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

交通是社會活動和國民經(jīng)濟(jì)活動賴以存在和正常運行的基礎(chǔ)條件。山東省的公路交通十分發(fā)達(dá)，區(qū)位優(yōu)勢尤為突出，省會濟(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)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。此時，公路是震后建立應(yīng)急救援和疏散的主要通道，是重要的生命線工程。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)外歷次破壞性地震中，由于地震造成的地層錯動、地裂縫等強(qiáng)地面運動，對公路及其附屬交通設(shè)施造成直接破壞，在各類生命線工程中公路的受災(zāi)地位和受災(zāi)程度首當(dāng)其沖。同時，由地震引發(fā)的泥石流、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害也將對公路交通造成間接的毀滅性打擊。據(jù)交通部統(tǒng)計，在汶川8.0 級地震中，24 條高速、161 條國道和省道、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)物資無法運抵開展施救，嚴(yán)重影響了抗震救災(zāi)工作的開展。

地震發(fā)生后，應(yīng)急救援工作對公路路網(wǎng)的通達(dá)性具有較強(qiáng)的依賴性。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間亟待回答的問題。宋先月等[1]將烈度、震中距、發(fā)震時間、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)急救援行動的順利實施。

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)往往會引起一系列次生災(zāi)害的誘發(fā)。因此，對地震災(zāi)害損失的評估，是對地表事物受到多災(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)害對公路通行能力的綜合作用，構(gòu)建影響因子，對常規(guī)模型進(jìn)行修正。最后，結(jié)合震例及實際經(jīng)驗，建立公路通行能力評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)對地震災(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)，承受行車荷載的作用。路面是鋪筑在路基之上的，與車輪直接接觸的結(jié)構(gòu)層。地震發(fā)生時，公路的路基、路面等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震動力的作用容易受到直接損壞，主要表現(xiàn)在路面開裂、平移、蛇形錯動、路基失穩(wěn)等。公路的破壞導(dǎo)致行車道寬度變窄或中斷，車輛無法順暢通過，從而造成公路通行能力的顯著下降。

栗志杰[4]、段滿珍[5]等學(xué)者，通過對真實地震中公路震害的總結(jié)，認(rèn)為地震對公路造成的主要破壞因素包括地震烈度，以及路基土地類型、場地類別、地基失效程度、路基類型、路基高差，以及是否設(shè)防烈度設(shè)計等七個因子，提出了震害指數(shù)的概念。經(jīng)過概率和模糊數(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 條公路對應(yīng)的第j 個震害因子量化值，震害因子取經(jīng)驗值。

2.2 影響因子——滑坡危險性分析

影響公路通行能力的因素有很多，相比地震對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[6]，汶川地震中，都汶公路（都江堰-汶川）沿線25 平方公里范圍內(nèi)，發(fā)生1104 處滑坡、崩塌，掩埋道路累計數(shù)十公里。次生地質(zhì)災(zāi)害對公里通行能力的影響不可小覷。

山東省地勢以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯。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)害類型以崩塌、滑坡、泥石流等為主。據(jù)統(tǒng)計，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的現(xiàn)象[7]?；碌脑杏^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]，通常一個區(qū)域內(nèi)的地形地貌特征可以用坡度來定量或定性的描述。嚴(yán)越等[9]通過研究發(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)對汶川地震滑坡數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，對地震誘因引發(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)過數(shù)值分析，基于邏輯斯蒂模型的演算結(jié)果更符合實際統(tǒng)計結(jié)果，因此提出可以利用地震滑坡密度來劃分滑坡危險等級。

式中，x 表示地震烈度；y 表示滑坡密度；A，B 為常數(shù)項。

2.2.2 滑坡因子

滑坡引起的瓦礫會對沿線公路的路面產(chǎn)生阻礙效應(yīng)，直接對公路通行能力產(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，由于滑坡運動形態(tài)具有多樣性的特征，難以獲得較為精確的滑坡土方量評估計算值。在對大量震例進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，在平均震害指數(shù)計算過程中增加一個致災(zāi)因子——滑坡危險性，進(jìn)一步完善了公路通行能力模型的制約條件，使模型計算評估結(jié)果更貼近震后災(zāi)害趨勢。

式中，s 滑坡危險性，根據(jù)經(jīng)驗取值。

2.3 修正后模型

根據(jù)對真實地震災(zāi)害分析總結(jié)經(jīng)驗的基礎(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。通過對大量實際震害與計算值的統(tǒng)計參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，在不同烈度條件下，平均震害指數(shù)與計算值十分接近，基本滿足震害預(yù)測的需求。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)，是通過對歷史震害和抗震經(jīng)驗總結(jié)得到的經(jīng)驗值。

2.4 評價指標(biāo)

經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計算，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價指標(biāo)，對震后公路的通行能力進(jìn)行定性分析，見表1。

表1 震后公路通行能力評價指標(biāo)

3 在地震災(zāi)害預(yù)評估中的應(yīng)用

3.1 滑坡危險等級計算

利用高程數(shù)字模型（DEM）結(jié)合邏輯斯蒂模型，對山東省進(jìn)行滑坡危險性演算。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等級分布情況，見圖1。

圖1

3.2 道路通行能力計算矩陣

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

表2 道路通行能力計算矩陣

矩陣中，無滑坡風(fēng)險i=1；輕微滑坡風(fēng)險i=2；中等滑坡風(fēng)險i=3；嚴(yán)重滑坡風(fēng)險i=4。因當(dāng)i=3 時，P≈0，故無需再計算嚴(yán)重滑坡風(fēng)險時的k'i、P。

4 震后公路通行能力預(yù)評估

將計算得到的在Ⅶ至XI 度不同烈度取下公路通行能力預(yù)評估結(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)評估結(jié)果

利用全景影像對存在震害隱患點進(jìn)行復(fù)檢。通過影像清晰可見，公路周圍陡坡林立且緊鄰，未發(fā)現(xiàn)公路邊坡加固措施，易受地震動影響而發(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

地震動力會對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)害對公路的路面通行能力所造成的影響也是不容小覷的一個重要因素。通過對不同地震烈度條件下滑坡危險性的分析，結(jié)合路面破壞情況，構(gòu)建數(shù)值模擬計（轉(zhuǎn)下頁）算模型，實現(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，對震后在不同烈度區(qū)發(fā)生滑坡災(zāi)害的危險性進(jìn)行了模擬計算，對具體路段開展了不同地震烈度下公路交通通行能力預(yù)評估的實際應(yīng)用。通過實地踏勘，預(yù)評估結(jié)果符合震后成災(zāi)構(gòu)件的可能性。因此，該研究成果對震后實施公路交通通行能力的快速評估具有一定的實際應(yīng)用意義。

目前，一方面在滑坡危險性評估中所使用的數(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)一步提高滑坡危險性預(yù)測的準(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。