地震災(zāi)區(qū)公路通行能力快速評(píng)估方法研究與應(yīng)用

楊玉永 婁世平 劉瑞峰 董 翔

（山東省地震局，山東 濟(jì)南 250102）

1 概述

交通是社會(huì)活動(dòng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)賴(lài)以存在和正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。山東省的公路交通十分發(fā)達(dá)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)尤為突出，省會(huì)濟(jì)南市地處黃河中下游，是山東半島城市群的核心城市，也是重要的全國(guó)性綜合交通樞紐。突然發(fā)生的地震災(zāi)害往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。此時(shí)，公路是震后建立應(yīng)急救援和疏散的主要通道，是重要的生命線(xiàn)工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)外歷次破壞性地震中，由于地震造成的地層錯(cuò)動(dòng)、地裂縫等強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)，對(duì)公路及其附屬交通設(shè)施造成直接破壞，在各類(lèi)生命線(xiàn)工程中公路的受災(zāi)地位和受災(zāi)程度首當(dāng)其沖。同時(shí)，由地震引發(fā)的泥石流、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害也將對(duì)公路交通造成間接的毀滅性打擊。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，在汶川8.0 級(jí)地震中，24 條高速、161 條國(guó)道和省道、8618 條鄉(xiāng)村公路受損，6140 座橋梁、156 條隧道受到不同程度的破壞。地面隆起、路基滑塌、以及滑坡掩埋、巨石滾落等，使交通阻斷，救援人員、救災(zāi)物資無(wú)法運(yùn)抵開(kāi)展施救，嚴(yán)重影響了抗震救災(zāi)工作的開(kāi)展。

地震發(fā)生后，應(yīng)急救援工作對(duì)公路路網(wǎng)的通達(dá)性具有較強(qiáng)的依賴(lài)性。災(zāi)區(qū)公路通行能力如何，哪些路段可行，哪些路段限行，這些都是震后第一時(shí)間亟待回答的問(wèn)題。宋先月等[1]將烈度、震中距、發(fā)震時(shí)間、城市規(guī)模、日常暢行指數(shù)等因子納入震后交通通行能力的考量范圍，震后能夠快速評(píng)估出大致的交通管制需求。安基文等[2]將最優(yōu)救援路徑和最優(yōu)交通搶通方案作為約束條件，建立了基于雙層優(yōu)化方法的雙層路徑規(guī)劃模型，擬定交通管制措施方案，助力應(yīng)急救援行動(dòng)的順利實(shí)施。

2 構(gòu)建公路通行能力模型

地震事件所造成的災(zāi)害損失并不是單一災(zāi)種的體現(xiàn)，地震作為一種原發(fā)性的主災(zāi)往往會(huì)引起一系列次生災(zāi)害的誘發(fā)。因此，對(duì)地震災(zāi)害損失的評(píng)估，是對(duì)地表事物受到多災(zāi)種破壞的一次綜合研判。同理，公路通行能力不僅受到地震力造成路面破壞等直接影響，同時(shí)也受到周邊山體等自然環(huán)境可能引發(fā)的滑坡等次生災(zāi)害的制約。

首先，考慮地震對(duì)公路交通工程設(shè)施造成的直接損壞，建立公路破壞程度與不同地震烈度之間的相關(guān)關(guān)系。其次，考慮滑坡等次生災(zāi)害對(duì)公路通行能力的綜合作用，構(gòu)建影響因子，對(duì)常規(guī)模型進(jìn)行修正。最后，結(jié)合震例及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建立公路通行能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震災(zāi)區(qū)公路通行能力定量、定性的分析研判。

2.1 公路破壞程度與地震烈度之間的相關(guān)關(guān)系

公路的主要組成部分一般由路基、路面以及附屬的橋梁、隧道、沿線(xiàn)設(shè)施等部分組成。其中，路基是公路的基本結(jié)構(gòu)，是支撐路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，承受行車(chē)荷載的作用。路面是鋪筑在路基之上的，與車(chē)輪直接接觸的結(jié)構(gòu)層。地震發(fā)生時(shí)，公路的路基、路面等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震動(dòng)力的作用容易受到直接損壞，主要表現(xiàn)在路面開(kāi)裂、平移、蛇形錯(cuò)動(dòng)、路基失穩(wěn)等。公路的破壞導(dǎo)致行車(chē)道寬度變窄或中斷，車(chē)輛無(wú)法順暢通過(guò)，從而造成公路通行能力的顯著下降。

栗志杰[4]、段滿(mǎn)珍[5]等學(xué)者，通過(guò)對(duì)真實(shí)地震中公路震害的總結(jié)，認(rèn)為地震對(duì)公路造成的主要破壞因素包括地震烈度，以及路基土地類(lèi)型、場(chǎng)地類(lèi)別、地基失效程度、路基類(lèi)型、路基高差，以及是否設(shè)防烈度設(shè)計(jì)等七個(gè)因子，提出了震害指數(shù)的概念。經(jīng)過(guò)概率和模糊數(shù)學(xué)方法理論的模擬分析，震后公路的破壞程度可以用平均震害指數(shù)進(jìn)行量化，即某路段平均震害指數(shù)ki 的計(jì)算方法可以用數(shù)學(xué)模型表示為：

式中，Xij為第i 條公路對(duì)應(yīng)的第j 個(gè)震害因子量化值，震害因子取經(jīng)驗(yàn)值。

2.2 影響因子——滑坡危險(xiǎn)性分析

影響公路通行能力的因素有很多，相比地震對(duì)路面造成直接破壞而產(chǎn)生的損害而言，地震作為誘因而引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害損失則更為顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6]，汶川地震中，都汶公路（都江堰-汶川）沿線(xiàn)25 平方公里范圍內(nèi)，發(fā)生1104 處滑坡、崩塌，掩埋道路累計(jì)數(shù)十公里。次生地質(zhì)災(zāi)害對(duì)公里通行能力的影響不可小覷。

山東省地勢(shì)以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯(cuò)。中、東部突起，屬魯中南、膠東半島山地丘陵地帶；西南、西北低洼平坦，屬黃河沖積而成的魯西北平原區(qū)。全省地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型以崩塌、滑坡、泥石流等為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全省共發(fā)生崩塌47 處、滑坡44 處、塌陷16 處、地裂縫1 處。

2.2.1 滑坡危險(xiǎn)性

滑坡是巖土體在重力作用下沿著斜坡軟弱的結(jié)構(gòu)面整體或分散向下滑動(dòng)的現(xiàn)象[7]?；碌脑杏^(guò)程受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響。其中，地形地貌是影響斜坡巖土體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一[8]，通常一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地形地貌特征可以用坡度來(lái)定量或定性的描述。嚴(yán)越等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，滑坡災(zāi)害孕育及發(fā)生的概率與地形坡度之間存在指數(shù)關(guān)系。白仙富等[10]依據(jù)對(duì)汶川地震滑坡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)地震誘因引發(fā)滑坡的密度于地震烈度及地形坡度之間的關(guān)系進(jìn)行了反演，建立了坡度、地震烈度，以及滑坡密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型——邏輯斯蒂模型。經(jīng)過(guò)數(shù)值分析，基于邏輯斯蒂模型的演算結(jié)果更符合實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此提出可以利用地震滑坡密度來(lái)劃分滑坡危險(xiǎn)等級(jí)。

式中，x 表示地震烈度；y 表示滑坡密度；A，B 為常數(shù)項(xiàng)。

2.2.2 滑坡因子

滑坡引起的瓦礫會(huì)對(duì)沿線(xiàn)公路的路面產(chǎn)生阻礙效應(yīng)，直接對(duì)公路通行能力產(chǎn)生影響?；路搅康拇笮　⒌缆返穆访鎸挾鹊榷喾N因素都制約著公路通行能力。但是，由于滑坡運(yùn)動(dòng)形態(tài)具有多樣性的特征，難以獲得較為精確的滑坡土方量評(píng)估計(jì)算值。在對(duì)大量震例進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，在平均震害指數(shù)計(jì)算過(guò)程中增加一個(gè)致災(zāi)因子——滑坡危險(xiǎn)性，進(jìn)一步完善了公路通行能力模型的制約條件，使模型計(jì)算評(píng)估結(jié)果更貼近震后災(zāi)害趨勢(shì)。

式中，s 滑坡危險(xiǎn)性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

2.3 修正后模型

根據(jù)對(duì)真實(shí)地震災(zāi)害分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，陳一平[12]提出，公路破壞程度與震害指數(shù)之間為正態(tài)分布。通過(guò)對(duì)大量實(shí)際震害與計(jì)算值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不同烈度條件下，平均震害指數(shù)與計(jì)算值十分接近，基本滿(mǎn)足震害預(yù)測(cè)的需求。因此，震后公路通行能力可以用公路的破壞程度進(jìn)行定量進(jìn)行評(píng)估。其中，平均震害指數(shù)ki使用加入滑坡因子修正后的k'i。公路破壞程度的計(jì)算方法如下：

式中，P 為公路破壞程度；k'i為修正后的平均震害指數(shù)；σ為震害離散系數(shù)，是通過(guò)對(duì)歷史震害和抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)值。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得到震后公路破壞情況定量分析的模擬數(shù)值，結(jié)合實(shí)際震例中震后公路路面受災(zāi)狀況，提出了公路通行能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)震后公路的通行能力進(jìn)行定性分析，見(jiàn)表1。

表1 震后公路通行能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 在地震災(zāi)害預(yù)評(píng)估中的應(yīng)用

3.1 滑坡危險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算

利用高程數(shù)字模型（DEM）結(jié)合邏輯斯蒂模型，對(duì)山東省進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性演算。經(jīng)數(shù)值模擬分析，得到全省在Ⅶ至XI 不同烈度條件下的滑坡危險(xiǎn)等級(jí)分布情況，見(jiàn)圖1。

圖1

3.2 道路通行能力計(jì)算矩陣

選取G2 高速公路某路段為例，對(duì)該路段在不同地震烈度條件下的通行能力進(jìn)行預(yù)評(píng)估計(jì)算。經(jīng)過(guò)調(diào)查收集，得到該路段路基、場(chǎng)地等要素參數(shù)，構(gòu)建基于滑坡因子的修正后道路通行計(jì)算模型計(jì)算矩陣，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 道路通行能力計(jì)算矩陣

矩陣中，無(wú)滑坡風(fēng)險(xiǎn)i=1；輕微滑坡風(fēng)險(xiǎn)i=2；中等滑坡風(fēng)險(xiǎn)i=3；嚴(yán)重滑坡風(fēng)險(xiǎn)i=4。因當(dāng)i=3 時(shí)，P≈0，故無(wú)需再計(jì)算嚴(yán)重滑坡風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的k'i、P。

4 震后公路通行能力預(yù)評(píng)估

將計(jì)算得到的在Ⅶ至XI 度不同烈度取下公路通行能力預(yù)評(píng)估結(jié)果在地理空間上進(jìn)行展示，并得到如表3 結(jié)論。

表3 G2（港西-曹范）段震后通行能力預(yù)評(píng)估結(jié)果

利用全景影像對(duì)存在震害隱患點(diǎn)進(jìn)行復(fù)檢。通過(guò)影像清晰可見(jiàn)，公路周?chē)钙铝至⑶揖o鄰，未發(fā)現(xiàn)公路邊坡加固措施，易受地震動(dòng)影響而發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，從而影響公路通行能力，符合震后成災(zāi)構(gòu)件，見(jiàn)圖2-3。

圖2 蟠龍立交附近

圖3 大龍?zhí)酶浇?/p>

5 結(jié)論

地震動(dòng)力會(huì)對(duì)公路路面造成直接破壞，但作為地震誘因而引起的滑坡地質(zhì)災(zāi)害對(duì)公路的路面通行能力所造成的影響也是不容小覷的一個(gè)重要因素。通過(guò)對(duì)不同地震烈度條件下滑坡危險(xiǎn)性的分析，結(jié)合路面破壞情況，構(gòu)建數(shù)值模擬計(jì)（轉(zhuǎn)下頁(yè)）算模型，實(shí)現(xiàn)了震后公路交通通行能力的定量、定性分析。根據(jù)研究成果，依據(jù)山東省地形地勢(shì)，對(duì)震后在不同烈度區(qū)發(fā)生滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)具體路段開(kāi)展了不同地震烈度下公路交通通行能力預(yù)評(píng)估的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)實(shí)地踏勘，預(yù)評(píng)估結(jié)果符合震后成災(zāi)構(gòu)件的可能性。因此，該研究成果對(duì)震后實(shí)施公路交通通行能力的快速評(píng)估具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

目前，一方面在滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估中所使用的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）為90 米分辨率，數(shù)值精度較為粗糙。今后可使用具有更高分辨率的高程數(shù)據(jù)，或采用無(wú)人機(jī)獲取數(shù)字地面模型（DSM）從而進(jìn)一步提高滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。另一方面公路交通附屬設(shè)施包括橋梁、隧道等交通工程設(shè)施，地震中這些工程的破壞也將導(dǎo)致通行能力的下降，震后公路交通通行能力分析模型還有待進(jìn)一步完善。