3S技术在高原型岩溶区铁路地质调查的中应用

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

我国是世界上岩溶地貌分布面积最大的国家，从热带到寒带，各种岩溶地貌类型齐全[1]。在西北青藏高原地区分布有大面积的高原高寒与高山峡谷型岩溶[2]。据2016年出版的《中长期铁路网规划》[3]，规划中的西宁成都铁路，川藏铁路、新藏铁路等都将大面积穿越高原高寒与高山峡谷型岩溶区。高原地区气候恶劣、人烟稀少、交通不便及基础地质资料缺乏[4-5]。因此，可借助地理信息系统(GIS)、三维可视化等技术进行该类型岩溶区的铁路工程地质调查，对提高勘测设计质量，减少外业工作量十分有效[6-8]。

在已有的岩溶区铁路遥感地质应用研究中，大多为宜万线、南昆线、黔张常铁路等南方岩溶地区[9-11]。对于青藏高原广泛分布的高原高寒型岩溶区的应用研究鲜有涉及。以新建西宁至成都铁路某段穿越高原高寒型岩溶区为例，介绍GIS、三维可视化等技术在该类型岩溶区铁路工程地质调查中的应用。

1 则岔岩溶区地质条件概述

则岔岩溶区位于甘肃省碌曲县，平均海拔3 300 m，所处的一级构造单元为秦岭地槽褶皱系，二级构造单元为玛曲-迭部-武都褶皱带。区内断层构造发育，呈棋盘状出露。区内出露的主要地层为三叠系板岩、砂岩，二叠系灰岩，石炭系灰岩、白云岩，泥盆系灰岩、白云岩、板岩，志留系灰岩、板岩。岩溶现象主要发育于二叠系、石炭系、泥盆系的灰岩及白云岩之中。

受限于地质及地形条件，新建西宁至成都铁路必须穿越则岔岩溶区，其岩溶区的选线原则为以最短距离穿越岩溶区并以安全高度跨越岩溶区。经比选，线路以隧道形式穿越则岔岩溶区(见图1)。在此类高原型岩溶区中，植被稀疏、岩溶地貌易于识别，综合使用3S技术可快速准确地查明岩溶区内岩溶相对弱发育区，峰林、洼地等岩溶地貌分布，以及地表水及岩溶水补、径、排特征，为岩溶区地质选线提供依据。

图1 则岔岩溶区线路与地质

2 则岔岩溶区遥感地质调查

2.1 岩溶区遥感地质调查流程

3S技术中，GIS可实现对地形的三维渲染，RS可对峰林、落水洞、洼地等岩溶地貌进行精确判识。相较于常规地面调查手段，3S技术对于岩溶区不良地质调查具有简便、高效、全面、准确等优势。

岩溶区遥感地质调查所遵循的原则为由大到小，由粗到细。岩溶区遥感地质调查流程主要分为岩溶地貌遥感判识、岩溶区水文分析、岩溶区三维地形模型建立及岩溶区典型岩溶地貌现场验证及岩溶发育程度判定5大阶段，见图2。

图2 高原型岩溶遥感地质调查流程

2.2 岩溶区地貌遥感调查

岩溶地貌主要发育于灰岩、白云岩等可溶岩中，在地表主要表现为岩溶洼地、石林、溶洞等，可以通过Google低精度的遥感图片及Google Earth对区内的岩溶地貌进行粗略判识。由于高原特殊的高寒、热量不足等地理环境，其植被覆盖通常以草地为主，而在岩溶发育之处，其突出的峰林地貌在遥感图片中极易解译。因此，可以通过直接目视解译的方法，圈定岩溶地貌的发育范围。由图3可看出，岩溶地貌发育范围沿二叠系，石炭系，泥盆系的灰岩、白云岩地层东西向分布，两者分布范围基本一致。图3中的①、②、③分别为高原型岩溶中的典型岩溶微地貌，其峰林地貌特征与周围高山草原地貌相比尤为突出，极易辨认。

在此基础上，通过实地点状调查与验证，可进一步提升对该区域内岩溶发育程度的认识。

图3 高原型岩溶典型地貌判识

2.3 岩溶区三维地形模型建立及现场验证

Google Earth是三维可视化技术在GIS应用中的代表，但分辨率有限，对于目视精确解译分析，其可利用性不高。为此，利用已有1∶10000研究区地形图，在ArcGIS平台下生成高精度DEM(5 m)，再利用ArcGIS平台下的ArcScene，以高精度DEM为高程底图，与Google遥感图进行叠加，再对地形进行适当的垂直夸张(1.5倍)，可生成相较于Google Earth更精细的研究区三维地形模型。对于直观清晰地认识研究区岩溶地貌，分析其岩溶洼地等，有较为理想的效果，见图4。

图4 岩溶区三维地形模型

由则岔岩溶区三维可视化模型分析可得，区内沟壑纵横，岩溶峰林地貌较为发育，未见明显的岩溶洼地，区内沿线路东西两侧发育有纵贯南北的两条大沟，组成了该区岩溶水的隔水边界。

2.4 岩溶区水文分析

3S技术中的GIS技术可实现对地表水与地下水流向、流域及分水岭的精确划分。以ArcGIS平台下水文分析模块中的DEM(数字高程模型)为基础，通过流向分析、流量累计分析、河流网络提取及盆域分析等功能，可实现对区内地下水和地表水流向、分水岭及流域的精确识别，并可直观地显示地表水分水岭及小流域内地表水流向，对于分析岩溶水富集带，辅助地面调查，查明岩溶地下水补、径、排条件及岩溶洼地都具有指导意义，见图5。

图5 岩溶区水文分析成果

ArcGIS水文分析：通过对DEM(5 m)进行填洼、流向分析、流量累计分析、河流网络提取及盆域分析等步骤，得到该区的水系分布及小流域分区(见图5)。由图5可知，则岔岩溶区可分为10个小流域，其中线路经过其中两个较大的小流域，地表水整体流向为自南向北。区内沟壑纵横，水系较为发达，无明显的岩溶洼地集水，大气降水绝大部分以坡面流和沟水的形式排走。

水文地质专项调查发现：地下水主要以岩溶裂隙水的形式赋存于基岩中，从所调查的泉点分析，泉点主要集中在线路里程DK205附近，其地层岩性为石炭系灰岩、白云岩，主要沿f37断层线性分布，其流量在3.24～9.75 L/s，其形成原因与该断层带导水有关。线路东北部泉水出露于三叠系砂岩、板岩之中，其流量较大(74.6 L/s)，分析该泉的来源可能与二叠系灰岩中的岩溶水有关。

综上所述，研究区地表水资源丰富，流向整体为自南向北，大气降水主要以坡面流和沟水的形式排泄至洮河及其支流。地下水分水岭及流向与地表水基本一致，地下水主要以岩溶裂隙水的形式赋存于基岩中。线路穿行于岩溶裂隙水水平径流带，隧道开挖突、涌水量大，风险高。

3 岩溶区现场调查及验证

在岩溶地貌遥感判识、岩溶区水文分析、岩溶区三维地形模型的基础上，确定了该区岩溶发育的大致范围，典型岩溶地貌分布特征，地表水、地下水补径排条件，以及流向、分水岭，可以弥补室内分析工作的不足。

在岩溶区实地调查的过程中，室内遥感解译的成果，在实地调查过程中均得到验证，如图6中①、②、③，与图3中①、②、③对应。①为一封闭洼地；②为白云岩峰林地貌，坡脚发育有多处溶洞，③为灰岩溶蚀形成的峰林地貌，陡壁上发育有溶洞，并有因岩溶形成的“一线天”景观。

图6 岩溶调查实地验证

此外，由于溶洞基本在垂向上发育，故只能通过实地调查进行高程与规模统计：区内溶洞基本发育在陡壁之上，均为干洞，高程在3300～3820 m，且溶洞上方一般有垂直裂隙发育，溶洞应是岩溶早期产物，后经河流下切与地壳抬升，故而溶洞到达目前高程。溶洞调查成果见表1。

表1 溶洞高程一览

4 结论

(1)通过岩溶遥感调查与外业验证，根据《铁路工程不良地质勘察规程》中规定[12]，判定则岔岩溶区属于岩溶弱发育。线路穿行于岩溶裂隙水水平径流带，隧道开挖突涌水水量大，风险高。

(2)充分发挥3S技术其相较于常规调查手段简便、高效、全面、准确的优势，综合利用岩溶地貌遥感判识、DEM水文分析、三维地形建模等手段，总结了高原型岩溶调查技术流程和方法体系，可高效准确地查明岩溶地貌分布、发育程度及地下水补径排条件，降低了高原地区外业勘察的工作量，提高了勘测效率，对于类似地区的高原型岩溶地质调查具有一定的参考和指导意义。

[1] 陈治平.中国喀斯特地貌研究进展[J].地理研究，1986，5(4):93-101

[2] 中国地质科学院岩溶地质研究所.中国岩溶环境地质图[M].北京：地质出版社，2006：8-9

[3] 中国铁路总公司.中长期铁路网规划[Z].北京：中国铁路总公司，2016

[4] 高山.铁路遥感地质勘察技术体系研究[J].铁道工程学报，2014，31(4)：6-10

[5] 卓宝熙.我国工程地质遥感技术应用特点与若干问题探讨[J].中国工程科学，2008，10(3):87-92

[6] 李为乐.RS和GIS在高寒山区铁路地质勘察中的应用[J].山西建筑，2008，34(9):358-359

[7] 卓宝熙.高原多年冻土地区遥感图像工程地质分区的探讨[J].工程地质学报，2003，11(3):225-229

[8] 孟祥连，周福军.真实感场景遥感技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].西南交通大学学报，2017，52(5)：5-8

[9] 王英武，朱觉先.遥感技术在宜万铁路工程地质选线中的应用[J].铁道工程学报，2006(S1):82-84

[10] 严璧玉，王茂靖.遥感技术在西南地区铁路地质选线中的应用[J].铁道工程学报，2006(S1):189-192

[11] 张惟理.黔张常铁路岩溶地区遥感地质选线研究[J].科技交流，2012(3):18-24

[12] 中华人民共和国铁道部.TB 10027—2012 铁路工程不良地质勘察规程[S].北京：中国铁道出版社，2012