冰川區(qū)鐵路選線要點——以中巴經(jīng)濟走廊為例

韓笑，姚令侃, 2, 3，魏永幸，黃藝丹, 2, 3，Sarfraz Ali

冰川區(qū)鐵路選線要點——以中巴經(jīng)濟走廊為例

韓笑1，姚令侃1, 2, 3，魏永幸4，黃藝丹1, 2, 3，Sarfraz Ali5

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3. 西南交通大學(xué) 陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室，四川 成都 610031；4. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；5. National University of Sciences?and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

中巴經(jīng)濟走廊是“一帶一路倡議”的先試區(qū)和重點項目區(qū), 擬建中巴鐵路是其重要組成部分，但鐵路行經(jīng)的喀喇昆侖山脈為全球山谷冰川最發(fā)育的區(qū)域，我國尚無在冰川區(qū)修建鐵路的經(jīng)驗。鑒此，以中巴經(jīng)濟走廊Gilgit至Khunjerb段為研究區(qū)，研究沿線大陸性冰川、海洋性冰川和躍動冰川的分布以及各類冰川的活動性特點，定義冰川直接作用區(qū)和間接作用區(qū)且分析相應(yīng)的成災(zāi)模式，并據(jù)此提出選線要點；最后針對中巴鐵路沿線四大冰川群，分別提出選線設(shè)計建議。研究成果對冰川區(qū)鐵路選線設(shè)計具有普適性指導(dǎo)意義。

中巴經(jīng)濟走廊；鐵路選線；冰川活動性；減災(zāi)策略

巴基斯坦是除兩極外世界第一冰川大國，冰川面積達到了13 680 km2，僅喀喇昆侖公路穿越地區(qū)確認冰川就有1 050條[1]。巴基斯坦約45%冰川發(fā)育于喀喇昆侖山，覆蓋了喀喇昆侖山面積的37%?？錾阶鳛橹袊突固购陀《冉唤缣幍囊粋€巨大山脈，冰川規(guī)模龐大，有1 759條冰川，世界上中低緯度地區(qū)長度超50 km的冰川喀喇昆侖山就獨占了75%。中巴鐵路是我國“一帶一路”倡議中的重點項目，該鐵路不可避免地要經(jīng)過中國和巴基斯坦交界處及附近的冰川區(qū)，其中巴基斯坦段冰川發(fā)育強烈，冰川類型復(fù)雜，對鐵路有較大的威脅。目前在冰川區(qū)修建鐵路屬世界性難題，我國也缺乏在冰川區(qū)從事鐵路建設(shè)的經(jīng)驗。從整體上看，冰川區(qū)是鐵路公路修建技術(shù)研究相當(dāng)缺乏的地貌單元，現(xiàn)有論文主要集中在冰川引發(fā)冰湖潰決以及冰川泥石流對道路工程的危害方面[2?3]。選線設(shè)計是從源頭上減災(zāi)的最重要手段。本文即以擬建哈維連至喀什鐵路Gilgit到Khunjerb段為例，探討鐵路工程應(yīng)對冰川需考慮的主要因素，進而提出冰川區(qū)鐵路選線要點和減災(zāi)選線策略。

1 中巴鐵路沿線冰川基本情況

1.1 中巴鐵路沿線冰川的分布

從下游至上游給冰川編號，Gilgit到Khunjerb沿線對鐵路威脅較大的冰川共有19條，其中18條冰川分別屬于四大冰川群[4]：拉卡波希冰川群(有4條冰川對鐵路有影響)、帕蘇冰川群(有6條冰川對鐵路有影響)、紅旗拉普冰川群(有6條冰川對鐵路有影響)和固加爾帕冰川群(有2條冰川對鐵路有影響)，此外還有一條冰川單獨發(fā)育于大角峰。

1.2 中巴鐵路沿線冰川類型及活動性特點

中巴經(jīng)濟走廊巴基斯坦段的冰川類型復(fù)雜多變，包含海洋性冰川(溫冰川)和大陸性冰川(冷冰川)。式中，拉卡波希冰川群和帕蘇冰川群屬于海洋性冰川群，發(fā)育在高山窄谷段，氣溫較高，冰雪消融強烈，冰溫處于亞融點(0～4 ℃)，運動速度快，均速在36.5 m/a～500 m/a，地質(zhì)地貌作用強；紅旗拉普冰川群和固加爾帕冰川群屬于大陸性冰川群，發(fā)育在高山峽谷段，降雨較多，冰川海拔高，溫度低，冰溫恒為負溫，冰體較穩(wěn)定，冰川底部未達到亞融點，融水不能蔓延至冰川底部，運動速度慢，小于36.5 m/a，地質(zhì)地貌作用弱。

躍動冰川為海洋性冰川的一種特例，具有冰面坡度陡、冰斗厚度深、覆蓋面積大、冰量存儲足、爆發(fā)時間短、成災(zāi)范圍廣、造成損失重、前進速度快等特點[5?6]。圖1冰川中，4號，5號，10號以及11號冰川為躍動冰川，關(guān)于躍動冰川的威脅，歷史上已見證多次[7?10]。因為躍動冰川發(fā)生和停止都非常地突然，所以速度很快就會達到峰值，勢能轉(zhuǎn)化成的動能巨大且過程迅速，難以做出及時的應(yīng)對，對鐵路威脅巨大。

2 冰川區(qū)鐵路成災(zāi)模式及減災(zāi)選線要點

2.1 冰川直接作用區(qū)和間接作用區(qū)對鐵路的影響

分析冰川對鐵路的影響，可分為直接作用區(qū)和間接作用區(qū)。直接作用區(qū)系指冰川目前分布和鐵路百年服務(wù)期內(nèi)可能運動到的區(qū)域。在直接作用區(qū)若冰川與鐵路交匯，線路工程將被摧毀；此外，冰川運動還會伴隨著冰川物質(zhì)的移動和沉積，改造并塑造地貌，如形成終磧堤、側(cè)磧壟、冰磧臺地等；冰川的下蝕也是直接作用區(qū)不可忽略的因素，如形成冰川槽谷等。間接作用區(qū)系指冰川泥石流、冰川融水洪水流經(jīng)區(qū)域，間接作用區(qū)內(nèi)冰川對鐵路的影響可按水害處理。冰川融水型洪水漲落緩慢、過程線肥胖、持續(xù)時間長，可以長達一個月以上，雖然總量大但是峰值低，且季節(jié)性明顯，多出現(xiàn)在夏季高溫時期[11]，一般不會形成大的災(zāi)害；冰川泥石流具有規(guī)模大、爆發(fā)猛烈、大沖大淤等特點，相較于降雨泥石流，冰川泥石流有更多物質(zhì)來源和水動力，且發(fā)生較為頻繁，是目前速度最快的地質(zhì)地貌動力過程之一。

2.2 冰川區(qū)鐵路減災(zāi)選線要點

2.2.1 大陸性冰川直接作用區(qū)

大陸性冰川直接作用區(qū)海拔高，鐵路線路一般不會走到這樣的高度，鐵路只會以隧道下穿通過，自然形成了立體繞避的格局，目前鐵路尚無在冰川直接作用區(qū)修建隧道的工程實踐，但2010年貫通的西藏扎墨公路嘎隆拉隧道提供了一個寶貴的案例。嘎隆拉隧道全長3 310 m，所在區(qū)域的高程都在3 600 m以上，最高達到4 700 m，已位于冰川直接作用區(qū)；隧道平均埋深約650 m，最大埋深821 m，進口端海拔3 775 m，埋深約45 m；隧道整體使用復(fù)合式襯砌，為防止隧道滲水，壓縮存水空間，在圍巖頂以及襯砌背后進行補充注漿；在洞口凍融區(qū)采用防凍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并加鋪隔熱層，且采用防寒水溝以免路面結(jié)冰。嘎隆拉隧道沒有針對冰川采取特殊設(shè)計，但自2013年10月31日開始運營至今，尚未發(fā)現(xiàn)冰川造成的工程問題。2016年“現(xiàn)代冰川地區(qū)嘎隆拉特長隧道設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究”項目已獲得中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)進步特等獎。該成功案例說明以隧道下穿通過冰川直接作用區(qū)可行，但必須考慮冰川的下蝕問題，目前對于冰川的下蝕速率仍沒有一個準確的計算公式，但冰川高程的不同使得縱斷面的下蝕速率存在差異性，不同于積累區(qū)和消融區(qū)，由于雪線為積累和消融相近的區(qū)域，所以附近冰川活動強烈，下蝕也更為嚴重，據(jù)此進一步提出以下選線注意事項。

1) 隧道選址：盡量不從雪線附近經(jīng)過。

2)隧道最小埋深：應(yīng)在有效埋深之外再加上鐵路百年服務(wù)期內(nèi)冰川最大下蝕深度max。

式中：100為鐵路百年服務(wù)期；e為冰川年下蝕速率，可采用當(dāng)?shù)乇▽崪y下蝕速率，若無實測資料時，根據(jù)全球各地資料統(tǒng)計，可按照大陸性冰川0.1～1 mm/a，海洋性冰川1～10 mm/a，躍動冰川10～30 mm/a來計算。

3) 冰川融水：隧道的防水設(shè)計要按冰川年最大消融量來計算。若當(dāng)?shù)刭Y料匱乏，可參考式(2)溫度指數(shù)模型(度日因子法)計算冰川融水量，該方法由Finsterwalder等[12]提出，為基于單一氣候因子的度日模型，因氣溫容易獲取且便于進行空間插值而廣泛應(yīng)用。

式中：為日消融量，mm；d為日平均氣溫，℃；0為冰川消融閾值溫度，℃；MF為溫度消融因子，mm/(℃·d)，為當(dāng)?shù)販y得每天每攝氏度變化下的消融量。

4) 其他：由于冰川區(qū)隧道一般位處高原、海拔較高，要注意圍巖的高地應(yīng)力、高地溫、晝夜溫差大以及凍害等帶來的結(jié)構(gòu)和材料的耐用性問題。

2.2.2 海洋性冰川直接作用區(qū)

海洋性冰川直接作用區(qū)海拔低，可能處于鐵路布線可考慮的高程范圍。選線要點為：

1) 由于冰川運動破壞力大，即使不在冰川槽谷設(shè)墩，冰川側(cè)蝕也會對兩側(cè)橋墩基礎(chǔ)所在基巖造成威脅，所以目前鐵路線路不建議設(shè)橋跨越冰川，若不能采用隧道立體繞避時，宜平面繞避，如跨河 繞避。

2) 對于大型且活動性強的冰川，還需注意冰川堵河引發(fā)主河水位大幅度上升的危險，因此即使在異岸布線宜盡量走高線位，以減少未來冰川堰塞湖造成的風(fēng)險。

3) 當(dāng)兩岸均處于海洋性冰川直接作用區(qū)時，一般考慮另選廊道方案。

2.2.3 冰川間接作用區(qū)

雖然鐵路尚無在冰川區(qū)從事建設(shè)的經(jīng)驗，但低等級公路明線通過冰川間接作用區(qū)受災(zāi)的案例較多。例如川藏公路經(jīng)過的帕隆藏布流域分布有冰川泥石流溝53條，1954年國道G318運營以后，幾乎每年都要遭受泥石流的危害，如堵涵淤橋、淤埋路面、沖毀路基和防護建筑等。川藏公路設(shè)計為三級公路，災(zāi)害防護等級低，據(jù)調(diào)查，受災(zāi)工點多為涵洞，有些甚至是過水路面；而對于橋梁，當(dāng)選址合理且過流能力設(shè)計正確時，一般不會受災(zāi)。因此在冰川間接作用區(qū)主要是考慮冰川泥石流和冰川洪水的威脅，提出鐵路跨越冰川泥石流溝采取“線路就橋”，跨越冰川洪水溝采取“橋梁隨線”的選線原則，并注意以下要點。

1)冰川泥石流：先確定跨越冰川泥石流橋梁的橋位，以其為控制點，再設(shè)計線路。式中橋位宜選在山口附近泥石流流通段，因目前冰川泥石流流量計算公式尚不成熟，過流能力設(shè)計時宜預(yù)留較大的富余量，例如，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定小橋及涵洞設(shè)計泥石流頻率不得小于1/100，特大橋及大中橋設(shè)計泥石流頻率不得小于1/300；對于冰川泥石流，建議小橋及涵洞設(shè)計還需按1/300 泥石流頻率進行檢算，特大橋及大中橋按1/500泥石流頻率進行檢算。且盡量不在泥石流主流線上設(shè)墩。

2) 冰川融水型洪水：一般流量不大，對線路方案不起控制性作用，可按普通洪水溝的選線原則處理，一般在線路通過處設(shè)橋即可。

3 中巴鐵路減災(zāi)選線研究

3.1 中巴鐵路冰川直接作用區(qū)的確定

四大冰川群分布在Hunza河流域。該流域經(jīng)歷了Yunz期、BorritJheel期、GhulkinI期，GhulkinII期和Batura期共5個冰川期，式中GhulkinI期為全球末次最大冰期[13]，目前處在第四紀冰期亞間冰期。隨著全球氣候變暖，世界大多數(shù)冰川處于萎縮狀態(tài)。但巴基斯坦冰川，從小冰期末期(20世紀初期)到現(xiàn)在，雖然部分冰川發(fā)生退縮，但是冰川的總規(guī)模沒有明顯減少，部分冰川還出現(xiàn)了前進的現(xiàn)象；還有一些冰川雖然厚度在減少，但是末端仍在前進，甚至部分學(xué)者認為喀喇昆侖山冰川還會出現(xiàn)大規(guī)模的冰川躍動[14]，巴基斯坦冰川這種不同于全球冰川變化趨勢的特點，可能與喀喇昆侖地區(qū)獨特的氣候環(huán)境以及對全球氣候變化的反饋機制有 關(guān)[15]。我們認為巴基斯坦冰川確實萎縮不明顯，但即使發(fā)生大規(guī)模的冰川躍動現(xiàn)象，不會超過小冰期的規(guī)模。鑒此，提出可以小冰期冰川曾到達過的區(qū)域，作為劃分鐵路百年服務(wù)期冰川直接作用范圍的依據(jù)，具體做法可通過對冰川運動塑造槽谷地貌的判識確定歷史上冰川運動塑造的槽谷判別可采用Svensson提出的冪函數(shù)模型[16]，一般認為冰川槽谷的冪函數(shù)值范圍在1.5～2.5[17]。

式中：坐標系原點為槽谷最低點，，為槽谷橫斷面曲線上各點的坐標。

本文根據(jù)冪函數(shù)模型，利用ArcGIS 10.2和Google Earth上的DOM圖、從地理空間數(shù)據(jù)云下載的30×30的DEM圖以及國際山地綜合開發(fā)中心(ICIMOD)的境外數(shù)據(jù)，通過每100 m選取一個橫斷面截面來計算值，判斷值是否在1.5~2.5的區(qū)間內(nèi)，配合多時相衛(wèi)片解譯以及當(dāng)?shù)貧v史記錄，綜合判斷冰川槽谷的范圍，最終得到的冰川直接作用區(qū)范圍示于圖1。

圖1 冰川直接作用區(qū)范圍圖

可將冰川曾到達過的范圍作為鐵路百年服務(wù)期冰川直接作用范圍來估計，由所有冰川槽谷端點的連線，即可繪出冰川直接作用區(qū)的范圍。圖1中，對于大部分海洋性冰川，如4，5，6，9，10以及11號冰川，它們的終磧堤已到達Hunza河，因此其直接作用區(qū)一直劃到主河；對于其他冰川，在“U”型谷后會轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型谷，冰川融水通過流水侵蝕形成的V型槽谷流到主河，則將它們的“U”型至“V”型谷的轉(zhuǎn)換斷面作為直接作用區(qū)與間接作用區(qū)的分界。中巴鐵路沿線地形陡峭、大量分布的冰磧物和冰水沉積物給冰川泥石流提供了有利的發(fā)育環(huán)境，成為嚴重威脅中巴鐵路的災(zāi)害類型。圖2中列出了中巴鐵路沿線泥石流點，需要說明的是，雖然8號，9號，10號和11號冰川近年來經(jīng)常以冰川泥石流的形式造成Hunza河右岸公路損毀，但是按照直接作用區(qū)的定義，它們的槽谷均屬于鐵路百年服務(wù)期內(nèi)冰川可能運動到的區(qū)域，應(yīng)遵循直接作用區(qū)的選線要點。

3.2 中巴鐵路四大冰川群選線策略

基于上述選線和冰川作用區(qū)的研究，本文針對四大冰川群提出鐵路減災(zāi)選線策略如下。

圖3所示為拉卡波希冰川群。該路段地處高山窄谷段，地形較為完整，橫向河谷兩岸山坡中上部基巖裸露、地形陡峻，但中下部河流Ⅰ～Ⅲ級階地發(fā)育，階地面傾向河谷，是鐵路可設(shè)明線的有利地形，它們也位于冰川間接作用區(qū)，因此部分路段可參照冰川間接作用區(qū)選線要點設(shè)計。但在河流左岸集中分布有4條大型冰川(圖2)，式中Minapin為躍動冰川，直接作用區(qū)到達主河，是該路段必須局部繞避的控制點。根據(jù)中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司2014年完成的《中巴經(jīng)濟走廊鐵路通道規(guī)劃研究》中的概略定線，線路基本沿左岸行進，在該處采取了跨河走右岸的措施，是合理的。

圖2 拉卡波希冰川群鐵路線路示意圖

圖3所示為帕蘇冰川群。該路段同樣位于高山窄谷段，部分階地因受河水、冰川融水沖刷或泥石流沖毀和掩埋，階地面寬度變得狹小，河床兩岸因冰川物質(zhì)堆積形成冰水扇、冰水階地，地形尚可，但仍存在部分可利用階地, 利用這些有利地形多走明線仍是鐵路定線的優(yōu)化目標。帕蘇冰川群共有6條大型冰川對鐵路有威脅，式中Hassanabad，Pasu和Batura冰川為躍動冰川，有大規(guī)模前進堵河的威脅。這些冰川均分布于Hunza河右岸，參考海洋性冰川直接作用區(qū)選線要點，鐵路應(yīng)跨河至左岸布線，并應(yīng)盡量走高線位。在概略定線方案中，體現(xiàn)了通過平面繞避規(guī)避這6條冰川的原則。圖4所示為紅旗拉普冰川群。該路段地處高山峽谷段，地勢起伏較大，兩岸自然坡度陡峭，相對高差巨大，偶見零星分布的殘余河流階地，且高懸于河岸兩側(cè)，呈不對稱、不連續(xù)分布，難以利用。橋隧工程是鐵路的主要形式。該路段已處于過埡口后急劇大下坡地段，線路高程已低于冰川直接作用區(qū)范圍，主要威脅為冰川泥石流和冰川洪水，可參考冰川間接作用區(qū)的鐵路選線要點。在概略定線方案中，線路以橋梁跨過7條大型冰川泥石流溝，橋位選擇需慎重，因目前冰川泥石流流量計算公式尚不成熟，橋梁過流能力設(shè)計宜考慮一定的安全余量；此外，該處左岸的冰川泥石流規(guī)模相對較小，還宜考慮改走左岸的比選方案。

圖3 帕蘇冰川群鐵路線路示意圖

圖4 紅旗拉普冰川群鐵路線路示意圖

圖5 固加爾帕冰川群鐵路線路示意圖

圖5所示為固加爾帕冰川群。該路段處于越嶺埡口地段，受冰川侵蝕作用的影響，刃脊、角峰分布較多。該段設(shè)計可參照大陸性冰川直接作用區(qū)鐵路隧道設(shè)計注意事項。在概略定線方案中，線路越嶺隧道長度為3 km，冰川下方隧道埋深38 m。按式(1)計算該處max等于0.1 m，有效埋深為20 m，故隧道設(shè)計埋深大于最小埋深，滿足大陸性冰川區(qū)選線要點。但是，該處位于越嶺地段，若增加隧道長度，當(dāng)然加大了投資，但線路縱斷面線型得到優(yōu)化，從而改善了運營條件，同時在隧道埋深方面也可增加了安全余量，是進一步優(yōu)化的方向。

4 結(jié)論

1) 提出了冰川直接作用區(qū)和間接作用區(qū)的概念，分析了鐵路相應(yīng)的成災(zāi)模式，然后按大陸性冰川直接作用區(qū)、海洋性冰川區(qū)直接作用區(qū)、冰川間接作用區(qū)，分別提出了鐵路選線設(shè)計要點。研究對冰川區(qū)鐵路選線設(shè)計具有普適性的指導(dǎo)意義，提出了冰川直接作用區(qū)的選線對策，企盼產(chǎn)生拋磚引玉之效。

2) 巴基斯坦的冰川退縮不明顯，甚至存在冰川大規(guī)模躍進的危險，鑒此，本文提出了以小冰期冰川曾到達過的區(qū)域，作為劃分鐵路百年服務(wù)期冰川直接作用范圍的方法。但全球大部分冰川是處于消融和后退狀態(tài)的，因此該方法在這些地區(qū)不適用。

3) 本文提出在冰川區(qū)直接作用區(qū)鐵路可以隧道下穿通過，體現(xiàn)了以立體繞避方式應(yīng)對冰川的思路。對于是否可采用橋梁方式跨越山谷冰川的問題，通過對目前青藏高原南緣擬建鐵路，如川藏鐵路、中巴鐵路、中尼鐵路的可行性研究報告的分析，尚未發(fā)現(xiàn)存在這種需求的工點，故建議將其作為進一步研究的內(nèi)容。

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Railway location strategies in glacial areas:A case study of China-Pakistan Economic Corridor

HAN Xiao1, YAO Lingkan1, 2, 3, WEI Yongxing4, HUANG Yidan1, 2, 3, Sarfraz Ali5

(1. College of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. National Engineering Laboratory of Land Traffic Geological Disaster Prevention Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 4. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China;5. National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

China-Pakistan Economic Corridor is a pilot and key project of “The Belt and Road”, and the proposed China-Pakistan railway is an important part of it. However, Karakoram is the most developed mountain glacier area in the world, and China has no experience of building railway in the glacier area. Therefore, the section from Gilgit to Khunjerb of China-Pakistan Economic Corridor was selected as the study area. In the first place, distribution of continental glaciers, marine glaciers and active glaciers along the route was determined, and then,definition of direct and indirect impact areas were given, according above two areas, the disaster modes were analyzed to present the railway location points. At last, for four glacier groups along the railway line, we put forward the concrete railway location strategies, respectively. The findings could provide general guidance for railway alignment design in glacier areas.

China-Pakistan Economic Corridor; railway alignment; glacial activity; mitigation strategies

U212.32

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2485 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191145

2019?12?18

國家自然科學(xué)基金資助項目(41571004，41902302)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0802206)；中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司科研項目(KYY2020054(20-22))；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科技創(chuàng)新項目(國家培育項目)(2682018GJPY01)

姚令侃(1953?)，男，湖南衡陽人，教授，從事復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路公路勘察設(shè)計新技術(shù)、鐵路公路災(zāi)害防治的工程科學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)等研究；E?mail：yaolk@swjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)