基于GIS的滇藏铁路丽江—香格里拉段工程地质 条件分区研究

  0 引 言

 

  滇藏铁路是我国正在规划建设的大型铁路工程之一, 丽江—香格里拉段是继大理—丽江段后进行的第二段规划建设段, 该段地形地貌和地质条件非常复杂, 虽然经过多轮论证, 线路仍难最后确定。按照初期规划(图1), 滇藏铁路丽江—香格里拉段共有3个走向方案可以比选:(1)丽江—长松坪—虎跳峡上峡口—香格里拉方案(西线方案);(2)丽江—大具—白水台—小中甸—香格里拉方案(组合方案);(3)丽江—大具—白水台—天生桥—香格里拉方案(东线方案)。初步分析认为, 西线方案工程地质条件相对较好, 可以作为推荐方案, 但该方案的工程地质条件仍很复杂且存在许多重大工程地质问题, 工程建设难度大。

 

  西南山区是我国西部开发工程建设的重点地区之一, 也是工程地质条件最复杂的地区之一,随着工程建设的深入, 工程地质条件的复杂程度已经成为制约工程建设的重要因素。工程地质条件一直是工程地质界研究的热点, 丁继新等对工程地质条件的概念和应用进行了相关的研究,但基于正在规划建设的大型工程的工程地质条件分区评价方面的研究则较少。本文以滇藏铁路丽江—香格里拉段为例, 阐述工程地质条件分区评价在线路比选和优化方面的应用;在区域地壳稳定性评价的基础上, 将基于GIS技术的层次分析法引入到丽江—香格里拉段铁路规划区的工程地质条件评价中;充分利用GIS技术处理海量数据信息的优势, 采用层次分析法模型, 进行丽江—香格里拉段铁路规划区的工程地质分区评价, 评价结果对铁路选线具有一定指导意义。

 

  1 区域工程地质概况

 

  研究区在地貌上属构造剥蚀高中山与深切河谷区, 地势总体西北高、东南低。地面高程多在2 500 ～ 5 000 m, 最高峰为丽江北西面的玉龙雪山, 主峰扇子陡高程5 596 m, 最低处为丽江以北白马厂一带金沙江河谷, 高程约1 570m, 河流切割深度最大可达2 000 m以上。

 

  研究区位于中国两大地貌阶梯青藏高原东南缘向云贵高原的过渡部位, 为扬子地台、松潘—甘孜块体和三江块体的结合部位, 构造背景甚为复杂。在印度板块向北推挤和青藏高原南南东向挤出叠加作用下, 新构造运动十分强烈, 表现为强烈的垂直差异运动和块体侧向滑移, 以及NW向断裂右旋位移、近SN向和NNE向断裂左旋位移的断裂活动特征, 主要断裂有鹤庆—洱源断裂带、丽江—小金河断裂带、金沙江断裂带、塔城—红岩断裂、中甸断裂带、玉龙—哈巴雪山东麓断裂、中甸—海罗断裂、龙蟠—乔后断裂带、小中甸—大具断裂带等。研究区新构造运动强烈, 地震频发, 上新世以来发生多次构造活动。研究区自前古生代至新生代的地层均有出露。

 

  2 评价方法简介

 

  工程地质条件分区评价的核心是确定各种影响因素对工程地质条件影响的大小、分布与发育强度, 计算出不同地区的工程地质条件指数作为量化指标。结合研究区的工程地质条件和实际工程规划现状, 采用基于GIS的层次分析法作为工程地质分区评价的研究方法。层次分析法适用于多准则、多目标复杂问题的决策分析, 可以将决策者对复杂系统的决策思维过程实行数量化, 为选出最优决策提供依据[ 6] 。经过多年的研究和应用实践, 不少研究者开始将GIS技术与AHP方法相结合, 大大提高了传统的AHP方法在地学研究中的应用效果。

 

  本文采用基于GIS的工程地质条件分区评价方法, 在确定研究区、研究对象和研究目标后,对各种资料进行数据处理并建立相应的空间数据库;根据研究目标的特征, 分析影响目标的因素,建立目标的层次指标模型和层次结构, 构造判断矩阵;在专家对影响因素进行综合评分的基础上,进行层次单排序、求解权向量和一致性检验, 从而获得各指标因素值, 并运用GIS空间分析功能提取分析因子。数据处理计算采用大型地理信息系统ArcGIS9.2 软件, 对研究区域进行栅格化,每一个栅格作为模型评价的一个运算单元, 并将数据库中的数据按照规则进行栅格化处理。再采用图形叠加的模型评价方式, 将参与评价的各个因素权值分配到不同的栅格上。将各个因素进行图形叠加, 对属性值进行代数运算, 再将叠加后的栅格数据化生成新的图形, 并形成最终评价结果。评价流程见图2。

 

  

  本文将根据计算获得的工程地质条件指数值的分布范围, 结合野外实际调查情况进行验证和分析, 对各工程地质区域的工程地质条件进行分区评价, 对铁路工程建设的影响及适宜性进行讨论和说明。

 

  3 评价指标的确定和评价模型

 

  3.1 评价指标的确定

 

  研究区位于我国的西南山区, 工程地质条件复杂, 影响工程地质条件的因素较多, 在充分考虑各种因素的基础上, 选取地形地貌、工程地质岩组、斜坡结构、地质灾害发育现状、潜在震源区、活动断裂、微地貌类型(地形与铁路设计高程间的高差)、人类工程活动、降水量(主要考虑垂直降水量的差别)、与沟谷间的距离等10个因素作为一级评价指标。

 

  3.2 层次结构模型

 

  根据评价指标体系组建和操作的基本原则,采用分层递阶方法, 将研究区工程地质条件评价指标体系分为总体目标层、约束层(一级指标层)、评价指标层(二级指标层)和对象层(评价对象层)4个层次(图3)。

 

  目标层是系统分析的最高层, 用以表达铁路工程建设的适宜性。在本次分析中, 确定工程地质条件分区是总目标。按照影响铁路工程建设的逻辑关系, 分列地形坡度、工程地质岩组、斜坡结构、地质灾害发育程度、潜在震源区、活动断裂发育状况、微地貌类型、人类工程活动、降水量等方面的因素, 分别考虑其对总目标的影响,这些影响因素构成约束层。在约束层的基础上,对其中各种因素具体细分, 一共有32个指标层,这些指标层的权值在上述约束层权重计算的基础上进行划分。对象层是系统分析的最底层, 在本次研究中, 把工程地质条件分区作为对象层。

 

  4 评价过程及评价结果

 

  4.1 评价指标的量化途径

 

  在上述评价指标确定后, 充分利用GIS技术强大的基础数据处理和空间分析功能, 在ArcGIS9.2平台上形成地形坡度、工程地质岩组、斜坡结构类型区、地质灾害发育程度、潜在震源区、活动断裂, 微地貌类型、人类工程活动、降水量栅格、水系距离分析等相关的栅格文件格式的专题图(图4(a)— (d))。基于上述专题图层, 对于能够直接量化的指标, 可以在矢量化的专题图层提取相应的数据信息, 然后对指标进行等级划分并赋值;对于不能直接量化的指标, 采用评分比较的方法进行分区划分等级并赋值。以上可获得各评价指标的单因素等级量化结果。根据研究区范围和工程地质条件特征, 将栅格大小定为50 m×50 m, 将6 621.5 km2的研究区划分为2 648 600个栅格单元。

 

  4.2 影响因素和指标权重的确定

 

  影响因素和评价指标的权重计算采用在专家打分法确定各影响因素影响因子大小的基础上,构造相关判断矩阵, 求解得到影响因素和指标的权重, 表1为在汇总分析专家打分的基础上建立的因素判断比较矩阵。经过计算, λmax =10.369,CI=0.041 0, RI=1.49, CR=0.027 5 <0.1, 符合一致性判据, 各影响因素权重分配见表2。

 

  从权重分配表中可以看出, 地质灾害发育程度和活动断裂的权重在各因素中位于前列, 其次是工程地质岩组, 这3 个因素是进行工程地质条件评价的基础, 是影响铁路工程选线和建设的先决条件;地形坡度和斜坡结构是影响区域崩塌、滑坡和泥石流的重要条件, 所以权重也较高;微地貌类型、人类工程活动和降水量的权值差异不大。

 

  以上分析表明, 通过专家打分法和层次分析法相结合确定的影响因素权重是符合客观实际的。

 

  在各影响因素权值确定的基础上, 对各评价指标层进行权重划分和赋值(表3), 其中, 活动断裂指标又按照与活动断裂间的远近程度进行了距离分析, 不同距离范围的权值见表4。数值的大小表示其对铁路工程地质条件的影响程度, 数值越大, 表示该因素越不利于铁路工程建设。

 

  4.3 评价计算和结果分析

 

  4.3.1 计算过程

 

  利用ArcGIS软件空间分析的空间信息再分类功能, 按照评价指标权重对各个栅格文件的不同属性类别进行赋值。采用ArcGIS软件的栅格计算功能, 对经过空间信息再分类处理的10个影响因素的栅格文件进行各栅格权重值的求和运算, 根据式(1)计算每个栅格的工程地质条件指数值。计算结果表明研究区内各栅格的工程地质条件指数值分布在0.054 ～ 0.303之间, 集中分布在0.080～ 0.230之间, 平均值为0.150, 标准差为0.034,变异系数为0.227。工程地质条件指数值分布的平稳性较好, 反映了工程地质条件在区域上的变化具有一定的递变性, 与实际工程地质情况相符。

 

  综合考虑计算结果、野外地质调查和工程地质勘察资料, 确定了用于进行工程地质条件分区的指数阀值, 将研究区工程地质条件分为较好(B≤0.130)、中等(0.130 <B≤0.155)、较差(0.1550<B≤0.200)和差(0.200 <B≤0.310)4级, 并在ArcGIS软件平台自动生成工程地质条件区划栅格图, 经过局部平滑和噪音处理, 获得研究区铁路规划区的工程地质条件计算成果图。

 

  4.3.2 结果分析

 

  根据研究区工程地质条件评价结果图(图4(e))和相关工程地质资料, 将各分区中的主要工程地质问题分析如下。

 

  (1)工程地质条件差。该类分区主要分布于玉龙雪山东麓文笔水库—丽江市西侧—玉湖—玉龙雪山—大具—哈巴雪山(古鲁巴)—俄迪条带状区域内, 在香格里拉县城附近及仁河—龙蟠一带也有小面积分布。影响本类工程地质分区的最主要因素是活动断裂, 突出表现为与强活动断裂距离较近, 特别是在强活动断裂1 km范围内, 如玉龙雪山东麓和哈巴雪山中部地区;在多条断裂相交或近于相交的地区工程地质条件亦较差, 如丽江市县城至文笔水库一带处于多条中等-强活动断裂的交汇部位,在该区域内工程地质条件差;地质灾害发育地带、软弱松散第四系土石类、顺向坡及斜坡坡度大于45°的地带一般也位于工程地质条件差的区域。该类分区约占研究区总面积的6.52%。

 

  (2)工程地质条件较差。该类分区主要分布在工程地质条件差区域的外围, 其一方面受活动断裂的影响, 多位于距活动断裂1 ～ 5 km的范围内;另一方面, 虽然部分区域与强活动断裂之间的距离小于1 km, 如玉湖和古鲁巴附近, 但由于地形较平坦或斜坡平缓, 工程地质岩组和斜坡结构好,远离沟谷影响, 因而工程地质条件属较差级。此外, 在仁和以西的虎跳峡镇至哈巴雪山之间的顺向坡发育地带工程地质条件较差, 这些地区斜坡结构因素起主导作用。该类分区约占研究区总面积的32.24%。

 

  (3)工程地质条件中等。该类分区多呈点状和块状分布, 在丽江市团山地区、拉市海一带、月亮坪—俄迪一带、小中甸镇—碧古—阿热一带以及那帕海地区分布较多。该类工程地质条件分区多位于中等活动断裂和弱活动断裂的影响范围内,距离沟谷水系近, 地质灾害较发育, 地形坡度小、斜坡结构一般。该类分区约占评估区总面积的32.41%。

 

  (4)工程地质条件较好。该类分区主要分布在4个地带, 即虎跳峡镇一带、团山—文化村一带、安南地区和阿热北部区域, 在研究区其他区域仅零星分布。该类地区远离活动断裂带, 地质灾害不发育, 工程地质岩组以较坚硬中厚层状砂板岩、玄武岩岩组和坚硬块状碳酸盐岩岩组为主, 地形坡度一般小于15°, 斜坡结构好, 以横向坡、反向坡和平坡为主。该类分区约占研究区总面积的28.83%。

 

  5  线路方案工程地质条件评价和优化

 

  从工程地质分区图(图4(e))可以看出, 研究区内工程地质条件差的区域集中分布在丽江县城至古鲁巴条带状区域内, 丽江—香格里拉段铁路东线方案、西线方案和组合方案都不可避免地通过这些区域。其中, 东线方案工程地质条件较好段约占10%, 工程地质条件中等段约占40%, 工

 

  程地质条件较差段约占30%, 工程地质条件差段约占20%;主要工程地质问题是大具盆地段位于

 

  哈巴—玉龙雪山东麓断裂5 km影响范围内, 斜坡结构以顺向坡为主, 滑石板滑坡和金沙江深切河谷的地貌特征增加了工程地质条件的复杂程度,阿热到香格里拉段位于中甸断裂的影响范围内。

 

  西线方案工程地质条件较好段约占10%, 工程地质条件中等段约占20%, 工程地质条件较差段约占30%, 工程地质条件差段约占40%;主要工程

 

  地质问题是线路在丽江盆地内与玉龙雪山东麓断裂斜交, 尤以小玉龙附近影响最大, 从小玉龙附近开始, 铁路设计高程和玉龙雪山山体之间的高差大, 铁路呈NW向以隧道(玉峰寺隧道)形式通

 

  过玉龙雪山, 隧道最大埋深达1 000 m以上, 受这两种因素的控制, 该段工程地质条件差。组合方案工程地质条件较好段约占15%, 工程地质条件中等段约占25%, 工程地质条件较差段约占30%, 工程地质条件差段约占30%, 该方案与哈巴—玉龙雪山东麓断裂近直交, 延伸至俄迪一带,影响本方案的突出地质问题是活动断裂。

 

  在上述工程地质条件分区和线路规划方案分析的基础上, 认为西线方案可以作为丽江—香格里拉段铁路推荐线路方案, 但该方案南段存在较大工程地质问题———玉龙雪山活动断裂影响和玉峰寺深埋隧道, 需要进一步优化。根据工程地质分区评价结果, 建议西线方案由原来的从团山附近接入大丽线(大理—丽江铁路)改为从丽江市南端太平村附近接入, 线路总体走向为太平村—中吉村—文笔水库—下长水—三家村—仁河—中义—龙蟠, 在龙蟠处接原西线方案, 这样, 可以减弱玉龙雪山东麓断裂对铁路的影响以及避免玉峰寺深埋隧道引起的相应的重大工程地质问题。

 

  6 结 语

 

  基于ArcGIS平台和层次分析法对滇藏铁路丽江—香格里拉段的工程地质条件进行了分区与评价研究, 得到如下认识:

 

  (1)滇藏铁路丽江—香格里拉段地形地貌和地质条件非常复杂, 新构造运动强烈, 影响铁路工程地质条件的因素较多, 主要有地形坡度、工程岩组、斜坡结构类型、地质灾害发育程度、潜在震源区、活动断裂、微地貌类型、人类工程活动、降水量、水系距离等10个因素。

 

  (2)经过专家打分法和层次分析法计算认为地质灾害发育程度和活动断裂的权重在各评价因素中位于前列, 其次是工程地质岩组, 这3个因素是进行工程地质条件评价的基础, 是影响铁路工程选线和建设的先决条件。

 

  (3)根据计算所得的工程地质条件指数值分布范围和野外实际调查结果, 将研究区工程地质条件分为差、较差、中等和较好等4 类。工程地质条件差的地区约占总面积的6.52%, 该类地区集中在玉龙雪山东麓和哈巴雪山地区;工程地质条件较差的地区约占研究区总面积的32.24%, 在研究区内分布面积较大;工程地质条件中等的地区约占研究区总面积的32.41%;工程地质条件较好的地区约占研究区总面积的28.83%。

 

  (4)综合分析表明西线方案的工程地质条件总体优于其他比选方案, 基于评价结果对西线线路方案进行了优化, 优化后的方案减弱了玉龙雪山东麓断裂对铁路的影响, 可避免玉峰寺深埋隧道引起的工程地质问题。