某高原铁路伯舒拉岭至林芝段冰湖溃决对拟建车站的影响

李其帅

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

中国境内冰湖主要分布在青藏高原腹地西藏地区念青唐古拉山和喜马拉雅山等区域[1]。冰湖溃决是发生在中国西藏山区常见的地质灾害之一，其所表现的突发性、隐蔽性和灾难性等特征，严重威胁着影响区居民的生命财产安全和道路交通管线安全[2]。据统计，喜马拉雅—兴都库什一带分布有超过8 000个冰湖[3]，近80年有超过15次较大的冰湖溃决事件发生在西藏境内[4]，它们大部分属于瞬时部分溃决或全部溃决[5]。如2002年夏，发生在冲堆普沟(西藏聂拉木县)的两次冰湖溃决，毁坏沿途道桥系统及周围4.70 hm2土地，直接经济损失达750万元[6]。

对于某高原地区冰湖溃决的研究，该区域冰湖大致可分为冰斗湖、槽谷湖、终碛湖等3种类型，一般会发生“水枕”和“应力释放”两种破坏模式[7]。刘晶晶等(2008)通过调查分析西藏地区冰湖溃决的时空分布特征，发现溃决灾害与气候有着显著的对应关系[8]；庄树裕(2010)提出了西藏地区冰湖溃决的基于粗糙集理论的非线性预测模型[9]；刘春玲等(2016)采用QuickBird和ETM等卫星遥感数据，研究了西藏南部冰湖溃决灾害隐患和诱发因素[10]；余斌等(2016)建立了基于冰川条件和温度的终碛堤冰湖溃决预警模型[11]；杨金波等(2018)从冰湖稳定性、溃决洪水计算、减灾调度措施等方面论述了终碛冰湖溃决对下游工程的影响[12]；闫帅营(2020)基于GIS软件，对帕隆藏布流域进行了冰湖溃决的危险性评价[6]；李佶航和孙渤鏮(2020)系统总结了波密地区冰湖的空间分布状态，并对冰湖的类型、面积及分布高程进行了统计学分析[13]。

尽管青藏高原整体冰川消减速度正在加快，但其内部冰川面积基本保持稳定[14]。然而，在气候、地震等内外动力作用下，沟道内的建筑物和构筑物可能受到冰湖溃决洪水和泥石流的破坏[15]。就本文而言，拟建车站作为某高原铁路的关键性控制节点，很可能受到极端条件下冰湖溃决洪水的影响。尽管学者们对这一地区冰湖的分布状态已经知晓，但上游冰湖发展变化趋势与溃决洪水对拟建车站的影响方面的研究还需要开展，从而支撑铁路和车站的选址与优化设计。

1 研究区地理环境

某高原铁路伯舒拉岭—林芝段是一条穿越高山-峡谷区和多条断裂构造带的拟建铁路。铁路沿线地区新构造运动活跃，岩体节理裂隙发育，区域地质条件极为复杂。受印度洋湿气流和地震影响，该区是滑坡、泥石流、冰湖溃决等易发区[16-18]。

研究区位于帕隆藏布流域，流域总面积约为2.86×104km2，流域高山环绕，自西向东、自南到北气候逐渐由湿润、半湿润向半干旱过渡，海洋性冰川发育。此外，该区构造作用和冰川侵蚀作用强烈，主峡谷水流湍急，帕隆藏布两岸岩石风化强烈，河谷宽窄相间，岩屑堆、洪积扇、阶地发育，在宽谷两侧冰川泥石流发育，且活动频繁。其中，位于帕隆藏布河左岸的一级支流林珠藏布发源于一系列冰川群，上游可见多个冰湖，呈串珠状分布。

在上述如此复杂的地质条件下，拟建铁路出多木格隧道后顺波堆藏布南下跨国道G318，线路折向西沿帕隆藏布河谷北岸设车站。然而，林珠藏布冰湖溃决极有可能对车站构成一定威胁。因此，需要开展冰湖溃决洪水影响评估。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

对帕隆藏布左岸一级支流林珠藏布流域及邻近区进行基础资料收集。主要包括多时段航空遥感影像、水文气象数据、林珠藏布流域1∶10 000航测地形图、相关地灾调查报告、铁路线路设计规范和堰塞湖应急处置技术导则等。在前期准备工作基础上，多次进行野外调查和踏勘工作。

2.2 研究方法

在野外调查基础上，开展室内分析和计算，利用遥感影像，进行遥感解译，内容包括林珠藏布流域冰川冰湖分布，冰川冰湖面积及其历史演化规律，冰湖坝体的几何形态特征等。获得林珠藏布流域冰湖分布及面积变化规律，估算冰湖水深与总水量，计算冰湖溃决条件下林珠藏布溃决洪水到拟建车站附近的洪峰流量。

根据铁路线路与林珠藏布的空间位置关系，在相关运动参数计算及危险性评价结果的基础上，分析林珠藏布冰湖溃决洪水对车站的影响，并针对性地提出防治对策和建议。

3 结果分析

3.1 冰湖分布与活动趋势(图1)

图1 林珠藏布冰湖A～E面积和库容变化折线

林珠藏布流域是冰川活动和冰川融水汇聚成的地表河流，其上游冰湖数量过百(以冰碛湖和冰川阻塞湖为主)，其中有5个大规模冰湖。为研究方便，由上游至下游分别将其命名为冰湖A～E，5个冰湖总面积约33.56 km2。

总体而言，从1990年至2019年，5个冰湖的规模排序为：冰湖B>冰湖E>冰湖A>冰湖C>冰湖D。冰湖规模呈现出“缩减-扩张-缩减-再扩张”趋势：即①1990—1999年，5个冰湖面积减少了1.68%；②1999—2008年增加10.58%； ③2008—2015年减小3.67%；④2015—2019年增加3.11%。此外，库容变化也有上述趋势，平均库容在1.88亿m3～2.14亿 m3之间波动。具体而言，冰湖B、冰湖C和冰湖E的变化相对稳定，冰湖B在1990—2019年面积增加了5.4万m2，总体变化率为4.05%；冰湖C面积增加了0.27万m2，总体变化率为1.71%；冰湖E面积增加了3.36万m2，面积变化率为4.0%。冰湖A(面积扩张率39.6%)和冰湖D(面积扩张率10.97%)则发生了较为明显的扩张。冰湖A扩张最为明显的原因是，1990—2019年冰川末端的扩张，其上游冰川冰舌不断退后导致。冰湖D在1999年相比于1990年面积缩小了17.55%，在2008年又扩张了35.81%达到正常水平，此后至2019年冰湖面积相对稳定，其主要原因是上游湖底较浅，水量的突然增加或减少会影响大面积的湖面区域。冰湖E扩张则主要集中在坝体一侧，其逐年向坝体一侧扩张可能给坝体带来更大的压力，导致坝体的稳定性受到损害。

此外，由于平均湖深在25～26 m波动，其库容变化也有上述趋势。

3.2 冰湖溃决对铁路影响分析

据调查，上述5个冰湖均为冰碛湖，其中冰湖A、C和E是终碛湖，冰湖B和D为侧碛湖，它们为冰川退缩后形成的冰碛坝，坝体的稳定性相对较差。其中，冰湖A与冰川相连，冰湖B、D和E与冰川分离，形成了明显的陡坎。随着冰川运动，4个冰湖上游冰川直入湖造成涌浪溃坝的可能性都存在。在气候的快速变化下，冰川演化更不稳定，冰川入湖在历史上多次导致冰湖溃决。

在特定的环境下每个冰湖都存在溃决风险，上游冰湖一旦溃决，甚至会形成灾害链式效应，导致下游的串状冰湖连续溃决，形成大型溃决灾害。

为充分考虑这5个冰湖对拟建车站的影响，假定如下极端工况情景。

①将最下游冰湖的体积考虑为冰湖A～E库容之和，并按最下游冰湖溃决考虑。

②距离采用该冰湖群最下游冰湖至车站的距离。

根据该地区已发生的塔阿错冰湖(溃决前面积：63万m2，湖水深28.36 m，湖水体积0.18亿m3，实测流量1 036 m3/s)和桑旺错冰湖(溃决前面积538万m2，湖水深70 m，湖水体积3.75亿m3，实测流量1万m3/s)[19]可知，由Costa和Schuster(1988)所提出的经验公式适用于本研究。公式如下

(1)

此外，坝址以下沟道冰湖溃决洪水最大流量采用规范SL451—2009《堰塞湖应急处置技术导则》推荐的经验公式估算。距冰湖坝址处下游一定距离的最大洪峰流量采用如下公式计算

(2)

式中，Qxm为冰湖坝下游某处洪峰流量，m3/s；Qm为坝址处洪峰流量，m3/s；Vw为溃坝下泄总水量，m3；L为下游断面至坝址距离，m；vw为河道洪水期断面最大平均流速，m/s，在有资料地区可采用实测最大值；如无资料，一般山区可采用vw=3.0～5.0 m/s，半山区可采用vw=2.0～3.0 m/s，平原区可采用vw=1.0～2.0 m/s；K为经验系数，山区取K=1.1～1.5，半山区取K=1.0，平原区取K=0.8～0.9。本次计算中，vw取5.0 m/s，K取1.5。

由式(1)计算出冰湖群溃决洪水在坝址处的洪峰流量为4.76×104m3/s，由式(2)所计算出下游63～76.2 km处洪水沿程流量，以及不同断面处叠加百年一遇洪水的流量结果见表1。

表1 林珠藏布冰湖溃决洪水沿程流量计算

在车站位置断面(DK1 094+000)，该段河道糙率取值为0.045时，计算水力参数见表2。受下游卡口(错卡)阻水作用，洪水会向帕隆藏布壅水，形成较浅的淹没区，此时拟建车站附近(DK1 094+000)流深略有增加，约为0.23 m，水面高程2 670.59 m，总体而言对拟建车站影响不大。

表2 DK1094+000断面冰湖溃决洪水特征值

4 工程措施建议

拟建车站位于帕隆藏布北岸河床，地势平坦，紧邻G318国道南侧，交通便利。

车站轨面和工区设计高程为2 679.26 m，货场设计高程为2 678.0 m，危险品作业区设计高程为2 677.0 m，站房为线侧下式，高程为2 672.8 m，房建场坪区高程为2 671.0 m。因此根据冰湖溃决与百年水位叠加后水位，拟建车站各相关工程的高程均高于水位线。

线路以填方形式通过，中心最大填方高度约12.4 m。工点区地层主要为第四系全新统粉质黏土、粉土、细砂、细圆砾土、粗圆砾土及漂石土。地表水为帕隆藏布常年季节性流水，水流自东向西，百年洪水位2 669.0～2 671.2 m，平均流速1.5～2 m/s。区内基本地震加速度值0.30g(相当于地震基本烈度八度)，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s。因此，建议工程措施如下。

(1)冲刷防护高度=综合水位(百年洪水位与冰湖溃决水位加权叠加)+壅水高+波浪侵袭高+0.5 m。

(2)冲刷防护高度以下边坡采用混凝土护坡进行防护，护坡采用0.3 m厚C45混凝土浇筑，基础采用混凝土脚墙，埋置深度于冲刷深度线以下≮1.0 m。

(3)冲刷防护高度以下边坡坡率为1∶2.0。

(4)冲刷防护高度以下路基采用渗水土填筑。

5 结论与讨论

研究通过资料与文献收集，归纳和分析波堆藏布流域内林珠藏布冰湖溃决洪水的环境背景条件，提取了林珠藏布上游冰湖面积随时间的演化特征，获得了林珠流域面积、沟道基本特征值等重要参数；在资料整理和野外工作的基础上，结合现有铁路选线方案，评估了林珠藏布冰湖溃决洪水对车站的影响，主要结论如下。

(1)林珠藏布上游5个冰湖，从1990—2019年间呈现出“缩减—扩张—缩减—再扩张” 趋势，平均湖深在25～26 m之间波动，平均库容在1.88亿m3～2.14亿m3之间波动。

(2)林珠藏布5个冰湖溃决洪水总量为1.09亿m3，溃口处的峰值流量约为4.76万m3/s；在拟建车站处，溃决洪水峰值流量8 778.3 m3/s，叠加百年一遇洪水流量为11 988.3 m3/s。

(3)典型断面分析表明：虽然溃决洪水到达拟建车站流量大，但由于车站所处位置河谷开阔，各断面线位高程均高于水面高程。因此，对车站没有影响。

(4)给出了拟建车站冲刷防护高度、边坡防护措施、基础埋置深度、坡率及路基填筑方式等工程措施建议。