王承振,姚令侃,2,3,黃藝丹,2,3,Sarfraz Ali

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 3.陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 4.National University of Sciences and Technology (NUST) College of Civil Engineering, Pakistan 24080)

在印度板塊與亞歐板塊的共同作用下，青藏高原經(jīng)歷多次強(qiáng)烈隆升與河流垂直侵蝕作用，因而孕育出高原周緣區(qū)第一、第二階梯面間特殊的地貌、地質(zhì)、大氣降水和地下水等環(huán)境，使青藏高原南緣成為全球發(fā)生崩塌滑坡堵江事件最密集的地區(qū)之一[1-4]。崩塌滑坡堵江形成的堰塞湖災(zāi)害鏈，其危害與防治難度都遠(yuǎn)大于崩塌滑坡本身[5-7]。這不僅會(huì)造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，更嚴(yán)重制約著山區(qū)交通的暢通，使其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益難以發(fā)揮。青藏高原南緣近年來(lái)發(fā)生的崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈危害道路典型的案例分布如圖1所示。

圖1 青藏高原南緣幾大滑坡位置分布

例如，2014年8月因連降暴雨，尼泊爾中尼公路K83+000附近發(fā)生滑坡堵江?；w滑入Bhote Koshi河河床并沖向?qū)Π?，堵塞Bhote Koshi河后形成堰塞湖并引起該段多處中小型滑坡。如圖2所示。堰塞堆積體最大高度曾達(dá)到52 m，造成該段2.5 km既有公路因被嚴(yán)重破壞和淹沒(méi)而被迫改建，改建項(xiàng)目預(yù)計(jì)3年完成。

圖2 中尼公路K83+000處大型滑坡全貌(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司提供)

1967年8月29日，川藏公路林芝縣排龍鄉(xiāng)西距東久鄉(xiāng)拉月村3 km處發(fā)生特大型高位巖質(zhì)滑坡——拉月大塌方，如圖3所示。東久河川藏公路一側(cè)山體突然發(fā)生1.2×107m3以上土石方量的特大山體滑坡，滑坡瞬間將東久河截?cái)唷；滦纬傻难呷麎胃哌_(dá)70～90 m，水深達(dá)50 m，回水淹沒(méi)公路近3 km，當(dāng)場(chǎng)死亡15人，掩埋汽車(chē)數(shù)十輛，川藏公路因此中斷達(dá)4個(gè)月之久[8]。

圖3 拉月大塌方遙感影像(西藏自治區(qū)交通廳科學(xué)研究所提供)

巴基斯坦喀喇昆侖山和興都庫(kù)什山區(qū)，歷史上發(fā)生大型滑坡超過(guò)370處，其中滑坡堵塞中巴經(jīng)濟(jì)走廊的事件就有9次。最近一次大型滑坡堵江發(fā)生在2010年，位于中巴喀喇昆侖公路對(duì)岸的阿塔巴德村(Attabad)邊。如圖4所示?；露氯鸋unza河河谷形成堰塞壩，堰塞湖溢流口高出老河床底約118 m，堰塞湖庫(kù)容5.0×108m3，回水長(zhǎng)度達(dá)25 km。湖水淹沒(méi)中巴喀喇昆侖公路至少20 km并造成25人死亡[9]，公路改建工程項(xiàng)目全長(zhǎng)23.66 km，歷時(shí)3年完成，花費(fèi)2.7億美元。

圖4 中巴喀喇昆侖公路Attabad滑坡全貌(中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司提供)

隨著國(guó)家“十三五”西部深度開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和“一帶一路”交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，鐵路網(wǎng)勢(shì)必向青藏高原及周邊延伸。例如，我國(guó)川藏鐵路康林段(康定-林芝)已進(jìn)入可行性研究階段，在我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》新頒布的面向“一帶一路”國(guó)際通道的規(guī)劃中，日喀則—亞?wèn)|、喀什—紅其拉甫(中巴鐵路中國(guó)段)、日喀則—吉隆(中尼鐵路中國(guó)段)等口岸鐵路均列入其中。從青藏高原南緣出境通往南亞次大陸是我國(guó)尚未從事過(guò)鐵路建設(shè)的區(qū)域，我國(guó)鐵路也缺乏應(yīng)對(duì)崩塌滑坡形成堰塞湖災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)。目前，雖然可以對(duì)滑坡堵江危險(xiǎn)性地段做出評(píng)估[10-13]，但預(yù)測(cè)堵江的具體地點(diǎn)尚屬世界性難題。新建鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)就針對(duì)具有很強(qiáng)不確定性的現(xiàn)象，采用對(duì)工程投資影響很大的方案是不合理的，但通過(guò)一些選線策略在一定程度上控制堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)則具有可操作性；此外，當(dāng)堰塞湖形成后，通過(guò)線路優(yōu)化設(shè)計(jì)減少繞湖改建工程投資更是減災(zāi)的直接手段；二者均是崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈鐵路減災(zāi)選線缺一不可的環(huán)節(jié)。以擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段為案例，提出既有線災(zāi)后繞湖鐵路改建工程的選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)探討在崩塌滑坡堵江高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路的選線設(shè)計(jì)減災(zāi)策略。

1 哈維連至喀什鐵路Attabad滑坡堵江段受災(zāi)情況介紹

崩塌滑坡堵江給鐵路帶來(lái)的危害包括滑坡堵江后堰塞壩上游水位上漲淹沒(méi)鐵路線路，堰塞壩潰決形成的超常洪水對(duì)下游鐵路的沖刷，經(jīng)濟(jì)上主要體現(xiàn)為災(zāi)后為修建繞湖鐵路所必須增加的改建工程投資。以下就擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段受災(zāi)案例進(jìn)行具體分析。

1.1 哈維連至喀什鐵路介紹

受?chē)?guó)家鐵路局委托，中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司于2008年按概略定線要求，完成了中巴經(jīng)濟(jì)走廊哈維連至喀什段新建鐵路的線路設(shè)計(jì)。該條鐵路是一條以貨運(yùn)為主、兼顧客運(yùn)的客貨共線鐵路，線路總趨勢(shì)是北高南低，為適應(yīng)地形，線路幾乎是單邊緊坡北上。除哈維連段地勢(shì)相對(duì)平緩開(kāi)闊外，其余地段均為地形起伏劇烈、復(fù)雜艱險(xiǎn)的高、中山。在這些山區(qū)中，受到地形條件的限制，鐵路沿印度河及其支流Hunza河的河谷進(jìn)行展布，常常穿越在水流湍急、山高谷深、陡崖峭壁、交通不便的峽谷[14]。該鐵路采用國(guó)內(nèi)客貨共線鐵路I級(jí)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(表1)。

表1 哈維連至喀什擬建鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 Attabad滑坡堰塞湖對(duì)既有鐵路的影響

Attabad滑坡堵后，設(shè)計(jì)部門(mén)未對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。從研究角度，特假定該鐵路在滑坡前已經(jīng)修建，從而可以按“既有線”被毀，研究既有線災(zāi)后改建工程的選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并進(jìn)一步總結(jié)出崩塌滑坡堵江高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路的選線設(shè)計(jì)減災(zāi)策略。

由于該滑坡規(guī)模巨大，又處于交通不便、人跡罕至的山區(qū)，Attabad堰塞湖的泄洪工作開(kāi)展艱難。至2010年11月，堰塞湖湖區(qū)水位上漲至最高點(diǎn)2 432 m，后采取了爆破等措施開(kāi)挖溢流口，水位下降約30 m，所留下的堰塞湖水位無(wú)法再降低，因此可視為永久性問(wèn)題。被永久淹沒(méi)的線路起于K502+000處，終止于K519+000處，淹沒(méi)里程達(dá)17 km，其中包含2個(gè)中間站(Niabad站、Shiakat站)，故必須進(jìn)行改線。

2 繞湖鐵路設(shè)計(jì)方案介紹

繞湖鐵路改建工程設(shè)計(jì)的原則是，在保證改建工程達(dá)到原設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力要求的前提下，盡量減少改建工程投資。以車(chē)站為分界點(diǎn)將改建工程分為3段進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別介紹設(shè)計(jì)思路。

2.1 車(chē)站位置的重新選擇

堰塞湖的影響范圍分為3個(gè)區(qū)間，涉及4個(gè)車(chē)站，其中兩個(gè)端頭站(Passu站、Niabad站)保留。改建線路設(shè)計(jì)首先面臨中間兩個(gè)被淹沒(méi)車(chē)站(原Shishkat站、原Niabad站)的重新選址問(wèn)題。湖區(qū)水位上漲后，新建Shishkat站移至上游河流階地，設(shè)站位置高于原站70 m；新建Niabad站向靠山一側(cè)平移，高度提高了40 m，因地形限制只能在山體隧道內(nèi)設(shè)站，并將中間站改為會(huì)讓站。車(chē)站位置定好后參照相關(guān)鐵路線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平縱斷面設(shè)計(jì)。線路方案如圖5所示。

圖5 Attabad堰塞湖湖區(qū)既有線與改建鐵路示意

2.2 Passu站至新建Shishkat站線路設(shè)計(jì)思路

Passu站至新建Shishkat站長(zhǎng)約10 km，改建線路尚未到達(dá)堰塞湖湖區(qū)。該段既有線沿Hunza河左側(cè)山體行進(jìn)，全程用足雙機(jī)坡度(20‰)單向下坡，工程以隧道橋梁形式為主。既有線在行至Passu站至下游6 km處，線路下降至與新建Shishkat站相同高程。選擇此位置作為改建工程的起點(diǎn)，之后改建線路采用平坡到達(dá)新建Shishkat站，平面位置與既有線接近。

2.3 新建Shishkat站至新建Niabad站線路設(shè)計(jì)思路

新建Shishkat站至新建Niabad站長(zhǎng)約10 km，改建線路位于堰塞湖湖區(qū)。既有線在經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)，線路利用河流階地全程用足限制坡度(10‰)單向下坡，工程上以路基、橋梁形式為主。發(fā)生滑坡堵江后，既有線路全部被淹沒(méi)，鐵路需重新選線。由于堰塞湖已基本保持穩(wěn)定，在改建時(shí)參考了國(guó)內(nèi)水庫(kù)地區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì)要求[15]：線路在高程上需要考慮到湖水水位變化、地下水壅升、淤積等因素；在平面上需要考慮繞避坍岸范圍。改建線路自新建Shishkat站起，縱斷面為保持高于湖區(qū)最高水位10 m的平坡，在進(jìn)入山體后選擇雙機(jī)坡度下降高程，線路平面為繞避堰塞湖沿湖區(qū)左岸向外側(cè)平移。

2.4 新建Niabad站至Nagar站線路設(shè)計(jì)思路

新建Niabad站至Nagar站長(zhǎng)約10 km，改建線路自新建Niabad站出發(fā)，已離開(kāi)堰塞湖湖區(qū)。既有線在經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)，用足雙機(jī)坡度由Hunza河流域修建長(zhǎng)隧進(jìn)入其支流Nagar河流域，然后順Nagar河再次進(jìn)入Hunza河流域。既有線在跨越Nagar河時(shí)，采用了跨徑480 m、橋墩高度60 m的大橋1座。新建Niabad站與原Niabad站相比，雖然平面位置變化不大，但高程增加40 m，若仍采用雙機(jī)坡度，無(wú)法以短直方案下降至既有Nagar站。為此，設(shè)計(jì)了3個(gè)比較方案，其中方案1、方案2為展線方案，方案3為提高加力牽引坡度的短直方案。線路方案如圖6所示。

圖6 堰塞湖湖區(qū)下游改建鐵路與既有線接線方案

方案1設(shè)計(jì)思路如下。

盡量利用既有線，特別是重大工程，是減少改建工程投資的重要手段。方案1考慮利用原Nagar河跨河大橋。大橋Sost端與新建Niabad站間航距8.0 km，高差160 m，改建線路采用雙機(jī)坡度時(shí)，展線系數(shù)達(dá)到1.2才能與橋梁接軌。改建線路以新建Niabad站和下游既有跨河橋梁Sost端作為控制點(diǎn)，有意選擇利用Hunza河左側(cè)橫坡較緩的一處山坡布線。此段改建線路分為3部分，線路在出新建Niabad站后，先穿越山體到達(dá)Hunza河左側(cè)山坡，再沿山坡以路基形式布線1.7 km，最后由Hunza河流域通過(guò)隧道進(jìn)入Nagar河流域與大橋Sost端連接。若采用該方案，需要修建的最長(zhǎng)隧道(包含新建Niabad車(chē)站之前的一段隧道)為9.2 km。

方案2設(shè)計(jì)思路如下。

由于Nagar站上游河流左側(cè)存在一處較平坦地形，方案2考慮對(duì)此進(jìn)行利用后必須放棄Nagar跨河大橋。以Nagar站與新建Niabad站作為控制點(diǎn)，航距9.0 km，高差180 m，若仍采用雙機(jī)坡度，線路展線系數(shù)需要達(dá)到1.2。方案2以新建Niabad站和下游Nagar站為控制點(diǎn)，改建線路分為兩部分，由Hunza河流域修建長(zhǎng)隧進(jìn)入其支流Nagar河流域，然后在距既有線橋位上游2.5 km處新修跨河橋到達(dá)Nagar河左岸，最后以路基工程到達(dá)Nagar站。若采用該方案，需要修建的最長(zhǎng)隧道(包含新建Niabad車(chē)站之前的一段隧道)為12.37 km。

方案3設(shè)計(jì)思路如下。

仍考慮利用原Nagar河跨河大橋，以大橋Sost端與新建Niabad站為控制點(diǎn)，若選擇三機(jī)坡度(25‰)可采用短直方案。因此，方案3線路出新建Niabad站后直接與大橋Sost端連接。若采用該方案，需要修建的最長(zhǎng)隧道(包含新建Niabad車(chē)站之前的一段隧道)為13.66 km。

3個(gè)改建方案工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表2所示，下面對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行討論。

表2 3個(gè)改建方案工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)

方案1：該方案由于利用了既有工程，改建工程投資排第二位；主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鄰近線路保持一致，不會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。

方案2：該方案由于未利用既有工程，導(dǎo)致改建工程投資最大(與方案1相比，工程投資增加11%)；主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與鄰近線路保持一致，不會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本；雖然新建工程中路基比例比其他方案高，但需要新建一座技術(shù)難度較大的跨河特大橋(886 m曲線特大橋)。

方案3：該方案也利用了既有工程，同時(shí)采用了三機(jī)坡度，體現(xiàn)了以移動(dòng)設(shè)備適應(yīng)地形的思想，所以改建工程投資最低(與方案1相比，工程投資減少7%)；但是改建后采用三機(jī)坡度改變了既有線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣雖然節(jié)省了土建工程投資，但是將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增加。所以，除非在臨近地段也有采用三機(jī)坡度的情況，一般情況下不可取。

在3個(gè)比選方案中，方案1投資適中；設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前后一致，運(yùn)營(yíng)成本不增加；最長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度最短，有利于降低施工難度，縮短施工周期。綜上，決定以方案1為推薦方案。

3 災(zāi)后改建線路設(shè)計(jì)要點(diǎn)與新建鐵路減災(zāi)選線設(shè)計(jì)策略

以中巴經(jīng)濟(jì)走廊擬建哈維連至喀什鐵路Attabad堰塞湖段改建工程為案例，總結(jié)出災(zāi)后鐵路改建工程的選線要點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)提出新建鐵路減災(zāi)選線策略。

既有線災(zāi)后繞湖鐵路改建選線設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

(1)對(duì)于已成堰塞湖，首先要考慮盡早在水位較低時(shí)通過(guò)開(kāi)挖溢流口甚至修建引水隧洞等措施[16-19]，降低堰塞湖水位甚至排干堰塞湖。一般溢流口開(kāi)挖的難度隨深度增加而增加，如Attabad堰塞湖溢流口開(kāi)挖深度達(dá)30 m后就無(wú)法繼續(xù)開(kāi)挖。從改建工程選線角度，應(yīng)分析水位下降后出露地面區(qū)域的地形條件，若存在河流階地等選線有利地形時(shí)，可以有利地形高度控制溢流口開(kāi)挖深度。

(2)當(dāng)必須通過(guò)改線工程繞避堰塞湖時(shí)，應(yīng)盡量利用既有工程，尤其是長(zhǎng)大橋梁隧道、車(chē)站等重大工程。

(3)山區(qū)峽谷段通常為鐵路緊坡地段，改建工程在繞避堰塞湖時(shí)會(huì)大幅度高于既有線。因此，改建線路在離開(kāi)湖區(qū)后應(yīng)就近利用有利地形集中展線，盡快與既有線接軌以減少改建工程投資。

(4)縱坡是影響改建工程投資的重要因素。某些情況下，提高限制坡度也是節(jié)省改建工程投資的有效手段。

崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)新建鐵路減災(zāi)選線策略如下。

(1)提倡高位選線：山區(qū)沿河線一般線位越低、投資越省，但抗災(zāi)能力越弱；反之線位越高、投資越大，但抗災(zāi)能力越強(qiáng)。在改革開(kāi)放之前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，鐵路為了降低工程造價(jià)，通常利用低階地走沿河低線以減少橋隧工程投資。但以東川鐵路支線為案例的分析表明，從全生命周期來(lái)看，高線位方案在安全性和經(jīng)濟(jì)性上都更加合理[20]。因此，在山地災(zāi)害嚴(yán)重的山區(qū)，沿河線尤其是在峽谷段提倡走高線位方案，不僅可減少常見(jiàn)山地災(zāi)害，也是從源頭上控制滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)的有力措施。

(2)酌情預(yù)留采取提高限坡措施的條件：從上述改建工程案例可知，縱坡標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改建工程投資的影響顯著。新建鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)采用與地面平均自然縱坡陡峻地段相適應(yīng)的較大限制坡度。但在崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，盡量避免將限坡取到地形和牽引條件允許的極限值，而酌情預(yù)留一定的調(diào)整空間。這樣一旦發(fā)生堰塞湖災(zāi)害，具有采取提高限坡措施的條件，從而有效地減少改建工程投資。

(3)盡量不跨河：新建鐵路在沿河谷進(jìn)行線位設(shè)計(jì)時(shí)，為了交替利用左右岸較好的地形和地質(zhì)條件，跨河改變岸側(cè)是常用的手段。發(fā)生崩塌滑坡堵江事件后，無(wú)論是堰塞壩上游淹沒(méi)還是潰壩洪水都會(huì)首先危及到跨河橋梁的安全。因此在崩塌滑坡堵江堰塞湖災(zāi)害鏈高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，新建線路應(yīng)盡量不跨河，少換岸側(cè)。