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川藏铁路规划建设中的自然灾害防治问题
中国科学院院士
2019-09-03

川藏铁路对国家长治久安和西藏经济社会发展具有重大而深远的战略意义。习近平总书记、党中央都高度重视川藏铁路建设,要求在“科学规划、技术支撑、保护生态、安全可靠的总体思路下,高起点、高标准、高质量地规划建设川藏铁路”。

一、川藏铁路建设的环境背景

川藏铁路东起成都,西至拉萨,线路长度1543km,从海拔500米的二级台阶跃升到4000多米的一级台阶,穿越高山峡谷地形急变带和多个地震带。铁路成都—雅安段已经开通,拉萨—林芝段也已于2014年开工,目前拟建的雅安—林芝段全线1008.4公里,是川藏铁路难度最大的路段,桥隧比95.6%以上,隧道占比85.1%。

铁路穿越五大地貌单元,跨越金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等7条大江大河;翻越二郎山、折多山、高尔寺山等8座高山。全线平均海拔3800米,相对高差4000~6000余米,垂直变幅16000米。总体地势表现为北高南低,西高东低、七下八上,地貌条件非常复杂,选线和避灾极为困难。

青藏高原东部与东南部处于板块活动边缘和缝合带等特殊地质地貌单元,板块碰撞和构造活动强烈,新构造运动和地震活跃,现今垂直抬升速率5mm/yr,向东挤出速率20mm/yr。在侧向动力形成的剪切作用下,川藏铁路工程面临着区域地壳变动强烈的重大风险。

铁路穿越龙门山、鲜水河、理塘、巴塘、金沙江、澜沧江、怒江、嘉黎、雅鲁藏布江等十余条深大活动断裂,工程面临着被活断层断错的重大灾变风险。其中2008年汶川地震,龙门山断裂最大水平位错达4.9m,最大垂直位错6.5m。

线路经过区域历史大地震活跃,铁路工程面临着大震毁坏风险。其中鲜水河地震带有大震风险;巴塘断裂与理塘断裂也有一定活动性,但东构造结附近嘉黎断裂和雅鲁藏布江断裂区域由于工作不足,地震危险性不明。

青藏高原升温是全球海陆升温速率的1~1.2倍。未来青藏高原区域的气温、降水呈增加趋势,与高温有关和强降水有关的极端事件增加。铁路工程面临着极端天气和气候灾害风险。

综上所述,川藏铁路穿越区环境背景呈现高地震烈度、高陡斜坡、高寒、高地应力和高地温的特点,使得铁路工程面临巨大风险。

二、川藏铁路廊道灾害及其防治

川藏铁路将是迄今为止人类历史上最具挑战性的铁路建设工程。强烈的构造活动、显著的地形高差、极端的气候条件使得铁路廊道内外动力导致的灾害问题都较为突出。

(一)川藏铁路沿线灾害类型

川藏铁路沿线是我国自然灾害最发育、最活跃、类型最齐全、危害最严重的区域。区域主要灾害类型有地震、崩塌滑坡、泥石流、冰湖溃决、冰雪、岩爆、大变形、高温热害、高压涌突水、岩屑坡等。

(二)川藏铁路沿线灾害分布特征

通过多年研究,查明了川藏铁路全线灾害的类型及分布规律。

线路经过处历史大震活跃,其中波密—林芝段和康定—泸定段最大地震动峰值加速度达0.3g。

沿线发育泥石流612处,包括暴雨型417处、冰水混合型133处和冰湖溃决型9处;其中四川境内泥石流沟共223处,包括暴雨型213处和冰水混合型10处。沿线崩塌滑坡灾害共747处,包括崩塌310处,滑坡413处,溜砂坡24处;其中四川境内共计325处,包括崩塌161处和滑坡164处。这些灾害研断裂带、河谷和交通线成带状分布。

川藏铁路热泉主要沿深大活动断裂带出露(集中在沃卡、八宿、巴塘、康定一带)。全线有约50个对线路影响的高温热泉,约15座隧道可能存在高温水热热害。板块缝合带附近是我国地壳运动最强烈的地区,地应力水平一般高于其它地块,易发生岩爆,最大地应力达78Mpa。

(三)川藏铁路沿线灾害活动特征

川藏铁路沿线自然灾害活动特征主要表现在三个方面:一是气候变暖条件下,崩塌滑坡、泥石流、冰湖溃决日趋活跃,大范围多发、频发;二是大规模山地灾害极易形成灾害链,且灾害链类型多样,危害严重;三是气候变化、强震耦合作用下山地灾害(链)呈大范围、高频率、群发性、大规模等特征,巨灾风险明显增大。

体现以上活动特征的灾害有波密县易贡、天摩沟,大渡河响水沟以及雅鲁藏布江色东普沟等典型山地灾害链。其中2018年10月西藏雅鲁藏布江色东普沟冰川泥石流堵断雅江,形成冰川泥石流—堰塞湖—溃决洪水灾害链造成约6600人受灾,紧急转移安置7100余人,电力系统受损严重。

(四)川藏铁路沿线灾害危害方式

基于山地灾害分布规律和活动特征,阐明山地灾害危害方式,可为风险评估与工程建设避灾选线提供科学依据。沿线灾害的危害主要表现为:崩塌滑坡可能会危害桥梁、涵洞、路基、隧洞进出口、进场道路、施工营地等。泥石流则主要危害路基、路面、桥梁、涵洞等。断裂的粘滑位错(地震)、蠕滑位错以及由断裂活动诱发的地质灾害会导致隧道、路基、路面、桥梁等的震动破坏和变形开裂。在高寒条件下修建并运营大量超深超长隧道(群),高地应力(岩爆、大变形)、深大活动断裂、高频高烈度地震、高地热及有害气体等问题突出,对施工组织、施工方法、防灾救援及运营维护带来巨大挑战。

(五)川藏铁路沿线灾害风险评估

基于上述灾害分布规律与活动特征的研究以及灾害成因和动力过程分析,建立了多尺度风险评估方法,可为铁路公路规划选线和减灾提供科学依据。对于铁路全线尺度,划定综合风险等级与风险区,服务铁路线路走向;在重点路段,依据灾害风险评估结果,科学规划铁路局部线位;对于典型灾点,分析灾害的动力过程及致灾特征,服务个体工程防灾设计。目前,在山地所、铁二院等单位的努力下完成了川藏铁路山地灾害风险评估,编制了山地灾害危险性、易损性和风险分区图;对理塘—白玉、昌都—林芝等重点路段进行了危险性评价与风险评估;并基于动力学模型对重点灾点进行风险预测与评估,提出相应的对策,为铁路减灾选线和个体工程选址提供方法与基础数据支持。

(六)川藏铁路沿线灾害防治

注重减灾技术研发与研究成果的工程应用,目前已经开发了一系列山地灾害防治技术可支撑川藏公路减灾与铁路规划设计。主要有针对泥石流全过程的防治技术体系、高烈度区滑坡灾害防治关键技术体系、利用棚洞和明洞防护的高位崩塌防治技术体系、基于灾害链演化过程的堰塞湖防治技术体系、结合卫星遥感和航空遥感与InSAR技术的不同尺度灾害调察与判识技术,基于灾害运动过程的精细化监测预警技术体系。进而,根据川藏铁路工程减灾实际需求,利用上述技术制定了具体工点的灾害防治方案,如康定市日地沟山地灾害综合防治方案。

三、川藏铁路建设的灾害风险挑战与对策建议

(一)川藏铁路面临的重大安全风险挑战

川藏铁路沿线区域极度复杂的地质构造条件、气候环境背景,加之工程建设中占比极大的深埋超长隧道与超常规桥梁,决定了川藏铁路建设将面临超出以往认识和经验的新的灾害防治科技难题,亟待解决。主要包括:

1.超深超长隧道工程灾变风险。对于极高地应力区形成岩爆和软岩大变形,主要采用监测预警、加强支护、减慢掘进速度的方法加以处理,但变形机理与灾变判据不清,还未形成高效监测预警与处置技术体系。地热水对流、围岩裂隙发育造成的高岩温和强突水问题,则通常以隔热、通风、强注浆来处理,但目前还存在隧道围岩温度场和地下水分布规律不清,隔热材料耐久性低的问题。

2.活动断层与工程断错风险。对此,工程上首先考虑采取避让措施,但是现在还难以准确预测活动断层错断的位置、破裂带宽度和同震位移量,导致线性工程无法有针对性地采取避让措施。

3.大地震及其次生灾害风险。目前多通过隐患点判识,监测预警,风险评估来降低地震及其次生灾害危害。然而,地震短临预报仍然是世界难题,对震后遭到损伤的岩体成灾机理认识不清,难于制定有针对性的处置方案。

4.隐蔽性高位巨型滑坡灾害风险。受到多次地震的震裂损伤的山体在降雨等因素的诱发下极易成灾。对此可采用监测预警、群测群防、避难搬迁,工程防护降低危害。但目前潜在隐蔽性高位滑坡还难以提前判识,且突发性强,救灾难度极大。

5.特大规模泥石流灾害风险。铁路沿线存在巨量松散堆积物,在暴雨与冰雪融水的作用下易产生特大规模泥石流。目前主要通过工程治理、监测预警、桥位抬升、铁路隧道下穿等方法来处理。由于对于泥石流流量和破坏力非线性增长机制不清,冲淤幅度和工程风险难以预测,铁路过沟方案的控制参数难以确定。

6.气候变化条件下冰湖溃决与高寒灾害风险。气候变暖使得青藏高原冰湖溃决与高寒灾害频发,但目前我们对于气候变化对灾害的影响认识不清,难以精准预测灾害风险,只能通过监测预警和工程重建来应对。

7.高山峡谷区隐蔽性巨型灾害链远程风险。深切峡谷区卸荷带应力释放和降雨共同作用下易形成巨型灾害链,我们可以通过早期识别、监测预警、人工泄流等方法加以处理。但目前内外动力耦合作用机制不清,潜在风险源判识困难,灾种转化的节点和临界条件不明,难以制定针对性风险调控方案。

未来,对板块构造演化的地球物理效应、断层属性识别及其活动特征、高原隆升背景下地貌气候格局演化的灾害效应等科学问题的研究会帮助我们突破灾害风险识别好的预测的限制,帮助我们更好地面对这些灾害风险的挑战。

(二)对策建议

在剖析工程建设面临的核心科技问题与研究重点的同时,结合工程建设前、施工过程中以及建成后的防灾减灾、资源利用及社会经济影响等方面,提出以下三点建议:

1.建立自然灾害防治国家级研究中心。应急管理部和中国科学院正在规划建设“国家自然灾害防治研究院”,鉴于四川以及西南地区、西藏自然灾害的严重性和典型性,建议四川省积极协商建设国家自然灾害防治研究院西南分院,推动国家级灾害防治研究平台在成都落地,汇聚灾害防治人才,建立产学研协作创新机制,提升灾害防治科技支撑能力。

2.构建铁道部门与地方政府灾害风险防范的协同机制。重点是推动施工过程中政府和企业的隐患排查、监测预警等信息共享、重大灾害的联合防治以及应急救援联动机制的构建。通过省企联合工作组,实现会商决策、科学部署;信息共享、减少误判;工作协调、避免重复;联合调度、高效减灾。

3.重视短临工程灾害风险与弃渣合理处置。川藏铁路拟建1800公里施工便道以及几百处施工营地,因此应与主体工程同等重视短临工程灾害风险。隧道和辅助工程产生的弃土、弃渣超过2亿立方米,成为高山峡谷区的安全隐患。因此,需要多方位协同,科学选址与综合治理,杜绝弃渣次生灾害;加强水土保持,及时恢复弃渣区生态环境;加强污染风险评估与监测,防范水质与放射性污染风险;降低工程扰动强度,减少弃土弃渣方量;资源化利用,变废为宝,缓解弃渣环境压力。

4.制定川藏铁路沿线区域发展规划,超前布局城乡建设与特色产业。尽快立项进行系统的铁路沿线社会经济调查,研究铁路建设、运营对区域社会经济带动和辐射效应,科学评估川藏铁路建设对旅游、工业、农业、牧业等产业格局以及社会发展的影响,据此编制川西藏区城乡发展规划(至2035年)。依据规划优化铁路沿线城市部局,规划建设新兴城镇;调整铁路沿线产业格局,超前部署特色产业如旅游、农业、牧业、服务业、工业等;部署铁路、公路、机场综合交通体系。

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