川滇地区工程场外道路地震风险评估研究

摘要：水利水电工程场外道路的地震风险判定，对工程项目实施进度起着重要作用。本文中以川滇地区工程场外道路为研究对象，采用模糊集合理论和判断矩阵法，建立地质环境和地震危险性两大因子破坏的综合评估数学模型，分析37个地州市遭受地震后道路破坏情况的可能性。分析表明：川滇地区工程场外道路遭受地震中等破坏的可能性较大，且位于四川的工程场外道路遭受到地震风险破坏的指数高于云南地区的地震风险评估值。

关键词： 地震风险评估； 模糊集合； 判断矩阵； 地震危险性

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.001

四川省位于青藏高原和长江中下游平原的过渡带，地势西高东低，落差悬殊，涵盖了山地、高原、丘陵、平原和盆地等多种地貌，以长江水系为主，河流众多；云南省属于山地高原地形，地势自北向南阶梯状降低，地跨长江、珠江、元江、澜沧江、怒江、大盈江6大水系，水资源丰富。两省得天独厚的自然条件非常适合水利水电工程的建设发展。为了保障水电工程的建设进度，其交通运输的优选决策尤为必要。不仅要考虑道路建设或改建的难易程度、工期要求、设备器材的运输量和投入经费等因素，还要考虑当地自然环境的影响。川滇地区属于地震多发区，近年来先后发生汶川8.0级地震、芦山7.0级地震、九寨沟7.0级地震、尼玛县6.6级地震等。由于水利水电工程建设通常处于较偏僻的山区，人口密集度较低，若进行大型水利枢纽设备的运输，就要对其交通线路进行扩建或改建，但原有道路建设投入有限，改建前和扩建后的道路普遍等级不高，易损度基本上趋于一致性，属于较高易损性（例如受地质环境和气候影响，2018年11月金沙江白格堰塞湖造成水库周边道路受阻；2021年8月因卡杨公路阻断10日，影响杨房沟工程建设进度等）。因此，工程场外道路的地震风险研究十分必要。

风险研究属于不确定性概念，它一般考虑致灾因子危险性的强度或频度引起整个承载体所处的不稳定性环境的可能性判定。其公式为风险（R）=危险性（H）×易损性（V）。地震属于难以预测性因素，符合不确定性的特点，可将地震作为致灾因子，道路作为研究对象。国内对公路工程的地震风险研究大多集中在公路桥梁、公路隧道等方面［1-2］，针对一般公路路段震害研究大多从结构本身或从遥感影像判读［3］。而本文中将川滇地区工程场外道路作为整体研究对象，系统分析了工程场外道路受不同权重因子作用下的地震风险，从而判断风险性大小，为水电工程建设期设备运输线路保障提供了一定的科学决策依据。

1 工程场外道路的致灾因子分析

致灾因子是自然或人为环境中，能够对人类生命、财产或各种活动产生不利影响，并造成灾害事件的因素。它由不同级层、不同权重的多个影响元素构成。

本文中以工程场外道路为整体研究对象，改建前后的道路等级均不高，可按照同一类道路进行分析。地震造成工程场外道路的破坏主要从客观环境和地震危害两方面的角度出发，分为地质环境和地震危险性。其中地质环境因子可细分为地震构造背景和活动构造断裂。同样，地震危险性因子分成地震活动性和地震动峰值加速度（图1）。

参考国家标准［4-5］，道路破坏等级划分5类，本文中研究不考虑基本完好，只分轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏4类情况分析。

2 地质环境因子分析

2.1 地震构造背景的影响

张文佑提出断块学说，结合地质力学和板块构造学，按照不同深度的断裂所围限的板块，进行空间较大尺度的地震构造背景分析［6］。川滇是青藏高原受印度板块向欧亚板块俯冲碰撞挤压等强烈变形区域之一，它由滇西断块、川滇块体、巴颜喀拉块体、凉山断块、四川盆地弱活动断裂构造区及川黔鄂弱活动断裂构造区等构成［7-8］，各区域断块的活动强度与地震活动特性存在紧密联系（表1）。

由于川滇地区特殊的地质构造环境，使得孕震、发震活动明显高于其他区域。按照川滇地震构造区分布（图2）、历史地震和最大潜在地震的预判，分别对37个地州市进行断块块体、VfBZJiq2exYfXaaym+yCZA==构造区、地震带等一一分析，确定工程场外道路所受破坏的模糊矩阵值（表2）。

2.2 地震活动构造断裂带的影响

川滇地区因板块运动产生了众多活动断裂带，而地震活动则是断裂变形活动的最直接体现［9］，断层运动的变形和应力的积累、释放与地震能量释放相互关联。强震主要发生在活动断块的边界或是活动断裂带的交汇处等，因此按照地震活动的明显特征，将活动断裂带作为考虑的子因素。例如在板块边界的挤压逆冲型龙门山断裂带发生2008年汶川8.0级大地震；1850年西昌7.5级地震发震构造为安宁河—则木断裂带；2021年漾濞6.4级地震主要受红河断裂带影响等。实勘的活动断层可反应局部孕震环境，通过文献查找到受主要活动断裂带影响的川滇地区历史6级以上部分地震（表3）。

川滇块体中自北向南依次分布着甘孜—玉树断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带；块体西边界延伸南边界由北向南依次为金沙江断裂带、中甸—德钦断裂带、红河断裂带、楚雄断裂带、石屏—建水断裂带和曲江断裂带。巴颜喀拉地块东边界有著名的龙门山断裂带；滇西南的北部分布着大盈江断裂和龙陵—瑞丽断裂带；其中部有南汀河断裂、澜沧江断裂带和景谷断裂带；川滇东部有马边—盐津断裂和昭通—鲁甸断裂带（图3）。以地州市为单元，分析工程场外道路受到活动断裂带影响下引发地震破坏的可能性，考虑到断裂带周边发生地震的周期、震级上限等参数，参照潜在震源区位置，确定活动断裂带诱发地震可能造成道路破坏影响的模糊矩阵值（表4）。

3 地震危险性因子分析

3.1 地震活动性影响

地震三要素（时间、地点、震级）是客观监测地震活动性的最直观体现。通过中国数字地震观测台网2008年以来的川滇区域地震目录，可以看出从2008年1月至2022年6月22日，共发生2 146次3级以上地震（图4）。

在研究川滇区域地震活动性时，发现大部分中强地震周围会出现中小地震密集状态，成团簇状［10-11］；如龙门山断裂带附近共发生710次3级以上地震，在经历了汶川8.0级地震后，地震频度、震级都有所降低，能量释放趋于缓和，但周边山体道路依然存在安全隐患；位于相对稳定的华南地块边缘的长宁县，于2019年发生6.0级地震，可能与附近深井采盐注水有关［12］。针对云南地区频繁发生中小型地震，与板块挤压，造成能量释放有关。因此地震活动性与地质构造和人为活动都有关联。本文中以地州市为单元，进行地震频度和大小的统计并进行地震活动性分析。考虑水电工程场外改建前后的山区道路为易损性较高的同类型道路，因此将7级以上地震造成道路毁坏、6.0～6.9级地震造成严重破坏、5.0～5.9级地震为中等破坏，3.0～4.9级地震造成轻微破坏。在进行模糊矩阵值的确定时，以震级由大到小进行个数和能量比对，逐个递推得出川滇地区工程场外道路受地震活动性影响的约束矩阵值（表5）。

3.2 地震动峰值加速度

工程设施和建筑物的设防标准以地震动峰值加速度为参考依据。参照国家标准［13］可以看出，按50年设防，10%超越概率的II类场地条件，将全国划分为0.05、0.10、0.15、0.20、0.30 g和≥0.40 g等6级不同地震危险性等级的区域。其中，部分区域的地震动峰值加速度高达0.4 g，相当于烈度值达到Ⅸ及以上，这些区域包括鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带、小江断裂带、黑河断裂带等。玉树—甘孜断裂带、龙门山断裂带、金沙江断裂带、小金河—丽江断裂带、石屏—建水断裂带、潞西—瑞丽断裂带、程海断裂带、红河断裂带等地其地震动峰值加速度也高达0.2～0.3 g，相对应烈度值Ⅷ（图5）。

川滇地区的地理环境复杂，山体稳定性差，遇到中强地震会造成震区道路不同程度破坏。如汶川8.0级地震，致使灾区多处公路严重受损，出现路面隆起、坍塌、错位，桥梁断裂、桥面损毁，隧道口隆起、塌陷、错位等。同时，还能诱发多种次生灾害，如地震崩塌、地震滑坡、地震泥石流、地震滚石、地裂缝等，严重破坏周围公路设施。地震动峰值加速度与地震诱发崩滑等次生地质灾害之间存在正相关，因此地震动峰值加速度区划图不仅是建筑工程（等级公路施工）的抗震设防依据，也可作为建筑物潜在可能受损程度的参考。以地州市为单元，将地震动峰值加速度的面积占比作为对工程场外道路破坏的约束矩阵值，设定0.05～0.15 g的占地百分比为轻微破坏参数，0.2～0.3 g的占地面积为中等破坏参数，0.4 g的占地面积为严重破坏参数，毁坏为0（图5）。

4 工程场外道路的地震风险评估

风险评估为相对模糊性的评判，通常利用模糊集合理论确定隶属函数和判断矩阵法计算评价指标的权重，最终做出风险评估。

首先将各项因子集中排列为一个M×M的方阵，确定元素值大小，进行正规化，求取特征向量Wi的值。在模糊集合理论中，存在隶属度关系，其取值为（0，1）之间，表明其作用的大小权重。

对于因素集U上的模糊向量W={W1，W2，…，Wn}，通过R关系变化的模糊集合：B=W·P，其中：隶属度W满足∑ni=1wi=1；各因素层的模糊综合评价利用向量乘积，计算值越大则相应的风险性就越高。本文中以水电工程场外道路为研究对象，针对四川和云南37个行政单元进行地震风险模糊综合评估。地震诱发使得风险因素判断矩阵的设定为统一标准［14］，其致灾因子地震的判断矩阵初定为A=1 31/31，特征值为λ1=0，λ2=2，将特征向量并归一化W=［0.75 0.25］；其中，地质环境因子的约束层判断矩阵假定为B=1 51/51，其特征向量归一化后为W=［0.83 0.17］；地震危险性因素的约束层判断矩阵设定为C=1 21/21得出归一化后特征向量为W=［0.67 0.33］，详见表6。

以成都市为例，各约束层的子因素在4种破坏范畴（轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏）作用下的模糊矩阵P1和P2：

P1=0.50.30.10.10.80.200 P2=0.80.10.100.80.200

根据其受影响的评价矩阵B=W·P，得出地质环境B1和地震危险性B2两大因素权重向量：

地质环境B1=［0.83 0.17］0.50.30.10.10.80.200=［0.551 0.283 0.083 0.083］

地震危险性B2=［0.67 0.33］0.80.10.100.80.200=［0.8 0.133 0.067 0］

因公路桥梁震害矩阵研究无明确规定，所以采取房屋建筑的震害判别方法来量化公路的震害程度［15-16］。参照公路破坏四层等级评分标准V，其风险值为Ri=Bi·VT。

得出风险R1=B1·VT=［0.551 0.283 0.083 0.083］406080100=53.96，同理R2=45.34；再根据地震风险模糊综合评估利用各致灾因子的占比总和求得R=∑2i=1Wi·Ri，最终得到成都市工程场外的交通线路受地震影响的风险评估值为R=53.96×0.75+45.34×0.25=51.805，由此得出在地质环境和地震危险性的共同作用下，成都地区工程场外道路存在中等破坏的可能。通过上述方法，将所有地州市进行地震风险评估值计算，最终得到图6，其中阿坝州地区的工程场外道路地震风险值最高为61.24，其次是甘孜州56.23和雅安市56.67。

5 结束语

（1） 通过模糊集合理论和判断矩阵法，从地质环境和地震危险性两个角度出发建立了水电工程场外道路的地震风险评估数学模型，统计出四川、云南两省的工程场外道路遭受地震风险中等破坏可能存在于13个地州市，轻微破坏可能存在于20个地州市，而基本完好的可能地区为遂宁市、南充市、巴中市和达川市。

（2） 从图6中可以看出四川地区的水电工程场外道路遭受地震风险指数略高于云南，但云南地区水电工程场外道路遭受中等地震破坏的可能性也较为普遍。

（3） 川滇区域存在着地震强度高、破坏力大的风险，建议在进行大型水利水电工程场外道路施工中，尽量提高路段的抗震性能，避开断层、地质环境差的地区，及时排除滑坡、泥石流等地震诱发次生的山地灾害，因此在工程建设时期需要对运输路线选择做出科学有效的判断并增加备选方案。

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STUDY ON SEISMIC RISK OF OFF-SITE ROADS

IN SICHUAN AND YUNNAN AREA

LI Yin1， WEI Gui-chun1，CHEN Xing-yu2， ZHANG Ping1， LYU Xiao1， LIU Quan3

（1.Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning， Hubei Earthquake Agency，Wuhan 430071，Hubei，China；

2.Hainan Earthquake Agency，Haikou 570203，Hainan，China；

3.School of Water Resources and Hydropower Engineering， Wuhan University，Wuhan 430071，Hubei，China）

Abstract： The seismic risk assessment of off-site roads in water conservancy and hydropower projects plays an important role in the implementation progress of the project. Road outside the engineering field in Sichuan-Yunnan area is taken as the research object， and the fuzzy set theory and the judgment matrix method are used to establish a comprehensive evaluation mathematical model of the damage of the two major factors of geological environment and seismic risk， and to analyze the possibility of road damage after the earthquake in 37 prefectures and cities. The analysis shows that the road outside the project site in Sichuan-Yunnan area is more likely to suffer from moderate earthquake damage， and the index of earthquake risk damage to the road outside the project site in Sichuan is higher than the earthquake risk assessment value in Yunnan.

Key words： Earthquake risk assessment; Fuzzy set; Judgment matrix; Seismic hazard