川藏鐵路(康定至林芝段)沿線滑坡風險分析

楊宗佶， 丁朋朋,2， 王 棟， 游 勇， 李明俐,2， 喬建平

(1. 中國科學院水利部 成都山地災害與環境研究所， 四川 成都 610041；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

川藏鐵路是國家規劃的4條進藏鐵路之一，被列為“十三五”國家規劃重點項目。川藏鐵路起于成都市，經雅安、康定后在白玉跨金沙江進藏，經昌都、林芝、山南至終點拉薩，全線長度1 850 km，工程投資預估算約2 166億元。目前，川藏鐵路拉薩至林芝段已開工建設，成都至康定段的可行性研究已完成，而康定至林芝段的可研工作也在緊張進行中，即將拉開川藏鐵路建設的大幕[1]。川藏鐵路規劃建設于川藏交通廊道，地處青藏高原東南部，鐵路將穿越14條江河、21座4 000 m以上的高山,主要特征之一是規劃較多的高烈度地震區大跨度橋梁[2]。川藏鐵路康定至林芝段沿線地質構造活躍，具有高落差、大坡降的地形條件，沿線還穿越藏東南降雨中心，導致該區段是我國山地災害數量最多、規模最大和類型最全的區域，即川藏鐵路的減災選線往往無法完全規避山地災害的風險。因此，基于山地災害風險分析指導線性工程的選線規劃，區分可接受和不可接受風險，對于川藏鐵路的前期選線、中期建設和后期運營中的災害管理具有重要意義。

滑坡災害風險是對滑坡發生的危險性、災害損失的可能性做出綜合性分析評價[3]。滑坡風險評價始于20世紀60年代，主要包括滑坡災害的機理和預測分析[4]。20世紀末期，國內外學者采用主觀推斷分析、確定性模型對滑坡災害的易發性和危險性進行分析評價，以確定滑坡的強度以及發生的空間、時間概率[5],如Guzzetti等[6]通過泊松概率模型對意大利北部Staffora河流域的滑坡危險度進行了評價。進入21世紀，以統計分析模型為基礎建立的針對區域滑坡的風險分析方法廣泛應用于滑坡災害的風險分析與評價[7]，如Fell等[8]提出了基于統計方法對滑坡災害進行危險度評價和區劃的指導性方法；Maes等[9]總結了現行滑坡災害風險評價模型、方法和挑戰，探討了滑坡風險評價技術方法，以上研究進展為針對線性工程開展滑坡風險評價奠定了理論基礎。

鑒于擬建重大線性工程沿線滑坡災害特點，針對區域和單點災害的風險分析方法均不適用于穿越區域廣的線性工程。目前，僅有少量學者開展了地質災害對既有鐵路工程的定性風險評估以及列車安全定位的風險分析[10-11]，尚未形成完整、統一的鐵路等線性工程沿線地質災害風險分析的方法。本研究基于滑坡災害危險性和鐵路工程承災體易損性構建綜合風險評價指標體系，并利用貢獻率法建立鐵路工程滑坡災害風險定量評價模型，以擬建的川藏鐵路康定至林芝段為例進行風險評價，定量分析了鐵路工程沿線滑坡災害可接受風險水平，可為可研階段的選線研究提供強有力的技術支撐。同時，也為類似線性工程沿線滑坡災害風險分析提供了參考。

1 風險評價方法

1.1 評價模型

國外許多學者提出了各種各樣的災害風險表達形式。目前，聯合國1992年公布的“風險=危險性×易損性”評價模式被國內外學者所認同，較全面地反映了風險的本質特征[12]。由于鐵路工程的特殊性和研究的針對性比較明確，本文將貢獻率法和多因素綜合評判法相結合建立評價模型為[5,13]

R=H(I,P)×V(A,E,F)

( 1 )

式中：R為風險性；H為危險性，是滑坡孕災環境和誘發條件的集合；V為易損性，是承災體屬性特征、暴露性和恢復力的綜合表達；孕災環境I是與滑坡發生直接相關的環境要素，包括地層巖性、坡度等；誘發條件P包括降雨、地震等；屬性特征A，包括鐵道類型、與地面高差；暴露性E是承災體暴漏在風險中的特性，包括與災害的相對位置和海拔高度；恢復力F是承災體遭受滑坡災害破壞后恢復到正常運行的能力，含有道路狀況，與城鎮的距離等指標因子。

1.2 指標體系的建立

為了清晰的表示各層評價指標的相互關系，建立遞階狀層次機構，即鐵路工程滑坡災害風險評價指標體系，見圖1。該風險評價指標體系由A、B、C、D等4個等級層次構成，分別代表目標層、一級、二級和三級指標層。其中，目標層指的是鐵路工程在滑坡災害作用下的風險性，是整個層次分析的核心內容；一級指標層列出了鐵路工程滑坡災害風險組成的兩個方面，即滑坡災害危險性和鐵路工程易損性；二級指標層列出了影響滑坡災害危險性和鐵路工程易損性的各種主要因素；三級評價指標層則表示構成滑坡災害孕災環境和誘發條件的各種因素以及影響鐵路工程暴露性、屬性特征以及成災恢復力的各種因素，這些因素主要含有工程與斷層的距離、地層巖性、年平均降雨、工程與地面的高差、道路狀況等14個指標，充分考慮了滑坡災害的致災特征和鐵路工程的自身屬性。

1.3 指標權重

在滑坡災害風險評價中，指標權重是一個關鍵參數。各風險評價指標的權重數值利用貢獻率法[2]計算得到。貢獻率可以表征評價指標對災害風險的貢獻程度差異。基于各指標因子的貢獻率，經過標準化處理，可得到各指標因子的權重。

(1) 貢獻率

首先對得到的指標數據利用極值標準化進行均值化處理，將指標因子原始數據轉化為貢獻指數

( 2 )

( 3 )

式中：M0i是第i個指標因子貢獻率。

(2) 自權重

首先對每一種單項因子的貢獻率進行分級評價，采用等間距法將求得的按貢獻率高、中、低三級標準劃分后，分別計算各因子的權值。

ωi=M0i/∑M0i

( 4 )

式中：ωi是指標因子i的自權重。

(3) 互權重

互權重指不同指標因子之間的權值，可表征在線性工程中各指標因子對滑坡災害風險的貢獻度差異，采用自權重計算互權重。

( 5 )

1.4 評價分析過程

鐵路工程滑坡災害風險是在滑坡災害危險度和鐵路承災體易損度的基礎上，利用評價模型求得。首先，選擇評價模型并根據評價目標確定評價單元，分析風險影響因素確定評價指標，構建風險評價指標體系；其次，利用相關工具獲取各評價單元指標數據，經歸一化、標準化處理后分別計算危險性和易損性的指標權重，進而求得各評價單元的危險度和易損度；最后利用風險評價模型，計算各評價單元的風險度，開展鐵路工程的滑坡災害風險分析。

2 算例

本研究以川藏鐵路康定至林芝段為例，對鐵路工程滑坡災害風險進行分析評價。該局部線路起于四川康定縣，終點西藏林芝市，全長1 005.24 km，其中橋梁98.62 km，路基164.24 km，隧道742.38 km，橋隧比高達83.66%。

2.1 計算單元離散化

滑坡災害的發生往往會堵塞線路中的隧道口，因此對線路中隧道的風險度進行計算時，只分析每個隧道口位置處的風險度，隧道的風險度以隧道兩端隧道口風險度的算術平均值作為其實際值。該段線路共規劃設計有96條隧道，隧道口共有192個。對于鐵路工程線路中的橋梁和路基，本研究基于有限元方法中“離散化”核心思想[14]，離散后開展計算分析，以90 m為一個離散單元，不足90 m的線路也離散為單獨的計算單元。根據上述方法，橋梁和路基共離散為3 123個計算單元。由于鐵路車站受損后的損失較大，故將車站點的風險度進行單獨計算，車站共有76個，其中中間站64個，區間站12個，加之隧道口、路基及橋梁的離散點，共3 391個分析計算單元被應用于鐵路工程滑坡風險度的計算，見圖2。

2.2 滑坡災害危險性評價

研究區內滑坡歷史災害點的數據由中鐵二院提供的資料、遙感解譯及野外調查得到，見圖3。地震加速度分布圖通過文獻[15]按研究區范圍截取得到，年均降雨等值線圖利用研究區周邊分布的200個國家氣象臺站的降雨觀測數據(1981—2010年，取決于各站點的建站時間)生成，見圖4；坡度與斷層距離及河流的距離指標數據通過研究區DEM圖及斷層河流分布圖利用GIS系統中的空間分析工具獲取。根據各評價指標的數據，利用式( 2 )～式( 5 )得到各評價指標的權重，見表1。

表1 滑坡災害危險性指標互權重

對各因素數值進行疊加計算[16]，繪制研究區滑坡災害危險性連續值分布圖，并應用GIS系統中的空間分析方法提取各計算單元的危險度。

( 6 )

2.3 鐵路工程承災體易損性評價

以川藏鐵路康定至林芝段的縣域居民地為主要城鎮分布指標；根據中鐵二院提供的《川藏鐵路康定至林芝鐵路勘察設計項目線路縱斷面圖》在CAD軟件中提取得到線路與地面高差；海拔高度數據在GIS軟件中利用ASTER DEM導出；各線路分析點與災害點、縣城居民地及主要公路的距離均利用GIS系統的緩沖區分析工具得到。線路經過區域公路分布見圖5。

鑒于篇幅所限，僅列舉從起點康定縣開始的前10個線路分析點的指標信息，見表2。

表2 線路分析點易損性評價指標數據及易損度一覽表

各易損性評價指標的權重同樣根據各評價指標數據，利用式( 2 )～式( 5 )得到表3，每個分析點的易損度為

( 7 )

式中：Vi為第i個指標因子的易損度；Pi為第i個指標因子標準化值(介于0～1之間)。

表3 評價指標互權重權值分配表

2.4 鐵路工程滑坡災害風險分析

2.4.1 評價結果

風險評價結果是在滑坡災害危險性和線路承災體易損性評價的基礎上得到的。首先根據模型式( 1 )，計算各線路分析點的風險度，然后將各個分析點的風險度對應到離散之前的鐵路線路，見圖6。鑒于車站的特殊性，各個車站點的風險度單獨顯示，見圖7。

基于自然斷點法將鐵路工程滑坡災害風險評價結果劃分為低、較低、中、較高和高風險等5級。級別越高，表明線路遭受災害的風險越大，滑坡發生的概率越大，線路受損后的損失以及恢復的難度越大。

由圖6可見：處于較高和高風險度區的鐵路工程線路主要位于：①理塘縣的渣隆阿瑪站(A1K640+500)到巴塘縣的龔徳特大橋(A1K648+030)區間，該段線路主要以橋梁為主，海拔高度均在4 000 m以上，與斷層的距離在5 km范圍內，并且工程與地面的高差在20 m以上，造成該段線路的風險度較大。②白玉縣的辛果隆巴站(A1K683+100)到白玉縣的拉日闊1號大橋(AK714+025)區間，該段線路的年降雨量為800 mm，距斷層的距離為5～10 km，有較多的線路工程與地面高差大于30 m。同時，鐵路工程沿線地形起伏大，線路距公路的距離和到最近縣城的直線距離均高于20 km，以上各因素綜合導致該段鐵路工程的風險度較大。③白玉縣的邊壩站(AK738+600)到甘固大橋(AK767+210)區間，該段線路均在斷層10 km范圍內，沿線2 km范圍內的災害點高達23個，并且線路到公路的距離均在20 km以外，致使該段線路的風險度較大。針對以上高風險線路，建議在后期建設和運營時開展滑坡災害的重點監測和危險排查，提前修建滑坡災害防護措施，防止滑坡災害對鐵路線路造成巨大的損害。

由圖7可見，川藏鐵路康定至林芝段76座車站中，處于較高和高風險度的車站達50座，所占比例為66%。滑坡災害造成鐵路車站損毀時，基本需要重建，需要花費巨大的人力和物力。分析發現，42%左右的車站到歷史滑坡災害點的直線距離在2 000 m以下，是鐵路車站高風險度比例的主要原因。建議對高風險車站一定區域范圍內開展更為詳細的地質勘查，實時監測危險邊坡，并加強車站建筑物的強度和剛度性能。

2.4.2 滑坡災害線路風險性對鐵路工程的影響分析

對圖6線路風險度評價結果進行統計分析，得到各風險度級別中鐵路長度及比例統計，見圖8。由圖8可見，處于高和較高風險度區的鐵路長度分別為16.16 km(1.6%)、114.97 km(9.1%)。鐵路設計方案較好地避開了災害作用下的高風險度區，但線路在較高以上風險區的比例為10.7%，故應對高危區段鐵路線路重點監測，對相應的評價指標進行優化分析，增加線路的抗災性能。

3 風險可接受水平分析

川藏鐵路沿線滑坡風險只能盡量減小而不能完全消除；鐵路規劃建設部門需要設法將其控制在可容忍或者可接受的水平。滑坡可接受風險水平研究是滑坡風險管理研究的重要內容之一，是在滑坡風險評價的基礎上，研判所計算的風險值是否可以接受[17]，可為鐵路工程的風險管理與控制措施的實施提供理論依據。目前，英國準則ALARP(As Low As Reasonably Practicable)在可接受風險水平研究中得到了最廣泛的應用，包含可接受風險水平標準線和可容忍風險水平標準線等兩條基本線[5]，將風險評估結果劃分為普遍接受區、警戒區和不可接受區3個區域。可接受風險是不需要進一步的風險控制，人類不得不接受的風險；可容忍風險是指在一定風險范圍內，為了確保某種凈收益，社會能夠承受的風險，同時也是一種不可忽視的風險范圍，若有可能需要做進一步的減少[17]。

基于風險評價模型計算分析得到各計算單元危險度、易損度及風險度，利用自然斷點法(Natural Breaks)分別進行分級，對鐵路線路的滑坡災害風險可接受水平進行定量分析。將離散后鐵路線路的各個計算單元的危險度和易損度分別作為橫坐標和縱坐標，將處于較低級別風險的鐵路線路的離散計算單元點的分布擬合可接受風險水平標準線，得到可接受風險水平曲線，見圖9。曲線方程的系數R2=0.863,R2值越接近1，說明擬合曲線對觀測值的擬合程度越好,曲線方程為

( 8 )

同理，以較高級別風險鐵路線路的離散計算單元點的分布擬合可容忍水平標準線，得到曲線方程(R2=0.913)為

( 9 )

根據風險水平曲線，對川藏鐵路康定至林芝段線路的風險水平評估發現：在可接受風險水平標準線以下的鐵路線路長度為453.1 km(45.07%)，其風險是可被接受的，鐵路線路的前期設計規劃方案可以應用于中期工程的建設施工；介于可接受風險和可容忍風險間警戒區的鐵路線路長度為467 km(46.46%)，應在線路施工建設時修建相應的滑坡災害工程防護措施，并在線路后期的運營管理時加強災害監測，對風險進行轉移和規避；而落入可容忍風險水平線之上即不可接受區的鐵路線路長度為85.14 km(8.47%)，應對線路穿過的區域進行詳細的地質勘查和氣象分析，研判線路方案的可行性，并開展優化線路方案的研究工作，選擇風險最小的線路方案進行施工建設，后期的運營管理中重點進行監測。

4 結論

基于貢獻率方法構建線性工程滑坡災害定量風險評價模型，并建立可接受風險水平曲線。以川藏鐵路康定至林芝段為例開展滑坡風險分析，得到以下結論：

(1) 從滑坡災害的危險性和鐵路線路承災體的易損性兩個方面建立川藏鐵路沿線滑坡災害風險評價指標體系，開展風險分析，結果表明：線路處于高和較高風險度區的鐵路長度分別為131.13 km，占全長10.7%。鐵路設計方案較好的避開了災害作用下的高風險度區，但局部高風險線路仍有優化空間。

(2) 從鐵路線路和車站的風險分析結果可以看出，在滑坡災害作用下的風險度與危險度、易損度的分布趨勢有所區別，亦即高危險度或高易損度的線路(車站)，其風險度并不一定高，這說明鐵路線路及車站的滑坡危險性和易損性均為風險的基礎，并不能完全等同于風險。

(3) 在風險評價結果的基礎上，對鐵路線路的滑坡災害風險可接受水平開展定量評價，得到了風險水平曲線，可作為風險評價結果分析的判據，從而研判所得到的風險能否接受，為鐵路線路等重大線性工程的全壽命周期(前期規劃設計、中期建設和后期運營管理)過程中開展滑坡災害的風險管理和控制提供一定的技術支撐。