瓦斯溝至康定段鐵路崩塌落石災害發育分布規律研究

王劍鋒 李天斌 曾 鵬 陳 偉 王 棟

(1. 成都理工大學， 成都 610059； 2. 四川藏區高速公路有限責任公司， 成都 610000；3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

瓦斯溝—康定段鐵路位于康定市東北側，區域內崩塌落石災害尤為突出，對鐵路的建設和運營安全造成了嚴重威脅。因此研究瓦斯溝—康定段崩塌落石災害發育分布規律對鐵路選線和危巖落石災害防治具有重要意義。

由于滑坡、崩塌以及泥石流等地質災害給人們的生命和財產安全帶來了巨大威脅，胡厚田[1-3]等學者對災害的運動特征和地質力學模式等進行了研究；丁浩江[4-9]等人對災害的發育分布規律開展了研究。

目前，處于選線階段的瓦斯溝—康定段鐵路災害發育尤為突出，給鐵路選線帶來了許多困擾。基于此，本文在遙感解譯、實地地質調查和無人機航拍等的基礎上，開展對瓦斯溝崩塌落石災害在空間、平面、坡面結構以及斷層發育分布規律等方面的研究，為瓦斯溝—康定段鐵路選線以及災害防治提供一定的科學依據和參考。

1 崩塌落石災害發育分布概況

現場調查共計20處落石災害，其中崩塌隱患點16處，占比66.7%；落石隱患點8處，占比33.3%。瓦斯溝崩塌落石災害分布如圖1所示。

圖1 瓦斯溝至康定段崩塌落石災害分布圖

左、右岸崩塌落石災害統計如圖2所示。由圖2可以看出，瓦斯溝左岸發育崩塌落石災害17處，占總災害數的70.8%，崩塌發育12處，落石發育5處。右岸發育崩塌落石災害7處，占總災害數的29.2%，崩塌發育4處，落石發育3處。左岸發育的崩塌落石地質災害較多，推測和左岸的坡體結構相關，左岸坡體結構多發育似層狀順向坡，右岸多發育似層狀逆向坡。

圖2 左、右岸崩塌落石災害統計圖

瓦斯溝—康定段崩塌落石災害特征統計如表1所示。由表1可知，瓦斯溝地質災害多發育崩塌落石災害，這與該地區的高陡地形有關。規模大于100×105m3的特大型崩塌發育5處，占崩塌災害總數的31%；規模在10～100×105m3之間的大型崩塌發育11處，占崩塌災害總數的69%。由此可知，瓦斯溝崩塌落石災害多為大型及以上規模。

2 崩塌落石災害空間發育分布規律

2.1 崩塌落石災害發育分布與高程的關系

高程對崩塌落石災害的發育有一定影響，特別是在發生地震的時候。高程高的斜坡會放大地震波的加速度，加劇坡體的變形破壞，甚至會直接將斜坡上的巖體水平或向上斜拋出去，破壞力十分驚人。據調查資料顯示，瓦斯溝崩塌落石災害大多發育在高程 1 400～2 600 m之間，為能更好地反應高程對崩塌落石災害發育的影響，本文取災害隱患區前緣高程作為統計對象，將高程 1 400～2 500 m劃分成11個區間，每個區間以 100 m間隔，分別為h1～h12(如 1 400～1 500 m為h1)。瓦斯溝崩塌落石災害高程分布如圖3所示。

表1 瓦斯溝至康定段崩塌落石災害特征統計

圖3 崩塌落石災害高程分布圖

為研究高程和崩塌落石災害發育兩者之間的關系，本文從崩塌落石災害的數量和體積與高程的定量關系出發，采用貢獻率的方式統計，最終得到高程和崩塌落石災害的綜合貢獻率，以此方法研究高程對崩塌落石災害的影響。

2.1.1不同高程的數量貢獻率Q1

對24個崩塌落石災害點進行歸納統計，得到不同高程崩塌落石災害發育的數量及其對應的數量貢獻率Q1，如圖4所示。

圖4 不同高程區間的災害數量及貢獻率圖

從圖4可總結出不同高程區間崩塌落石災害數量貢獻率Q1為以下關系:

Q1(h2)=Q1(h8)=Q1(h9)=Q1(h11)>

Q1(h5)=Q1(h6)=Q1(h10)=Q1(h12)>

Q1(h1)=Q1(h3)=Q1(h4)=Q1(h7)

(1)

從上述分析可以看出，不同高程區間對應的數量貢獻率的變化比較平穩，說明高程對災害發育數量的影響規律不明顯。

2.1.2不同高程的體積貢獻率Q2

為進一步研究高程對崩塌落石災害發育的影響，本文對16個崩塌落石災害點體積進行歸納統計，得到不同高程區間崩塌落石災害發育體積及其對應的體積貢獻率Q2，如圖5所示。

圖5 不同高程區間的災害發育體積及其貢獻率圖

從圖5可總結出不同高程崩塌落石災害發育體積貢獻率Q2為以下關系:

Q2(h7)>Q2(h8)>Q2(h11)>

Q2(h2)>Q2(h9)>Q2(h3)>

Q2(h5)>Q2(h1)>Q2(h12)>

Q2(h4) =Q2(h6)=Q2(h10)

(2)

其中，高程區間h7(2 000～2 100 m)、h8(2 100～2 200 m)和h11(2 400～2 500 m)的體積貢獻率較大，分別為34.1%、30.7%和26.3%，其總和為91.1%。高程區間h4(1 700～1 800 m)、h6(1 900～2 000 m)和h10(2 300～2 400 m)的體積貢獻率為0。由此可見，不同高程的體積貢獻率變化很劇烈。

2.1.3不同高程的綜合貢獻率Q0

為更準確直觀地評價高程對崩塌落石災害發育分布的影響，本文采取綜合貢獻率Q0指標來評價。綜合貢獻率Q0是根據式(1)和式(2)，對不同高程區間的貢獻率按表2從小到大進行賦值，計算出平均貢獻指數，可得不同高程區間對應的綜合貢獻指數Q，然后再由式(3)求解得出。其最終結果如圖6所示。

表2 貢獻指數賦值表

圖6 綜合貢獻指數及綜合貢獻率圖

(3)

式中：Q0(i)——各個不同高程區間的綜合貢獻率；

Q(i)——各個不同高程區間的綜合貢獻指數；

T——各個高程區間綜合貢獻指數的總和。

綜合分析可知，高程區間h8(2 100～2 200 m)、h7(2 000～2 100 m)、h11(2 400～2 500 m)和h2(1 500～1 600 m)的綜合貢獻率最高，其和為59.4%。以上4個高程區間的崩塌落石災害的數量貢獻率和為41.7%，體積貢獻率和為94.3%。由此可見，這4個高程區間的數量貢獻率和相對不高，體積貢獻率和增長卻相對較快，表明崩塌落石災害在這4個高程區間內發育規模較大，受高程的影響較大。

2.2 崩塌落石災害發育分布與斜坡坡度坡向的關系

斜坡的坡度與崩塌落石災害的發生之間存在一些關系，坡度不同，發生災害的概率也會不同。對于同一個斜坡來說，大多數情況下，坡度越高，發生災害的概率越大；坡度越低，發生災害的概率就越小。因此，對瓦斯溝—康定段崩塌落石災害發育的斜坡坡度進行整理研究是很有必要的，可為瓦斯溝—康定段鐵路選線提供參考。

崩塌落石災害發育的斜坡坡向主要受地質構造運動影響，瓦斯溝地區斷層的發育與運動影響了災害斜坡坡向的發育。此外，災害斜坡坡向還受降水、冰雪消融以及溫差等因素影響，以上因素共同影響斜坡坡向發育的方向。瓦斯溝—康定段崩塌落石災害斜坡坡度坡向發育分布(以每20°為一個統計范圍)如圖7所示。

圖7 坡度坡向發育分布圖

從圖7可以看出，瓦斯溝崩塌落石災害斜坡坡向整體上為SW和NW方向，這和災害發育分布的岸別有很大關系。崩塌隱患點3、崩塌隱患點5、崩塌隱患點11、崩塌隱患點15、2017年擬定線路隧道進出口2、2017年擬定線路隧道進出口5與2018年擬定線路隧道進出口2的坡向為NW向，范圍為280°～350°，坡度在48°～61°之間，且均發育在右岸；其余較多災害隱患點發育在左岸，坡向為SE向和SW向，主要優勢方向為245°∠58°。瓦斯溝主溝流向方向為N72°E，與災害發育斜坡的優勢方向斜交，不利于斜坡的穩定。

3 崩塌落石災害發育分布與坡體結構的關系

坡體結構與巖體結構不同，它是在邊坡結構和巖體結構基礎上發展來的一個更能反映斜坡地質情況的綜合概念。之所以要提出坡體結構這一綜合概念，是因為其重點分析了臨空面和控制性結構面兩者之間的一些組合關系。目前，許多學者把坡體結構和邊坡穩定性分析聯系起來，并且提出了大量不同的地質力學模型。如唐世強[10]分析了反傾向巖質邊坡的變形破壞特征，總結了一些規律，說明坡體結構在一定程度上影響地質災害的發育。

3.1 不同坡體結構的數量貢獻率P1

不同坡體結構的數量貢獻率統計如表3所示。從表3可以看出，崩塌落石災害發育在似層狀順向坡較多，有18處，占75%，這與河谷卸荷作用有一定的關系；其余災害發育在似層狀逆向坡，有6處，占25%，兩者發育數量差距較大。

表3 不同坡體結構的數量貢獻率統計表

3.2 不同坡體結構的體積貢獻率P2

根據表1可統計分析得到不同坡體結構崩塌落石災害發育的體積和體積貢獻率，如表4所示。

表4 不同坡體結構的體積貢獻率統計表

分析表4可知，似層狀順向坡崩塌落石災害發育體積很大，達到4 109.8×105m3，體積貢獻率為70.2%；而似層狀逆向坡災害發育體積較小，為 1 748×105m3，體積貢獻率為29.8%。兩者的體積貢獻率差別也很大。

3.3 不同坡體結構的綜合貢獻率P0

根據以上所得數量、體積貢獻率的大小，計算得到綜合貢獻指數與綜合貢獻率，如表5所示。

表5 不同坡體結構的綜合貢獻率統計表

綜合分析可知，不同坡體結構發育的瓦斯溝崩塌落石災害數量和規模差別很大。從表5可以看出，瓦斯溝似層狀順向坡發育的崩塌落石災害的綜合貢獻率很高。究其原因，首先是與瓦斯溝溝谷的發育形態、走向以及下切卸荷作用有關，斜坡體臨空面和溝谷走向、巖層產狀斜交；其次是與瓦斯溝附近的斷層活動和地震活動有關，這兩者給崩塌落石提供了主要的動力條件，使斜坡構造結構面大量發育，并造成斜坡坡體較破碎。

4 崩塌落石災害發育分布與斷層的關系

斷層在崩塌落石災害的發育分布上會發揮控制性的作用，學者們已經取得了大量的研究成果。瓦斯溝附近斷層走滑活動形成的擠壓應力區與拉張應力區對兩側巖層造成一定程度的損傷破壞，也會形成大量的構造裂隙，使斜坡體巖體結構破碎，還會形成對地下水活動有利的空間。本文根據遙感解譯、踏勘及斷層分布圖，研究崩塌落石災害發育分布與斷層之間的關系。崩塌落石災害發育分布與斷層之間距離統計如圖8所示，崩塌落石災害發育分布和斷層關系如圖9所示。

圖8 崩塌落石災害發育分布與斷層之間距離統計圖

圖9 崩塌落石災害發育分布和斷層關系圖

從圖中可以看出，發育在斷層兩盤附近的崩塌落石地質災害共計24處；其中發育在斷層NE盤較多，有 15處，占比62.5%；SW盤發育的災害相對少一點，有9處，占比37.5%。

崩塌落石災害“距離效應”比較明顯。在距斷層 1 km 之內的災害數量有8處，占總數的33.4%；大多數災害發育在距斷層2 km以內，總計達21處，占比87.5%；距斷層2 km以外的地質災害較少，僅有3處，占總數的12.5%。由此可知，與斷層相距2 km以內的距離是崩塌落石災害發育的敏感集中區域，伴隨著距離增大，斷層的活動性也逐漸減弱，崩塌落石災害發育也逐漸減弱。

進一步統計分析可知，發育在斷層SW盤的崩塌落石災害體積總計為 2 474×105m3，占總體積的42.2%；發育在斷層NE盤的災害體積相對較大，總計為 3 383.8×105m3，占總體積的57.8%。發育在斷層SW盤且規模為特大型的災害有2處，其余3處特大型規模的災害發育在斷層NE盤。

通過對距斷層不同距離的地質災害的數量以及體積進行統計分析，發現發育在斷層NE盤的災害數量相對較多，體積相對較大，且多為大型、特大型規模的災害；斷層SW段發育的災害數量、體積規模均相對較小。總體來講，瓦斯溝崩塌落石災害沿斷層發育分布具有一定的規律性。

5 結論

瓦斯溝段鐵路發育崩塌落石災害共計24處。從發育數量方面來說，瓦斯溝左岸發育數量比右岸多；從發育規模方面來說，多為大型及以上規模的崩塌落石災害。統計分析可得其發育分布規律如下：

(1)高程區間h8(2 100～2 200 m)、h7(2 000～2 100 m)、h11(2 400～2 500 m)和h2(1 500～1 600 m)的崩塌落石災害綜合貢獻率較高，其和為59.4%。以上4個區間崩塌落石災害發育規模大且集中，受高程影響較大。較多災害發育在左岸，主要優勢方向為245°∠58°。瓦斯溝主溝流向方向為N72°E，與災害發育斜坡的優勢方向斜交，不利于斜坡的穩定。

(2)瓦斯溝似層狀順向坡發育的崩塌落石災害的綜合貢獻率最高。這首先與瓦斯溝溝谷的發育形態、走向以及下切卸荷作用有關，斜坡臨空面與溝谷走向、巖層產狀斜交；其次與瓦斯溝附近的斷層活動和地震活動有關。

(3)瓦斯溝崩塌落石災害發育分布受其附近斷層的影響，其 “距離效應”比較明顯。與斷層相距2 km以內的距離是崩塌落石災害發育的敏感集中區域，伴隨著距離增大，斷層的活動性也逐漸減弱，崩塌落石災害發育也逐漸減弱。