地震災區公路通行能力快速評估方法研究與應用

楊玉永 婁世平 劉瑞峰 董 翔

（山東省地震局，山東 濟南 250102）

1 概述

交通是社會活動和國民經濟活動賴以存在和正常運行的基礎條件。山東省的公路交通十分發達，區位優勢尤為突出，省會濟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。突然發生的地震災害往往造成嚴重的人員傷亡和財產損失。此時，公路是震后建立應急救援和疏散的主要通道，是重要的生命線工程。據統計，在國內外歷次破壞性地震中，由于地震造成的地層錯動、地裂縫等強地面運動，對公路及其附屬交通設施造成直接破壞，在各類生命線工程中公路的受災地位和受災程度首當其沖。同時，由地震引發的泥石流、崩塌等次生地質災害也將對公路交通造成間接的毀滅性打擊。據交通部統計，在汶川8.0 級地震中，24 條高速、161 條國道和省道、8618 條鄉村公路受損，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、救災物資無法運抵開展施救，嚴重影響了抗震救災工作的開展。

地震發生后，應急救援工作對公路路網的通達性具有較強的依賴性。災區公路通行能力如何，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、發震時間、城市規模、日常暢行指數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]將最優救援路徑和最優交通搶通方案作為約束條件，建立了基于雙層優化方法的雙層路徑規劃模型，擬定交通管制措施方案，助力應急救援行動的順利實施。

2 構建公路通行能力模型

地震事件所造成的災害損失并不是單一災種的體現，地震作為一種原發性的主災往往會引起一系列次生災害的誘發。因此，對地震災害損失的評估，是對地表事物受到多災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境可能引發的滑坡等次生災害的制約。

首先，考慮地震對公路交通工程設施造成的直接損壞，建立公路破壞程度與不同地震烈度之間的相關關系。其次，考慮滑坡等次生災害對公路通行能力的綜合作用，構建影響因子，對常規模型進行修正。最后，結合震例及實際經驗，建立公路通行能力評價指標體系，實現對地震災區公路通行能力定量、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關系

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、沿線設施等部分組成。其中，路基是公路的基本結構，是支撐路面結構的基礎，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構層。地震發生時，公路的路基、路面等基礎結構在強地震動力的作用容易受到直接損壞，主要表現在路面開裂、平移、蛇形錯動、路基失穩等。公路的破壞導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]等學者，通過對真實地震中公路震害的總結，認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，以及是否設防烈度設計等七個因子，提出了震害指數的概念。經過概率和模糊數學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進行量化，即某路段平均震害指數ki 的計算方法可以用數學模型表示為：

式中，Xij為第i 條公路對應的第j 個震害因子量化值，震害因子取經驗值。

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生的損害而言，地震作為誘因而引發的滑坡、崩塌、泥石流等災害損失則更為顯著。據統計[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，發生1104 處滑坡、崩塌，掩埋道路累計數十公里。次生地質災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。全省地質災害類型以崩塌、滑坡、泥石流等為主。據統計，2019 年全省共發生崩塌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構面整體或分散向下滑動的現象[7]。滑坡的孕育過程受地形地貌、地層巖性、地質構造等因素影響。其中，地形地貌是影響斜坡巖土體穩定性的關鍵因素之一[8]，通常一個區域內的地形地貌特征可以用坡度來定量或定性的描述。嚴越等[9]通過研究發現，滑坡災害孕育及發生的概率與地形坡度之間存在指數關系。白仙富等[10]依據對汶川地震滑坡數據統計分析的基礎上，對地震誘因引發滑坡的密度于地震烈度及地形坡度之間的關系進行了反演，建立了坡度、地震烈度，以及滑坡密度之間的數學關系模型——邏輯斯蒂模型。經過數值分析，基于邏輯斯蒂模型的演算結果更符合實際統計結果，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生阻礙效應，直接對公路通行能力產生影響。滑坡方量的大小、道路的路面寬度等多種因素都制約著公路通行能力。但是，由于滑坡運動形態具有多樣性的特征，難以獲得較為精確的滑坡土方量評估計算值。在對大量震例進行經驗總結的基礎上，在平均震害指數計算過程中增加一個致災因子——滑坡危險性，進一步完善了公路通行能力模型的制約條件，使模型計算評估結果更貼近震后災害趨勢。

式中，s 滑坡危險性，根據經驗取值。

2.3 修正后模型

根據對真實地震災害分析總結經驗的基礎上，陳一平[12]提出，公路破壞程度與震害指數之間為正態分布。通過對大量實際震害與計算值的統計參數對比發現，在不同烈度條件下，平均震害指數與計算值十分接近，基本滿足震害預測的需求。因此，震后公路通行能力可以用公路的破壞程度進行定量進行評估。其中，平均震害指數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；σ為震害離散系數，是通過對歷史震害和抗震經驗總結得到的經驗值。

2.4 評價指標

經過數學模型計算，得到震后公路破壞情況定量分析的模擬數值，結合實際震例中震后公路路面受災狀況，提出了公路通行能力的評價指標，對震后公路的通行能力進行定性分析，見表1。

表1 震后公路通行能力評價指標

3 在地震災害預評估中的應用

3.1 滑坡危險等級計算

利用高程數字模型（DEM）結合邏輯斯蒂模型，對山東省進行滑坡危險性演算。經數值模擬分析，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行預評估計算。經過調查收集，得到該路段路基、場地等要素參數，構建基于滑坡因子的修正后道路通行計算模型計算矩陣，計算結果如表2。

表2 道路通行能力計算矩陣

矩陣中，無滑坡風險i=1；輕微滑坡風險i=2；中等滑坡風險i=3；嚴重滑坡風險i=4。因當i=3 時，P≈0，故無需再計算嚴重滑坡風險時的k'i、P。

4 震后公路通行能力預評估

將計算得到的在Ⅶ至XI 度不同烈度取下公路通行能力預評估結果在地理空間上進行展示，并得到如表3 結論。

表3 G2（港西-曹范）段震后通行能力預評估結果

利用全景影像對存在震害隱患點進行復檢。通過影像清晰可見，公路周圍陡坡林立且緊鄰，未發現公路邊坡加固措施，易受地震動影響而發生滑坡等地質災害，從而影響公路通行能力，符合震后成災構件，見圖2-3。

圖2 蟠龍立交附近

圖3 大龍堂附近

5 結論

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災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，結合路面破壞情況，構建數值模擬計（轉下頁）算模型，實現了震后公路交通通行能力的定量、定性分析。根據研究成果，依據山東省地形地勢，對震后在不同烈度區發生滑坡災害的危險性進行了模擬計算，對具體路段開展了不同地震烈度下公路交通通行能力預評估的實際應用。通過實地踏勘，預評估結果符合震后成災構件的可能性。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用意義。

目前，一方面在滑坡危險性評估中所使用的數字高程數據（DEM）為90 米分辨率，數值精度較為粗糙。今后可使用具有更高分辨率的高程數據，或采用無人機獲取數字地面模型（DSM）從而進一步提高滑坡危險性預測的準確性。另一方面公路交通附屬設施包括橋梁、隧道等交通工程設施，地震中這些工程的破壞也將導致通行能力的下降，震后公路交通通行能力分析模型還有待進一步完善。