0 引 言

 

  滇藏鐵路是我國正在規(guī)劃建設(shè)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(guī)劃建設(shè)段, 該段地形地貌和地質(zhì)條件非常復(fù)雜, 雖然經(jīng)過多輪論證, 線路仍難最后確定。按照初期規(guī)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—長松坪—虎跳峽上峽口—香格里拉方案(西線方案);(2)麗江—大具—白水臺(tái)—小中甸—香格里拉方案(組合方案);(3)麗江—大具—白水臺(tái)—天生橋—香格里拉方案(東線方案)。初步分析認(rèn)為, 西線方案工程地質(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(fù)雜且存在許多重大工程地質(zhì)問題, 工程建設(shè)難度大。

 

  西南山區(qū)是我國西部開發(fā)工程建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)之一, 也是工程地質(zhì)條件最復(fù)雜的地區(qū)之一,隨著工程建設(shè)的深入, 工程地質(zhì)條件的復(fù)雜程度已經(jīng)成為制約工程建設(shè)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(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究,但基于正在規(guī)劃建設(shè)的大型工程的工程地質(zhì)條件分區(qū)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(qū)評價(jià)在線路比選和優(yōu)化方面的應(yīng)用;在區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)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(guī)劃區(qū)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(shù)據(jù)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(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)分區(qū)評價(jià), 評價(jià)結(jié)果對鐵路選線具有一定指導(dǎo)意義。

 

  1 區(qū)域工程地質(zhì)概況

 

  研究區(qū)在地貌上屬構(gòu)造剝蝕高中山與深切河谷區(qū), 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一帶金沙江河谷, 高程約1 570m, 河流切割深度最大可達(dá)2 000 m以上。

 

  研究區(qū)位于中國兩大地貌階梯青藏高原東南緣向云貴高原的過渡部位, 為揚(yáng)子地臺(tái)、松潘—甘孜塊體和三江塊體的結(jié)合部位, 構(gòu)造背景甚為復(fù)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈, 表現(xiàn)為強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng)和塊體側(cè)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?bào)础獑毯髷嗔褞?、小中甸—大具斷裂帶等。研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈, 地震頻發(fā), 上新世以來發(fā)生多次構(gòu)造活動(dòng)。研究區(qū)自前古生代至新生代的地層均有出露。

 

  2 評價(jià)方法簡介

 

  工程地質(zhì)條件分區(qū)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(qiáng)度, 計(jì)算出不同地區(qū)的工程地質(zhì)條件指數(shù)作為量化指標(biāo)。結(jié)合研究區(qū)的工程地質(zhì)條件和實(shí)際工程規(guī)劃現(xiàn)狀, 采用基于GIS的層次分析法作為工程地質(zhì)分區(qū)評價(jià)的研究方法。層次分析法適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)復(fù)雜問題的決策分析, 可以將決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程實(shí)行數(shù)量化, 為選出最優(yōu)決策提供依據(jù)[ 6] 。經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用實(shí)踐, 不少研究者開始將GIS技術(shù)與AHP方法相結(jié)合, 大大提高了傳統(tǒng)的AHP方法在地學(xué)研究中的應(yīng)用效果。

 

  本文采用基于GIS的工程地質(zhì)條件分區(qū)評價(jià)方法, 在確定研究區(qū)、研究對象和研究目標(biāo)后,對各種資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫;根據(jù)研究目標(biāo)的特征, 分析影響目標(biāo)的因素,建立目標(biāo)的層次指標(biāo)模型和層次結(jié)構(gòu), 構(gòu)造判斷矩陣;在專家對影響因素進(jìn)行綜合評分的基礎(chǔ)上,進(jìn)行層次單排序、求解權(quán)向量和一致性檢驗(yàn), 從而獲得各指標(biāo)因素值, 并運(yùn)用GIS空間分析功能提取分析因子。數(shù)據(jù)處理計(jì)算采用大型地理信息系統(tǒng)ArcGIS9.2 軟件, 對研究區(qū)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(yùn)算單元, 并將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照規(guī)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(quán)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(shù)運(yùn)算, 再將疊加后的柵格數(shù)據(jù)化生成新的圖形, 并形成最終評價(jià)結(jié)果。評價(jià)流程見圖2。

 

  

  本文將根據(jù)計(jì)算獲得的工程地質(zhì)條件指數(shù)值的分布范圍, 結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行驗(yàn)證和分析, 對各工程地質(zhì)區(qū)域的工程地質(zhì)條件進(jìn)行分區(qū)評價(jià), 對鐵路工程建設(shè)的影響及適宜性進(jìn)行討論和說明。

 

  3 評價(jià)指標(biāo)的確定和評價(jià)模型

 

  3.1 評價(jià)指標(biāo)的確定

 

  研究區(qū)位于我國的西南山區(qū), 工程地質(zhì)條件復(fù)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(chǔ)上, 選取地形地貌、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀、潛在震源區(qū)、活動(dòng)斷裂、微地貌類型(地形與鐵路設(shè)計(jì)高程間的高差)、人類工程活動(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(biāo)。

 

  3.2 層次結(jié)構(gòu)模型

 

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

 

  目標(biāo)層是系統(tǒng)分析的最高層, 用以表達(dá)鐵路工程建設(shè)的適宜性。在本次分析中, 確定工程地質(zhì)條件分區(qū)是總目標(biāo)。按照影響鐵路工程建設(shè)的邏輯關(guān)系, 分列地形坡度、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度、潛在震源區(qū)、活動(dòng)斷裂發(fā)育狀況、微地貌類型、人類工程活動(dòng)、降水量等方面的因素, 分別考慮其對總目標(biāo)的影響,這些影響因素構(gòu)成約束層。在約束層的基礎(chǔ)上,對其中各種因素具體細(xì)分, 一共有32個(gè)指標(biāo)層,這些指標(biāo)層的權(quán)值在上述約束層權(quán)重計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行劃分。對象層是系統(tǒng)分析的最底層, 在本次研究中, 把工程地質(zhì)條件分區(qū)作為對象層。

 

  4 評價(jià)過程及評價(jià)結(jié)果

 

  4.1 評價(jià)指標(biāo)的量化途徑

 

  在上述評價(jià)指標(biāo)確定后, 充分利用GIS技術(shù)強(qiáng)大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和空間分析功能, 在ArcGIS9.2平臺(tái)上形成地形坡度、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)類型區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度、潛在震源區(qū)、活動(dòng)斷裂, 微地貌類型、人類工程活動(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題圖(圖4(a)— (d))?；谏鲜鰧ｎ}圖層, 對于能夠直接量化的指標(biāo), 可以在矢量化的專題圖層提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息, 然后對指標(biāo)進(jìn)行等級劃分并賦值;對于不能直接量化的指標(biāo), 采用評分比較的方法進(jìn)行分區(qū)劃分等級并賦值。以上可獲得各評價(jià)指標(biāo)的單因素等級量化結(jié)果。根據(jù)研究區(qū)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(qū)劃分為2 648 600個(gè)柵格單元。

 

  4.2 影響因素和指標(biāo)權(quán)重的確定

 

  影響因素和評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算采用在專家打分法確定各影響因素影響因子大小的基礎(chǔ)上,構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣, 求解得到影響因素和指標(biāo)的權(quán)重, 表1為在匯總分析專家打分的基礎(chǔ)上建立的因素判斷比較矩陣。經(jīng)過計(jì)算, λmax =10.369,CI=0.041 0, RI=1.49, CR=0.027 5 <0.1, 符合一致性判據(jù), 各影響因素權(quán)重分配見表2。

 

  從權(quán)重分配表中可以看出, 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和活動(dòng)斷裂的權(quán)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(chǔ), 是影響鐵路工程選線和建設(shè)的先決條件;地形坡度和斜坡結(jié)構(gòu)是影響區(qū)域崩塌、滑坡和泥石流的重要條件, 所以權(quán)重也較高;微地貌類型、人類工程活動(dòng)和降水量的權(quán)值差異不大。

 

  以上分析表明, 通過專家打分法和層次分析法相結(jié)合確定的影響因素權(quán)重是符合客觀實(shí)際的。

 

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

 

  4.3 評價(jià)計(jì)算和結(jié)果分析

 

  4.3.1 計(jì)算過程

 

  利用ArcGIS軟件空間分析的空間信息再分類功能, 按照評價(jià)指標(biāo)權(quán)重對各個(gè)柵格文件的不同屬性類別進(jìn)行賦值。采用ArcGIS軟件的柵格計(jì)算功能, 對經(jīng)過空間信息再分類處理的10個(gè)影響因素的柵格文件進(jìn)行各柵格權(quán)重值的求和運(yùn)算, 根據(jù)式(1)計(jì)算每個(gè)柵格的工程地質(zhì)條件指數(shù)值。計(jì)算結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)各柵格的工程地質(zhì)條件指數(shù)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(biāo)準(zhǔn)差為0.034,變異系數(shù)為0.227。工程地質(zhì)條件指數(shù)值分布的平穩(wěn)性較好, 反映了工程地質(zhì)條件在區(qū)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(jì)算結(jié)果、野外地質(zhì)調(diào)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(qū)的指數(shù)閥值, 將研究區(qū)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ArcGIS軟件平臺(tái)自動(dòng)生成工程地質(zhì)條件區(qū)劃柵格圖, 經(jīng)過局部平滑和噪音處理, 獲得研究區(qū)鐵路規(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)條件計(jì)算成果圖。

 

  4.3.2 結(jié)果分析

 

  根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)條件評價(jià)結(jié)果圖(圖4(e))和相關(guān)工程地質(zhì)資料, 將各分區(qū)中的主要工程地質(zhì)問題分析如下。

 

  (1)工程地質(zhì)條件差。該類分區(qū)主要分布于玉龍雪山東麓文筆水庫—麗江市西側(cè)—玉湖—玉龍雪山—大具—哈巴雪山(古魯巴)—俄迪條帶狀區(qū)域內(nèi), 在香格里拉縣城附近及仁河—龍?bào)匆粠б灿行∶娣e分布。影響本類工程地質(zhì)分區(qū)的最主要因素是活動(dòng)斷裂, 突出表現(xiàn)為與強(qiáng)活動(dòng)斷裂距離較近, 特別是在強(qiáng)活動(dòng)斷裂1 km范圍內(nèi), 如玉龍雪山東麓和哈巴雪山中部地區(qū);在多條斷裂相交或近于相交的地區(qū)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(qiáng)活動(dòng)斷裂的交匯部位,在該區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)條件差;地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地帶、軟弱松散第四系土石類、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(qū)域。該類分區(qū)約占研究區(qū)總面積的6.52%。

 

  (2)工程地質(zhì)條件較差。該類分區(qū)主要分布在工程地質(zhì)條件差區(qū)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(nèi);另一方面, 雖然部分區(qū)域與強(qiáng)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(jié)構(gòu)好,遠(yuǎn)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(zhèn)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(qū)斜坡結(jié)構(gòu)因素起主導(dǎo)作用。該類分區(qū)約占研究區(qū)總面積的32.24%。

 

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

 

  (4)工程地質(zhì)條件較好。該類分區(qū)主要分布在4個(gè)地帶, 即虎跳峽鎮(zhèn)一帶、團(tuán)山—文化村一帶、安南地區(qū)和阿熱北部區(qū)域, 在研究區(qū)其他區(qū)域僅零星分布。該類地區(qū)遠(yuǎn)離活動(dòng)斷裂帶, 地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育, 工程地質(zhì)巖組以較堅(jiān)硬中厚層狀砂板巖、玄武巖巖組和堅(jiān)硬塊狀碳酸鹽巖巖組為主, 地形坡度一般小于15°, 斜坡結(jié)構(gòu)好, 以橫向坡、反向坡和平坡為主。該類分區(qū)約占研究區(qū)總面積的28.83%。

 

  5  線路方案工程地質(zhì)條件評價(jià)和優(yōu)化

 

  從工程地質(zhì)分區(qū)圖(圖4(e))可以看出, 研究區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件差的區(qū)域集中分布在麗江縣城至古魯巴條帶狀區(qū)域內(nèi), 麗江—香格里拉段鐵路東線方案、西線方案和組合方案都不可避免地通過這些區(qū)域。其中, 東線方案工程地質(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(nèi), 斜坡結(jié)構(gòu)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(fù)雜程度,阿熱到香格里拉段位于中甸斷裂的影響范圍內(nèi)。

 

  西線方案工程地質(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)問題是線路在麗江盆地內(nèi)與玉龍雪山東麓斷裂斜交, 尤以小玉龍附近影響最大, 從小玉龍附近開始, 鐵路設(shè)計(jì)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

 

  過玉龍雪山, 隧道最大埋深達(dá)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)問題是活動(dòng)斷裂。

 

  在上述工程地質(zhì)條件分區(qū)和線路規(guī)劃方案分析的基礎(chǔ)上, 認(rèn)為西線方案可以作為麗江—香格里拉段鐵路推薦線路方案, 但該方案南段存在較大工程地質(zhì)問題———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(jù)工程地質(zhì)分區(qū)評價(jià)結(jié)果, 建議西線方案由原來的從團(tuán)山附近接入大麗線(大理—麗江鐵路)改為從麗江市南端太平村附近接入, 線路總體走向?yàn)樘酱濉屑濉墓P水庫—下長水—三家村—仁河—中義—龍?bào)? 在龍?bào)刺幗釉骶€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(yīng)的重大工程地質(zhì)問題。

 

  6 結(jié) 語

 

  基于ArcGIS平臺(tái)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(qū)與評價(jià)研究, 得到如下認(rèn)識(shí):

 

  (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(fù)雜, 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度、潛在震源區(qū)、活動(dòng)斷裂、微地貌類型、人類工程活動(dòng)、降水量、水系距離等10個(gè)因素。

 

  (2)經(jīng)過專家打分法和層次分析法計(jì)算認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和活動(dòng)斷裂的權(quán)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(chǔ), 是影響鐵路工程選線和建設(shè)的先決條件。

 

  (3)根據(jù)計(jì)算所得的工程地質(zhì)條件指數(shù)值分布范圍和野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果, 將研究區(qū)工程地質(zhì)條件分為差、較差、中等和較好等4 類。工程地質(zhì)條件差的地區(qū)約占總面積的6.52%, 該類地區(qū)集中在玉龍雪山東麓和哈巴雪山地區(qū);工程地質(zhì)條件較差的地區(qū)約占研究區(qū)總面積的32.24%, 在研究區(qū)內(nèi)分布面積較大;工程地質(zhì)條件中等的地區(qū)約占研究區(qū)總面積的32.41%;工程地質(zhì)條件較好的地區(qū)約占研究區(qū)總面積的28.83%。

 

  (4)綜合分析表明西線方案的工程地質(zhì)條件總體優(yōu)于其他比選方案, 基于評價(jià)結(jié)果對西線線路方案進(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)問題。