裂點的河流地貌演變效應及鐵路選線原則

蘇 玥,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.National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

引言

裂點最早是在1924年由德國地貌學家與地質學家Walther Penck提出[1]，Penck認為正常條件下河流縱剖面應為平滑連續的，而實際在河流縱剖面上往往會出現一些陡緩突變點，這些陡緩突變點稱為Knickpunkte(裂點)。裂點的形成和發育主要受到構造活動導致的差異性隆升，冰川、滑坡、崩塌、泥石流堵河等事件的影響[2-4]。針對裂點開展的代表性工作有：Gardner等[5]對裂點的演化類型進行了水槽模型實驗，將裂點的演化分為平行后退、移位和傾斜3類；Whipple等[6]提出裂點具有形成后河床會不斷向均衡狀態調整而溯源遷移的特性；Berline等[7]建立了水力波速模型研究裂點的溯源遷移速率，提出裂點的后退速率隨著上游流域面積的不斷減小而下降；張會平等[8]對我國望天鵝火山區的裂點分布特征進行了研究，定量計算了裂點后退速率與流域面積的關系。畢麗思等[9]對霍山山前的裂點進行了識別，利用裂點的溯源遷移判斷了古地震序列事件的發生時間；劉懷湘、王兆印等[10]通過對河床結構的研究，提出裂點的形成是河床結構發育的結果，河床結構是河流系統自我調節作用的體現，形成了“侵蝕下切—崩塌滑坡—河床結構發育—抑制侵蝕下切—平衡”這一負反饋機制；李文哲、王兆印等[11]通過對階梯—深潭系統的研究，提出裂點如一個個巨型階梯—深潭系統，能消耗大量水流能量，防止河床下切導致的兩岸山體失穩。以上文獻反映了從研究裂點形成條件向其對河流地貌穩定性影響的發展趨勢，但討論對重大工程影響的文獻甚少。

中巴經濟走廊是“一帶一路”倡議的先試區和重點項目區，擬建中巴鐵路是其重要組成部分。中巴鐵路紅其拉普—塔科特段位于中巴經濟走廊的北部(圖1)，穿過青藏高原西緣，通過世界最年輕的三大山系-喜馬拉雅、喀喇昆侖、興都庫什三大山系的交匯區，是世界上地殼隆升最快的地區之一，分布有多條活躍的斷裂帶，如著名的主喀喇昆侖逆沖斷裂(MKT)、洪扎斷裂、主地幔斷裂(MMT)等，差異性隆升現象突出；高山峽谷區河流深切，崩坍滑坡泥石流等山地災害發育；特別是鐵路行經的喀喇昆侖山脈為全球山谷冰川最發育的區域，冰川堵河的威脅不可忽視；這樣的地理環境為裂點的形成創造了有利的條件，因此中巴走廊內裂點分布密集，類型齊全。鑒此，特以中巴經濟走廊紅其拉普—塔科特段作為研究區，首先基于鐵路選線對地貌觀測尺度的需求，提出了不同類型裂點的判識方法；然后通過對裂點上下游山地災害嚴重性的對比分析，論證了裂點的減災效應；最后通過對不同類型裂點地貌效應的分析，提出了選線原則。希望為鐵路選線合理利用裂點地貌提供具普適性意義的認識，同時為中巴鐵路選線線路方案優化提供科技支撐。

圖1 研究區域水系、斷層、冰川分布

1 裂點及類型的判識方法

裂點在河流縱剖面上主要表現為上凸的異常部位，裂點下游的河道坡度迅速變大，上游隨著泥沙淤積往往產生一段平坡段。目前對裂點的規模定義尚無標準，必須首先界定。堵河成因的裂點，實際就是堰塞湖，根據SL450-2009《堰塞湖風險等級劃分標準》，具有危險性的堰塞湖最小壩高為15 m；目前我國鐵路可以利用的河流最大縱坡約為30‰，此時堰塞湖回淤長度將達500 m，這一尺度反映裂點的地形和減災效應，對于鐵路選線而言尚具工程意義；基于上述兩點暫以15 m作為選線研究裂點的規模判據。

圖2 選線尺度下裂點提取流程

以中巴鐵路紅其拉普至塔科特段為例，基于選線階段可獲得的公開資料，本文利用的是在地理空間數據云中下載的30 m DEM數據，利用上文提到的ΔL選取原則使ΔL=110 m，利用MATLAB腳本采用線性插值的方法得到河段長度ΔL為110 m時的落差ΔH，繼而得到各個河段的點坡度值為G并繪制整個河段點坡度圖，以G＇=0.14(15 m/110 m)為閾值，當G≥0.14時初步提取15個裂點；紅其拉普到塔科特段河床平均縱坡d為7.15‰，當壩高不低于15 m時，平坡段長度閾值S＇為2 km(15 m/7.15‰)，將初步識別裂點上游存在不低于2 km平坡段的13個裂點定為選線設計需考察的裂點(圖3)。

圖3 紅其拉普至塔科特點坡度

在裂點類型判識過程中，構造型裂點是指因活動構造斷裂帶引起的地殼不均勻隆升而形成的裂點，紅其拉普至塔科特段斷裂帶位置確定依據的是巴基斯坦石油與自然資源部提供的沿喀喇昆侖公路工程地質圖，共提取喀喇昆侖逆沖斷裂、洪扎斷裂、主地幔斷裂等6條斷裂帶附近的6個構造型裂點；滑坡堵江形成的裂點為滑坡型裂點，能形成15 m高堰塞壩的滑坡一般需要較大規模，這樣會具有明顯的地貌特征，可以通過航衛片進行識別，同時往往還能查到相關的文獻報道，本文識別的唯一一個滑坡型裂點為2010年發生在巴基斯坦境內Attabad附近的大型山體滑坡堵河所導致的；冰川型裂點是冰川運動伴隨著大量固體物質堵塞主河而形成，因此裂點位于大型冰川槽谷的附近，巴基斯坦內的冰川大多成群分布，本文利用航衛片識別了研究區內目前仍有冰川存在的13條冰川槽谷，其中12條分別屬于四大冰川群：固加爾帕冰川群(1條)、紅其拉普冰川群(1條)、帕蘇冰川群(6條)、拉卡波希冰川群(4條)，利用冰川槽谷的形態指數b可以很好的區分槽谷的類型[14]，形態指數b的計算公式為

y=axb

式中，x為冰川槽谷橫斷面上一點到槽谷最低點的水平距離；y為槽谷橫斷面上一點到槽谷最低點的垂直距離，通過計算距溝口2 km范圍內槽谷斷面兩側的形態指數，分別記為b1和b2，存在b1或b2大于1.5的槽谷為“U”形谷，判定是冰川歷史上曾到達過主河的地貌標志，最終提取6個冰川型裂點(表1)；泥石流堵河型裂點應位于泥石流溝口附近，且溝口存在大型泥石流堆積扇，可利用航衛片識別，此外還需采用泥石流阻河綜合判據進行定量判識[15]。研究區內的13個裂點中并未發現泥石流型裂點。

現對提取的各類裂點進行分析。由于強隆升區斷層分布廣泛，構造型裂點基本上在整個研究區段均有分布;冰川型裂點主要分布在海拔高度2 000 m以上的高海拔地區；從裂點規模來看，滑坡型裂點規模最大，如Attabad滑坡堵江堰塞壩高在118 m以上[16]；其次為冰川型裂點，裂點上下游平均落差為78 m；構造型裂點的規模較小，平均落差低于40 m。究其原因是，研究區滑坡、冰川堵江都是年代相對較近的且一次性造成堰塞湖的事件，河流改造效果弱，裂點規模較大；而構造運動時間尺度是以千萬年計的，在河床坡度出現差異的同時水流運動又在使其平滑化，二者反向作用的綜合效應使得裂點規模最小。這一規律也為鐵路百年服務期裂點發育的趨勢預測提供了科學依據。

表1 冰川型裂點主要參數

2 裂點的減災效應

裂點一旦形成將引起上游河段的淤積抬升，這對河床地貌形態、河流縱剖面及河床下切均具有控制性作用。河流下切速率的減緩，使得因岸坡失穩導致的崩坍滑坡等災害的發展趨勢得到減輕；更進一步，主河的淤積抬升，意味著支溝的侵蝕基準面抬升，從而也減緩了支溝溝道下切的速率，使得支溝岸坡失穩的趨勢減緩，對泥石流災害也有抑制作用。

本文對沿喀喇昆侖公路(KKH)不同類型裂點上下游5 km范圍內的滑坡、泥石流災害數量進行統計分析(圖4)，可以看出6個構造型的裂點中裂點上游災害數量比下游災害數量少的裂點個數占了5個，占比為83.3%；6個冰川型的裂點有5個表現為裂點上游的災害數量小于裂點下游，占比為83.3%；即構造型裂點與冰川型裂點都表現為僅有一個裂點表現為上下游災害數量相等的現象，其余均表現出了以裂點為分界點在裂點下游災害數量增多的特征(圖5)。裂點上游河段更穩定這一規律，為鐵路選線設計區段穩定性的把握增加了新的認識，例如在橋位必選時，選擇在裂點上游跨河更為有利。

圖4 KKH泥石流、大型滑坡災害分布示意

圖5 構造型裂點統計

3 不同類型裂點的地貌改造效應與選線原則

從對地貌演變影響效應角度，裂點又大體上可歸結為構造型裂點與山地災害堵河而形成的堵河型裂點兩類，二者對地貌演變的影響主要體現在河型演變與沿河階地發育兩方面。

3.1 構造型裂點的地貌效應及選線原則

區域性構造活動的影響范圍明顯大于一般的堵河事件，在宏觀上表現為構造型裂點上游向寬谷地貌轉變而裂點下游向峽谷地貌發展，上下游的河型呈現出顯著的差異。裂點上游河道明顯展寬，逐步發育成分叉、辮狀河道，裂點下游為單一的蜿蜒型河道。同時構造隆升提升了裂點上游的侵蝕基準面，裂點上游河段相對下游河床下切速率減緩，河道展寬，泥沙沉積作用增強，沉積物上覆在基巖之上，在河流進一步下切之后形成河流相基座階地，因為構造活動影響范圍大，因此形成的河流階地連續性好。這樣構造型裂點上游往往為鐵路提供了較大的可利用空間，特別是河流階地，具有地形平坦連續、地基條件好的特點，為鐵路修建大段沿河明線提供了有利條件。

例如，位于線路廊道內Collision Point即“碰撞點”(由巴基斯坦中央喀喇昆侖國家公園提供，位于N36°14′13″，E74°18′15″)附近的構造型裂點與喀喇昆侖逆沖斷裂(MKT)有關。大約5 500萬年前，印度和歐亞大陸板塊沿著穿過碰撞點的邊界相撞，巨大的壓力迫使地殼彎曲，形成了喀喇昆侖山脈的高聳山脈，如今印度板塊仍以每年約5 cm的速度向北推入歐亞大陸，導致山脈每年上升約7 mm。在此長期造山運動作用下，裂點上游開闊的寬谷段地貌與下游深切的峽谷地貌對比明顯，裂點上下游落差30多m，裂點上下游5 km的河床平均縱坡由4‰迅速增加到11‰，且裂點上游形成了面積約6 km2的基座型階地(圖6)，成為鐵路布線或布設車站的良好地形。

圖6 碰撞點上下游地貌演化差異

3.2 山地災害堵河型裂點的地貌效應與選線策略

堵河型裂點均以堵河并形成堰塞湖為標志性事件，地貌改變主要以堰塞湖效應體現，其影響范圍也限制于堰塞湖區域。隨著堰塞湖的淤滿以及地殼的抬升和河流的不斷下切，堰塞湖最終會演變出平坦開闊的湖相沉積地貌；此外隨著堰塞湖潰決之后河流下切，裂點上游發育階地，但河流一般不會下切到基巖，因此形成的多為湖相沉積階地，少見基座階地，比一般的河流階地力學性質差。因此由堰塞湖演變出的平坦地形也是鐵路設站或布設大型建筑物的有利地形，但相較于構造性裂點的階地，堵河型裂點階地的可利用性較差。

因為滑坡堵江事件一般不會再發生，在鐵路百年服務期古滑坡型裂點形成的淤積地貌可視為值得利用的穩定區。如距Skardu[17]下游25 km處的印度河Katzarah滑坡堵河型裂點(圖7)，裂點上下游落差90 m以上，裂點上游已淤積出面積達80多km2的大片平地，對鐵路大型基地的布設是難得的有利地形。

圖7 印度河流域Skardu大型滑坡上游演變為平坦的地形

一般泥石流堵河形成的堰塞壩較易潰決，在水流的作用下很快演變成局部堵河或潛壩的形式，難以形成15 m以上的堰塞壩，如在本研究區就未發現由于泥石流堵河而形成的裂點。但也有特大型泥石流堵河堰塞壩能長期保存的情況，如西藏古鄉溝泥石流堵河形成的古鄉湖[18]。因為泥石流屬每年汛期都可能發生的現象，在鐵路百年服務期內對地貌的影響具有不確定性，所以對泥石流形成的裂點地貌一般不建議利用。

3.3 冰川型裂點地貌的利用原則

冰川堵河現象僅存在于冰凍圈地帶，冰川型裂點對地貌影響也是以堰塞湖體現的。根據冰川的水熱條件和物理性質，可以將青藏高原的冰川分為海洋性冰川和大陸性冰川。前者具有消融量強烈、運動速度快，地質地貌作用強的特點，冰川裂點主要系該類冰川運動造成。在喜馬拉雅山南坡和藏東南地區，受印度洋海洋季風的強大影響，冰川物質補給多集中在夏季，因而把這里的冰川稱為季風海洋性冰川，擬建川藏鐵路、中尼鐵路均處于該區域；而高原西部的興都庫什山、西喀喇昆侖山等地受西風環流影響較大，降水集中在冬季，屬于地中海型降水，這里分布的冰川被稱為地中海型海洋性冰川，擬建中巴鐵路位于此。在全球氣候變暖、冰川消融的大背景下，季風海洋性冰川普遍處于退縮狀態，所形成的冰川地貌為盛冰期時代的產物，鐵路均可利用；但在地中海型海洋性冰川區則需慎重。

例如位于地中海型海洋性冰川區的洪扎河流域，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[19]。雖然巴基斯坦冰川具有這種不同于全球冰川變化趨勢的特點，我們認為巴基斯坦冰川確實萎縮不明顯，但即使出現冰川超常活躍現象，仍不會超過小冰期的規模，鑒此，提出小冰期冰川運動未曾到達過的地段，鐵路方可利用的選線原則。

如，距今42ka～52ka的Borit Jheel冰川期(屬于末次冰期的早階段)，由于冰川進入洪扎山谷時阻塞了Gilgit山谷，形成了Gilgit古冰川堰塞湖[20]，經歷了長期的淤積作用后最終演變成了沿Gilgit河長度約10 km，面積達21 km2的古冰磧堰塞湖階地。因為該冰川型裂點形成于大冰期，目前已不會再發生如此規模的冰川運動事件，因此屬于可利用的單元。另一個反例為洪扎上游的帕蘇冰川群，帕蘇冰川群共有6條大型冰川，其中Hassanabad、Pasu、Batura為躍動冰川，在小冰期時都到達過主河。帕蘇冰川群所在河段河床淤積嚴重，形成了落差達80多米的裂點，在上游出現河道明顯展寬、河道分叉的現象，右岸已淤積出大片平地，已有當地居民從事植樹、建房等(圖8)。但在鐵路百年服務期內不能排除冰川前進堵河的風險，因此不建議利用。

圖8 巴托拉(Batura)冰川堵河裂點上游河道形態

4 結語

(1)以中巴經濟走廊紅其拉普—塔科特段作為研究區，首先按照鐵路選線的精度要求，提出了不同類型裂點的判識方法；然后通過對裂點上下游山地災害嚴重性的對比分析，論證了裂點的減災效應；最后通過對不同類型裂點地貌效應的分析，提出選線原則。希望為中巴鐵路定線提供科技支撐。

(2)基于裂點地貌的尺度范圍，主要在選線設計局部方案和個體工程布置階段考慮。裂點上游河段穩定性好，地形開闊，宜多修明線、跨河橋址宜選在上游，車站、維修基地等大型工程也宜布置在上游。而裂點下游多為峽谷地形、且穩定性較差，以隧道工程為宜，同時，需注意河流下切導致谷坡卸荷變形破裂發育現象，隧道宜內移避開谷坡變形改造強烈區域。此外，青藏高原持續抬升引起周邊河流快速侵蝕下切，下切引發的山地災害常常形成堰塞壩，因這類堰塞壩多為松散堆積體，且大石塊較多，床面上石塊在水流作用下易排列形成具有較大穩定性的床面結構，具有很大的阻力和消減水流能量的作用。自然壩通過發育河床結構消減水流能量穩定河床、控制下切，可以說崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然壩實際上是河流下切負反饋的結果[10]。雖然以上研究集中于討論裂點上游河段地貌與穩定性方面，但裂點的發育分布實際上將對整個河流的演變產生有利影響，也是反映河流穩定性的指標之一。因此在選線設計原則比選時也是應該考慮的重要因素。

(3)中巴鐵路通過的喜馬拉雅西部構造結，是世界上地殼最不穩定的地區之一。20世紀50年代，李四光等老一輩地質學家提出了“安全島”的概念，即在地質不穩定地區可以尋找出適宜建設的穩定地塊。在鐵路選線傳統工作模式中，評價研究區穩定性的信息主要依靠地勘作業獲得，本文研究為判斷河段穩定狀態提供了一種新手段。更進一步，長期以來，如何打通宏觀地學理論到工程應用的瓶頸，一直是困擾學術界和工程界的問題，而能否找到二者研究尺度的結合點，是破解此難題的關鍵。本文基于鐵路選線對地貌觀測尺度的需求，提出了裂點規模的判據并建立了不同類型裂點的判識方法，即為在此領域的初步探索，企盼產生拋磚引玉之效。