山地城市路网抗震适应性综合评价研究

宋永朝，杨永前

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)



山地城市路网抗震适应性综合评价研究

宋永朝，杨永前

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

为了探讨山地城市路网与震害环境适应性问题，综合分析山地城市路网特点及其震害环境状态，依据评价指标的选取原则和选取方法，建立了山地城市抗震适应性评价指标体系；采用层次分析法确定各影响因素的权重；运用模糊综合评价法建立了山地城市路网抗震适应性综合评价模型；对山城重庆某局域路网进行了抗震适应性综合评价。

交通工程；山地城市；城市路网；地震灾害；抗震适应性；综合评价

中国是一个多山的国家，山地面积几乎占到了全国陆地总面积的70%，山地城镇约占全国城镇总数的一半。同时，中国是世界上最大的一个大陆地震区，地震烈度在Ⅵ度以上地区的面积占国土面积的60%。山区地质条件复杂，山地城市是地震灾害重灾区，震害发生时城市路网在应急疏散和救援中起着至关重要的作用，是防灾减灾工程中的重要承担者，有必要分析山地城市路网与震害环境状态是否匹配，从而提高山地城市路网抗震能力。

对于城市抗震减灾国内已有大量研究，亦提出了许多评价指标与评价模型。王晓飞，等[1]应用模糊综合评价法对道路运营安全服务等级进行评判，并通过对路段评判结果的加权求和评定高速公路路网安全性；陶小林[2]对山地城市沿街建筑震后房屋倒塌计算模型进行了改进，提出了修改标准路长，计算路段单元的连通概率的模型。张风华，刘莉，等[3-5]以人员伤亡、经济损失、震后恢复时间为评价准则，建立了城市防震减灾能力评估指标体系；周彪，等[6]提出城市防灾减灾综合能力定量分析的指标体系，从矢量投影的角度出发提出评价模型。

从已有的相关研究来看，城市路网评价一般侧重于平时交通需求，而对于路网与灾害环境适应性评价有待深入研究。笔者在充分考虑了山地城市路网特点及其震害环境状态基础上，建立山地城市路网抗震适应性评价模型，评估山地城市路网与地震灾害的适应性问题。

1 山地城市路网及震害特点

1.1 山地城市路网特点分析

山地城市地形条件复杂，地形高差大，路网布局及建筑物分布受地形条件限制较大，往往被江河、沟谷所分割。与平原城市相比，山地城市一般用地较为分散，城市形态大多呈现为多中心组团式或带状结构，路网形式则以自由式路网结构为主。

山区地形起伏较大，道路设计选线时，为了降低纵坡，通常结合地形沿山麓或河岸布线，或延长道路长度以克服自然高差，路线弯曲无一定规则，小半径曲线、回头曲线较为常见，几何线形条件较差，设计速度低，视距条件差。为节约用地，充分利用地形，道路蜿蜒曲折，T形交叉、畸形交叉、错位交叉较多，交通组织困难；道路宽度较窄，且断头路多，横向联系道路少，路网非直线系数大。

1.2 山地城市路网震害特点分析

地震会对城市道路造成严重危害。地震导致地下岩层断裂、错动、变形，进而造成修筑在其上的路基路面结构变形破坏。山地城市由于地形起伏较大，受到山脉、河流等地形条件的限制，山地城市道路中边坡、半填半挖路基、挡土墙、桥梁隧道工程等远远多于平原城市。在地震作用下，路基挡土墙往往出现侧移、外倾、墙面鼓胀、基础脱空甚至坍塌等破坏现象。地震引发山体滑坡大量土石方顺岩层的软弱面大规模滑动，造成道路被推移或掩埋。在地震作用下产生大量松散堆积物，再加上山区陡峭的地形条件，若恰逢降雨，将引发规模不一的泥石流灾害。在节理裂隙发育、风化严重、岩体松散破碎的陡峭山体上或深路堑路段，在地震作用下易引发山体崩塌。在峡谷地段，地震引发的滑坡、泥石流、坍塌等堆积物将河沟拦断，导致上游来水无法下泄而形成堰塞湖，不断上涨的湖水淹没沿河岸修建的道路。地震往往还会造成桥梁垮塌、隧道堵塞，造成交通中断等。

综上所述，地震对于山地城市造成的影响要远比对平原城市的影响严重、复杂。

2 山地城市抗震适应性综合评价

山地城市路网抗震适应性指标涉及面广，影响因素多且复杂，大部分评价指标难以用精确的数值标准衡量。为此，采用系统工程方法中的模糊综合评判法，对山地城市路网的抗震适应性进行客观评价。

2.1 模糊综合评价方法的基本原理

模糊综合评价法应用模糊系统的基本理论，对具体事物建立评价因素集、各因素权重集、各种评价结果组成的评价集，进行综合运算和评价[7-8]。模糊综合评价一般包括评价因素集的确定、评价指标等级及其标准值的确定、各因素权重的确定、计算综合指标值和综合指标隶属度等步骤。

2.2 抗震适应性评价模型

2.2.1 模糊集的确定

因素集的选取需遵循以下原则：尽可能简洁全面，能反映影响山地城市路网在地震作用下的安全稳定性属性；反映路网安全属性的主要因素要尽可能选取；各影响因素具有相对易测性，其测定的结果具有相对稳定性。

根据对指标体系建立的总体思路，基于上述指标选取原则，在路网及防灾减灾评价指标已有研究成果的基础上，综合山地城市与平原城市路网的不同特点，建立山地城市路网抗震适应性评价指标体系，由以下4个方面构成：路网因素U1、交通环境因素U2、应急管理能力因素U3、震害环境U4，即U={U1，U2，U3，U4}，其中每一因素Ui又包括多个子因素，即Ui={Ui1，Ui2，… } ，i=1，2，3，4。影响抗震适应性的单因素等级划分结构如表1。

2.2.2 确定各评价要素的权重

在多指标的模糊综合评价中，经常与其它综合评价方法相结合来确定各指标的权重。如Delphi 法、层次分析法、均方差法、变异系数法等。由于影响山地城市抗震适应性的因素指标多且复杂，优先选用层次分析法(AHP)确定各因素的权重。层次分析法运用两两对比的方法，构造比较矩阵，权重即该矩阵最大特征值对应的特征向量。通过矩阵运算求解得到比较矩阵的最大特征根λmax及其对应的特征向量W；然后进行一致性检验。具体计算步骤如下。

1) 构造比较判断矩阵。通过专家对一级指标层的元素Ui和Uj判断哪一个更为重要，按重要性赋予1～9 的比例标度(表2)得到判断矩阵。

2)判断矩阵特征向量计算。采用和积法对判断矩阵进行计算，求出其特征向量和特征根，得W=(0.227 1,0.096 0,0.116 1,0.465 8)T，λmax=4.031 0。

3)一致性检验。CR=CI/RI<0.1，其中CI=(λmax-n) /(n-1)，n为指标数；λmax为判断矩阵最大特征根；RI 为当指标数为n时的平均一致性指标。CR=CI/RI=0.017 1/0.89=0.011 6<0.1，符合一致性要求。

同理，可计算得到各二级指标层的权向量，由于篇幅限制，不再一一列出，其计算及检验结果见表3。

表1 影响路网抗震适应性的单因素结构

表2 Saaty建议的1～9标度语言量化

表3 单因素权重

2.2.3 建立评语集

以对单因素的模糊判断，得到模糊综合评价的路网抗震适应性等级，确定其模糊评语集为：V= {高，较高，一般，较低，低} = {v1，v2，v3，v4，v5}，并给各适应性等级赋予一定的数值，以便进行路网抗震适应性评价，按其适应性等级确定为：V={v1，v2，v3，v4，v5}={100，80，60，40，20 }。

2.2.4 建立评价因素隶属度模糊矩阵

隶属函数的确定是保证评价结果准确的关键，在实际应用中往往依靠经验和试验统计。常用的隶属函数确定方法有模糊统计法、二元对比排序法、分析推理法等。将隶属关系由确定的{0，1}变为连续的闭区间[0，1]，充分考虑到中间过渡状态是模糊集合论的最大特点。由于抗震适应性影响因素的复杂性，确切的划分界限往往会抹杀许多其他规律。模糊集合论通过研究事件的模糊关系，寻求广义的排中率-隶属规律-事件隶属度的客观含义，反映出事件与模糊概念间的联系和制约。笔者采用半梯形和梯形分布隶属函数来分析，如对于道路线形评价指标而言，5个隶属函数表示如下：

通过专家打分得到各指标的定性评判：好(85～100)，较好(70～85)，一般(50～70)，较差(30～50)，差(≤30)，从而可类似得到梯形隶属函数对应评语集合V中的v1，v2，v3，v4，v5。然后，确定各指标的隶属度指标值，建立隶属度模糊判别矩阵R(Sij)。

2.2.5 抗震适应性综合评价

二级指标层中各因素在其上层指标中所占权重用权重向量Wi表示，各指标对应评语集的模糊评判矩阵表示为R(Sij)，则一级评判向量为：

SCij=Wi×R(Suij)

(1)

由一级评价向量SCij构成二级评判矩阵RCi，一级指标层中各因素在抗震适应性评价中的权重用向量W表示，则二级评判向量为：

(2)

式中:RCi=(SCi1,SCi2,…,SCim)T(m表示为结构层次中一级影响因素的个数)。

一般情况下，还需对二级评判向量进行归一化处理(处理之后向量用SAi表示)。通过式(3)计算即可得到所需评价路网的抗震适应性综合得分：

v=SAi×ST

(3)

通过以上对路网的抗震适应性综合评判，根据最大隶属原则以及最终评判得分值属于哪一等级，即可确定该山地城市路网抗震适应性等级。

3 算 例

选用典型山地城市重庆市某局域路网为例，对该山地城市路网与本地区震害环境的适应程度进行分析，具体阐述山地城市路网抗震适应性评价的计算过程，路网结构如图1。

图1 重庆市某区域路网

该路网由52个基本路段，33个节点组成，经过实地调查统计与专家评定，相邻路段车速差最大值为10 km/h， 路面状况指数值85分，有较为先进的交通工程设施，其他因素评价详见表4。

表4 单因素状况描述

3.1 一级模糊评判

根据路网的单因素状况描述，建立路网单因素模糊评判矩阵。

一级评判计算，即

SC1=W1j×R(Su1)=

SC3=W3j×R(Su3)=

SC4=

3.2 二级模糊评判

二级评判矩阵由一级评判结果得到：

将SB进行归一化处理，得：

计算路网抗震适应性评价的综合得分为：

v=SA×VT=79.082

通过上述综合评价，根据最大隶属原则，路网抗震适应性评判得分评价区间为[60，80]，属于评语集中的v2。由此确定该山地城市路网抗震适应性等级为“较高”状态。

4 结 论

1)分析了山地城市路网特点及其震害环境状态，相对于平原城市，地震灾害对山地城市的影响要更为严重和复杂。

2)根据评价指标的选取原则和选取方法，建立了山地城市抗震适应性评价指标体系，采用层次分析法确定各影响因素的权重，运用模糊分析方法建立了山地城市路网抗震适应性综合评价模型。

3)通过实地调查采集相关参数，运用山地城市路网抗震适应性综合评价模型，对山城重庆某局域路网进行了抗震适应性评估，评估结果表明该评估方法具有可实施性。

[1] 王晓飞,郭忠印.基于路段二级模糊评判的路网运营安全性研究[J].同济大学学报：自然科学版,2007,35(12):1633-1666. Wang Xiaofei,Guo Zhongyin.Research on network safety operation based on two-level fuzzy comprehensive judgment of highway segment[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2007,35(12):1633-1666.

[2] 陶小林.山地城市交通系统震害预测及应用研究[D].重庆：重庆大学,2007. Tao Xiaolin.Study on Seismic Disaster Forecast of Mountain City Transportation System and its Application[D].Chongqing:Chongqing University,2007.

[3] 张风华,谢礼立,范立础.城市防震减灾能力评估研究[J].地震学报,2004,26(3):318-330. Zhang Fenghua,Xie Lili,Fan Lichu.Study on evaluation of cities’ ability reducing earthquake disasters[J].Acta Seismologica Sinica,2004,26(3):318-330.

[4] 刘莉,谢礼立.关于城市防震减灾能力影响因素的探讨[J].世界地震工程,2008(3):88-92. Liu Li,Xie Lili.Study on factors influencing on ability of earthquake disaster reduction in a city[J].World Earthquake Engineering,2008(3):88-92.

[5] 张风华,谢礼立.城市防震减灾能力指标权数确定研究[J].自然灾害学报,2002(11):23-28. Zhang Fenghua,Xie Lili.Study on determination of index weights for city′s ability in earthquake disasters reduction[J].Journal of Natural Disasters,2002(11):23-28.

[6] 周彪,周军学,周晓猛,等.城市防灾减灾综合能力的定量分析[J].防灾科技学院学报,2010,12(1):104-112. Zhou Biao,Zhou Junxue,Zhou Xiaomeng,et al.Quantitative analysis of comprehensive ability of urban disaster prevention and mitigation[J].Journal of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology,2010,12(1):104-112.

[7] 李玉琳 高志刚 韩延玲.模糊综合评价中权值确定和合成算子选择[J].计算机工程与应用,2006,42(23):38-42. Li Yulin,Gao Zhigang,Han Yanling.The determination of weight value and the choice of composite operators in fuzzy comprehensive evaluation[J].Computer Engineering and Applications,2006,42(23):38-42.

[8] 徐雪燕.模糊综合评价模型研究及应用[D].成都：西南石油大学,2011. Xu Xueyan.Research and Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation Model[D].Chengdu:Southwest Petroleum University,2011.

Comprehensive Evaluation Study on Seismic Adaptability of Mountainous City Road Network

Song Yongchao，Yang Yongqian

(School of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to research the earthquake environmental adaptability of mountainous city road network, and analyze the characteristics and earthquake damage environment, the mountainous city earthquake adaptability evaluation index system was established based on the principle and methods of selecting evaluation. The weight of each factor was determined by using Analytic Hierarchy Process. The seismic adaptability comprehensive evaluation model of urban road network of mountainous city was constructed using the fuzzy comprehensive evaluation. A local area road network seismic adaptability of Chongqing was evaluated.

traffic engineering;mountainous city; urban road network; seismic disaster;seismic adaptability; comprehensive evaluation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.23

2013-05-22；

2013-12-07

国家自然科学基金项目(51278361)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ120418)

宋永朝(1975—)，男，湖南双峰人，副教授，博士，主要从事道路与交通工程方面的研究。E-mail:songyc69@163.com。

杨永前(1989—)，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事道路与交通安全方面的研究。E-mail:yangyqky@126.com。

U491

A

1674-0696(2015)01-105-05