摘要：水利水電工程場外道路的地震風(fēng)險判定，對工程項目實(shí)施進(jìn)度起著重要作用。本文中以川滇地區(qū)工程場外道路為研究對象，采用模糊集合理論和判斷矩陣法，建立地質(zhì)環(huán)境和地震危險性兩大因子破壞的綜合評估數(shù)學(xué)模型，分析37個地州市遭受地震后道路破壞情況的可能性。分析表明：川滇地區(qū)工程場外道路遭受地震中等破壞的可能性較大，且位于四川的工程場外道路遭受到地震風(fēng)險破壞的指數(shù)高于云南地區(qū)的地震風(fēng)險評估值。

關(guān)鍵詞： 地震風(fēng)險評估； 模糊集合； 判斷矩陣； 地震危險性

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.001

四川省位于青藏高原和長江中下游平原的過渡帶，地勢西高東低，落差懸殊，涵蓋了山地、高原、丘陵、平原和盆地等多種地貌，以長江水系為主，河流眾多；云南省屬于山地高原地形，地勢自北向南階梯狀降低，地跨長江、珠江、元江、瀾滄江、怒江、大盈江6大水系，水資源豐富。兩省得天獨(dú)厚的自然條件非常適合水利水電工程的建設(shè)發(fā)展。為了保障水電工程的建設(shè)進(jìn)度，其交通運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選決策尤為必要。不僅要考慮道路建設(shè)或改建的難易程度、工期要求、設(shè)備器材的運(yùn)輸量和投入經(jīng)費(fèi)等因素，還要考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的影響。川滇地區(qū)屬于地震多發(fā)區(qū)，近年來先后發(fā)生汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震、九寨溝7.0級地震、尼瑪縣6.6級地震等。由于水利水電工程建設(shè)通常處于較偏僻的山區(qū)，人口密集度較低，若進(jìn)行大型水利樞紐設(shè)備的運(yùn)輸，就要對其交通線路進(jìn)行擴(kuò)建或改建，但原有道路建設(shè)投入有限，改建前和擴(kuò)建后的道路普遍等級不高，易損度基本上趨于一致性，屬于較高易損性（例如受地質(zhì)環(huán)境和氣候影響，2018年11月金沙江白格堰塞湖造成水庫周邊道路受阻；2021年8月因卡楊公路阻斷10日，影響楊房溝工程建設(shè)進(jìn)度等）。因此，工程場外道路的地震風(fēng)險研究十分必要。

風(fēng)險研究屬于不確定性概念，它一般考慮致災(zāi)因子危險性的強(qiáng)度或頻度引起整個承載體所處的不穩(wěn)定性環(huán)境的可能性判定。其公式為風(fēng)險（R）=危險性（H）×易損性（V）。地震屬于難以預(yù)測性因素，符合不確定性的特點(diǎn)，可將地震作為致災(zāi)因子，道路作為研究對象。國內(nèi)對公路工程的地震風(fēng)險研究大多集中在公路橋梁、公路隧道等方面［1-2］，針對一般公路路段震害研究大多從結(jié)構(gòu)本身或從遙感影像判讀［3］。而本文中將川滇地區(qū)工程場外道路作為整體研究對象，系統(tǒng)分析了工程場外道路受不同權(quán)重因子作用下的地震風(fēng)險，從而判斷風(fēng)險性大小，為水電工程建設(shè)期設(shè)備運(yùn)輸線路保障提供了一定的科學(xué)決策依據(jù)。

1 工程場外道路的致災(zāi)因子分析

致災(zāi)因子是自然或人為環(huán)境中，能夠?qū)θ祟惿?、財產(chǎn)或各種活動產(chǎn)生不利影響，并造成災(zāi)害事件的因素。它由不同級層、不同權(quán)重的多個影響元素構(gòu)成。

本文中以工程場外道路為整體研究對象，改建前后的道路等級均不高，可按照同一類道路進(jìn)行分析。地震造成工程場外道路的破壞主要從客觀環(huán)境和地震危害兩方面的角度出發(fā)，分為地質(zhì)環(huán)境和地震危險性。其中地質(zhì)環(huán)境因子可細(xì)分為地震構(gòu)造背景和活動構(gòu)造斷裂。同樣，地震危險性因子分成地震活動性和地震動峰值加速度（圖1）。

參考國家標(biāo)準(zhǔn)［4-5］，道路破壞等級劃分5類，本文中研究不考慮基本完好，只分輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞及毀壞4類情況分析。

2 地質(zhì)環(huán)境因子分析

2.1 地震構(gòu)造背景的影響

張文佑提出斷塊學(xué)說，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)和板塊構(gòu)造學(xué)，按照不同深度的斷裂所圍限的板塊，進(jìn)行空間較大尺度的地震構(gòu)造背景分析［6］。川滇是青藏高原受印度板塊向歐亞板塊俯沖碰撞擠壓等強(qiáng)烈變形區(qū)域之一，它由滇西斷塊、川滇塊體、巴顏喀拉塊體、涼山斷塊、四川盆地弱活動斷裂構(gòu)造區(qū)及川黔鄂弱活動斷裂構(gòu)造區(qū)等構(gòu)成［7-8］，各區(qū)域斷塊的活動強(qiáng)度與地震活動特性存在緊密聯(lián)系（表1）。

由于川滇地區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，使得孕震、發(fā)震活動明顯高于其他區(qū)域。按照川滇地震構(gòu)造區(qū)分布（圖2）、歷史地震和最大潛在地震的預(yù)判，分別對37個地州市進(jìn)行斷塊塊體、VfBZJiq2exYfXaaym+yCZA==構(gòu)造區(qū)、地震帶等一一分析，確定工程場外道路所受破壞的模糊矩陣值（表2）。

2.2 地震活動構(gòu)造斷裂帶的影響

川滇地區(qū)因板塊運(yùn)動產(chǎn)生了眾多活動斷裂帶，而地震活動則是斷裂變形活動的最直接體現(xiàn)［9］，斷層運(yùn)動的變形和應(yīng)力的積累、釋放與地震能量釋放相互關(guān)聯(lián)。強(qiáng)震主要發(fā)生在活動斷塊的邊界或是活動斷裂帶的交匯處等，因此按照地震活動的明顯特征，將活動斷裂帶作為考慮的子因素。例如在板塊邊界的擠壓逆沖型龍門山斷裂帶發(fā)生2008年汶川8.0級大地震；1850年西昌7.5級地震發(fā)震構(gòu)造為安寧河—則木斷裂帶；2021年漾濞6.4級地震主要受紅河斷裂帶影響等。實(shí)勘的活動斷層可反應(yīng)局部孕震環(huán)境，通過文獻(xiàn)查找到受主要活動斷裂帶影響的川滇地區(qū)歷史6級以上部分地震（表3）。

川滇塊體中自北向南依次分布著甘孜—玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶；塊體西邊界延伸南邊界由北向南依次為金沙江斷裂帶、中甸—德欽斷裂帶、紅河斷裂帶、楚雄斷裂帶、石屏—建水?dāng)嗔褞Ш颓瓟嗔褞?。巴顏喀拉地塊東邊界有著名的龍門山斷裂帶；滇西南的北部分布著大盈江斷裂和龍陵—瑞麗斷裂帶；其中部有南汀河斷裂、瀾滄江斷裂帶和景谷斷裂帶；川滇東部有馬邊—鹽津斷裂和昭通—魯?shù)閿嗔褞В▓D3）。以地州市為單元，分析工程場外道路受到活動斷裂帶影響下引發(fā)地震破壞的可能性，考慮到斷裂帶周邊發(fā)生地震的周期、震級上限等參數(shù)，參照潛在震源區(qū)位置，確定活動斷裂帶誘發(fā)地震可能造成道路破壞影響的模糊矩陣值（表4）。

3 地震危險性因子分析

3.1 地震活動性影響

地震三要素（時間、地點(diǎn)、震級）是客觀監(jiān)測地震活動性的最直觀體現(xiàn)。通過中國數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)2008年以來的川滇區(qū)域地震目錄，可以看出從2008年1月至2022年6月22日，共發(fā)生2 146次3級以上地震（圖4）。

在研究川滇區(qū)域地震活動性時，發(fā)現(xiàn)大部分中強(qiáng)地震周圍會出現(xiàn)中小地震密集狀態(tài)，成團(tuán)簇狀［10-11］；如龍門山斷裂帶附近共發(fā)生710次3級以上地震，在經(jīng)歷了汶川8.0級地震后，地震頻度、震級都有所降低，能量釋放趨于緩和，但周邊山體道路依然存在安全隱患；位于相對穩(wěn)定的華南地塊邊緣的長寧縣，于2019年發(fā)生6.0級地震，可能與附近深井采鹽注水有關(guān)［12］。針對云南地區(qū)頻繁發(fā)生中小型地震，與板塊擠壓，造成能量釋放有關(guān)。因此地震活動性與地質(zhì)構(gòu)造和人為活動都有關(guān)聯(lián)。本文中以地州市為單元，進(jìn)行地震頻度和大小的統(tǒng)計并進(jìn)行地震活動性分析?？紤]水電工程場外改建前后的山區(qū)道路為易損性較高的同類型道路，因此將7級以上地震造成道路毀壞、6.0～6.9級地震造成嚴(yán)重破壞、5.0～5.9級地震為中等破壞，3.0～4.9級地震造成輕微破壞。在進(jìn)行模糊矩陣值的確定時，以震級由大到小進(jìn)行個數(shù)和能量比對，逐個遞推得出川滇地區(qū)工程場外道路受地震活動性影響的約束矩陣值（表5）。

3.2 地震動峰值加速度

工程設(shè)施和建筑物的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以地震動峰值加速度為參考依據(jù)。參照國家標(biāo)準(zhǔn)［13］可以看出，按50年設(shè)防，10%超越概率的II類場地條件，將全國劃分為0.05、0.10、0.15、0.20、0.30 g和≥0.40 g等6級不同地震危險性等級的區(qū)域。其中，部分區(qū)域的地震動峰值加速度高達(dá)0.4 g，相當(dāng)于烈度值達(dá)到Ⅸ及以上，這些區(qū)域包括鮮水河斷裂帶、安寧河—則木河斷裂帶、小江斷裂帶、黑河斷裂帶等。玉樹—甘孜斷裂帶、龍門山斷裂帶、金沙江斷裂帶、小金河—麗江斷裂帶、石屏—建水?dāng)嗔褞А⒙何鳌瘥悢嗔褞?、程海斷裂帶、紅河斷裂帶等地其地震動峰值加速度也高達(dá)0.2～0.3 g，相對應(yīng)烈度值Ⅷ（圖5）。

川滇地區(qū)的地理環(huán)境復(fù)雜，山體穩(wěn)定性差，遇到中強(qiáng)地震會造成震區(qū)道路不同程度破壞。如汶川8.0級地震，致使災(zāi)區(qū)多處公路嚴(yán)重受損，出現(xiàn)路面隆起、坍塌、錯位，橋梁斷裂、橋面損毀，隧道口隆起、塌陷、錯位等。同時，還能誘發(fā)多種次生災(zāi)害，如地震崩塌、地震滑坡、地震泥石流、地震滾石、地裂縫等，嚴(yán)重破壞周圍公路設(shè)施。地震動峰值加速度與地震誘發(fā)崩滑等次生地質(zhì)災(zāi)害之間存在正相關(guān)，因此地震動峰值加速度區(qū)劃圖不僅是建筑工程（等級公路施工）的抗震設(shè)防依據(jù)，也可作為建筑物潛在可能受損程度的參考。以地州市為單元，將地震動峰值加速度的面積占比作為對工程場外道路破壞的約束矩陣值，設(shè)定0.05～0.15 g的占地百分比為輕微破壞參數(shù)，0.2～0.3 g的占地面積為中等破壞參數(shù)，0.4 g的占地面積為嚴(yán)重破壞參數(shù)，毀壞為0（圖5）。

4 工程場外道路的地震風(fēng)險評估

風(fēng)險評估為相對模糊性的評判，通常利用模糊集合理論確定隸屬函數(shù)和判斷矩陣法計算評價指標(biāo)的權(quán)重，最終做出風(fēng)險評估。

首先將各項因子集中排列為一個M×M的方陣，確定元素值大小，進(jìn)行正規(guī)化，求取特征向量Wi的值。在模糊集合理論中，存在隸屬度關(guān)系，其取值為（0，1）之間，表明其作用的大小權(quán)重。

對于因素集U上的模糊向量W={W1，W2，…，Wn}，通過R關(guān)系變化的模糊集合：B=W·P，其中：隸屬度W滿足∑ni=1wi=1；各因素層的模糊綜合評價利用向量乘積，計算值越大則相應(yīng)的風(fēng)險性就越高。本文中以水電工程場外道路為研究對象，針對四川和云南37個行政單元進(jìn)行地震風(fēng)險模糊綜合評估。地震誘發(fā)使得風(fēng)險因素判斷矩陣的設(shè)定為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［14］，其致災(zāi)因子地震的判斷矩陣初定為A=1 31/31，特征值為λ1=0，λ2=2，將特征向量并歸一化W=［0.75 0.25］；其中，地質(zhì)環(huán)境因子的約束層判斷矩陣假定為B=1 51/51，其特征向量歸一化后為W=［0.83 0.17］；地震危險性因素的約束層判斷矩陣設(shè)定為C=1 21/21得出歸一化后特征向量為W=［0.67 0.33］，詳見表6。

以成都市為例，各約束層的子因素在4種破壞范疇（輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞及毀壞）作用下的模糊矩陣P1和P2：

P1=0.50.30.10.10.80.200 P2=0.80.10.100.80.200

根據(jù)其受影響的評價矩陣B=W·P，得出地質(zhì)環(huán)境B1和地震危險性B2兩大因素權(quán)重向量：

地質(zhì)環(huán)境B1=［0.83 0.17］0.50.30.10.10.80.200=［0.551 0.283 0.083 0.083］

地震危險性B2=［0.67 0.33］0.80.10.100.80.200=［0.8 0.133 0.067 0］

因公路橋梁震害矩陣研究無明確規(guī)定，所以采取房屋建筑的震害判別方法來量化公路的震害程度［15-16］。參照公路破壞四層等級評分標(biāo)準(zhǔn)V，其風(fēng)險值為Ri=Bi·VT。

得出風(fēng)險R1=B1·VT=［0.551 0.283 0.083 0.083］406080100=53.96，同理R2=45.34；再根據(jù)地震風(fēng)險模糊綜合評估利用各致災(zāi)因子的占比總和求得R=∑2i=1Wi·Ri，最終得到成都市工程場外的交通線路受地震影響的風(fēng)險評估值為R=53.96×0.75+45.34×0.25=51.805，由此得出在地質(zhì)環(huán)境和地震危險性的共同作用下，成都地區(qū)工程場外道路存在中等破壞的可能。通過上述方法，將所有地州市進(jìn)行地震風(fēng)險評估值計算，最終得到圖6，其中阿壩州地區(qū)的工程場外道路地震風(fēng)險值最高為61.24，其次是甘孜州56.23和雅安市56.67。

5 結(jié)束語

（1） 通過模糊集合理論和判斷矩陣法，從地質(zhì)環(huán)境和地震危險性兩個角度出發(fā)建立了水電工程場外道路的地震風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型，統(tǒng)計出四川、云南兩省的工程場外道路遭受地震風(fēng)險中等破壞可能存在于13個地州市，輕微破壞可能存在于20個地州市，而基本完好的可能地區(qū)為遂寧市、南充市、巴中市和達(dá)川市。

（2） 從圖6中可以看出四川地區(qū)的水電工程場外道路遭受地震風(fēng)險指數(shù)略高于云南，但云南地區(qū)水電工程場外道路遭受中等地震破壞的可能性也較為普遍。

（3） 川滇區(qū)域存在著地震強(qiáng)度高、破壞力大的風(fēng)險，建議在進(jìn)行大型水利水電工程場外道路施工中，盡量提高路段的抗震性能，避開斷層、地質(zhì)環(huán)境差的地區(qū)，及時排除滑坡、泥石流等地震誘發(fā)次生的山地災(zāi)害，因此在工程建設(shè)時期需要對運(yùn)輸路線選擇做出科學(xué)有效的判斷并增加備選方案。

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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