遥感技术在改建铁路包兰线地质灾害评价中的应用

时间：2024-07-28

王文婷

(中铁第五勘察设计院,北京 102600)

1 研究区概况

包兰铁路是京兰通道的重要组成部分,是煤运北通道的后方通道之一,在我国铁路网中具有重要的地位。现有运量已达到超饱和状态,成为沿线经济发展的制约因素。因此,铁道部、宁夏回族自治区、甘肃省合力开展沿既有线增建二线,既有线提速改造,配套改造通信、信号等运营设备项目。

改建包兰线正线里程469.305 km,地跨甘肃、宁夏两省。初选线路方案走廊经由地貌类型为黄河冲积平原及河谷区、山前及山间冲洪积平原区、低缓丘陵区、低中山区,地形地貌较复杂;线路所属构造体系由北向南为祁吕贺山字型构造体系之银川断陷盆地、贺兰山褶皱带;卫宁北山纬向构造带;陇西旋卷构造体系;祁吕贺山字型构造之西翼的祁连山褶皱带及其各构造体系的复合交接部位,地质构造复杂。

2 遥感信息源的选择及处理

采用美国陆地卫星LANDSAT5 TM影像数据 2景,轨道号分别为 130/34、130/35,成像时间为 2009年5月,地面分辨率 30m;LANDSAT7 ETM+数据,分辨率 15m,成像时间2005年;NASA最新公布的研究区Aster 30 m G-Dem数据;全色黑白航空像片,重叠率 60%,2009年摄影,比例尺 1∶1万。

地质灾害体的解译要求空间分辨率高,影像色调饱和,地物间反差要,为能反映这些细节,主要进行了主成分变换融合。使之在原来图像的基础上,既保留了多光谱图像的信息,又提高了空间分辨率。

由已获取的DEM数据,在ERDAS IMAGINE Virtual GIS模块下叠加 DOM影像图纹理到三维地形模型,生成动态漫游的立体模型,从不同的角度和高度辅助解译。

3 主要地质灾害的解译分析

地质灾害体的图像识别主要是基于其图像空间结构信息,包括形状、大小、纹理(影纹图案)等,其次是图像的光谱信息,主要是色调(图像的亮度值),并结合地层岩性及微地貌、植被、水系及景观等特征,建立不同种类灾害体的解译标志。

3.1 盐渍土

盐渍土病害主要依据地物的波普反射特征来提取信息。可见光、近红外和短波红外波段是识别盐碱化土壤的关键波段。从信息量来衡量,TM数据 1,3和 5波段组合所含信息量最大。土壤反射率介于水体与植被之间,即大于水体的反射率而小于植被的反射率。在典型地物光谱曲线上,波长在 0.35-0.65μm之间,盐碱类土壤和一般土壤的反射率大于其它地物(如植被);而波长在 0.65μm以上时,植被的反射率大于土壤的反射率;在远红外波段,土壤反射率大于植被反射率。这与土壤物化特性、水分动态以及植被叶面反射率特性等有关。因而,土壤盐渍化程度越高,光谱反射越强,其影像特征呈高反射浅色调。而在红光和绿光波段,地面植被的覆盖必然影响盐渍土的光谱响应;土壤的含盐量越高,越不利于植被的生长发育,因而重盐渍化地一般都处于裸露状态,形成“不毛之地”。受盐渍化影响的植物,其近红外波段反射率会降低,影像色调较暗。基于以上特征的分析,我们选用两种方法来界定盐渍化区域:一种以 TM 135标准假彩色合成为背景图,分配各种地类的特征值做复合监督分类;一种则是通过TM 432标准假彩色合成为背景图,提取归一化植被指数(NDVI)(定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值)来反向界定盐渍化区域图 1、图 2。

3.1.1 精度分析

结合地表盐霜盐斑分布、作物生长状况、地下水水位和矿化度、土壤类型等非遥感数据辅助信息,经过 10%图斑抽样的实地验证,精度达到了 90%的预期指标,两种方法对于提取中-重盐渍土的精度相差 2.4%,人工修正的复合分类方法效果较为理想。

3.2 泥石流

泥石流形成区多呈勺状、漏斗状、椭圆状三面环山的围谷。山坡裸露,植被稀少,浮土厚,影像色调浅灰—灰白。沟的源头常发育密集的细沟、切沟;流通区常宽窄不一,沟槽弯曲段常见色调灰白的堆积物,影像结构粗糙的是粗砾堆积物,影像结构细腻的是细粒堆积物。沟槽顺直段,缺少堆积物;泥石流堆积区主要位于沟口,平面常呈扇形体。影像结构粗细间杂,色调浅灰—灰白。泥石流属性的判别主要根据堆积物形态特征,以及堆积物与沟谷相对位置来确定。通常粘性泥石流流程短,堆积物影像结构粗糙,集中完整地堆积于沟谷中。流通区与堆积区合二为一,堆积体有流变痕迹,顺沟常有多条脊状隆起,似冰川侧碛一般;而稀性泥石流一般流程较长,堆积物分散在沟谷的宽缓地段和沟口处。

图2 惠农至银川段 K 467～K 481段 NDVI指数分布

3.3 崩塌、滑坡

崩塌常发生在岩性坚硬,节理发育地区,陡坡周围堆积成岩或倒石堆。在遥感影像上崩塌的陡崖新的色调浅,老的色调深。在陡崖的下方有浅色调的锥状地形,有粗糙感或呈花斑状的锥形。崩塌体堆积色调浅,呈锥状。新生的崩塌体植被少,古老的崩塌体植被较为茂盛。

滑坡在影像上常用灰度、形态和滑坡表面特征进行识别,在航空影像上特征比较明显,而在卫星图像上,因比例尺较小,规模较小的滑坡不易识别,主依航片判别。其平面形态主要有弧形、椅形、马蹄形、新月形、梨形、漏斗形和葫芦形、舌形等各种形态。

滑坡发生在具有一定滑动条件的斜坡上,具有明显的滑坡周界、后壁和滑体内部特征:滑坡周界一般呈簸箕形;滑坡多呈围椅状;滑坡体下方由于土体挤压,有时可见到高低不平的地貌;滑体前缘呈舌状,有时表层有翻滚现象而出现反向坡;滑坡裂缝,包括拉张裂缝、剪切裂缝、鼓胀裂缝、扇形张裂缝;滑体上的树有时呈醉汉林或马刀树,甚至有枯死现象。

4 结论及建议

4.1 盐渍土

盐渍土主要分布于惠农至银川、平汝支线平罗至大武口一带。其中,银川至惠农段 K468+600～K477+800长约9.2 km的路段属中-重盐渍化,地表有大片的盐斑,地表植物难以存活,表现出荒漠景观。由于地势低洼,地下水位埋藏浅,积水成塘,排洩不畅,径流滞缓,地表蒸发强烈,毛细水不断携带盐份富集表层,使地表发生盐渍化,多形成白色盐霜或 1～2 cm厚的盐壳。线路经行盐渍土病害区域,路堤两侧受积水长期浸泡易发生坡脚沉降、溜坍;加之毛细水及强烈蒸发作用,致使路堤土体均匀程度不同产生次生盐渍化,从而发生路堤冻胀、边坡松涨、溜坍、翻浆等病害。建议绕避或采用当地含盐土填筑,采用包坡加隔断层为主、铺设灰土砖路肩、改建永久性排碱沟等综合处理措施。

4.2 泥石流

泥石流是一种突然爆发的含有大量泥沙、石块的特殊洪流。其主要特点是来势迅猛,破坏力强。它可直接埋没公路、摧毁路基、堵塞或撞击桥涵等建筑设施,致使交通中断。当它汇入河流时,常会压缩或堵塞河道,使水位壅升或河道变迁,间接毁坏公路、桥梁及其它构筑物,造成巨大经济损失。研究区发育泥石流二十余处,主要分布于甘肃段西邵至余丁段的低缓丘陵和山前冲洪积平原区及香山山脉北段的沟谷中以及白银南至兰州东段中低山区的沟谷中。以水动力成因的沟谷型稀性泥石流为主,形成区、流通区和堆积区比较明显。流域相对高差 61～430m,山坡坡度均小于 40°,流域面积均小于 10 km2,谷内松散堆积物较丰富,沟床较平,堆积厚度多在 3～8m,堆积物以粗粒为主,规模较小。

宁夏段惠农至红果子沟(K 437+750～K 438+100)以南洪积扇前沿及正谊关沟(K 428+500～K428+900)发育两条洪水泥石流。按泥石流物质组成划分,均属水石流,固体物质主要来源于山前洪积扇上部以及崩塌碎石堆积,一般为卵石土、砾石土、和砾石,末端未形成堆积扇。

在时间分布特征方面:泥石流均水为动力类型,发育时间和暴雨强度密切相关,根据研究区气象资料,降雨主要集中 6～9月份,其中 7～8月月平均降雨量大于 35mm。泥石流发育也会集中在 6-9月。但评估区降雨量均很小,一般不形成大型暴雨,所以在水源条件限制下,研究区泥石流爆发可能性较小,建议铁路在各泥石流沟地段采用桥梁的构筑形式通过,以减小对拟建铁路建成后的危害(图3、图 4)。

图3 烧炭沟泥石流

图4 烧炭沟泥石流立体图

4.3 崩塌、滑坡

研究区崩塌、滑坡主要分布于甘肃段 CK896+000～兰州东站,该地段局部分布有不稳定斜坡,坡度 40°～70°,地层主要为第四系上更新统风积黄土,厚度大于 20m,植被稀少,在雨水冲刷下,陡峻山坡及深切沟谷两侧易形成崩塌。崩塌和滑坡,多发生于软硬岩层相间的地层中,即夹有煤层或粘土层的地层,其相应的危害情况要比缺失软弱夹层(比如薄煤层)或缺失坚硬岩层的地层严重的多。其主要原因在于,软质地层易于风化,抗剪强度较低,又是良好的隔水层,为滑面的形成提供了良好的地质结构条件。

研究区沿线分布有七处滑坡,分别为青城滑坡、东沟滑坡、桃树坪 1号滑坡、桃树坪 2号滑坡、大青山 1号滑坡、大青山 2号滑坡和大青山 3号滑坡。滑坡主要类型为顺层基岩滑坡和松散堆积层滑坡,侏罗系强风化～中风化泥岩、砂岩及上覆的第四系碎石土、含碎石粉质黏土、粉质黏土往往组成了崩滑带,而下伏泥岩及砂质泥岩基岩,透水性较弱,遇水易软化泥化,容易形成软弱夹层,为滑面的形成提供了有利的地质结构条件。其中,青城滑坡位于增建线路里程CK860+330～CK 860+500段(青城隧道出口)左 270m处。滑坡体宽 71m,主轴长 94m,平均坡度约 43°,面积 6.1×103m2,平均厚度约 5m,体积约 3.1×104m3,主滑方向为 176°。滑坡体后缘出现多条拉裂缝,长 15～40m,宽 10～40 cm,深0.3～1.6m,稳定性差。由于位于隧道出口处,浅层滑坡可能会因线路施工而加剧,建议隧道出口方案采用中桥构筑。

图5 CK896+420左侧 15m崩塌

东沟滑坡位于线路里程 CK 896+385～CK896+440右侧 130m。滑坡体宽 37m,主轴长 43m,平均坡度约 33°,面积 1.6×103m2,平均厚度约 5m,体积约 8.0×103m3,主滑方向为 46°,稳定性较差。但滑坡体发育规模较小,对拟建铁路危害性小(图 5、图 6)。

研究区崩塌、滑坡总体发育规模较小,对拟建铁路危害性小。