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兰渝铁路通过黄土高原区和秦岭高中山区，在区域地质上位于华北板块、扬子板块、青藏板块及塔里木板块四大板块相互汇集部位合围之隆起造山带，属青藏高原隆升区边缘地带，地质环境极为复杂特殊。尤其是新生代以来印度板块与欧亚板块碰撞，导致青藏高原隆升及其向北东的持续扩展挤压作用，造成本区域断裂、褶皱发育，初始地应力状态极其复杂，多为高-极高的地应力环境背景。
兰渝铁路纵贯甘肃省东南部、陕西省西南部和四川省东北部，属北亚热带湿润向暖温半湿润过渡的季风气候，受境内高山峡谷地形的影响，气候上有明显的区域特征，气候差异悬殊，垂直分带的差异性明显，河谷炎热，山地寒冷。
自 2008 年汶川地震以来，兰渝铁路沿线各地区降水强度、降水量、持续时间等方面都有不同程度的变化。如对照一次最大降水量发现，岷县、宕昌、青川和广元 2007 年至 2011 年间一次最大降水量都超过了 2000 年之前 30 年中的极值。
工程区域近年降雨量增加，各种地质灾害频发。2010 年 8 月 7 日，甘南藏族自治州舟曲县突发强降雨，持续了 9 h,降雨量达 96.3 mm,县城北面的罗家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断白龙江、形成堰塞湖;2010 年 8 月 11 日，陇南市境内突发暴雨，引发泥石流、山体滑坡等地质灾害，致使多处交通路段堵塞;2012 年 5 月10 日，甘肃省岷县发生特大冰雹、强降雨，引发大量洪灾、泥石流灾害等，降雨强度和持续时间都属历史罕见。
兰渝铁路工程区段自前元古代时期以来，一直以南北向的持续挤压应力为主，北部古河西构造体系呈现东部向南、西部向北的顺时针相对扭动，南部华夏构造体系呈现东部向北、西部向南的逆时针相对扭动。两大构造体系相隔中部秦岭—昆仑纬向构造体系，从而推断出最大主应力方向为：古河西构造体系NE-SW 向，华夏构造体系NW-SE向。秦岭—昆仑纬向构造体系在后期构造运动中产生的各种构造形迹组合成祁吕贺兰山字形构造体系（前弧西翼顺时针）、茶固滩帚状构造体系（逆时针）、青藏歹字形构造体系（顺时针）、武都山字形构造体系（前弧西翼顺时针）、文县山字形构造体系（逆时针），也分别拟合了上述顺时针与逆时针的构造运动，总体上反映了顺时针NE-SW和逆时针NW-SE的构造应力方向。
武都山字型构造体系前弧弧顶、前弧西翼和西翼反射弧（舟曲—金厂—石峡断裂带F4至白龙江断裂F5）（DK301+300~DK379+900 ），改造了碌曲—宕昌—两当褶带南部与玛曲—迭部—武都褶带，二叠纪时开始发展形成，原纬向构造带弯曲成南凸弧形槽地，控制了海相三叠纪的沉积，晚白垩世末成熟定型，两侧盾地沉积第三系，西翼隆起东翼下陷，挽近仍有活动。
舟曲—金厂—石峡断裂带F4 长 250 km,宽 4 km,由一系列向南或向北（向北为主）的断裂组成，金厂一带走向东西，向西转为N60° ~ 70°W,向东转向N60° ~ 70°E,倾角 70°左右，次级褶皱及断裂发育，并表明断裂带发生过反时针向扭动。断裂带切割了志留系一二叠系、白垩系和第三系地层。
白龙江—武都断裂带F5 以黄鹿坝为界，以西为白龙江断裂带，属前弧西翼；以东为武都断裂带，属前弧弧顶。总长约 200 km,由 2 ~ 3 条平行的断裂组成，总体呈走向北西的反S状。断层面多北东倾，倾角 60°左右，发生反时针向扭动。断裂北侧的志留系逆冲到南侧石炭系、二叠系、三叠系之上，断距可能上万米。沿断裂带志留系变质程度加深，它控制并切割了白垩系沉积，说明其具多期活动性。
文县山字型构造体系前弧弧顶（白龙江断裂F5 至白马—贾昌—临江—康县断裂带F6）（DK379+900~DK402+900 ），改造了文县—康县褶带，与武都山字型构造体系的生成过程基本相同。
白马—贾昌—临江—康县断裂带F6 位于文县山字型构造体系前弧弧顶最南侧，为一条区域性断裂带，原属华夏构造体系碧口褶带的北边界，后被本构造体系复合归并。总体走向N55° ~75°E,倾向NW,倾角 60° ~70°。因受北西向及近东西向断裂的破坏，分成南北两段，南段为白马—贾昌断裂带，北段为范家坝—临江—天字山及瓦房坝—康县两条断裂带，次级断裂和小褶曲比较发育。
华夏构造体系（白马—贾昌—临江—康县断裂带F6 至广元）（DK402 + 900 ~ DK486 +220 ），包括碧口褶带和龙门山构造带，长城纪以前已经形成了北东向的坳陷及规模较大的断裂，并控制了长城系碧口群、震旦系临江组和关家沟组的分布，在整个古生代表现为一个北东向的隆起带。由于长期受南北向反时针向水平直扭的应力作用而不断上升，其北侧不断下降，控制了晚古生代的沉积，不仅加里东期、华力西期、印支期活动不断，而且挽近时期活动也很明显。
碧口—燕子砭断裂带F7 位于该褶带最南侧的摩天岭—碧口—姚渡—太平川—阳平关一线，走向N70°E,倾向NW,总长约 160 km。断层面呈舒缓波状，两侧岩石挤压破碎强烈，糜棱岩化、角砾岩化现象普遍，次一级褶皱发育。
兰渝铁路沿线地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水，来源于大气降水及地表水补给，向当地侵蚀基准面排泄；黄土高原区为半干旱缺水地区，地下水水量较小，且受季节影响大；秦岭高中山区降雨量充沛，地下水水量较丰富。