因子的取值，經(jīng)過多次的試驗調(diào)整得到各災(zāi)害類型的危險度判定標準如表4[13]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查采集的各災(zāi)害點子準則層相關(guān)因子的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從極嚴重、嚴重、中等和輕微四個等級定性評價后分別按照4、3、2和1定量取值，應(yīng)用上述災(zāi)害點單點危險性評價模型計算得出全線各災(zāi)害點的危險性結(jié)果。其中地質(zhì)災(zāi)害極嚴重點19個，嚴重點55個，中等和輕微點分別為103個和44個，詳見表5。

表1 滑坡溜坍因子權(quán)重值表

表2 崩塌落石因子權(quán)重值表

表3 泥石流因子權(quán)重值表

表4 危險度判定標準

表5 襄渝鐵路(胡家營至萬源)地質(zhì)災(zāi)害單點危險性統(tǒng)計表

4 全線地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)

在單點危險性評價的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件，運用模糊綜合評判法建立全線地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)評價。地質(zhì)災(zāi)害危險性分析評價指標的選取直接決定最終評判結(jié)果的準確性和可靠性。地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因素有很多，考慮到襄渝鐵路的工程地質(zhì)環(huán)境，通過對沿線地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境的調(diào)查、分析，并結(jié)合本線各類地質(zhì)災(zāi)害的特點及形成機理，最終選定以下影響因素作為地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)評價指標：巖土體性質(zhì)、地面坡度、相對高差、構(gòu)造分布密度、24 h最大降雨量、地震動峰值加速度、植被覆蓋率、人類活動影響、災(zāi)害危險程度、災(zāi)害的分布密度等，詳見表6。

本文采用四級評價標準，即將評價區(qū)域分為低度危險(Ⅰ)、中度危險(Ⅱ)、高度危險(Ⅲ)和極度危險(Ⅳ)四類，并形成對應(yīng)的評價集合：

V={V1,V2,V3,V4}={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。(2)

將上述評價指標歸為三類，建立參評要素集：

U={U1,U2,U3}。

(3)

其中:U1為地質(zhì)環(huán)境，U2為誘發(fā)因素，U2為災(zāi)害現(xiàn)狀。

C(U1)={C1,C2,C3,C4}；

(4)

C(U2)={C5,C6,C7,C8}；

(5)

C(U3)={C9,C10}。

(6)

表6 地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)基準值

選取評價指標中含有量化指標和非量化指標，其中量化評價指標通過隸屬函數(shù)確定數(shù)值，非量化指標通過將專家評價值使用評價標準隸屬度集量化。量化指標各因子的基準界限值統(tǒng)一表示為：

{a4}。

(7)

各評價集因子的隸屬函數(shù)如下。

低度危險隸屬函數(shù)：

(8)

中度危險隸屬函數(shù)：

(9)

高度危險隸屬函數(shù)：

(10)

極度危險隸屬函數(shù)：

(11)

式中：a1、a2、a3為表6中各因子分級界限值。

利用上述函數(shù)求出各評價因子對區(qū)域危險度的隸屬度，構(gòu)造得到模糊關(guān)系矩陣。一級評價模糊關(guān)系矩陣為：

R(U)=(Ruij)n×4。

(12)

式中：ruij為U要素i因子對危險度評價等級j的隸屬度；n為U要素參評因子的個數(shù)。

二級評價模糊關(guān)系矩陣為：

R=(R(u))m×4。

(13)

式中：m為要素個數(shù)。

為了反映各因子對地質(zhì)災(zāi)害危險性的影響，評判過程采用M(· ，+)模糊變換，一級綜合評判為：

(14)

由一級綜合評價結(jié)果Bi構(gòu)造二級綜合評判模糊關(guān)系矩陣，進行二級模糊變換B=W·R。最后根據(jù)最大隸屬度原則，評判單元所屬危險性等級。

為了客觀合理地對襄渝鐵路地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)，將評價區(qū)域進行單元劃分：以鐵路路線長5 km，鐵路軸線兩側(cè)500 m的區(qū)域作為一個分析單元，對于突變性單元邊界，按實際情況適當調(diào)整單元邊界。根據(jù)上述原則，將全共劃為58個評價單元。運用上述模糊綜合評判法進行單元計算，并將具有相同危險性的相鄰單元進行合并，得出地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)結(jié)果，詳見表7。由表7可見，全線長289 km，其中：低度危險區(qū)4段，長55 km，占線路全長的19.03%；中度危險區(qū)4段，長55 km，占線路全長的19.03%；高度危險區(qū)7段，長179 km，占線路全長的61.94%。根據(jù)綜合評價結(jié)果完成地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)圖(圖1)。

表7 襄渝鐵路(胡家營至萬源)地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)

圖1 全線地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)圖

5 結(jié)論

襄渝鐵路(胡家營-萬源段)地質(zhì)條件復(fù)雜，地形展線困難，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，其中以崩塌落石災(zāi)害最為嚴峻，其次為滑坡、溜坍和泥石流。通過現(xiàn)場調(diào)查及分析評價，明確了全線地質(zhì)災(zāi)害的類型、發(fā)育特征及其危險性，并對全線進行了地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)，結(jié)果表明全線有62%的線路屬于高度危險區(qū)，有必要對該段鐵路及早的進行地質(zhì)災(zāi)害防治。鐵路工程呈線型帶狀分布，長度較大，全線跨越的地貌單元和地質(zhì)構(gòu)造單元眾多，所涉及的地質(zhì)災(zāi)害較多。本文工作為該段鐵路今后進行地質(zhì)災(zāi)害整治提供了初步依據(jù)和決策條件,對工程實踐具有指導(dǎo)意義。鐵路運營和維護部門應(yīng)加強線路的地質(zhì)災(zāi)害巡查，尤其是對高度危險區(qū)段災(zāi)害點要做到及時監(jiān)控重點防治，并按其危險性分輕重緩急合理安排，逐步實施整治工程，避免突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害給鐵路安全運營造成影響。

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Abstract:The landslide, rockfall, topsoil slip and debris flow was founded along the Xiangyang-Chongqing Railway (Hujiaying-Wanyuan Segment) through detailed investigation and analysis. Rock fall is the main natural disaster among these disasters, exceeds the three-quarters of the total number of disasters, followed by topsoil slip, landslide and debris flow. Composite index analytic hierarchy process method was adopted to evaluate the hazard of every single point of geological disasters based on the detailed investigation and analysis. The results of assessment indicate that the numbers of hazard points, which belong very serious, serious, and medium and minor, are 19, 55, 103 and 44, respectively. The geological disaster risk assessment model of the whole line (Hujiaying-Wanyuan Segment) was built through collecting all the hazard points along this line. Adopted the fuzzy comprehensive evaluation method, the divisional evaluation is proceeded and the results indicate that the length of very serious region is 0km and the lengths of high hazard, medium hazard and low hazard regions are 179km, 55km and 55km, respectively, among the assessment length of 289km.

Key words:Xiangyang-Chongqing railway; geological disaster; risk; divisional evaluation

Distributing Character and Risk Assessment of Geological Disasters along Xiangyang-Chongqing Railway (Hujiaying-Wanyuan Segment)

WANG Lei1, 2, ZHAO Fasuo1, BAI Chaoneng2, LI Ming2, SHEN Yuan2and ZHAO Zhenrong2

(1.SchoolofEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 2.Xi’anRailwaySurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710054,China)

王雷，趙法鎖，白朝能，等. 襄渝鐵路(胡家營-萬源段)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及危險性評價[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(4)：30-34. [WANG Lei，ZHAO Fasuo，BAI Chaoneng, et al. Distributing Character and Risk Assessment of Geological Disasters along Xiangyang-Chongqing Railway(Hujiaying-Wanyuan )[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：30-34.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.006.]

U216.41；X43；P64

A

1000-811X(2017)04-0030-05

2017-03-23

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金項目(41202190)

王雷(1981-)，男，安徽壽縣人，注冊土木工程師(巖土)，博士研究生，主要從事巖土工程、道路與鐵道方面的研究工作. E-mail：wl_construction@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.006