中巴經濟走廊沿河臺地特征及鐵路選線要點

趙亞祥 姚令侃 ，2，3 魏永幸 黃藝丹 ，2，3 Sarfraz Ali

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

中巴經濟走廊穿越青藏高原西緣，通過喜馬拉雅造山帶西構造結地區。在過去的3 500萬年里西構造結地區平均抬升了至少6 km。最近1 000萬年抬升速度加快，其中南迦帕爾巴特地區和洪扎河地區至少抬升了 10 km［1-2］。

巴基斯坦和中國分別是世界第一、世界第四冰川大國。喀喇昆侖山作為中國與巴基斯坦交界處的一個巨大山脈，是世界上中低緯度冰凍圈的中心。喀喇昆侖地區總面積的60%都被冰川所覆蓋，達18 500 km2，尤其以巨型山谷冰川居多［3］。中巴經濟走廊是世界上隆升最快的區域之一，同時又是山谷冰川最發育的區域，再加上山地災害頻發等因素，使得走廊發育了河流階地、洪積扇、泥石流扇、冰磧臺地等多種類型的沿河臺地。

擬建中巴鐵路是中巴經濟走廊的重大工程，可形成中國與巴基斯坦陸路貿易的大能力通道。中巴經濟走廊交通軸線全長約3 110 km，其中Havelian至Khunjerab是整個廊道地形最為艱險、環境地質條件最復雜的區段。

該鐵路勢必經過強隆升區和冰川區，將面臨喜馬拉雅縫合帶內動力作用效應與深長隧道建設、海洋性冰川覆蓋區冰川災害及其防治等世界性難題。節省建設投資并保證鐵路安全運營是鐵路修建應考慮的主要問題，而盡量利用沿河臺地選線是實現上述目標的有效途徑之一。

河流階地歷史上就是村鎮選址、道路布線的有利地貌。建國初期，山區鐵路為節省投資，方便施工，常利用寬緩的泥石流扇設站或布線，如寶成線、寶天線有多個車站設于泥石流扇部，但運營期屢遭泥石流襲擊［4］。此后鐵路選線開始規避泥石流扇區，這一原則在成昆線選線時得到重視，并沿用至今，但地方上一直有學者研究利用泥石流扇從事農業耕作或作為臨時工程場地［5-6］。對冰磧物的研究主要集中在將其作為路基工程填料方面，如文獻［7-9］的研究均表明冰磧物具有較好的路用性能。

目前全世界均無在喜馬拉雅地區修建鐵路的經驗，中巴經濟走廊沿河臺地類型多且具有特殊性，對此專題的研究可拓展鐵路對可利用地貌的認識。本文以中巴經濟走廊Thakot至Khunjerab段為研究對象，歸納總結中巴經濟走廊各類沿河臺地的分布特征以及鐵路的可利用性，為中巴鐵路線路方案優化提供科學依據。

1 中巴經濟走廊沿河臺地分布特征

中巴經濟走廊目前只有喀喇昆侖公路（KKH），是擬建鐵路設計線位的參考。中巴經濟走廊Thakot至Khunjerab段自下游至上游依次經過了印度河及其支流吉爾吉特河、洪扎河、紅其拉甫河4條河谷，穿越了中山寬谷區、中山峽谷區、中山窄谷區和高山寬谷區、高山窄谷區、高山峽谷區6個地貌單元（圖1）。采用遙感和GIS技術，利用30 m分辨率的ASTER GDEM數據，并結合地質資料和野外考察結果，歸納總結出沿河臺地的分布情況，見圖2，山前地帶主要發育有河流階地、洪積扇、泥石流扇、冰磧臺地4種類型的沿河臺地。

圖1 沿河臺地分布

圖2 沿河臺地發育概況

河流階地主要分布在中山寬谷區、中山窄谷區、高山寬谷區、高山窄谷區4段河谷較為開闊的區段，總面積約263.622 km2；而在中山峽谷區、高山峽谷區河流持續侵蝕下切，不具備河流階地發育條件。高山寬谷區處在西構造結的核心地帶，歷史上曾經歷過多期隆升運動，目前也是中巴經濟走廊隆升最快的區段，河流階地最為發育，面積約154.866 km2，占比約58.7%，多呈大片完整狀分布，地形相對平坦并高懸于河面。中山寬谷區、中山窄谷區、高山窄谷區河流階地面積相對較小，分別為5.970，56.960，45.819 km2，多呈狹長條形或新月形分布。

洪積扇主要分布在中山寬谷區、中山窄谷區、高山寬谷區，區段內河流縱坡較緩，分別為2.2‰，0.9‰，3.2‰。兩岸支溝比降較小，溝谷兩岸坡積物較為松散且分布較廣，植被覆蓋率較高，多表現為洪水溝，往往在山前地帶堆積形成規模較大的洪積扇，發育總面積約89.508 km2。

中巴經濟走廊區域獨特的地質、地貌與氣候環境為泥石流的發育提供了充分的條件。峽谷段河流縱坡較陡，輸砂能力強，泥石流扇零星發育且規模較小。中山寬谷區和中山窄谷區多為洪積扇。泥石流扇主要分布在高山寬谷區、高山窄谷區，總面積約73.196 km2。高山寬谷區內的泥石流溝以較高強度的降雨為溝谷主要的補給水源，多為暴雨型泥石流扇；而高山窄谷區兩岸高山上部大多積雪覆蓋，冰川十分發育，泥石流溝以冰川和季節性積雪強烈消融形成的洪水為溝谷主要的補給水源，多為冰水型泥石流扇。

冰磧臺地是冰川在運動過程中堆積作用塑造的地貌，分布于冰川下游。當支谷冰川沿主河方向間斷地分布在主河兩岸時，冰川搬運而來的冰磧物往往堆積在與主河交匯處，形成一系列沿主河分布的冰磧臺地。中巴經濟走廊內的現代冰川主要分布在喀喇昆侖山西段的紅旗拉普河流域和洪扎河流域，分別對應于高山峽谷區和高山窄谷區。其中高山峽谷區內多為大陸性冰川，對地貌的塑造能力較弱，沿河未見冰磧臺地發育；而高山窄谷區內多為海洋性冰川，對地貌的塑造能力較強，冰川搬運冰磧物沿主河堆積形成大量冰磧臺地，總面積約17.624 km2。

2 沿河臺地可利用性分析及選線要點

2.1 強隆升區沿河臺地

2.1.1 強隆升區的河流階地

河流階地作為河谷地貌中常見的臺地，是沿河谷選線的有利地形。一般情況下Ⅰ級階地保存較為完整，多呈大片狀連續分布，但是拔河高度基本在5～10 m［10-11］，僅超出一般洪水位，仍有可能受洪水威脅，鐵路通常不會選用；Ⅱ，Ⅲ級階地拔河高度相對較大，高出洪水位較多而不易受洪水威脅，線路常以路基形式從Ⅱ，Ⅲ級階地中部通過。

研究區是世界上隆升最快的區域之一，印度河侵蝕下切強烈，流域內發育的河流階地拔河高度較大。Ⅰ級階地面積約225.414 km2，拔河高度在5～10 m的僅占14%，10～50 m的約占46%，50 m以上的約占40%；Ⅱ，Ⅲ級階地面積約38.208 km2，拔河高度基本在50 m以上。強隆升區的Ⅰ級河流階地拔河高度遠超一般情況下的Ⅰ級階地，有86%的面積拔河高度在10 m以上，高懸于河床，不會受到洪水威脅，且Ⅰ級階地面積遠大于Ⅱ，Ⅲ級階地，開闊的地形宜修建明線工程，也有空間對各種地質災害進行整治或躲避。這是強隆升作用為鐵路選線帶來的有利地形效應。

2.1.2 強隆升區的洪積扇和泥石流扇

洪積扇和泥石流扇都是由支溝中的水流攜帶固體物質在流出山口后堆積形成的扇形體［12］。線路在通過泥石流扇區時應盡量繞避，必須跨越時應盡可能以橋梁方式從泥石流的流通區、扇頂溝口附近或堆積扇緣部位跨過，并根據扇面淤積率確定線路標高，嚴禁在泥石流扇上挖溝設橋或施作路塹［13-14］。線路通過洪積扇時問題較泥石流小，但仍需注意流水沖刷或泥沙淤積問題。

由于西構造結地區的強隆升作用，印度河侵蝕下切強烈，主河下切意味著支溝侵蝕基準面下降，從而促使支溝加速下切。泥石流出山口后由原來的堆積或漫流狀態轉為集中沖刷下切，部分下切深度將超過老堆積層（老扇面區）進入基巖。泥石流將在與主河交匯處發生堆積，形成新堆積區，這時泥石流從老扇面區流過的通道就相當于泥石流的流通段（扇頂流通區）。鐵路選線設橋跨越流通區的原則仍然成立，而老扇面區整體成為鐵路可利用的平坦地形。同理，這一選線原則也適用于發生類似演變的洪積扇。

圖3為Pattan鎮Shalkanabad泥石流溝的堆積扇。該泥石流溝位于印度河下游左岸，老扇面區拔河高度在70～85 m，沿河長約1.7 km，最寬處約0.7 km，面積約0.877 km2；在與目前印度河交匯處形成新堆積區，明顯低于老扇面區。該老扇面區面積大，根據中鐵二院工程集團有限責任公司2014年完成的《中巴經濟走廊鐵路通道規劃研究》中的概略定線，在該處設Kusser中間站。Pattan是該地區需要設站的重要城鎮，而其前后數十公里均為峽谷區，缺少設站地形，因此這種由強隆升造就的特殊地貌為鐵路布設大型工程提供了難得的條件。

圖3 隆升后的Shalkanabad泥石流堆積扇

2.2 冰磧臺地

目前我國尚缺乏在冰川區建設鐵路的經驗，對冰川塑造地貌的認識與利用，成為冰川區鐵路選線的新課題。

冰磧臺地可利用的判別標準是，在鐵路百年服務期內，不再受冰川作用的穩定地貌。隨著全球氣候變暖，世界大多數冰川處于萎縮狀態，因此所有目前冰川活動未企及的區域，即可認為是鐵路百年服務期內能保持穩定的地貌。洪扎河流域歷史上曾經歷過規模遞減的倒數第二次冰期、末次冰期、新冰期和小冰期4次較大冰期，目前正處在第四紀冰期亞間冰期。但巴基斯坦冰川，從小冰期末期（20世紀初期）到現在，冰川變化比較混亂，大部分冰川處于退縮期，但冰川的總規模沒有明顯減少，甚至部分冰川出現不同程度的前進現象［15-16］。

基于巴基斯坦冰川具有不同于全球冰川變化趨勢的特點，可認為巴基斯坦冰川確實萎縮不明顯，即使出現冰川超常活躍現象，仍不會超過小冰期的規模。因此，小冰期冰川未曾到達過的臺地應是鐵路可利用的穩定地貌。例如，洪扎鎮下游的Minapin冰川和Pissan冰川發育于拉喀波希峰東側，其中Minapin冰川是一條進退變化較大的躍動冰川。2條冰川都曾跨過洪扎河，形成了面積達12 km2的冰磧物堆積，后經過洪扎河的侵蝕下切，現在河谷兩側表現為被冰后期泥石流半掩埋的冰磧臺地。據李吉均等［17］對第四紀冰川遺跡的調查：兩岸冰磧臺地主體均是末次冰期的產物；左岸山前的新側磧和終磧堤則是小冰期的產物，右岸未發現小冰期遺跡。據此判斷，Minapin冰川和Pissan冰川在末次冰期曾越過洪扎河，而小冰期則未跨過洪扎河，僅在左岸活動，留下側磧和終磧堤（圖4）。根據小冰期冰川未曾到達過的臺地是可利用的穩定地貌的認識，右岸冰磧臺地可以利用。左岸是鐵路百年服務期可能遭受冰川直接作用的區域，鐵路應采取跨河繞避的措施。根據概略定線，鐵路在該地段基本沿左岸行進，但在該處采取了2次跨河繞避左岸冰川影響區的措施，且跨河后利用右岸冰磧臺地布線，是安全經濟的方案。

圖4 Minapin冰川和Pissan冰川下部冰磧臺地

3 結語

本文以中巴經濟走廊Thakot至Khunjerab段為研究區，首先確定了沿線河流階地、洪積扇、泥石流扇和冰磧臺地的分布特征，分析了不同類型沿河臺地的成因與穩定性，提出強隆升區Ⅰ級階地和堆積扇老扇面區成為鐵路可利用的地形，小冰期時冰川活動未企及的冰磧臺地也可利用等建議。

中巴鐵路設計為時速120 km的客貨共線鐵路，相對高速鐵路而言，平面線形標準較低，區間定線靈活性較大。應該結合地形，多修路基工程、減少橋隧比，以節省工程投資。本文研究為這一優化思路的實施提供了支撐。

喜馬拉雅造山帶部西構造結是世界上隆升最快的區域之一，同時差異性隆升以及斷層蠕滑使得地表變形情況極為復雜［18］。目前全世界均無在喜馬拉雅地區修建鐵路的經驗，工程設計如何處理這種緩慢變形問題，尚無規范可循。鐵路采用有砟軌道是應對這類因內動力作用造成地基變形的有效措施，但面臨有砟軌道維修工作量大特別是在隧道中養護作業困難的問題。因明線工程維修作業便利得多，所以利用沿河臺地多修明線對中巴鐵路也是一種風險調控策略。