基于GIS的滇藏鐵路麗江—香格里拉段工程地質(zhì) 條件分區研究

  0 引 言

 

  滇藏鐵路是我國正在規劃建設的大型鐵路工程之一, 麗江—香格里拉段是繼大理—麗江段后進(jìn)行的第二段規劃建設段, 該段地形地貌和地質(zhì)條件非常復雜, 雖然經(jīng)過(guò)多輪論證, 線(xiàn)路仍難最后確定。按照初期規劃(圖1), 滇藏鐵路麗江—香格里拉段共有3個(gè)走向方案可以比選:(1)麗江—長(cháng)松坪—虎跳峽上峽口—香格里拉方案(西線(xiàn)方案);(2)麗江—大具—白水臺—小中甸—香格里拉方案(組合方案);(3)麗江—大具—白水臺—天生橋—香格里拉方案(東線(xiàn)方案)。初步分析認為, 西線(xiàn)方案工程地質(zhì)條件相對較好, 可以作為推薦方案, 但該方案的工程地質(zhì)條件仍很復雜且存在許多重大工程地質(zhì)問(wèn)題, 工程建設難度大。

 

  西南山區是我國西部開(kāi)發(fā)工程建設的重點(diǎn)地區之一, 也是工程地質(zhì)條件最復雜的地區之一,隨著(zhù)工程建設的深入, 工程地質(zhì)條件的復雜程度已經(jīng)成為制約工程建設的重要因素。工程地質(zhì)條件一直是工程地質(zhì)界研究的熱點(diǎn), 丁繼新等對工程地質(zhì)條件的概念和應用進(jìn)行了相關(guān)的研究,但基于正在規劃建設的大型工程的工程地質(zhì)條件分區評價(jià)方面的研究則較少。本文以滇藏鐵路麗江—香格里拉段為例, 闡述工程地質(zhì)條件分區評價(jià)在線(xiàn)路比選和優(yōu)化方面的應用;在區域地殼穩定性評價(jià)的基礎上, 將基于GIS技術(shù)的層次分析法引入到麗江—香格里拉段鐵路規劃區的工程地質(zhì)條件評價(jià)中;充分利用GIS技術(shù)處理海量數據信息的優(yōu)勢, 采用層次分析法模型, 進(jìn)行麗江—香格里拉段鐵路規劃區的工程地質(zhì)分區評價(jià), 評價(jià)結果對鐵路選線(xiàn)具有一定指導意義。

 

  1 區域工程地質(zhì)概況

 

  研究區在地貌上屬構造剝蝕高中山與深切河谷區, 地勢總體西北高、東南低。地面高程多在2 500 ～ 5 000 m, 最高峰為麗江北西面的玉龍雪山, 主峰扇子陡高程5 596 m, 最低處為麗江以北白馬廠(chǎng)一帶金沙江河谷, 高程約1 570m, 河流切割深度最大可達2 000 m以上。

 

  研究區位于中國兩大地貌階梯青藏高原東南緣向云貴高原的過(guò)渡部位, 為揚子地臺、松潘—甘孜塊體和三江塊體的結合部位, 構造背景甚為復雜。在印度板塊向北推擠和青藏高原南南東向擠出疊加作用下, 新構造運動(dòng)十分強烈, 表現為強烈的垂直差異運動(dòng)和塊體側向滑移, 以及NW向斷裂右旋位移、近SN向和NNE向斷裂左旋位移的斷裂活動(dòng)特征, 主要斷裂有鶴慶—洱源斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶、金沙江斷裂帶、塔城—紅巖斷裂、中甸斷裂帶、玉龍—哈巴雪山東麓斷裂、中甸—海羅斷裂、龍蟠—喬后斷裂帶、小中甸—大具斷裂帶等。研究區新構造運動(dòng)強烈, 地震頻發(fā), 上新世以來(lái)發(fā)生多次構造活動(dòng)。研究區自前古生代至新生代的地層均有出露。

 

  2 評價(jià)方法簡(jiǎn)介

 

  工程地質(zhì)條件分區評價(jià)的核心是確定各種影響因素對工程地質(zhì)條件影響的大小、分布與發(fā)育強度, 計算出不同地區的工程地質(zhì)條件指數作為量化指標。結合研究區的工程地質(zhì)條件和實(shí)際工程規劃現狀, 采用基于GIS的層次分析法作為工程地質(zhì)分區評價(jià)的研究方法。層次分析法適用于多準則、多目標復雜問(wèn)題的決策分析, 可以將決策者對復雜系統的決策思維過(guò)程實(shí)行數量化, 為選出最優(yōu)決策提供依據[ 6] 。經(jīng)過(guò)多年的研究和應用實(shí)踐, 不少研究者開(kāi)始將GIS技術(shù)與AHP方法相結合, 大大提高了傳統的AHP方法在地學(xué)研究中的應用效果。

 

  本文采用基于GIS的工程地質(zhì)條件分區評價(jià)方法, 在確定研究區、研究對象和研究目標后,對各種資料進(jìn)行數據處理并建立相應的空間數據庫;根據研究目標的特征, 分析影響目標的因素,建立目標的層次指標模型和層次結構, 構造判斷矩陣;在專(zhuān)家對影響因素進(jìn)行綜合評分的基礎上,進(jìn)行層次單排序、求解權向量和一致性檢驗, 從而獲得各指標因素值, 并運用GIS空間分析功能提取分析因子。數據處理計算采用大型地理信息系統ArcGIS9.2 軟件, 對研究區域進(jìn)行柵格化,每一個(gè)柵格作為模型評價(jià)的一個(gè)運算單元, 并將數據庫中的數據按照規則進(jìn)行柵格化處理。再采用圖形疊加的模型評價(jià)方式, 將參與評價(jià)的各個(gè)因素權值分配到不同的柵格上。將各個(gè)因素進(jìn)行圖形疊加, 對屬性值進(jìn)行代數運算, 再將疊加后的柵格數據化生成新的圖形, 并形成最終評價(jià)結果。評價(jià)流程見(jiàn)圖2。

 

  

  本文將根據計算獲得的工程地質(zhì)條件指數值的分布范圍, 結合野外實(shí)際調查情況進(jìn)行驗證和分析, 對各工程地質(zhì)區域的工程地質(zhì)條件進(jìn)行分區評價(jià), 對鐵路工程建設的影響及適宜性進(jìn)行討論和說(shuō)明。

 

  3 評價(jià)指標的確定和評價(jià)模型

 

  3.1 評價(jià)指標的確定

 

  研究區位于我國的西南山區, 工程地質(zhì)條件復雜, 影響工程地質(zhì)條件的因素較多, 在充分考慮各種因素的基礎上, 選取地形地貌、工程地質(zhì)巖組、斜坡結構、地質(zhì)災害發(fā)育現狀、潛在震源區、活動(dòng)斷裂、微地貌類(lèi)型(地形與鐵路設計高程間的高差)、人類(lèi)工程活動(dòng)、降水量(主要考慮垂直降水量的差別)、與溝谷間的距離等10個(gè)因素作為一級評價(jià)指標。

 

  3.2 層次結構模型

 

  根據評價(jià)指標體系組建和操作的基本原則,采用分層遞階方法, 將研究區工程地質(zhì)條件評價(jià)指標體系分為總體目標層、約束層(一級指標層)、評價(jià)指標層(二級指標層)和對象層(評價(jià)對象層)4個(gè)層次(圖3)。

 

  目標層是系統分析的最高層, 用以表達鐵路工程建設的適宜性。在本次分析中, 確定工程地質(zhì)條件分區是總目標。按照影響鐵路工程建設的邏輯關(guān)系, 分列地形坡度、工程地質(zhì)巖組、斜坡結構、地質(zhì)災害發(fā)育程度、潛在震源區、活動(dòng)斷裂發(fā)育狀況、微地貌類(lèi)型、人類(lèi)工程活動(dòng)、降水量等方面的因素, 分別考慮其對總目標的影響,這些影響因素構成約束層。在約束層的基礎上,對其中各種因素具體細分, 一共有32個(gè)指標層,這些指標層的權值在上述約束層權重計算的基礎上進(jìn)行劃分。對象層是系統分析的最底層, 在本次研究中, 把工程地質(zhì)條件分區作為對象層。

 

  4 評價(jià)過(guò)程及評價(jià)結果

 

  4.1 評價(jià)指標的量化途徑

 

  在上述評價(jià)指標確定后, 充分利用GIS技術(shù)強大的基礎數據處理和空間分析功能, 在A(yíng)rcGIS9.2平臺上形成地形坡度、工程地質(zhì)巖組、斜坡結構類(lèi)型區、地質(zhì)災害發(fā)育程度、潛在震源區、活動(dòng)斷裂, 微地貌類(lèi)型、人類(lèi)工程活動(dòng)、降水量柵格、水系距離分析等相關(guān)的柵格文件格式的專(zhuān)題圖(圖4(a)— (d))?；谏鲜鰧?zhuān)題圖層, 對于能夠直接量化的指標, 可以在矢量化的專(zhuān)題圖層提取相應的數據信息, 然后對指標進(jìn)行等級劃分并賦值;對于不能直接量化的指標, 采用評分比較的方法進(jìn)行分區劃分等級并賦值。以上可獲得各評價(jià)指標的單因素等級量化結果。根據研究區范圍和工程地質(zhì)條件特征, 將柵格大小定為50 m×50 m, 將6 621.5 km2的研究區劃分為2 648 600個(gè)柵格單元。

 

  4.2 影響因素和指標權重的確定

 

  影響因素和評價(jià)指標的權重計算采用在專(zhuān)家打分法確定各影響因素影響因子大小的基礎上,構造相關(guān)判斷矩陣, 求解得到影響因素和指標的權重, 表1為在匯總分析專(zhuān)家打分的基礎上建立的因素判斷比較矩陣。經(jīng)過(guò)計算, λmax =10.369,CI=0.041 0, RI=1.49, CR=0.027 5 <0.1, 符合一致性判據, 各影響因素權重分配見(jiàn)表2。

 

  從權重分配表中可以看出, 地質(zhì)災害發(fā)育程度和活動(dòng)斷裂的權重在各因素中位于前列, 其次是工程地質(zhì)巖組, 這3 個(gè)因素是進(jìn)行工程地質(zhì)條件評價(jià)的基礎, 是影響鐵路工程選線(xiàn)和建設的先決條件;地形坡度和斜坡結構是影響區域崩塌、滑坡和泥石流的重要條件, 所以權重也較高;微地貌類(lèi)型、人類(lèi)工程活動(dòng)和降水量的權值差異不大。

 

  以上分析表明, 通過(guò)專(zhuān)家打分法和層次分析法相結合確定的影響因素權重是符合客觀(guān)實(shí)際的。

 

  在各影響因素權值確定的基礎上, 對各評價(jià)指標層進(jìn)行權重劃分和賦值(表3), 其中, 活動(dòng)斷裂指標又按照與活動(dòng)斷裂間的遠近程度進(jìn)行了距離分析, 不同距離范圍的權值見(jiàn)表4。數值的大小表示其對鐵路工程地質(zhì)條件的影響程度, 數值越大, 表示該因素越不利于鐵路工程建設。

 

  4.3 評價(jià)計算和結果分析

 

  4.3.1 計算過(guò)程

 

  利用ArcGIS軟件空間分析的空間信息再分類(lèi)功能, 按照評價(jià)指標權重對各個(gè)柵格文件的不同屬性類(lèi)別進(jìn)行賦值。采用ArcGIS軟件的柵格計算功能, 對經(jīng)過(guò)空間信息再分類(lèi)處理的10個(gè)影響因素的柵格文件進(jìn)行各柵格權重值的求和運算, 根據式(1)計算每個(gè)柵格的工程地質(zhì)條件指數值。計算結果表明研究區內各柵格的工程地質(zhì)條件指數值分布在0.054 ～ 0.303之間, 集中分布在0.080～ 0.230之間, 平均值為0.150, 標準差為0.034,變異系數為0.227。工程地質(zhì)條件指數值分布的平穩性較好, 反映了工程地質(zhì)條件在區域上的變化具有一定的遞變性, 與實(shí)際工程地質(zhì)情況相符。

 

  綜合考慮計算結果、野外地質(zhì)調查和工程地質(zhì)勘察資料, 確定了用于進(jìn)行工程地質(zhì)條件分區的指數閥值, 將研究區工程地質(zhì)條件分為較好(B≤0.130)、中等(0.130 <B≤0.155)、較差(0.1550<B≤0.200)和差(0.200 <B≤0.310)4級, 并在A(yíng)rcGIS軟件平臺自動(dòng)生成工程地質(zhì)條件區劃柵格圖, 經(jīng)過(guò)局部平滑和噪音處理, 獲得研究區鐵路規劃區的工程地質(zhì)條件計算成果圖。

 

  4.3.2 結果分析

 

  根據研究區工程地質(zhì)條件評價(jià)結果圖(圖4(e))和相關(guān)工程地質(zhì)資料, 將各分區中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題分析如下。

 

  (1)工程地質(zhì)條件差。該類(lèi)分區主要分布于玉龍雪山東麓文筆水庫—麗江市西側—玉湖—玉龍雪山—大具—哈巴雪山(古魯巴)—俄迪條帶狀區域內, 在香格里拉縣城附近及仁河—龍蟠一帶也有小面積分布。影響本類(lèi)工程地質(zhì)分區的最主要因素是活動(dòng)斷裂, 突出表現為與強活動(dòng)斷裂距離較近, 特別是在強活動(dòng)斷裂1 km范圍內, 如玉龍雪山東麓和哈巴雪山中部地區;在多條斷裂相交或近于相交的地區工程地質(zhì)條件亦較差, 如麗江市縣城至文筆水庫一帶處于多條中等-強活動(dòng)斷裂的交匯部位,在該區域內工程地質(zhì)條件差;地質(zhì)災害發(fā)育地帶、軟弱松散第四系土石類(lèi)、順向坡及斜坡坡度大于45°的地帶一般也位于工程地質(zhì)條件差的區域。該類(lèi)分區約占研究區總面積的6.52%。

 

  (2)工程地質(zhì)條件較差。該類(lèi)分區主要分布在工程地質(zhì)條件差區域的外圍, 其一方面受活動(dòng)斷裂的影響, 多位于距活動(dòng)斷裂1 ～ 5 km的范圍內;另一方面, 雖然部分區域與強活動(dòng)斷裂之間的距離小于1 km, 如玉湖和古魯巴附近, 但由于地形較平坦或斜坡平緩, 工程地質(zhì)巖組和斜坡結構好,遠離溝谷影響, 因而工程地質(zhì)條件屬較差級。此外, 在仁和以西的虎跳峽鎮至哈巴雪山之間的順向坡發(fā)育地帶工程地質(zhì)條件較差, 這些地區斜坡結構因素起主導作用。該類(lèi)分區約占研究區總面積的32.24%。

 

  (3)工程地質(zhì)條件中等。該類(lèi)分區多呈點(diǎn)狀和塊狀分布, 在麗江市團山地區、拉市海一帶、月亮坪—俄迪一帶、小中甸鎮—碧古—阿熱一帶以及那帕海地區分布較多。該類(lèi)工程地質(zhì)條件分區多位于中等活動(dòng)斷裂和弱活動(dòng)斷裂的影響范圍內,距離溝谷水系近, 地質(zhì)災害較發(fā)育, 地形坡度小、斜坡結構一般。該類(lèi)分區約占評估區總面積的32.41%。

 

  (4)工程地質(zhì)條件較好。該類(lèi)分區主要分布在4個(gè)地帶, 即虎跳峽鎮一帶、團山—文化村一帶、安南地區和阿熱北部區域, 在研究區其他區域僅零星分布。該類(lèi)地區遠離活動(dòng)斷裂帶, 地質(zhì)災害不發(fā)育, 工程地質(zhì)巖組以較堅硬中厚層狀砂板巖、玄武巖巖組和堅硬塊狀碳酸鹽巖巖組為主, 地形坡度一般小于15°, 斜坡結構好, 以橫向坡、反向坡和平坡為主。該類(lèi)分區約占研究區總面積的28.83%。

 

  5  線(xiàn)路方案工程地質(zhì)條件評價(jià)和優(yōu)化

 

  從工程地質(zhì)分區圖(圖4(e))可以看出, 研究區內工程地質(zhì)條件差的區域集中分布在麗江縣城至古魯巴條帶狀區域內, 麗江—香格里拉段鐵路東線(xiàn)方案、西線(xiàn)方案和組合方案都不可避免地通過(guò)這些區域。其中, 東線(xiàn)方案工程地質(zhì)條件較好段約占10%, 工程地質(zhì)條件中等段約占40%, 工

 

  程地質(zhì)條件較差段約占30%, 工程地質(zhì)條件差段約占20%;主要工程地質(zhì)問(wèn)題是大具盆地段位于

 

  哈巴—玉龍雪山東麓斷裂5 km影響范圍內, 斜坡結構以順向坡為主, 滑石板滑坡和金沙江深切河谷的地貌特征增加了工程地質(zhì)條件的復雜程度,阿熱到香格里拉段位于中甸斷裂的影響范圍內。

 

  西線(xiàn)方案工程地質(zhì)條件較好段約占10%, 工程地質(zhì)條件中等段約占20%, 工程地質(zhì)條件較差段約占30%, 工程地質(zhì)條件差段約占40%;主要工程

 

  地質(zhì)問(wèn)題是線(xiàn)路在麗江盆地內與玉龍雪山東麓斷裂斜交, 尤以小玉龍附近影響最大, 從小玉龍附近開(kāi)始, 鐵路設計高程和玉龍雪山山體之間的高差大, 鐵路呈NW向以隧道(玉峰寺隧道)形式通

 

  過(guò)玉龍雪山, 隧道最大埋深達1 000 m以上, 受這兩種因素的控制, 該段工程地質(zhì)條件差。組合方案工程地質(zhì)條件較好段約占15%, 工程地質(zhì)條件中等段約占25%, 工程地質(zhì)條件較差段約占30%, 工程地質(zhì)條件差段約占30%, 該方案與哈巴—玉龍雪山東麓斷裂近直交, 延伸至俄迪一帶,影響本方案的突出地質(zhì)問(wèn)題是活動(dòng)斷裂。

 

  在上述工程地質(zhì)條件分區和線(xiàn)路規劃方案分析的基礎上, 認為西線(xiàn)方案可以作為麗江—香格里拉段鐵路推薦線(xiàn)路方案, 但該方案南段存在較大工程地質(zhì)問(wèn)題———玉龍雪山活動(dòng)斷裂影響和玉峰寺深埋隧道, 需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據工程地質(zhì)分區評價(jià)結果, 建議西線(xiàn)方案由原來(lái)的從團山附近接入大麗線(xiàn)(大理—麗江鐵路)改為從麗江市南端太平村附近接入, 線(xiàn)路總體走向為太平村—中吉村—文筆水庫—下長(cháng)水—三家村—仁河—中義—龍蟠, 在龍蟠處接原西線(xiàn)方案, 這樣, 可以減弱玉龍雪山東麓斷裂對鐵路的影響以及避免玉峰寺深埋隧道引起的相應的重大工程地質(zhì)問(wèn)題。

 

  6 結 語(yǔ)

 

  基于A(yíng)rcGIS平臺和層次分析法對滇藏鐵路麗江—香格里拉段的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分區與評價(jià)研究, 得到如下認識:

 

  (1)滇藏鐵路麗江—香格里拉段地形地貌和地質(zhì)條件非常復雜, 新構造運動(dòng)強烈, 影響鐵路工程地質(zhì)條件的因素較多, 主要有地形坡度、工程巖組、斜坡結構類(lèi)型、地質(zhì)災害發(fā)育程度、潛在震源區、活動(dòng)斷裂、微地貌類(lèi)型、人類(lèi)工程活動(dòng)、降水量、水系距離等10個(gè)因素。

 

  (2)經(jīng)過(guò)專(zhuān)家打分法和層次分析法計算認為地質(zhì)災害發(fā)育程度和活動(dòng)斷裂的權重在各評價(jià)因素中位于前列, 其次是工程地質(zhì)巖組, 這3個(gè)因素是進(jìn)行工程地質(zhì)條件評價(jià)的基礎, 是影響鐵路工程選線(xiàn)和建設的先決條件。

 

  (3)根據計算所得的工程地質(zhì)條件指數值分布范圍和野外實(shí)際調查結果, 將研究區工程地質(zhì)條件分為差、較差、中等和較好等4 類(lèi)。工程地質(zhì)條件差的地區約占總面積的6.52%, 該類(lèi)地區集中在玉龍雪山東麓和哈巴雪山地區;工程地質(zhì)條件較差的地區約占研究區總面積的32.24%, 在研究區內分布面積較大;工程地質(zhì)條件中等的地區約占研究區總面積的32.41%;工程地質(zhì)條件較好的地區約占研究區總面積的28.83%。

 

  (4)綜合分析表明西線(xiàn)方案的工程地質(zhì)條件總體優(yōu)于其他比選方案, 基于評價(jià)結果對西線(xiàn)線(xiàn)路方案進(jìn)行了優(yōu)化, 優(yōu)化后的方案減弱了玉龍雪山東麓斷裂對鐵路的影響, 可避免玉峰寺深埋隧道引起的工程地質(zhì)問(wèn)題。