地震灾区公路通行能力快速评估方法研究与应用

杨玉永 娄世平 刘瑞峰 董 翔

（山东省地震局，山东 济南 250102）

1 概述

交通是社会活动和国民经济活动赖以存在和正常运行的基础条件。山东省的公路交通十分发达，区位优势尤为突出，省会济南市地处黄河中下游，是山东半岛城市群的核心城市，也是重要的全国性综合交通枢纽。突然发生的地震灾害往往造成严重的人员伤亡和财产损失。此时，公路是震后建立应急救援和疏散的主要通道，是重要的生命线工程。据统计，在国内外历次破坏性地震中，由于地震造成的地层错动、地裂缝等强地面运动，对公路及其附属交通设施造成直接破坏，在各类生命线工程中公路的受灾地位和受灾程度首当其冲。同时，由地震引发的泥石流、崩塌等次生地质灾害也将对公路交通造成间接的毁灭性打击。据交通部统计，在汶川8.0 级地震中，24 条高速、161 条国道和省道、8618 条乡村公路受损，6140 座桥梁、156 条隧道受到不同程度的破坏。地面隆起、路基滑塌、以及滑坡掩埋、巨石滚落等，使交通阻断，救援人员、救灾物资无法运抵开展施救，严重影响了抗震救灾工作的开展。

地震发生后，应急救援工作对公路路网的通达性具有较强的依赖性。灾区公路通行能力如何，哪些路段可行，哪些路段限行，这些都是震后第一时间亟待回答的问题。宋先月等[1]将烈度、震中距、发震时间、城市规模、日常畅行指数等因子纳入震后交通通行能力的考量范围，震后能够快速评估出大致的交通管制需求。安基文等[2]将最优救援路径和最优交通抢通方案作为约束条件，建立了基于双层优化方法的双层路径规划模型，拟定交通管制措施方案，助力应急救援行动的顺利实施。

2 构建公路通行能力模型

地震事件所造成的灾害损失并不是单一灾种的体现，地震作为一种原发性的主灾往往会引起一系列次生灾害的诱发。因此，对地震灾害损失的评估，是对地表事物受到多灾种破坏的一次综合研判。同理，公路通行能力不仅受到地震力造成路面破坏等直接影响，同时也受到周边山体等自然环境可能引发的滑坡等次生灾害的制约。

首先，考虑地震对公路交通工程设施造成的直接损坏，建立公路破坏程度与不同地震烈度之间的相关关系。其次，考虑滑坡等次生灾害对公路通行能力的综合作用，构建影响因子，对常规模型进行修正。最后，结合震例及实际经验，建立公路通行能力评价指标体系，实现对地震灾区公路通行能力定量、定性的分析研判。

2.1 公路破坏程度与地震烈度之间的相关关系

公路的主要组成部分一般由路基、路面以及附属的桥梁、隧道、沿线设施等部分组成。其中，路基是公路的基本结构，是支撑路面结构的基础，承受行车荷载的作用。路面是铺筑在路基之上的，与车轮直接接触的结构层。地震发生时，公路的路基、路面等基础结构在强地震动力的作用容易受到直接损坏，主要表现在路面开裂、平移、蛇形错动、路基失稳等。公路的破坏导致行车道宽度变窄或中断，车辆无法顺畅通过，从而造成公路通行能力的显著下降。

栗志杰[4]、段满珍[5]等学者，通过对真实地震中公路震害的总结，认为地震对公路造成的主要破坏因素包括地震烈度，以及路基土地类型、场地类别、地基失效程度、路基类型、路基高差，以及是否设防烈度设计等七个因子，提出了震害指数的概念。经过概率和模糊数学方法理论的模拟分析，震后公路的破坏程度可以用平均震害指数进行量化，即某路段平均震害指数ki 的计算方法可以用数学模型表示为：

式中，Xij为第i 条公路对应的第j 个震害因子量化值，震害因子取经验值。

2.2 影响因子——滑坡危险性分析

影响公路通行能力的因素有很多，相比地震对路面造成直接破坏而产生的损害而言，地震作为诱因而引发的滑坡、崩塌、泥石流等灾害损失则更为显著。据统计[6]，汶川地震中，都汶公路（都江堰-汶川）沿线25 平方公里范围内，发生1104 处滑坡、崩塌，掩埋道路累计数十公里。次生地质灾害对公里通行能力的影响不可小觑。

山东省地势以山地丘陵为骨架、平原盆地交错。中、东部突起，属鲁中南、胶东半岛山地丘陵地带；西南、西北低洼平坦，属黄河冲积而成的鲁西北平原区。全省地质灾害类型以崩塌、滑坡、泥石流等为主。据统计，2019 年全省共发生崩塌47 处、滑坡44 处、塌陷16 处、地裂缝1 处。

2.2.1 滑坡危险性

滑坡是岩土体在重力作用下沿着斜坡软弱的结构面整体或分散向下滑动的现象[7]。滑坡的孕育过程受地形地貌、地层岩性、地质构造等因素影响。其中，地形地貌是影响斜坡岩土体稳定性的关键因素之一[8]，通常一个区域内的地形地貌特征可以用坡度来定量或定性的描述。严越等[9]通过研究发现，滑坡灾害孕育及发生的概率与地形坡度之间存在指数关系。白仙富等[10]依据对汶川地震滑坡数据统计分析的基础上，对地震诱因引发滑坡的密度于地震烈度及地形坡度之间的关系进行了反演，建立了坡度、地震烈度，以及滑坡密度之间的数学关系模型——逻辑斯蒂模型。经过数值分析，基于逻辑斯蒂模型的演算结果更符合实际统计结果，因此提出可以利用地震滑坡密度来划分滑坡危险等级。

式中，x 表示地震烈度；y 表示滑坡密度；A，B 为常数项。

2.2.2 滑坡因子

滑坡引起的瓦砾会对沿线公路的路面产生阻碍效应，直接对公路通行能力产生影响。滑坡方量的大小、道路的路面宽度等多种因素都制约着公路通行能力。但是，由于滑坡运动形态具有多样性的特征，难以获得较为精确的滑坡土方量评估计算值。在对大量震例进行经验总结的基础上，在平均震害指数计算过程中增加一个致灾因子——滑坡危险性，进一步完善了公路通行能力模型的制约条件，使模型计算评估结果更贴近震后灾害趋势。

式中，s 滑坡危险性，根据经验取值。

2.3 修正后模型

根据对真实地震灾害分析总结经验的基础上，陈一平[12]提出，公路破坏程度与震害指数之间为正态分布。通过对大量实际震害与计算值的统计参数对比发现，在不同烈度条件下，平均震害指数与计算值十分接近，基本满足震害预测的需求。因此，震后公路通行能力可以用公路的破坏程度进行定量进行评估。其中，平均震害指数ki使用加入滑坡因子修正后的k'i。公路破坏程度的计算方法如下：

式中，P 为公路破坏程度；k'i为修正后的平均震害指数；σ为震害离散系数，是通过对历史震害和抗震经验总结得到的经验值。

2.4 评价指标

经过数学模型计算，得到震后公路破坏情况定量分析的模拟数值，结合实际震例中震后公路路面受灾状况，提出了公路通行能力的评价指标，对震后公路的通行能力进行定性分析，见表1。

表1 震后公路通行能力评价指标

3 在地震灾害预评估中的应用

3.1 滑坡危险等级计算

利用高程数字模型（DEM）结合逻辑斯蒂模型，对山东省进行滑坡危险性演算。经数值模拟分析，得到全省在Ⅶ至XI 不同烈度条件下的滑坡危险等级分布情况，见图1。

图1

3.2 道路通行能力计算矩阵

选取G2 高速公路某路段为例，对该路段在不同地震烈度条件下的通行能力进行预评估计算。经过调查收集，得到该路段路基、场地等要素参数，构建基于滑坡因子的修正后道路通行计算模型计算矩阵，计算结果如表2。

表2 道路通行能力计算矩阵

矩阵中，无滑坡风险i=1；轻微滑坡风险i=2；中等滑坡风险i=3；严重滑坡风险i=4。因当i=3 时，P≈0，故无需再计算严重滑坡风险时的k'i、P。

4 震后公路通行能力预评估

将计算得到的在Ⅶ至XI 度不同烈度取下公路通行能力预评估结果在地理空间上进行展示，并得到如表3 结论。

表3 G2（港西-曹范）段震后通行能力预评估结果

利用全景影像对存在震害隐患点进行复检。通过影像清晰可见，公路周围陡坡林立且紧邻，未发现公路边坡加固措施，易受地震动影响而发生滑坡等地质灾害，从而影响公路通行能力，符合震后成灾构件，见图2-3。

图2 蟠龙立交附近

图3 大龙堂附近

5 结论

地震动力会对公路路面造成直接破坏，但作为地震诱因而引起的滑坡地质灾害对公路的路面通行能力所造成的影响也是不容小觑的一个重要因素。通过对不同地震烈度条件下滑坡危险性的分析，结合路面破坏情况，构建数值模拟计（转下页）算模型，实现了震后公路交通通行能力的定量、定性分析。根据研究成果，依据山东省地形地势，对震后在不同烈度区发生滑坡灾害的危险性进行了模拟计算，对具体路段开展了不同地震烈度下公路交通通行能力预评估的实际应用。通过实地踏勘，预评估结果符合震后成灾构件的可能性。因此，该研究成果对震后实施公路交通通行能力的快速评估具有一定的实际应用意义。

目前，一方面在滑坡危险性评估中所使用的数字高程数据（DEM）为90 米分辨率，数值精度较为粗糙。今后可使用具有更高分辨率的高程数据，或采用无人机获取数字地面模型（DSM）从而进一步提高滑坡危险性预测的准确性。另一方面公路交通附属设施包括桥梁、隧道等交通工程设施，地震中这些工程的破坏也将导致通行能力的下降，震后公路交通通行能力分析模型还有待进一步完善。