田述軍，孔紀(jì)名，陳澤富

（1．西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2．中國(guó)科學(xué)院／水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3．云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051）

0 引 言

2008年5月12日四川汶川發(fā)生里氏8．0級(jí)地震，2013年4月20日四川蘆山發(fā)生里氏7．0級(jí)地震。這些地震造成大量人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)地震觸發(fā)大量崩塌和滑坡災(zāi)害［1－9］，這些災(zāi)害對(duì)公路造成巨大破壞［10－12］，從而使得大量物資、救援人員和設(shè)備不能快速到達(dá)地震災(zāi)區(qū)開展救援工作。并且由于余震和降雨的觸發(fā)，公路沿線邊坡不斷發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，使得搶通的公路多次中斷，嚴(yán)重影響災(zāi)區(qū)震后重建工作的展開。由于西南地區(qū)地貌地質(zhì)條件復(fù)雜，是崩塌、滑坡、滾石等邊坡災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域；這些邊坡災(zāi)害容易破壞或堵斷公路，影響其正常運(yùn)營(yíng)。因此，科學(xué)評(píng)價(jià)公路邊坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于山區(qū)路網(wǎng)建設(shè)、道路工程布局、搶險(xiǎn)救災(zāi)等具有重要意義［13－22］。

風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性和易損性共同作用的產(chǎn)物，區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)是指在一定區(qū)域和給定時(shí)段內(nèi)某種災(zāi)害可能導(dǎo)致的該區(qū)域內(nèi)所存在的一切人、財(cái)、物的潛在最大損失［23－26］。對(duì)于邊坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，需要完成邊坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和邊坡災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)2個(gè)方面的內(nèi)容。風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式為［27－29］

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)度，取0～1；H為災(zāi)害危險(xiǎn)度，包括災(zāi)害的規(guī)模和出現(xiàn)的概率；V為災(zāi)害易損度。

對(duì)于邊坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多研究［30－37］，相對(duì)比較成熟?，F(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)多以災(zāi)害直接造成的損失為基礎(chǔ)建立指標(biāo)體系［38－44］，而對(duì)于邊坡災(zāi)害的易損性評(píng)價(jià)，由于其屬于交叉學(xué)科，國(guó)內(nèi)外研究較少，現(xiàn)有大部分研究主要針對(duì)邊坡災(zāi)害可能造成的直接損失，多以邊坡災(zāi)害造成的公路破壞損失作為易損性評(píng)價(jià)的指標(biāo)［45－47］，成果多以定性分析和描述為主，對(duì)公路邊坡災(zāi)害易損性的定量研究也未見有文獻(xiàn)報(bào)道，且都沒有從公路的功能出發(fā)建立適合公路邊坡災(zāi)害的易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

基于此，筆者以云南省文山州文山至天保二級(jí)公路（以下簡(jiǎn)稱“文天線”）為例，首先假定崩塌、滑坡等邊坡災(zāi)害發(fā)生后堵斷或破壞公路，車輛只有繞行其他公路或等待公路搶通后才能通行；然后從公路所承擔(dān)的功能出發(fā)，建立適合于公路邊坡災(zāi)害的易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)文天線邊坡災(zāi)害的易損性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為西南山區(qū)公路的減災(zāi)防災(zāi)和公路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

文天線全長(zhǎng)100km，設(shè)計(jì)行車速度80km·h－1。文天線南接國(guó)家級(jí)口岸天保，是連接中國(guó)東盟自由貿(mào)易區(qū)的重要平臺(tái)，亦是重要的國(guó)防公路。文天線不僅可以帶動(dòng)公路沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對(duì)于促進(jìn)中越邊境貿(mào)易及文化交流有著重要意義。

文天線處于云貴高原南緣部分，屬中山高原地形地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)碳酸巖廣泛分布，侵蝕和溶蝕作用是區(qū)內(nèi)地貌形成的主要營(yíng)力，地貌的形成及發(fā)展均受地層巖性、構(gòu)造和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制和影響，特別是文山、馬關(guān)溶蝕盆地的形成與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)關(guān)系較大。文天線路段內(nèi)基巖裸露，大部分地區(qū)植被不發(fā)育，水土流失情況較嚴(yán)重，一般在分水嶺及斜坡平臺(tái)有少量覆蓋層，厚度一般為1～3m，溝谷地段第四系沖洪積層稍厚，厚度一般為5～12m；各小盆地、谷地內(nèi)覆蓋層較厚；文天線多沿河谷修建，沿線邊坡災(zāi)害發(fā)育明顯（圖1）。

圖1 文天線沿線地形Fig．1 Topography Along Wentian Highway

課題組于2010年7月、2010年11月和2011年4月分3次沿公路進(jìn)行了32d約30人次的野外調(diào)查。根據(jù)調(diào)查資料，公路沿線地層從第四系至寒武系，缺失侏羅系、白堊系和志留系；按物質(zhì)組成，公路沿線共發(fā)現(xiàn)邊坡災(zāi)害34處，其中巖質(zhì)邊坡災(zāi)害25處，土質(zhì)邊坡災(zāi)害7處，古滑坡體2處。

2 公路邊坡災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)因素

假定崩塌、滑坡等邊坡災(zāi)害發(fā)生后堵斷或破壞公路，車輛只有繞行其他公路或等待公路搶通后才能通行；從公路所承擔(dān)的功能角度出發(fā)，主要考慮公路對(duì)區(qū)域經(jīng)貿(mào)往來的紐帶作用和車輛通行能力選擇易損性評(píng)價(jià)因素；采用經(jīng)濟(jì)密度、道路修復(fù)時(shí)間、公路繞行能力3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，其中經(jīng)濟(jì)密度表征邊坡災(zāi)害對(duì)區(qū)域經(jīng)貿(mào)往來的影響，道路修復(fù)時(shí)間和公路繞行能力表征邊坡災(zāi)害對(duì)車輛通行能力的影響。在進(jìn)行公路邊坡災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)時(shí)，采用專家打分法確定經(jīng)濟(jì)密度、道路修復(fù)時(shí)間、公路繞行能力3個(gè)指標(biāo)在易損性評(píng)價(jià)中的權(quán)重，其分別為0．25、0．15、0．60。

3 易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其量化

3．1 經(jīng)濟(jì)密度

經(jīng)濟(jì)密度采用單位面積國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP進(jìn)行量化，其量化是根據(jù)文天線沿線各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2010年GDP除以其面積得到。這一指標(biāo)的含義為：當(dāng)公路通過地區(qū)經(jīng)濟(jì)密度越大時(shí)，則邊坡災(zāi)害堵斷公路造成的易損性越大。

首先根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)GDP及其面積計(jì)算出單位面積GDP（即經(jīng)濟(jì)密度），然后對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)密度進(jìn)行歸一化處理，再將經(jīng)濟(jì)密度歸一化后的結(jié)果乘以其權(quán)重值，最后在ArcGIS中，建立各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度的權(quán)重屬性表，其分布見圖2。

圖2 文天線沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度權(quán)重分布Fig．2 Distribution of Economic Density Weight of Towns Along Wentian Highway

3．2 道路修復(fù)時(shí)間

道路修復(fù)時(shí)間的含義為：當(dāng)邊坡災(zāi)害堵斷公路的地點(diǎn)距離搶修出發(fā)點(diǎn)越遠(yuǎn)，在其他情況相同的條件下，公路搶通和修復(fù)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，則邊坡災(zāi)害堵斷公路造成的易損性越大。

考慮因邊坡破壞或阻斷公路對(duì)道路通行能力的影響，其量化根據(jù)距起點(diǎn)（文山州駐地）的距離進(jìn)行量化。首先根據(jù)文天線距離搶修出發(fā)點(diǎn)的遠(yuǎn)近確定道路修復(fù)時(shí)間，即文天線起點(diǎn)（文山州駐地）處道路修復(fù)時(shí)間定為0，文天線終點(diǎn)道路修復(fù)時(shí)間定為1，其他路段位于0～1之間；然后，將道路修復(fù)時(shí)間乘以其權(quán)重值；最后，在ArcGIS中，建立道路修復(fù)時(shí)間的權(quán)重屬性表，其分布見圖3。

圖3 文天線沿線道路修復(fù)時(shí)間權(quán)重分布Fig．3 Distribution of Road Repair Time Weight of Towns Along Wentian Highway

3．3 繞行能力

當(dāng)邊坡災(zāi)害堵斷文天線，在公路搶通之前，車輛可以選擇與文天線相交的其他公路繞過公路斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通行需要。

繞行能力采用邊坡災(zāi)害堵斷后車輛繞行距離和繞行公路等級(jí)2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化。通過分析文天線沿線與其相交可以繞行的二級(jí)或三級(jí)公路的分布，并采用最短繞行距離選擇路線，沿文天線劃分出10個(gè)繞行點(diǎn)，將文天線分為11個(gè)路段（文天線起點(diǎn)編號(hào)為0，終點(diǎn)編號(hào)為11，圖4），分別為0—1、1—2、…、10—11路段。以0—1路段為例，文天線起點(diǎn)0到繞行點(diǎn)1之間3．48km的路段任何一點(diǎn)發(fā)生邊坡災(zāi)害堵斷文天線，車輛繞行距離和繞行公路等級(jí)是相同的，因此0—1路段的繞行能力為唯一值。需要說明的是，5—6路段的A點(diǎn)雖然有公路與文天線交叉，但對(duì)于5—6路段任何一點(diǎn)發(fā)生邊坡災(zāi)害堵斷公路所繞行的公路等級(jí)和距離是一樣的，因此沒有將A點(diǎn)作為一個(gè)繞行點(diǎn)。

圖4 文天線繞行能力權(quán)重分布Fig．4 Distribution of Bypass Capacity Weight Along Wentian Highway

公路等級(jí)系數(shù)需要通過計(jì)算不同等級(jí)公路設(shè)計(jì)通行能力得到。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2006）［48］，文天線及周邊的二級(jí)公路設(shè)計(jì)通行能力P2為1 600pcu·h－1，三級(jí)公路設(shè)計(jì)通行能力P3為700pcu·h－1。當(dāng)文天線因邊坡堵斷公路時(shí)，如果繞行的為二級(jí)公路，則二級(jí)公路等級(jí)系數(shù)G2為1；如果繞行的為三級(jí)公路，則三級(jí)公路等級(jí)系數(shù)G3＝P2／P3＝2．29。

對(duì)每一段公路的繞行能力，計(jì)算公式為

式中：C為繞行能力；D2為繞行二級(jí)公路的長(zhǎng)度；D為繞過的文天線公路長(zhǎng)度；D3為繞過的三級(jí)公路的長(zhǎng)度。

因此，繞行能力的含義為：當(dāng)繞行公路長(zhǎng)度與繞過的文天線公路長(zhǎng)度的比值越大或繞行公路等級(jí)越低時(shí)，繞行能力C越大，則邊坡災(zāi)害堵斷公路造成的易損性越大。

在ArcGIS中，首先計(jì)算出各路段長(zhǎng)度（即繞過的文天線公路長(zhǎng)度）、繞行二級(jí)公路長(zhǎng)度和繞行三級(jí)公路長(zhǎng)度（表1）；其次，根據(jù)式（3）計(jì)算各路段的繞行能力；然后，對(duì)繞行能力進(jìn)行歸一化處理，并乘以其權(quán)重值；最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在文天線兩側(cè)各建立500m的緩沖區(qū)，其分布見圖4。

3．4 易損性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)經(jīng)濟(jì)密度、道路修復(fù)時(shí)間和繞行能力的計(jì)算結(jié)果，在ArcGIS中，對(duì)各因素進(jìn)行柵格疊加運(yùn)算，計(jì)算公式為

式中：V為易損性；Fi為第i個(gè)指標(biāo)（經(jīng)濟(jì)密度、道路修復(fù)時(shí)間或公路繞行能力）歸一化后的值；Wi為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重（經(jīng)濟(jì)密度權(quán)重為0．25，道路修復(fù)時(shí)間權(quán)重為0．15，公路繞行能力權(quán)重為0．60）。

表1 各路段繞行的公路長(zhǎng)度和等級(jí)統(tǒng)計(jì)Tab．1 Statistics of Length and Grade of Bypass Highway for Different Sections

經(jīng)過柵格疊加計(jì)算，文天線各路段的易損性為0．07～1．00，然后在 ArcGIS中，采用自然斷點(diǎn)法，將易損性分為5級(jí)（圖5）。

圖5 文天線易損性分布Fig．5 Distribution of Vulnerability Along Wentian Highway

在ArcGIS中，統(tǒng)計(jì)文天線不同易損性等級(jí)公路長(zhǎng)度，并計(jì)算其占文天線總長(zhǎng)度的百分比（表2）。

表2 不同易損性等級(jí)路段占文天線長(zhǎng)度的百分比Tab．2 Ratios of Length of Highway with Different Vulnerabilities to the Length of Wentian Highway

3．5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

文天線全長(zhǎng)有30．75%屬于極高或高易損性等級(jí)，其中3．96%的路段（2—3路段）為極高易損性，這一路段易損性等級(jí)最高主要是由于其繞行的公路長(zhǎng)度與繞過的文天線公路長(zhǎng)度的比值很大，如果要降低這一路段邊坡災(zāi)害的易損性，在今后路網(wǎng)建設(shè)中可以考慮減少這一路段的繞行長(zhǎng)度，如在與這一路段相交的路網(wǎng)中修建一小段三級(jí)公路，這樣即使2—3路段發(fā)生邊坡災(zāi)害破壞或堵斷公路，車輛也可以很快繞過。雖然距離文天線起點(diǎn)最近的路段（0—1路段）經(jīng)濟(jì)密度最大，但由于靠近文山州駐地，其修復(fù)時(shí)間最短，且路網(wǎng)密集，繞行的公路長(zhǎng)度較小，因此其易損性為中等。

4 結(jié) 語

（1）以云南省文山至天保二級(jí)公路為例，首次從公路所承擔(dān)的功能角度出發(fā)，選擇經(jīng)濟(jì)密度、道路修復(fù)時(shí)間、公路繞行能力3個(gè)因素建立公路邊坡易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)文天線邊坡災(zāi)害發(fā)生后堵斷公路造成的易損性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）文天線各路段易損性為0．07～1．00，全長(zhǎng)有30．75%屬于極高或高易損性等級(jí)。其中，3．96%的路段為極高易損性，這主要因?yàn)槠淅@行的公路長(zhǎng)度與繞過的文天線公路長(zhǎng)度的比值很大，如要降低這一路段邊坡災(zāi)害的易損性，可以考慮在今后路網(wǎng)的建設(shè)中減少這一路段的繞行公路長(zhǎng)度。

（3）雖然距離文天線起點(diǎn)最近的路段經(jīng)濟(jì)密度最大，但由于靠近文山州駐地，其修復(fù)時(shí)間最短，而且路網(wǎng)密集，繞行的公路長(zhǎng)度較小，因此其易損性為中等。

（4）由于公路邊坡災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)屬交叉學(xué)科，對(duì)于邊坡災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)制需要巖土工程方向的研究，對(duì)于災(zāi)害造成的損失需要經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方向的研究，對(duì)于公路通行能力需要交通工程方向的研究?，F(xiàn)有研究成果更多的是考慮公路邊坡災(zāi)害發(fā)生后對(duì)公路路面破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失，其實(shí)質(zhì)仍局限于災(zāi)害點(diǎn)造成的損失而非區(qū)域，且沒有從公路的功能出發(fā)考慮評(píng)價(jià)因素。如果能將公路邊坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)合起來，就能實(shí)現(xiàn)公路邊坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理與預(yù)警，不僅能優(yōu)化路網(wǎng)，而且對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)也有重要意義。

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