基于公路功能的边坡灾害易损性评价

田述军，孔纪名，陈泽富

（1．西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2．中国科学院／水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3．云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051）

0 引 言

2008年5月12日四川汶川发生里氏8．0级地震，2013年4月20日四川芦山发生里氏7．0级地震。这些地震造成大量人员伤亡和巨大财产损失，同时地震触发大量崩塌和滑坡灾害［1－9］，这些灾害对公路造成巨大破坏［10－12］，从而使得大量物资、救援人员和设备不能快速到达地震灾区开展救援工作。并且由于余震和降雨的触发，公路沿线边坡不断发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，使得抢通的公路多次中断，严重影响灾区震后重建工作的展开。由于西南地区地貌地质条件复杂，是崩塌、滑坡、滚石等边坡灾害多发的区域；这些边坡灾害容易破坏或堵断公路，影响其正常运营。因此，科学评价公路边坡灾害的风险对于山区路网建设、道路工程布局、抢险救灾等具有重要意义［13－22］。

风险是危险性和易损性共同作用的产物，区域风险是指在一定区域和给定时段内某种灾害可能导致的该区域内所存在的一切人、财、物的潜在最大损失［23－26］。对于边坡灾害的风险评价，需要完成边坡灾害危险性评价和边坡灾害易损性评价2个方面的内容。风险度计算公式为［27－29］

式中：R为风险度，取0～1；H为灾害危险度，包括灾害的规模和出现的概率；V为灾害易损度。

对于边坡灾害的危险性评价，国内外已经有很多研究［30－37］，相对比较成熟。现有地质灾害易损性评价多以灾害直接造成的损失为基础建立指标体系［38－44］，而对于边坡灾害的易损性评价，由于其属于交叉学科，国内外研究较少，现有大部分研究主要针对边坡灾害可能造成的直接损失，多以边坡灾害造成的公路破坏损失作为易损性评价的指标［45－47］，成果多以定性分析和描述为主，对公路边坡灾害易损性的定量研究也未见有文献报道，且都没有从公路的功能出发建立适合公路边坡灾害的易损性评价指标体系。

基于此，笔者以云南省文山州文山至天保二级公路（以下简称“文天线”）为例，首先假定崩塌、滑坡等边坡灾害发生后堵断或破坏公路，车辆只有绕行其他公路或等待公路抢通后才能通行；然后从公路所承担的功能出发，建立适合于公路边坡灾害的易损性评价指标体系，对文天线边坡灾害的易损性进行评价，为西南山区公路的减灾防灾和公路灾害风险管理提供服务。

1 研究区概况

文天线全长100km，设计行车速度80km·h－1。文天线南接国家级口岸天保，是连接中国东盟自由贸易区的重要平台，亦是重要的国防公路。文天线不仅可以带动公路沿线经济发展，而且对于促进中越边境贸易及文化交流有着重要意义。

文天线处于云贵高原南缘部分，属中山高原地形地貌区，区内碳酸岩广泛分布，侵蚀和溶蚀作用是区内地貌形成的主要营力，地貌的形成及发展均受地层岩性、构造和新构造运动控制和影响，特别是文山、马关溶蚀盆地的形成与新构造运动关系较大。文天线路段内基岩裸露，大部分地区植被不发育，水土流失情况较严重，一般在分水岭及斜坡平台有少量覆盖层，厚度一般为1～3m，沟谷地段第四系冲洪积层稍厚，厚度一般为5～12m；各小盆地、谷地内覆盖层较厚；文天线多沿河谷修建，沿线边坡灾害发育明显（图1）。

图1 文天线沿线地形Fig．1 Topography Along Wentian Highway

课题组于2010年7月、2010年11月和2011年4月分3次沿公路进行了32d约30人次的野外调查。根据调查资料，公路沿线地层从第四系至寒武系，缺失侏罗系、白垩系和志留系；按物质组成，公路沿线共发现边坡灾害34处，其中岩质边坡灾害25处，土质边坡灾害7处，古滑坡体2处。

2 公路边坡灾害易损性评价因素

假定崩塌、滑坡等边坡灾害发生后堵断或破坏公路，车辆只有绕行其他公路或等待公路抢通后才能通行；从公路所承担的功能角度出发，主要考虑公路对区域经贸往来的纽带作用和车辆通行能力选择易损性评价因素；采用经济密度、道路修复时间、公路绕行能力3个指标进行量化，其中经济密度表征边坡灾害对区域经贸往来的影响，道路修复时间和公路绕行能力表征边坡灾害对车辆通行能力的影响。在进行公路边坡灾害易损性评价时，采用专家打分法确定经济密度、道路修复时间、公路绕行能力3个指标在易损性评价中的权重，其分别为0．25、0．15、0．60。

3 易损性评价指标体系及其量化

3．1 经济密度

经济密度采用单位面积国内生产总值GDP进行量化，其量化是根据文天线沿线各乡镇2010年GDP除以其面积得到。这一指标的含义为：当公路通过地区经济密度越大时，则边坡灾害堵断公路造成的易损性越大。

首先根据各乡镇GDP及其面积计算出单位面积GDP（即经济密度），然后对各乡镇的经济密度进行归一化处理，再将经济密度归一化后的结果乘以其权重值，最后在ArcGIS中，建立各乡镇经济密度的权重属性表，其分布见图2。

图2 文天线沿线乡镇经济密度权重分布Fig．2 Distribution of Economic Density Weight of Towns Along Wentian Highway

3．2 道路修复时间

道路修复时间的含义为：当边坡灾害堵断公路的地点距离抢修出发点越远，在其他情况相同的条件下，公路抢通和修复所需的时间越长，则边坡灾害堵断公路造成的易损性越大。

考虑因边坡破坏或阻断公路对道路通行能力的影响，其量化根据距起点（文山州驻地）的距离进行量化。首先根据文天线距离抢修出发点的远近确定道路修复时间，即文天线起点（文山州驻地）处道路修复时间定为0，文天线终点道路修复时间定为1，其他路段位于0～1之间；然后，将道路修复时间乘以其权重值；最后，在ArcGIS中，建立道路修复时间的权重属性表，其分布见图3。

图3 文天线沿线道路修复时间权重分布Fig．3 Distribution of Road Repair Time Weight of Towns Along Wentian Highway

3．3 绕行能力

当边坡灾害堵断文天线，在公路抢通之前，车辆可以选择与文天线相交的其他公路绕过公路断点，实现通行需要。

绕行能力采用边坡灾害堵断后车辆绕行距离和绕行公路等级2个指标进行量化。通过分析文天线沿线与其相交可以绕行的二级或三级公路的分布，并采用最短绕行距离选择路线，沿文天线划分出10个绕行点，将文天线分为11个路段（文天线起点编号为0，终点编号为11，图4），分别为0—1、1—2、…、10—11路段。以0—1路段为例，文天线起点0到绕行点1之间3．48km的路段任何一点发生边坡灾害堵断文天线，车辆绕行距离和绕行公路等级是相同的，因此0—1路段的绕行能力为唯一值。需要说明的是，5—6路段的A点虽然有公路与文天线交叉，但对于5—6路段任何一点发生边坡灾害堵断公路所绕行的公路等级和距离是一样的，因此没有将A点作为一个绕行点。

图4 文天线绕行能力权重分布Fig．4 Distribution of Bypass Capacity Weight Along Wentian Highway

公路等级系数需要通过计算不同等级公路设计通行能力得到。根据《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）［48］，文天线及周边的二级公路设计通行能力P2为1 600pcu·h－1，三级公路设计通行能力P3为700pcu·h－1。当文天线因边坡堵断公路时，如果绕行的为二级公路，则二级公路等级系数G2为1；如果绕行的为三级公路，则三级公路等级系数G3＝P2／P3＝2．29。

对每一段公路的绕行能力，计算公式为

式中：C为绕行能力；D2为绕行二级公路的长度；D为绕过的文天线公路长度；D3为绕过的三级公路的长度。

因此，绕行能力的含义为：当绕行公路长度与绕过的文天线公路长度的比值越大或绕行公路等级越低时，绕行能力C越大，则边坡灾害堵断公路造成的易损性越大。

在ArcGIS中，首先计算出各路段长度（即绕过的文天线公路长度）、绕行二级公路长度和绕行三级公路长度（表1）；其次，根据式（3）计算各路段的绕行能力；然后，对绕行能力进行归一化处理，并乘以其权重值；最后，根据计算结果在文天线两侧各建立500m的缓冲区，其分布见图4。

3．4 易损性评价结果

根据经济密度、道路修复时间和绕行能力的计算结果，在ArcGIS中，对各因素进行栅格叠加运算，计算公式为

式中：V为易损性；Fi为第i个指标（经济密度、道路修复时间或公路绕行能力）归一化后的值；Wi为第i个指标对应的权重（经济密度权重为0．25，道路修复时间权重为0．15，公路绕行能力权重为0．60）。

表1 各路段绕行的公路长度和等级统计Tab．1 Statistics of Length and Grade of Bypass Highway for Different Sections

经过栅格叠加计算，文天线各路段的易损性为0．07～1．00，然后在 ArcGIS中，采用自然断点法，将易损性分为5级（图5）。

图5 文天线易损性分布Fig．5 Distribution of Vulnerability Along Wentian Highway

在ArcGIS中，统计文天线不同易损性等级公路长度，并计算其占文天线总长度的百分比（表2）。

表2 不同易损性等级路段占文天线长度的百分比Tab．2 Ratios of Length of Highway with Different Vulnerabilities to the Length of Wentian Highway

3．5 评价结果分析

文天线全长有30．75%属于极高或高易损性等级，其中3．96%的路段（2—3路段）为极高易损性，这一路段易损性等级最高主要是由于其绕行的公路长度与绕过的文天线公路长度的比值很大，如果要降低这一路段边坡灾害的易损性，在今后路网建设中可以考虑减少这一路段的绕行长度，如在与这一路段相交的路网中修建一小段三级公路，这样即使2—3路段发生边坡灾害破坏或堵断公路，车辆也可以很快绕过。虽然距离文天线起点最近的路段（0—1路段）经济密度最大，但由于靠近文山州驻地，其修复时间最短，且路网密集，绕行的公路长度较小，因此其易损性为中等。

4 结 语

（1）以云南省文山至天保二级公路为例，首次从公路所承担的功能角度出发，选择经济密度、道路修复时间、公路绕行能力3个因素建立公路边坡易损性评价指标体系，对文天线边坡灾害发生后堵断公路造成的易损性进行评价。

（2）文天线各路段易损性为0．07～1．00，全长有30．75%属于极高或高易损性等级。其中，3．96%的路段为极高易损性，这主要因为其绕行的公路长度与绕过的文天线公路长度的比值很大，如要降低这一路段边坡灾害的易损性，可以考虑在今后路网的建设中减少这一路段的绕行公路长度。

（3）虽然距离文天线起点最近的路段经济密度最大，但由于靠近文山州驻地，其修复时间最短，而且路网密集，绕行的公路长度较小，因此其易损性为中等。

（4）由于公路边坡灾害易损性评价属交叉学科，对于边坡灾害的成灾机制需要岩土工程方向的研究，对于灾害造成的损失需要经济和社会方向的研究，对于公路通行能力需要交通工程方向的研究。现有研究成果更多的是考虑公路边坡灾害发生后对公路路面破坏造成的经济损失，其实质仍局限于灾害点造成的损失而非区域，且没有从公路的功能出发考虑评价因素。如果能将公路边坡灾害危险性评价、易损性评价和风险评价结合起来，就能实现公路边坡灾害风险管理与预警，不仅能优化路网，而且对于防灾减灾也有重要意义。

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