崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈鐵路減災(zāi)選線策略

王承振,姚令侃,2,3,黃藝丹,2,3,Sarfraz Ali

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 3.陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 4.National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

在印度板塊與亞歐板塊的共同作用下，青藏高原經(jīng)歷多次強(qiáng)烈隆升與河流垂直侵蝕作用，因而孕育出高原周緣區(qū)第一、第二階梯面間特殊的地貌、地質(zhì)、大氣降水和地下水等環(huán)境，使青藏高原南緣成為全球發(fā)生崩塌滑坡堵江事件最密集的地區(qū)之一[1-4]。崩塌滑坡堵江形成的堰塞湖災(zāi)害鏈，其危害與防治難度都遠(yuǎn)大于崩塌滑坡本身[5-7]。這不僅會(huì)造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，更嚴(yán)重制約著山區(qū)交通的暢通，使其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益難以發(fā)揮。青藏高原南緣近年來發(fā)生的崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈危害道路典型的案例分布如圖1所示。

圖1 青藏高原南緣幾大滑坡位置分布

例如，2014年8月因連降暴雨，尼泊爾中尼公路K83+000附近發(fā)生滑坡堵江。滑體滑入Bhote Koshi河河床并沖向?qū)Π叮氯鸅hote Koshi河后形成堰塞湖并引起該段多處中小型滑坡。如圖2所示。堰塞堆積體最大高度曾達(dá)到52 m，造成該段2.5 km既有公路因被嚴(yán)重破壞和淹沒而被迫改建，改建項(xiàng)目預(yù)計(jì)3年完成。

圖2 中尼公路K83+000處大型滑坡全貌(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司提供)

1967年8月29日，川藏公路林芝縣排龍鄉(xiāng)西距東久鄉(xiāng)拉月村3 km處發(fā)生特大型高位巖質(zhì)滑坡——拉月大塌方，如圖3所示。東久河川藏公路一側(cè)山體突然發(fā)生1.2×107m3以上土石方量的特大山體滑坡，滑坡瞬間將東久河截?cái)唷；滦纬傻难呷麎胃哌_(dá)70～90 m，水深達(dá)50 m，回水淹沒公路近3 km，當(dāng)場死亡15人，掩埋汽車數(shù)十輛，川藏公路因此中斷達(dá)4個(gè)月之久[8]。

圖3 拉月大塌方遙感影像(西藏自治區(qū)交通廳科學(xué)研究所提供)

巴基斯坦喀喇昆侖山和興都庫什山區(qū)，歷史上發(fā)生大型滑坡超過370處，其中滑坡堵塞中巴經(jīng)濟(jì)走廊的事件就有9次。最近一次大型滑坡堵江發(fā)生在2010年，位于中巴喀喇昆侖公路對(duì)岸的阿塔巴德村(Attabad)邊。如圖4所示。滑坡堵塞Hunza河河谷形成堰塞壩，堰塞湖溢流口高出老河床底約118 m，堰塞湖庫容5.0×108m3，回水長度達(dá)25 km。湖水淹沒中巴喀喇昆侖公路至少20 km并造成25人死亡[9]，公路改建工程項(xiàng)目全長23.66 km，歷時(shí)3年完成，花費(fèi)2.7億美元。

圖4 中巴喀喇昆侖公路Attabad滑坡全貌(中國路橋工程有限責(zé)任公司提供)

隨著國家“十三五”西部深度開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和“一帶一路”交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，鐵路網(wǎng)勢必向青藏高原及周邊延伸。例如，我國川藏鐵路康林段(康定-林芝)已進(jìn)入可行性研究階段，在我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》新頒布的面向“一帶一路”國際通道的規(guī)劃中，日喀則—亞東、喀什—紅其拉甫(中巴鐵路中國段)、日喀則—吉隆(中尼鐵路中國段)等口岸鐵路均列入其中。從青藏高原南緣出境通往南亞次大陸是我國尚未從事過鐵路建設(shè)的區(qū)域，我國鐵路也缺乏應(yīng)對(duì)崩塌滑坡形成堰塞湖災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)。目前，雖然可以對(duì)滑坡堵江危險(xiǎn)性地段做出評(píng)估[10-13]，但預(yù)測堵江的具體地點(diǎn)尚屬世界性難題。新建鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)就針對(duì)具有很強(qiáng)不確定性的現(xiàn)象，采用對(duì)工程投資影響很大的方案是不合理的，但通過一些選線策略在一定程度上控制堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)則具有可操作性；此外，當(dāng)堰塞湖形成后，通過線路優(yōu)化設(shè)計(jì)減少繞湖改建工程投資更是減災(zāi)的直接手段；二者均是崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈鐵路減災(zāi)選線缺一不可的環(huán)節(jié)。以擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段為案例，提出既有線災(zāi)后繞湖鐵路改建工程的選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)探討在崩塌滑坡堵江高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路的選線設(shè)計(jì)減災(zāi)策略。

1 哈維連至喀什鐵路Attabad滑坡堵江段受災(zāi)情況介紹

崩塌滑坡堵江給鐵路帶來的危害包括滑坡堵江后堰塞壩上游水位上漲淹沒鐵路線路，堰塞壩潰決形成的超常洪水對(duì)下游鐵路的沖刷，經(jīng)濟(jì)上主要體現(xiàn)為災(zāi)后為修建繞湖鐵路所必須增加的改建工程投資。以下就擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段受災(zāi)案例進(jìn)行具體分析。

1.1 哈維連至喀什鐵路介紹

受國家鐵路局委托，中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司于2008年按概略定線要求，完成了中巴經(jīng)濟(jì)走廊哈維連至喀什段新建鐵路的線路設(shè)計(jì)。該條鐵路是一條以貨運(yùn)為主、兼顧客運(yùn)的客貨共線鐵路，線路總趨勢是北高南低，為適應(yīng)地形，線路幾乎是單邊緊坡北上。除哈維連段地勢相對(duì)平緩開闊外，其余地段均為地形起伏劇烈、復(fù)雜艱險(xiǎn)的高、中山。在這些山區(qū)中，受到地形條件的限制，鐵路沿印度河及其支流Hunza河的河谷進(jìn)行展布，常常穿越在水流湍急、山高谷深、陡崖峭壁、交通不便的峽谷[14]。該鐵路采用國內(nèi)客貨共線鐵路I級(jí)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(表1)。

表1 哈維連至喀什擬建鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 Attabad滑坡堰塞湖對(duì)既有鐵路的影響

Attabad滑坡堵后，設(shè)計(jì)部門未對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。從研究角度，特假定該鐵路在滑坡前已經(jīng)修建，從而可以按“既有線”被毀，研究既有線災(zāi)后改建工程的選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并進(jìn)一步總結(jié)出崩塌滑坡堵江高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路的選線設(shè)計(jì)減災(zāi)策略。

由于該滑坡規(guī)模巨大，又處于交通不便、人跡罕至的山區(qū)，Attabad堰塞湖的泄洪工作開展艱難。至2010年11月，堰塞湖湖區(qū)水位上漲至最高點(diǎn)2 432 m，后采取了爆破等措施開挖溢流口，水位下降約30 m，所留下的堰塞湖水位無法再降低，因此可視為永久性問題。被永久淹沒的線路起于K502+000處，終止于K519+000處，淹沒里程達(dá)17 km，其中包含2個(gè)中間站(Niabad站、Shiakat站)，故必須進(jìn)行改線。

2 繞湖鐵路設(shè)計(jì)方案介紹

繞湖鐵路改建工程設(shè)計(jì)的原則是，在保證改建工程達(dá)到原設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力要求的前提下，盡量減少改建工程投資。以車站為分界點(diǎn)將改建工程分為3段進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別介紹設(shè)計(jì)思路。

2.1 車站位置的重新選擇

堰塞湖的影響范圍分為3個(gè)區(qū)間，涉及4個(gè)車站，其中兩個(gè)端頭站(Passu站、Niabad站)保留。改建線路設(shè)計(jì)首先面臨中間兩個(gè)被淹沒車站(原Shishkat站、原Niabad站)的重新選址問題。湖區(qū)水位上漲后，新建Shishkat站移至上游河流階地，設(shè)站位置高于原站70 m；新建Niabad站向靠山一側(cè)平移，高度提高了40 m，因地形限制只能在山體隧道內(nèi)設(shè)站，并將中間站改為會(huì)讓站。車站位置定好后參照相關(guān)鐵路線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平縱斷面設(shè)計(jì)。線路方案如圖5所示。

圖5 Attabad堰塞湖湖區(qū)既有線與改建鐵路示意

2.2 Passu站至新建Shishkat站線路設(shè)計(jì)思路

Passu站至新建Shishkat站長約10 km，改建線路尚未到達(dá)堰塞湖湖區(qū)。該段既有線沿Hunza河左側(cè)山體行進(jìn)，全程用足雙機(jī)坡度(20‰)單向下坡，工程以隧道橋梁形式為主。既有線在行至Passu站至下游6 km處，線路下降至與新建Shishkat站相同高程。選擇此位置作為改建工程的起點(diǎn)，之后改建線路采用平坡到達(dá)新建Shishkat站，平面位置與既有線接近。

2.3 新建Shishkat站至新建Niabad站線路設(shè)計(jì)思路

新建Shishkat站至新建Niabad站長約10 km，改建線路位于堰塞湖湖區(qū)。既有線在經(jīng)過此區(qū)域時(shí)，線路利用河流階地全程用足限制坡度(10‰)單向下坡，工程上以路基、橋梁形式為主。發(fā)生滑坡堵江后，既有線路全部被淹沒，鐵路需重新選線。由于堰塞湖已基本保持穩(wěn)定，在改建時(shí)參考了國內(nèi)水庫地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)要求[15]：線路在高程上需要考慮到湖水水位變化、地下水壅升、淤積等因素；在平面上需要考慮繞避坍岸范圍。改建線路自新建Shishkat站起，縱斷面為保持高于湖區(qū)最高水位10 m的平坡，在進(jìn)入山體后選擇雙機(jī)坡度下降高程，線路平面為繞避堰塞湖沿湖區(qū)左岸向外側(cè)平移。

2.4 新建Niabad站至Nagar站線路設(shè)計(jì)思路

新建Niabad站至Nagar站長約10 km，改建線路自新建Niabad站出發(fā)，已離開堰塞湖湖區(qū)。既有線在經(jīng)過此區(qū)域時(shí)，用足雙機(jī)坡度由Hunza河流域修建長隧進(jìn)入其支流Nagar河流域，然后順Nagar河再次進(jìn)入Hunza河流域。既有線在跨越Nagar河時(shí)，采用了跨徑480 m、橋墩高度60 m的大橋1座。新建Niabad站與原Niabad站相比，雖然平面位置變化不大，但高程增加40 m，若仍采用雙機(jī)坡度，無法以短直方案下降至既有Nagar站。為此，設(shè)計(jì)了3個(gè)比較方案，其中方案1、方案2為展線方案，方案3為提高加力牽引坡度的短直方案。線路方案如圖6所示。

圖6 堰塞湖湖區(qū)下游改建鐵路與既有線接線方案

方案1設(shè)計(jì)思路如下。

盡量利用既有線，特別是重大工程，是減少改建工程投資的重要手段。方案1考慮利用原Nagar河跨河大橋。大橋Sost端與新建Niabad站間航距8.0 km，高差160 m，改建線路采用雙機(jī)坡度時(shí)，展線系數(shù)達(dá)到1.2才能與橋梁接軌。改建線路以新建Niabad站和下游既有跨河橋梁Sost端作為控制點(diǎn)，有意選擇利用Hunza河左側(cè)橫坡較緩的一處山坡布線。此段改建線路分為3部分，線路在出新建Niabad站后，先穿越山體到達(dá)Hunza河左側(cè)山坡，再沿山坡以路基形式布線1.7 km，最后由Hunza河流域通過隧道進(jìn)入Nagar河流域與大橋Sost端連接。若采用該方案，需要修建的最長隧道(包含新建Niabad車站之前的一段隧道)為9.2 km。

方案2設(shè)計(jì)思路如下。

由于Nagar站上游河流左側(cè)存在一處較平坦地形，方案2考慮對(duì)此進(jìn)行利用后必須放棄Nagar跨河大橋。以Nagar站與新建Niabad站作為控制點(diǎn)，航距9.0 km，高差180 m，若仍采用雙機(jī)坡度，線路展線系數(shù)需要達(dá)到1.2。方案2以新建Niabad站和下游Nagar站為控制點(diǎn)，改建線路分為兩部分，由Hunza河流域修建長隧進(jìn)入其支流Nagar河流域，然后在距既有線橋位上游2.5 km處新修跨河橋到達(dá)Nagar河左岸，最后以路基工程到達(dá)Nagar站。若采用該方案，需要修建的最長隧道(包含新建Niabad車站之前的一段隧道)為12.37 km。

方案3設(shè)計(jì)思路如下。

仍考慮利用原Nagar河跨河大橋，以大橋Sost端與新建Niabad站為控制點(diǎn)，若選擇三機(jī)坡度(25‰)可采用短直方案。因此，方案3線路出新建Niabad站后直接與大橋Sost端連接。若采用該方案，需要修建的最長隧道(包含新建Niabad車站之前的一段隧道)為13.66 km。

3個(gè)改建方案工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表2所示，下面對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行討論。

表2 3個(gè)改建方案工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)

方案1：該方案由于利用了既有工程，改建工程投資排第二位；主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鄰近線路保持一致，不會(huì)增加運(yùn)營成本。

方案2：該方案由于未利用既有工程，導(dǎo)致改建工程投資最大(與方案1相比，工程投資增加11%)；主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鄰近線路保持一致，不會(huì)增加運(yùn)營成本；雖然新建工程中路基比例比其他方案高，但需要新建一座技術(shù)難度較大的跨河特大橋(886 m曲線特大橋)。

方案3：該方案也利用了既有工程，同時(shí)采用了三機(jī)坡度，體現(xiàn)了以移動(dòng)設(shè)備適應(yīng)地形的思想，所以改建工程投資最低(與方案1相比，工程投資減少7%)；但是改建后采用三機(jī)坡度改變了既有線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣雖然節(jié)省了土建工程投資，但是將導(dǎo)致運(yùn)營費(fèi)用增加。所以，除非在臨近地段也有采用三機(jī)坡度的情況，一般情況下不可取。

在3個(gè)比選方案中，方案1投資適中；設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前后一致，運(yùn)營成本不增加；最長隧道長度最短，有利于降低施工難度，縮短施工周期。綜上，決定以方案1為推薦方案。

3 災(zāi)后改建線路設(shè)計(jì)要點(diǎn)與新建鐵路減災(zāi)選線設(shè)計(jì)策略

以中巴經(jīng)濟(jì)走廊擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段改建工程為案例，總結(jié)出災(zāi)后鐵路改建工程的選線要點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)提出新建鐵路減災(zāi)選線策略。

既有線災(zāi)后繞湖鐵路改建選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

(1)對(duì)于已成堰塞湖，首先要考慮盡早在水位較低時(shí)通過開挖溢流口甚至修建引水隧洞等措施[16-19]，降低堰塞湖水位甚至排干堰塞湖。一般溢流口開挖的難度隨深度增加而增加，如Attabad堰塞湖溢流口開挖深度達(dá)30 m后就無法繼續(xù)開挖。從改建工程選線角度，應(yīng)分析水位下降后出露地面區(qū)域的地形條件，若存在河流階地等選線有利地形時(shí)，可以有利地形高度控制溢流口開挖深度。

(2)當(dāng)必須通過改線工程繞避堰塞湖時(shí)，應(yīng)盡量利用既有工程，尤其是長大橋梁隧道、車站等重大工程。

(3)山區(qū)峽谷段通常為鐵路緊坡地段，改建工程在繞避堰塞湖時(shí)會(huì)大幅度高于既有線。因此，改建線路在離開湖區(qū)后應(yīng)就近利用有利地形集中展線，盡快與既有線接軌以減少改建工程投資。

(4)縱坡是影響改建工程投資的重要因素。某些情況下，提高限制坡度也是節(jié)省改建工程投資的有效手段。

崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路減災(zāi)選線策略如下。

(1)提倡高位選線：山區(qū)沿河線一般線位越低、投資越省，但抗災(zāi)能力越弱；反之線位越高、投資越大，但抗災(zāi)能力越強(qiáng)。在改革開放之前，我國經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，鐵路為了降低工程造價(jià)，通常利用低階地走沿河低線以減少橋隧工程投資。但以東川鐵路支線為案例的分析表明，從全生命周期來看，高線位方案在安全性和經(jīng)濟(jì)性上都更加合理[20]。因此，在山地災(zāi)害嚴(yán)重的山區(qū)，沿河線尤其是在峽谷段提倡走高線位方案，不僅可減少常見山地災(zāi)害，也是從源頭上控制滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)的有力措施。

(2)酌情預(yù)留采取提高限坡措施的條件：從上述改建工程案例可知，縱坡標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改建工程投資的影響顯著。新建鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)采用與地面平均自然縱坡陡峻地段相適應(yīng)的較大限制坡度。但在崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，盡量避免將限坡取到地形和牽引條件允許的極限值，而酌情預(yù)留一定的調(diào)整空間。這樣一旦發(fā)生堰塞湖災(zāi)害，具有采取提高限坡措施的條件，從而有效地減少改建工程投資。

(3)盡量不跨河：新建鐵路在沿河谷進(jìn)行線位設(shè)計(jì)時(shí)，為了交替利用左右岸較好的地形和地質(zhì)條件，跨河改變岸側(cè)是常用的手段。發(fā)生崩塌滑坡堵江事件后，無論是堰塞壩上游淹沒還是潰壩洪水都會(huì)首先危及到跨河橋梁的安全。因此在崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，新建線路應(yīng)盡量不跨河，少換岸側(cè)。