川藏铁路(康定至林芝段)沿线滑坡风险分析

杨宗佶， 丁朋朋,2， 王 栋， 游 勇， 李明俐,2， 乔建平

(1. 中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所， 四川 成都 610041；2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

川藏铁路是国家规划的4条进藏铁路之一，被列为“十三五”国家规划重点项目。川藏铁路起于成都市，经雅安、康定后在白玉跨金沙江进藏，经昌都、林芝、山南至终点拉萨，全线长度1 850 km，工程投资预估算约2 166亿元。目前，川藏铁路拉萨至林芝段已开工建设，成都至康定段的可行性研究已完成，而康定至林芝段的可研工作也在紧张进行中，即将拉开川藏铁路建设的大幕[1]。川藏铁路规划建设于川藏交通廊道，地处青藏高原东南部，铁路将穿越14条江河、21座4 000 m以上的高山,主要特征之一是规划较多的高烈度地震区大跨度桥梁[2]。川藏铁路康定至林芝段沿线地质构造活跃，具有高落差、大坡降的地形条件，沿线还穿越藏东南降雨中心，导致该区段是我国山地灾害数量最多、规模最大和类型最全的区域，即川藏铁路的减灾选线往往无法完全规避山地灾害的风险。因此，基于山地灾害风险分析指导线性工程的选线规划，区分可接受和不可接受风险，对于川藏铁路的前期选线、中期建设和后期运营中的灾害管理具有重要意义。

滑坡灾害风险是对滑坡发生的危险性、灾害损失的可能性做出综合性分析评价[3]。滑坡风险评价始于20世纪60年代，主要包括滑坡灾害的机理和预测分析[4]。20世纪末期，国内外学者采用主观推断分析、确定性模型对滑坡灾害的易发性和危险性进行分析评价，以确定滑坡的强度以及发生的空间、时间概率[5],如Guzzetti等[6]通过泊松概率模型对意大利北部Staffora河流域的滑坡危险度进行了评价。进入21世纪，以统计分析模型为基础建立的针对区域滑坡的风险分析方法广泛应用于滑坡灾害的风险分析与评价[7]，如Fell等[8]提出了基于统计方法对滑坡灾害进行危险度评价和区划的指导性方法；Maes等[9]总结了现行滑坡灾害风险评价模型、方法和挑战，探讨了滑坡风险评价技术方法，以上研究进展为针对线性工程开展滑坡风险评价奠定了理论基础。

鉴于拟建重大线性工程沿线滑坡灾害特点，针对区域和单点灾害的风险分析方法均不适用于穿越区域广的线性工程。目前，仅有少量学者开展了地质灾害对既有铁路工程的定性风险评估以及列车安全定位的风险分析[10-11]，尚未形成完整、统一的铁路等线性工程沿线地质灾害风险分析的方法。本研究基于滑坡灾害危险性和铁路工程承灾体易损性构建综合风险评价指标体系，并利用贡献率法建立铁路工程滑坡灾害风险定量评价模型，以拟建的川藏铁路康定至林芝段为例进行风险评价，定量分析了铁路工程沿线滑坡灾害可接受风险水平，可为可研阶段的选线研究提供强有力的技术支撑。同时，也为类似线性工程沿线滑坡灾害风险分析提供了参考。

1 风险评价方法

1.1 评价模型

国外许多学者提出了各种各样的灾害风险表达形式。目前，联合国1992年公布的“风险=危险性×易损性”评价模式被国内外学者所认同，较全面地反映了风险的本质特征[12]。由于铁路工程的特殊性和研究的针对性比较明确，本文将贡献率法和多因素综合评判法相结合建立评价模型为[5,13]

R=H(I,P)×V(A,E,F)

( 1 )

式中：R为风险性；H为危险性，是滑坡孕灾环境和诱发条件的集合；V为易损性，是承灾体属性特征、暴露性和恢复力的综合表达；孕灾环境I是与滑坡发生直接相关的环境要素，包括地层岩性、坡度等；诱发条件P包括降雨、地震等；属性特征A，包括铁道类型、与地面高差；暴露性E是承灾体暴漏在风险中的特性，包括与灾害的相对位置和海拔高度；恢复力F是承灾体遭受滑坡灾害破坏后恢复到正常运行的能力，含有道路状况，与城镇的距离等指标因子。

1.2 指标体系的建立

为了清晰的表示各层评价指标的相互关系，建立递阶状层次机构，即铁路工程滑坡灾害风险评价指标体系，见图1。该风险评价指标体系由A、B、C、D等4个等级层次构成，分别代表目标层、一级、二级和三级指标层。其中，目标层指的是铁路工程在滑坡灾害作用下的风险性，是整个层次分析的核心内容；一级指标层列出了铁路工程滑坡灾害风险组成的两个方面，即滑坡灾害危险性和铁路工程易损性；二级指标层列出了影响滑坡灾害危险性和铁路工程易损性的各种主要因素；三级评价指标层则表示构成滑坡灾害孕灾环境和诱发条件的各种因素以及影响铁路工程暴露性、属性特征以及成灾恢复力的各种因素，这些因素主要含有工程与断层的距离、地层岩性、年平均降雨、工程与地面的高差、道路状况等14个指标，充分考虑了滑坡灾害的致灾特征和铁路工程的自身属性。

1.3 指标权重

在滑坡灾害风险评价中，指标权重是一个关键参数。各风险评价指标的权重数值利用贡献率法[2]计算得到。贡献率可以表征评价指标对灾害风险的贡献程度差异。基于各指标因子的贡献率，经过标准化处理，可得到各指标因子的权重。

(1) 贡献率

首先对得到的指标数据利用极值标准化进行均值化处理，将指标因子原始数据转化为贡献指数

( 2 )

( 3 )

式中：M0i是第i个指标因子贡献率。

(2) 自权重

首先对每一种单项因子的贡献率进行分级评价，采用等间距法将求得的按贡献率高、中、低三级标准划分后，分别计算各因子的权值。

ωi=M0i/∑M0i

( 4 )

式中：ωi是指标因子i的自权重。

(3) 互权重

互权重指不同指标因子之间的权值，可表征在线性工程中各指标因子对滑坡灾害风险的贡献度差异，采用自权重计算互权重。

( 5 )

1.4 评价分析过程

铁路工程滑坡灾害风险是在滑坡灾害危险度和铁路承灾体易损度的基础上，利用评价模型求得。首先，选择评价模型并根据评价目标确定评价单元，分析风险影响因素确定评价指标，构建风险评价指标体系；其次，利用相关工具获取各评价单元指标数据，经归一化、标准化处理后分别计算危险性和易损性的指标权重，进而求得各评价单元的危险度和易损度；最后利用风险评价模型，计算各评价单元的风险度，开展铁路工程的滑坡灾害风险分析。

2 算例

本研究以川藏铁路康定至林芝段为例，对铁路工程滑坡灾害风险进行分析评价。该局部线路起于四川康定县，终点西藏林芝市，全长1 005.24 km，其中桥梁98.62 km，路基164.24 km，隧道742.38 km，桥隧比高达83.66%。

2.1 计算单元离散化

滑坡灾害的发生往往会堵塞线路中的隧道口，因此对线路中隧道的风险度进行计算时，只分析每个隧道口位置处的风险度，隧道的风险度以隧道两端隧道口风险度的算术平均值作为其实际值。该段线路共规划设计有96条隧道，隧道口共有192个。对于铁路工程线路中的桥梁和路基，本研究基于有限元方法中“离散化”核心思想[14]，离散后开展计算分析，以90 m为一个离散单元，不足90 m的线路也离散为单独的计算单元。根据上述方法，桥梁和路基共离散为3 123个计算单元。由于铁路车站受损后的损失较大，故将车站点的风险度进行单独计算，车站共有76个，其中中间站64个，区间站12个，加之隧道口、路基及桥梁的离散点，共3 391个分析计算单元被应用于铁路工程滑坡风险度的计算，见图2。

2.2 滑坡灾害危险性评价

研究区内滑坡历史灾害点的数据由中铁二院提供的资料、遥感解译及野外调查得到，见图3。地震加速度分布图通过文献[15]按研究区范围截取得到，年均降雨等值线图利用研究区周边分布的200个国家气象台站的降雨观测数据(1981—2010年，取决于各站点的建站时间)生成，见图4；坡度与断层距离及河流的距离指标数据通过研究区DEM图及断层河流分布图利用GIS系统中的空间分析工具获取。根据各评价指标的数据，利用式( 2 )～式( 5 )得到各评价指标的权重，见表1。

表1 滑坡灾害危险性指标互权重

对各因素数值进行叠加计算[16]，绘制研究区滑坡灾害危险性连续值分布图，并应用GIS系统中的空间分析方法提取各计算单元的危险度。

( 6 )

2.3 铁路工程承灾体易损性评价

以川藏铁路康定至林芝段的县域居民地为主要城镇分布指标；根据中铁二院提供的《川藏铁路康定至林芝铁路勘察设计项目线路纵断面图》在CAD软件中提取得到线路与地面高差；海拔高度数据在GIS软件中利用ASTER DEM导出；各线路分析点与灾害点、县城居民地及主要公路的距离均利用GIS系统的缓冲区分析工具得到。线路经过区域公路分布见图5。

鉴于篇幅所限，仅列举从起点康定县开始的前10个线路分析点的指标信息，见表2。

表2 线路分析点易损性评价指标数据及易损度一览表

各易损性评价指标的权重同样根据各评价指标数据，利用式( 2 )～式( 5 )得到表3，每个分析点的易损度为

( 7 )

式中：Vi为第i个指标因子的易损度；Pi为第i个指标因子标准化值(介于0～1之间)。

表3 评价指标互权重权值分配表

2.4 铁路工程滑坡灾害风险分析

2.4.1 评价结果

风险评价结果是在滑坡灾害危险性和线路承灾体易损性评价的基础上得到的。首先根据模型式( 1 )，计算各线路分析点的风险度，然后将各个分析点的风险度对应到离散之前的铁路线路，见图6。鉴于车站的特殊性，各个车站点的风险度单独显示，见图7。

基于自然断点法将铁路工程滑坡灾害风险评价结果划分为低、较低、中、较高和高风险等5级。级别越高，表明线路遭受灾害的风险越大，滑坡发生的概率越大，线路受损后的损失以及恢复的难度越大。

由图6可见：处于较高和高风险度区的铁路工程线路主要位于：①理塘县的渣隆阿玛站(A1K640+500)到巴塘县的龚徳特大桥(A1K648+030)区间，该段线路主要以桥梁为主，海拔高度均在4 000 m以上，与断层的距离在5 km范围内，并且工程与地面的高差在20 m以上，造成该段线路的风险度较大。②白玉县的辛果隆巴站(A1K683+100)到白玉县的拉日阔1号大桥(AK714+025)区间，该段线路的年降雨量为800 mm，距断层的距离为5～10 km，有较多的线路工程与地面高差大于30 m。同时，铁路工程沿线地形起伏大，线路距公路的距离和到最近县城的直线距离均高于20 km，以上各因素综合导致该段铁路工程的风险度较大。③白玉县的边坝站(AK738+600)到甘固大桥(AK767+210)区间，该段线路均在断层10 km范围内，沿线2 km范围内的灾害点高达23个，并且线路到公路的距离均在20 km以外，致使该段线路的风险度较大。针对以上高风险线路，建议在后期建设和运营时开展滑坡灾害的重点监测和危险排查，提前修建滑坡灾害防护措施，防止滑坡灾害对铁路线路造成巨大的损害。

由图7可见，川藏铁路康定至林芝段76座车站中，处于较高和高风险度的车站达50座，所占比例为66%。滑坡灾害造成铁路车站损毁时，基本需要重建，需要花费巨大的人力和物力。分析发现，42%左右的车站到历史滑坡灾害点的直线距离在2 000 m以下，是铁路车站高风险度比例的主要原因。建议对高风险车站一定区域范围内开展更为详细的地质勘查，实时监测危险边坡，并加强车站建筑物的强度和刚度性能。

2.4.2 滑坡灾害线路风险性对铁路工程的影响分析

对图6线路风险度评价结果进行统计分析，得到各风险度级别中铁路长度及比例统计，见图8。由图8可见，处于高和较高风险度区的铁路长度分别为16.16 km(1.6%)、114.97 km(9.1%)。铁路设计方案较好地避开了灾害作用下的高风险度区，但线路在较高以上风险区的比例为10.7%，故应对高危区段铁路线路重点监测，对相应的评价指标进行优化分析，增加线路的抗灾性能。

3 风险可接受水平分析

川藏铁路沿线滑坡风险只能尽量减小而不能完全消除；铁路规划建设部门需要设法将其控制在可容忍或者可接受的水平。滑坡可接受风险水平研究是滑坡风险管理研究的重要内容之一，是在滑坡风险评价的基础上，研判所计算的风险值是否可以接受[17]，可为铁路工程的风险管理与控制措施的实施提供理论依据。目前，英国准则ALARP(As Low As Reasonably Practicable)在可接受风险水平研究中得到了最广泛的应用，包含可接受风险水平标准线和可容忍风险水平标准线等两条基本线[5]，将风险评估结果划分为普遍接受区、警戒区和不可接受区3个区域。可接受风险是不需要进一步的风险控制，人类不得不接受的风险；可容忍风险是指在一定风险范围内，为了确保某种净收益，社会能够承受的风险，同时也是一种不可忽视的风险范围，若有可能需要做进一步的减少[17]。

基于风险评价模型计算分析得到各计算单元危险度、易损度及风险度，利用自然断点法(Natural Breaks)分别进行分级，对铁路线路的滑坡灾害风险可接受水平进行定量分析。将离散后铁路线路的各个计算单元的危险度和易损度分别作为横坐标和纵坐标，将处于较低级别风险的铁路线路的离散计算单元点的分布拟合可接受风险水平标准线，得到可接受风险水平曲线，见图9。曲线方程的系数R2=0.863,R2值越接近1，说明拟合曲线对观测值的拟合程度越好,曲线方程为

( 8 )

同理，以较高级别风险铁路线路的离散计算单元点的分布拟合可容忍水平标准线，得到曲线方程(R2=0.913)为

( 9 )

根据风险水平曲线，对川藏铁路康定至林芝段线路的风险水平评估发现：在可接受风险水平标准线以下的铁路线路长度为453.1 km(45.07%)，其风险是可被接受的，铁路线路的前期设计规划方案可以应用于中期工程的建设施工；介于可接受风险和可容忍风险间警戒区的铁路线路长度为467 km(46.46%)，应在线路施工建设时修建相应的滑坡灾害工程防护措施，并在线路后期的运营管理时加强灾害监测，对风险进行转移和规避；而落入可容忍风险水平线之上即不可接受区的铁路线路长度为85.14 km(8.47%)，应对线路穿过的区域进行详细的地质勘查和气象分析，研判线路方案的可行性，并开展优化线路方案的研究工作，选择风险最小的线路方案进行施工建设，后期的运营管理中重点进行监测。

4 结论

基于贡献率方法构建线性工程滑坡灾害定量风险评价模型，并建立可接受风险水平曲线。以川藏铁路康定至林芝段为例开展滑坡风险分析，得到以下结论：

(1) 从滑坡灾害的危险性和铁路线路承灾体的易损性两个方面建立川藏铁路沿线滑坡灾害风险评价指标体系，开展风险分析，结果表明：线路处于高和较高风险度区的铁路长度分别为131.13 km，占全长10.7%。铁路设计方案较好的避开了灾害作用下的高风险度区，但局部高风险线路仍有优化空间。

(2) 从铁路线路和车站的风险分析结果可以看出，在滑坡灾害作用下的风险度与危险度、易损度的分布趋势有所区别，亦即高危险度或高易损度的线路(车站)，其风险度并不一定高，这说明铁路线路及车站的滑坡危险性和易损性均为风险的基础，并不能完全等同于风险。

(3) 在风险评价结果的基础上，对铁路线路的滑坡灾害风险可接受水平开展定量评价，得到了风险水平曲线，可作为风险评价结果分析的判据，从而研判所得到的风险能否接受，为铁路线路等重大线性工程的全寿命周期(前期规划设计、中期建设和后期运营管理)过程中开展滑坡灾害的风险管理和控制提供一定的技术支撑。