宋永朝，楊永前

(重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074)

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山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性綜合評價研究

宋永朝，楊永前

(重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074)

為了探討山地城市路網(wǎng)與震害環(huán)境適應(yīng)性問題，綜合分析山地城市路網(wǎng)特點及其震害環(huán)境狀態(tài)，依據(jù)評價指標(biāo)的選取原則和選取方法，建立了山地城市抗震適應(yīng)性評價指標(biāo)體系；采用層次分析法確定各影響因素的權(quán)重；運用模糊綜合評價法建立了山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性綜合評價模型；對山城重慶某局域路網(wǎng)進(jìn)行了抗震適應(yīng)性綜合評價。

交通工程；山地城市；城市路網(wǎng)；地震災(zāi)害；抗震適應(yīng)性；綜合評價

中國是一個多山的國家，山地面積幾乎占到了全國陸地總面積的70%，山地城鎮(zhèn)約占全國城鎮(zhèn)總數(shù)的一半。同時，中國是世界上最大的一個大陸地震區(qū)，地震烈度在Ⅵ度以上地區(qū)的面積占國土面積的60%。山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，山地城市是地震災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，震害發(fā)生時城市路網(wǎng)在應(yīng)急疏散和救援中起著至關(guān)重要的作用，是防災(zāi)減災(zāi)工程中的重要承擔(dān)者，有必要分析山地城市路網(wǎng)與震害環(huán)境狀態(tài)是否匹配，從而提高山地城市路網(wǎng)抗震能力。

對于城市抗震減災(zāi)國內(nèi)已有大量研究，亦提出了許多評價指標(biāo)與評價模型。王曉飛，等[1]應(yīng)用模糊綜合評價法對道路運營安全服務(wù)等級進(jìn)行評判，并通過對路段評判結(jié)果的加權(quán)求和評定高速公路路網(wǎng)安全性；陶小林[2]對山地城市沿街建筑震后房屋倒塌計算模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了修改標(biāo)準(zhǔn)路長，計算路段單元的連通概率的模型。張風(fēng)華，劉莉，等[3-5]以人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、震后恢復(fù)時間為評價準(zhǔn)則，建立了城市防震減災(zāi)能力評估指標(biāo)體系；周彪，等[6]提出城市防災(zāi)減災(zāi)綜合能力定量分析的指標(biāo)體系，從矢量投影的角度出發(fā)提出評價模型。

從已有的相關(guān)研究來看，城市路網(wǎng)評價一般側(cè)重于平時交通需求，而對于路網(wǎng)與災(zāi)害環(huán)境適應(yīng)性評價有待深入研究。筆者在充分考慮了山地城市路網(wǎng)特點及其震害環(huán)境狀態(tài)基礎(chǔ)上，建立山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評價模型，評估山地城市路網(wǎng)與地震災(zāi)害的適應(yīng)性問題。

1 山地城市路網(wǎng)及震害特點

1.1 山地城市路網(wǎng)特點分析

山地城市地形條件復(fù)雜，地形高差大，路網(wǎng)布局及建筑物分布受地形條件限制較大，往往被江河、溝谷所分割。與平原城市相比，山地城市一般用地較為分散，城市形態(tài)大多呈現(xiàn)為多中心組團(tuán)式或帶狀結(jié)構(gòu)，路網(wǎng)形式則以自由式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主。

山區(qū)地形起伏較大，道路設(shè)計選線時，為了降低縱坡，通常結(jié)合地形沿山麓或河岸布線，或延長道路長度以克服自然高差，路線彎曲無一定規(guī)則，小半徑曲線、回頭曲線較為常見，幾何線形條件較差，設(shè)計速度低，視距條件差。為節(jié)約用地，充分利用地形，道路蜿蜒曲折，T形交叉、畸形交叉、錯位交叉較多，交通組織困難；道路寬度較窄，且斷頭路多，橫向聯(lián)系道路少，路網(wǎng)非直線系數(shù)大。

1.2 山地城市路網(wǎng)震害特點分析

地震會對城市道路造成嚴(yán)重危害。地震導(dǎo)致地下巖層斷裂、錯動、變形，進(jìn)而造成修筑在其上的路基路面結(jié)構(gòu)變形破壞。山地城市由于地形起伏較大，受到山脈、河流等地形條件的限制，山地城市道路中邊坡、半填半挖路基、擋土墻、橋梁隧道工程等遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于平原城市。在地震作用下，路基擋土墻往往出現(xiàn)側(cè)移、外傾、墻面鼓脹、基礎(chǔ)脫空甚至坍塌等破壞現(xiàn)象。地震引發(fā)山體滑坡大量土石方順巖層的軟弱面大規(guī)?；瑒?，造成道路被推移或掩埋。在地震作用下產(chǎn)生大量松散堆積物，再加上山區(qū)陡峭的地形條件，若恰逢降雨，將引發(fā)規(guī)模不一的泥石流災(zāi)害。在節(jié)理裂隙發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重、巖體松散破碎的陡峭山體上或深路塹路段，在地震作用下易引發(fā)山體崩塌。在峽谷地段，地震引發(fā)的滑坡、泥石流、坍塌等堆積物將河溝攔斷，導(dǎo)致上游來水無法下泄而形成堰塞湖，不斷上漲的湖水淹沒沿河岸修建的道路。地震往往還會造成橋梁垮塌、隧道堵塞，造成交通中斷等。

綜上所述，地震對于山地城市造成的影響要遠(yuǎn)比對平原城市的影響嚴(yán)重、復(fù)雜。

2 山地城市抗震適應(yīng)性綜合評價

山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性指標(biāo)涉及面廣，影響因素多且復(fù)雜，大部分評價指標(biāo)難以用精確的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)衡量。為此，采用系統(tǒng)工程方法中的模糊綜合評判法，對山地城市路網(wǎng)的抗震適應(yīng)性進(jìn)行客觀評價。

2.1 模糊綜合評價方法的基本原理

模糊綜合評價法應(yīng)用模糊系統(tǒng)的基本理論，對具體事物建立評價因素集、各因素權(quán)重集、各種評價結(jié)果組成的評價集，進(jìn)行綜合運算和評價[7-8]。模糊綜合評價一般包括評價因素集的確定、評價指標(biāo)等級及其標(biāo)準(zhǔn)值的確定、各因素權(quán)重的確定、計算綜合指標(biāo)值和綜合指標(biāo)隸屬度等步驟。

2.2 抗震適應(yīng)性評價模型

2.2.1 模糊集的確定

因素集的選取需遵循以下原則：盡可能簡潔全面，能反映影響山地城市路網(wǎng)在地震作用下的安全穩(wěn)定性屬性；反映路網(wǎng)安全屬性的主要因素要盡可能選??；各影響因素具有相對易測性，其測定的結(jié)果具有相對穩(wěn)定性。

根據(jù)對指標(biāo)體系建立的總體思路，基于上述指標(biāo)選取原則，在路網(wǎng)及防災(zāi)減災(zāi)評價指標(biāo)已有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合山地城市與平原城市路網(wǎng)的不同特點，建立山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，由以下4個方面構(gòu)成：路網(wǎng)因素U1、交通環(huán)境因素U2、應(yīng)急管理能力因素U3、震害環(huán)境U4，即U={U1，U2，U3，U4}，其中每一因素Ui又包括多個子因素，即Ui={Ui1，Ui2，… } ，i=1，2，3，4。影響抗震適應(yīng)性的單因素等級劃分結(jié)構(gòu)如表1。

2.2.2 確定各評價要素的權(quán)重

在多指標(biāo)的模糊綜合評價中，經(jīng)常與其它綜合評價方法相結(jié)合來確定各指標(biāo)的權(quán)重。如Delphi 法、層次分析法、均方差法、變異系數(shù)法等。由于影響山地城市抗震適應(yīng)性的因素指標(biāo)多且復(fù)雜，優(yōu)先選用層次分析法(AHP)確定各因素的權(quán)重。層次分析法運用兩兩對比的方法，構(gòu)造比較矩陣，權(quán)重即該矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量。通過矩陣運算求解得到比較矩陣的最大特征根λmax及其對應(yīng)的特征向量W；然后進(jìn)行一致性檢驗。具體計算步驟如下。

1) 構(gòu)造比較判斷矩陣。通過專家對一級指標(biāo)層的元素Ui和Uj判斷哪一個更為重要，按重要性賦予1～9 的比例標(biāo)度(表2)得到判斷矩陣。

2)判斷矩陣特征向量計算。采用和積法對判斷矩陣進(jìn)行計算，求出其特征向量和特征根，得W=(0.227 1,0.096 0,0.116 1,0.465 8)T，λmax=4.031 0。

3)一致性檢驗。CR=CI/RI<0.1，其中CI=(λmax-n) /(n-1)，n為指標(biāo)數(shù)；λmax為判斷矩陣最大特征根；RI 為當(dāng)指標(biāo)數(shù)為n時的平均一致性指標(biāo)。CR=CI/RI=0.017 1/0.89=0.011 6<0.1，符合一致性要求。

同理，可計算得到各二級指標(biāo)層的權(quán)向量，由于篇幅限制，不再一一列出，其計算及檢驗結(jié)果見表3。

表1 影響路網(wǎng)抗震適應(yīng)性的單因素結(jié)構(gòu)

表2 Saaty建議的1～9標(biāo)度語言量化

表3 單因素權(quán)重

2.2.3 建立評語集

以對單因素的模糊判斷，得到模糊綜合評價的路網(wǎng)抗震適應(yīng)性等級，確定其模糊評語集為：V= {高，較高，一般，較低，低} = {v1，v2，v3，v4，v5}，并給各適應(yīng)性等級賦予一定的數(shù)值，以便進(jìn)行路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評價，按其適應(yīng)性等級確定為：V={v1，v2，v3，v4，v5}={100，80，60，40，20 }。

2.2.4 建立評價因素隸屬度模糊矩陣

隸屬函數(shù)的確定是保證評價結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵，在實際應(yīng)用中往往依靠經(jīng)驗和試驗統(tǒng)計。常用的隸屬函數(shù)確定方法有模糊統(tǒng)計法、二元對比排序法、分析推理法等。將隸屬關(guān)系由確定的{0，1}變?yōu)檫B續(xù)的閉區(qū)間[0，1]，充分考慮到中間過渡狀態(tài)是模糊集合論的最大特點。由于抗震適應(yīng)性影響因素的復(fù)雜性，確切的劃分界限往往會抹殺許多其他規(guī)律。模糊集合論通過研究事件的模糊關(guān)系，尋求廣義的排中率-隸屬規(guī)律-事件隸屬度的客觀含義，反映出事件與模糊概念間的聯(lián)系和制約。筆者采用半梯形和梯形分布隸屬函數(shù)來分析，如對于道路線形評價指標(biāo)而言，5個隸屬函數(shù)表示如下：

通過專家打分得到各指標(biāo)的定性評判：好(85～100)，較好(70～85)，一般(50～70)，較差(30～50)，差(≤30)，從而可類似得到梯形隸屬函數(shù)對應(yīng)評語集合V中的v1，v2，v3，v4，v5。然后，確定各指標(biāo)的隸屬度指標(biāo)值，建立隸屬度模糊判別矩陣R(Sij)。

2.2.5 抗震適應(yīng)性綜合評價

二級指標(biāo)層中各因素在其上層指標(biāo)中所占權(quán)重用權(quán)重向量Wi表示，各指標(biāo)對應(yīng)評語集的模糊評判矩陣表示為R(Sij)，則一級評判向量為：

SCij=Wi×R(Suij)

(1)

由一級評價向量SCij構(gòu)成二級評判矩陣RCi，一級指標(biāo)層中各因素在抗震適應(yīng)性評價中的權(quán)重用向量W表示，則二級評判向量為：

(2)

式中:RCi=(SCi1,SCi2,…,SCim)T(m表示為結(jié)構(gòu)層次中一級影響因素的個數(shù))。

一般情況下，還需對二級評判向量進(jìn)行歸一化處理(處理之后向量用SAi表示)。通過式(3)計算即可得到所需評價路網(wǎng)的抗震適應(yīng)性綜合得分：

v=SAi×ST

(3)

通過以上對路網(wǎng)的抗震適應(yīng)性綜合評判，根據(jù)最大隸屬原則以及最終評判得分值屬于哪一等級，即可確定該山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性等級。

3 算 例

選用典型山地城市重慶市某局域路網(wǎng)為例，對該山地城市路網(wǎng)與本地區(qū)震害環(huán)境的適應(yīng)程度進(jìn)行分析，具體闡述山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評價的計算過程，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 重慶市某區(qū)域路網(wǎng)

該路網(wǎng)由52個基本路段，33個節(jié)點組成，經(jīng)過實地調(diào)查統(tǒng)計與專家評定，相鄰路段車速差最大值為10 km/h， 路面狀況指數(shù)值85分，有較為先進(jìn)的交通工程設(shè)施，其他因素評價詳見表4。

表4 單因素狀況描述

3.1 一級模糊評判

根據(jù)路網(wǎng)的單因素狀況描述，建立路網(wǎng)單因素模糊評判矩陣。

一級評判計算，即

SC1=W1j×R(Su1)=

SC3=W3j×R(Su3)=

SC4=

3.2 二級模糊評判

二級評判矩陣由一級評判結(jié)果得到：

將SB進(jìn)行歸一化處理，得：

計算路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評價的綜合得分為：

v=SA×VT=79.082

通過上述綜合評價，根據(jù)最大隸屬原則，路網(wǎng)抗震適應(yīng)性評判得分評價區(qū)間為[60，80]，屬于評語集中的v2。由此確定該山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性等級為“較高”狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1)分析了山地城市路網(wǎng)特點及其震害環(huán)境狀態(tài)，相對于平原城市，地震災(zāi)害對山地城市的影響要更為嚴(yán)重和復(fù)雜。

2)根據(jù)評價指標(biāo)的選取原則和選取方法，建立了山地城市抗震適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，采用層次分析法確定各影響因素的權(quán)重，運用模糊分析方法建立了山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性綜合評價模型。

3)通過實地調(diào)查采集相關(guān)參數(shù)，運用山地城市路網(wǎng)抗震適應(yīng)性綜合評價模型，對山城重慶某局域路網(wǎng)進(jìn)行了抗震適應(yīng)性評估，評估結(jié)果表明該評估方法具有可實施性。

[1] 王曉飛,郭忠印.基于路段二級模糊評判的路網(wǎng)運營安全性研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2007,35(12):1633-1666. Wang Xiaofei,Guo Zhongyin.Research on network safety operation based on two-level fuzzy comprehensive judgment of highway segment[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2007,35(12):1633-1666.

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Comprehensive Evaluation Study on Seismic Adaptability of Mountainous City Road Network

Song Yongchao，Yang Yongqian

(School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to research the earthquake environmental adaptability of mountainous city road network, and analyze the characteristics and earthquake damage environment, the mountainous city earthquake adaptability evaluation index system was established based on the principle and methods of selecting evaluation. The weight of each factor was determined by using Analytic Hierarchy Process. The seismic adaptability comprehensive evaluation model of urban road network of mountainous city was constructed using the fuzzy comprehensive evaluation. A local area road network seismic adaptability of Chongqing was evaluated.

traffic engineering;mountainous city; urban road network; seismic disaster;seismic adaptability; comprehensive evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.23

2013-05-22；

2013-12-07

國家自然科學(xué)基金項目(51278361)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ120418)

宋永朝(1975—)，男，湖南雙峰人，副教授，博士，主要從事道路與交通工程方面的研究。E-mail:songyc69@163.com。

楊永前(1989—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事道路與交通安全方面的研究。E-mail:yangyqky@126.com。

U491

A

1674-0696(2015)01-105-05