中巴公路奧-布段水毀災(zāi)害及風險性評價研究

楊 栓 成，魏 學 利，陳 寶 成，羅 文 功2，李 賓

(1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830006； 2.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046)

中巴公路不僅是連接中國和巴基斯坦的國際友誼公路，而且也是“絲綢之路”經(jīng)濟帶的重要組成部分，具有重要的國家戰(zhàn)略意義。其中，中巴公路奧依塔克鎮(zhèn)-布倫口段(以下簡稱奧-布段)為中巴公路國內(nèi)段的必經(jīng)廊道， 線路走向自東北向西南，總長度為70.25 km。由于路線沿蓋孜河布設(shè)，沿線現(xiàn)代冰川廣泛發(fā)育，山谷溝道比降普遍較大，且局地性降雨強度較大，導(dǎo)致了公路水毀現(xiàn)象十分頻繁，嚴重影響了中巴公路的暢通和安全運行。

目前，關(guān)于中巴公路沿線災(zāi)害的研究多為泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，如王景榮對中巴公路喀什至塔什庫爾干路段冰川泥石流的危害分布及形成原因進行了研究[1]；廖麗萍等分析了中巴公路泥石流災(zāi)害的破壞機理及防治[2]；魏學利等分析了中巴公路艾爾庫然溝冰川泥石流的形成條件和起動模式，并提出合理的防治模式和治理對策[3]；但是涉及中巴公路沿線公路水毀的相關(guān)研究較少。鑒于此，本文以中巴公路奧-布段公路水毀為研究對象，依據(jù)河谷地形地貌與公路及河流的位置關(guān)系，將該段公路劃分為44個評價單元，從危險性和易損性兩個方面建立水毀風險性評價指標體系，并基于GIS平臺對各路段進行風險等級劃分。研究結(jié)果可對中巴公路建設(shè)和運維過程中的災(zāi)害防治提供一定的理論依據(jù)和科技支撐。

1 中巴公路奧-布段概述

中巴公路奧-布段位于新疆喀什地區(qū)西南端，北與天山山脈接壤，南與喀喇昆侖山相連，西接帕米爾高原，東臨塔里木盆地[4]。中巴公路奧-布段位于山嶺重丘區(qū)，沿蓋孜河布設(shè)，總體走向自東北向西南，從公格爾山腳下穿行，路線長約70.25 km，起訖點高程介于1 750～3 350 m，以奧依塔克鎮(zhèn)起點，途經(jīng)奧依恰康達、奧依塔克村、蓋孜邊防檢查站、玉其喀帕古驛站遺址等，至布倫口水庫，是通往塔什庫爾干縣、紅其拉甫口岸的必經(jīng)之路，也是中巴公路國內(nèi)段的重要組成部分。該區(qū)自然條件極為惡劣，地形起伏較大，沿線地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性復(fù)雜，新構(gòu)造運動活躍，地震頻發(fā)，冰川活動強烈，局部降雨強度較大，加之路線多依山傍水而行，導(dǎo)致公路沿線地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中公路水毀是奧-布段沿線較為常見災(zāi)害之一(見圖1)。經(jīng)初步統(tǒng)計，該路段每年由于水毀造成的的損失均不低于500萬元。

圖1 中巴公路奧-布段公路水毀分布Fig.1 Flood damage distribution along the Ao-Bu section of Sino-Pakistan Highway

2 中巴公路奧-布段氣象水文地質(zhì)特征

2.1 氣象水文

研究區(qū)屬于暖溫帶干旱氣候，地形條件復(fù)雜，加之不同的地貌特征孕育了研究區(qū)不同的氣候環(huán)境。蓋孜河上游，高山險峻，氣候寒冷，終年積雪；蓋孜河中游，季節(jié)性積雪為主；蓋孜河下游，氣候以局地降雨為主。年平均氣溫5.6℃，極端最低氣溫-27.2℃，極端最高氣溫32.7℃；年平均降水量為97.2～127.5 mm，最大降水量41.7 mm(1996年6月)，降水量集中在5～9月份，且多為對流性暴雨，歷時短，降水量等值線隨地面高程的抬升而增加，而且山前地帶降水相對豐富且歷時極短，易造成局地暴雨，且出現(xiàn)頻率較高。

研究區(qū)內(nèi)分布有著名的公格爾山和慕士塔格山主峰，海拔高程分別為7 649 m和7 509 m，終年積雪，現(xiàn)代冰川廣泛發(fā)育，發(fā)育有327條，總面積為640.15 km2，屬極大陸型冰川[5]，長度超過10 km的山谷冰川有6條，其中最著名的是樹枝狀的克拉牙依拉克冰川，面積為128.15 km2。另據(jù)公格爾山北麓蓋孜河流域克勒克水文站的資料顯示，蓋孜河的多年平均年徑流量為97.8億m3，其中冰川融水補給比重占77.83%[6]。

2.2 地質(zhì)背景

研究區(qū)古生界至新生界地層皆有分布，主要地層為片麻巖、片巖、板巖、灰?guī)r、砂礫巖以及含煤碎屑巖，總體地層條件較為復(fù)雜(見圖2)。強烈構(gòu)造作用致使區(qū)域構(gòu)造斷裂發(fā)育，地層斷褶嚴重，中巴公路奧-布段主要位于庫地地塊， 庫地-桑珠達坂和公格爾-塔什庫爾干單元，主要斷裂帶為蓋孜-庫地斷裂帶和哈拉斯坦-奧依塔格斷裂帶，并且在公路沿線發(fā)育次級小型斷裂帶。研究區(qū)處于青藏高原西北構(gòu)造結(jié)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地殼隆升和地表剝蝕強烈，又加上處于喜馬拉雅地震活動帶附近，區(qū)域中強震頻發(fā)，據(jù)1970年來研究區(qū)附近地震資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，5級以上地震共發(fā)生177次，其中5～6級地震發(fā)生148次，6～7級地震25次，7級以上地震4次。研究區(qū)50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.3g，其相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

圖2 中巴公路奧-布段段縱斷面地層Fig.2 Stratigraphic Map of longitudinal section along the Ao-Bu section of Sino-Pakistan Highway

3 中巴公路奧-布段水毀災(zāi)害

據(jù)野外實地調(diào)查，該路段共發(fā)育水毀災(zāi)害18處，總計危害范圍8.8 km，占總里程的12.3%，水毀類型以路基沖刷水毀和防護工程水毀為主。

3.1 路基沖刷水毀

路基沖刷水毀是奧-布段最為常見的水毀類型，其主要破壞形式包括：① 受彎曲河道環(huán)流的影響，造成公路凹岸路基嚴重沖刷； ② 沿河公路受地形突然變化的影響，壓縮河流，使水速變大，沖刷能力增強，導(dǎo)致路基被沖毀； ③ 山區(qū)河流開闊段形成的股流流速大，泥沙運動強烈，使河岸不斷遭受沖刷而坍塌，如圖3,4所示。

圖3 中巴公路K1570+000處路基損毀Fig.3 Subgrade damage at K1570+000 of Sino-Pakistan Highway

3.2 防護工程水毀

山區(qū)沿河公路為了減少河流對路基的沖刷，常常修筑防沖刷工程，從而增強路基邊坡的抗沖刷能力[7]。奧-布段防護工程水毀主要有：① 路基擋土墻等坡面護坡工程基礎(chǔ)，受水流強烈沖刷，形成基礎(chǔ)懸空，從而導(dǎo)致防護工程的破壞；② 路基坡腳防護工程，如石籠、護坦、磯頭壩等直接防護構(gòu)造物，由于河流及其攜帶物的沖刷與撞擊，造成構(gòu)造物的變形破壞，甚至被完全沖毀；③ 間接防護構(gòu)造物，如丁壩、順壩、格壩等，受水流局部沖刷的變形破壞較為嚴重，常見的有丁壩壩頭損壞、石籠傾覆變形等，如圖5,6所示。

圖4 中巴公路K1555+100處路基護面損毀Fig.4 Destruction of subgrade cover at K1555+100 of Sino-Pakistan Highway

圖5 中巴公路K1571+600處丁壩端部損毀Fig.5 Damage of spur dike at K1571+600 of Sino-Pakistan Highway

圖6 中巴公路K1574+950處石籠丁壩損毀Fig.6 Stone cage damage at K1574+950 of Sino-Pakistan Highway

4 奧-布段公路水毀風險性評價指標體系

公路水毀風險性評價指標的選取必須能夠較客觀全面地反映研究區(qū)公路水毀災(zāi)害的基本特征[8]。為了便于評價，根據(jù)河谷地形地貌及公路與河流的位置關(guān)系，將線路劃分為44段作為評價單元。

公路水毀成因非常復(fù)雜且涉及影響因素較多[9-10]，一般可概括為以下幾個方面：① 道路等級、設(shè)計標準、路基參數(shù)取值等不合理的公路設(shè)計，給后期公路運營帶來隱患；② 河流沖刷路基，尤其是山區(qū)河流，水流形式較為復(fù)雜，如河道壓縮、凹岸沖刷、挑流頂沖等強烈沖刷路基，在長時間沖刷作用下沖毀路基；③ 防護結(jié)構(gòu)不合理，主要分為路基坡面防護和坡腳防護，前者常見結(jié)構(gòu)形式有擋土墻等，后者常見結(jié)構(gòu)形式有丁壩、護坦等，當這些防護構(gòu)造物設(shè)置不合理時，會導(dǎo)致抗沖擊能力差，失去其防護功能，最終被沖毀。

根據(jù)上述水毀成因分析，并結(jié)合奧-布段公路水毀現(xiàn)場調(diào)查和歷年資料分析，經(jīng)專家咨詢，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[11]，選取10個主要影響因素，建立評價體系，見圖7。

圖7 奧-布段公路水毀風險評價指標體系Fig.7 Risk assessment index system of water damage along Ao-Bu section

4.1 評價指標因子的選取

4.1.1危險性評價因子的選取

(1) 水毀分布密度。水毀分布密度分為點密度和線密度，點密度指單位長度內(nèi)水毀分布數(shù)量，單位為處/km。線密度表示單位長度公路內(nèi)路基水毀的總長度，單位為m/km。為了統(tǒng)一指標分級，采用下列公式確定：

KM=1/2(100Kp+KL)

(1)

式中，KM為綜合指標，Kp為點密度，KL為線密度。

(2) 河流形態(tài)。河流形態(tài)的變化往往會導(dǎo)致河道壓縮、河流凹岸沖刷等現(xiàn)象，從而改變水流的流速及流向，加劇對沿河公路路基的沖刷[12]。根據(jù)河流形態(tài)與公路的位置關(guān)系，將奧-布段劃分為開闊河道順直段、開闊河道凹岸、開闊河道凸岸、峽谷河道順直段、峽谷河道凹岸、峽谷河道凸岸。

(3) 河床比降。河床比降的大小往往直接影響水流的流速，山區(qū)河流一般比降較大，流速較快，挾沙能力強，特別是河床比降大的河段，可以帶動沿途河床質(zhì)，從而對沿河公路路基造成嚴重威脅。

(4) 公路類型。根據(jù)沿線地形地貌，公路類型可劃分為沿河公路、邊坡公路、跨河公路和平原公路，不同類型的公路受水毀災(zāi)害的影響程度也不一樣。因此，公路類型是公路水毀風險性評價的一個重要指標。

(5) 地形起伏度。一般情況下，地勢起伏大的地方比地勢起伏小的地方更容易遭受河水的侵襲，即起伏度越高，公路水毀危險性越大。

(6) 巖性條件。不同的巖性條件，其結(jié)構(gòu)特征、力學性質(zhì)、透水性等都具有差異性，在降雨與河流的沖刷作用下，其穩(wěn)定性和敏感性也不一致。根據(jù)不同巖組與水流相互作用的強弱，將研究區(qū)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個巖組，其抗水毀能力依次減弱。

(7) 地質(zhì)構(gòu)造。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育越集中的路段，其巖土體的變形和破壞就越嚴重，在洪水作用下，公路路基遭受毀壞的可能性也越大。因此，地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育在一定程度上影響了公路水毀的分布。

(8) 24 h降雨量。降雨是導(dǎo)致洪災(zāi)的一個主要因素，尤其在山區(qū)，充足的降雨量可使地表徑流增加，導(dǎo)致洪水，從而直接影響公路水毀災(zāi)害的程度[13]。本文采用24 h降雨量作為奧-布段公路水毀危險性評價因子。

4.1.2易損性評價因子的選取

(1) 公路造價。公路造價主要包括公路主體、附屬防護設(shè)施價值及公路維護費用等。對于公路水毀災(zāi)害，附屬防護設(shè)施的價值對易損性評價具有直接影響[14]。本文按照不同公路類型及其附屬防護設(shè)施，將公路造價花費劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級，其相應(yīng)造價依次增加。

(2) 路基自身穩(wěn)定性。路基自身穩(wěn)定性主要包含防護工程穩(wěn)定性和完善性兩方面，前者主要指防護工程表面抗沖刷能力、抗水流沖擊能力、基礎(chǔ)穩(wěn)定性等方面[15]；后者則是指防護形式和防護范圍選擇的適當性。根據(jù)防護工程的穩(wěn)定性和完善性，路基自身穩(wěn)定性可分為好、較好、一般、較差4個等級。

4.2 評價指標權(quán)重的確定

公路水毀風險性評價指標之間關(guān)系復(fù)雜，評價過程是一個多目標、多層次、多屬性的問題，指標權(quán)重的賦值對評價結(jié)果的精確性和可靠性具有直接影響[16]。結(jié)合前人研究成果及研究區(qū)實際情況，選取層次分析法與確定性系數(shù)法相結(jié)合(AHP-CF)確定指標權(quán)重。首先運用確定性系數(shù)(CF)法，求出各評價因子指標分級的相對權(quán)重，即CF值，但該方法不能很好地確定各評價因子之間的權(quán)重；然后運用層次分析法(AHP)對各評價指標之間進行層次劃分，科學分配權(quán)重，并檢驗權(quán)重分配的可靠性；最終結(jié)合這兩種方法構(gòu)建AHP-CF評價模型，確定評價指標的綜合權(quán)重，對奧-布段公路水毀災(zāi)害進行風險性評價[17]。該評價模型將客觀與主觀相結(jié)合，不僅考慮了各指標對公路水毀的影響度，還在一定程度上避免了各指標的重復(fù)性和人為干擾因素，計算簡便，可有效地提高評價結(jié)果的準確性。通過對各指標進行權(quán)重賦值，并通過一致性檢驗，其各項評價指標見表1。

表1 奧-布段公路水毀風險性評價指標權(quán)重Tab.1 Weight of risk evaluation index of water damage along Ao-Bu highway

5 奧-布段公路水毀風險性評價

公路水毀風險性評價是對評價對象自然屬性和社會屬性的綜合性分析過程[18]。通過建立奧-布段公路水毀風險性評價指標體系，對奧布段公路水毀進行危險性評價和易損性評價，在此基礎(chǔ)上建立公路水毀災(zāi)害風險性評價模型，進而定量評價奧布段公路水毀災(zāi)害風險性。

5.1 危險性評價

在公路水毀風險性評價指標體系基礎(chǔ)上，對危險性評價指標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行量化處理，進而轉(zhuǎn)化為各路段基礎(chǔ)信息，最終建立公路水毀危險性分區(qū)數(shù)據(jù)[19]。在對奧-布段公路水毀進行危險性評價過程中，綜合考慮了評價指標間的權(quán)重以及不同指標分級對水毀災(zāi)害的影響，因此，應(yīng)將兩者聯(lián)合起來確定危險性分區(qū)綜合量化值，其計算公式為

(2)

式中,LSP為危險性分區(qū)綜合和指數(shù)；n為評價體系中評價指標總數(shù)；Wi為評價指標的權(quán)重；CFij為指標第j個分類的確定性系數(shù)。

根據(jù)上述公式，賦予評價單元綜合權(quán)重值，然后通過GIS平臺對各評價指標進行加權(quán)疊加，最終獲得奧-布段公路水毀災(zāi)害危險性分區(qū)，如圖8所示。通過自然分類法對水毀危險性進行分級，按危險性可分為4個等級，分別為極高危險區(qū)[0.021 5～0.658 2]、高危險區(qū)[-0.325 8～0.021 5]、中危險區(qū)[-0.542 9～-0.325 8]、低危險區(qū)[-0.666 7～-0.542 9]，見表2。

圖8 奧-布段公路水毀災(zāi)害危險性分區(qū)Fig.8 Zoning of hazard degree of water damage hazard along Ao-Bu highway

5.2 易損性評價

基于GIS平臺對易損性評價指標進行量化處理，進而建立公路水毀易損性分區(qū)數(shù)據(jù)庫。在此，易損性分區(qū)綜合量化值的計算與上述危險性評價原理相同，其計算公式：

(3)

式中，LSP為易損性分區(qū)綜合和指數(shù)；n為評價指標總數(shù)；Wi為評價指標xi的權(quán)重；CFij為指標xi第j個分類的確定性系數(shù)。

表2 奧布段公路水毀災(zāi)害危險性分布Tab.2 Hazard distribution of flood damage along Ao-Bu highway

根據(jù)上述評價模型，基于GIS平臺對評價指標加權(quán)疊加，最終得到奧-布段公路水毀災(zāi)害易損性分區(qū)，如圖9所示。

圖9 奧-布段公路水毀災(zāi)害易損性分區(qū)Fig.9 Vulnerability zone of water damage disaster along Ao-Bu highway

通過自然分類法將水毀易損性劃分為四個等級，分別為極高易損區(qū)[0.014 4～0.537 5]、高易損區(qū)[-0.203 8～0.014 4]、中易損區(qū)[-0.425 6～-0.203 8]、低易損區(qū)[-0.632 5～-0.425 6]，見表3。

表3 奧-布段公路水毀災(zāi)害易損性分布Tab.3 Distribution of vulnerability of flood damage along Ao-Bu highway

5.3 風險性評價

本文風險性評價模型采用國際上比較常用的R=H×V模型，其中R代表風險度，H代表危險性，V代表易損性。該模型為聯(lián)合國提出的自然災(zāi)害風險性評價模型，可以較全面地反映風險的本質(zhì)[20]。根據(jù)前文得到的公路水毀危險性和易損性分區(qū)圖，基于GIS平臺將其進行空間疊加，最終得出奧布段公路水毀風險性等級分區(qū)圖(見圖10)，其各分級計算結(jié)果見表4。

圖10 奧-布段公路水毀災(zāi)害風險性分區(qū)Fig.10 Risk zoning of water damage disaster along Ao-Bu highway

表4 奧-布段公路水毀災(zāi)害風險性分布Tab.4 Risk distribution of water damage hazard along Ao-Bu highway

根據(jù)水毀風險分區(qū)結(jié)果，奧布段水毀風險以低風險為主，其中低風險路段為39.25 km，占總里程的55.87%；中風險路段為10.15 km，占總里程的14.45%；高風險路段為12.55 km，占總里程的17.86%；極高風險路段為8.30 km，占總里程的11.81%。根據(jù)喀什公路管理局對該路段2005～2015年公路水毀統(tǒng)計結(jié)果，受災(zāi)損毀路段主要集中于K1559-K1615路段，與本文風險評價結(jié)果較為一致。因此，本文研究結(jié)果比較準確、可靠，可以為公路水毀的防災(zāi)減災(zāi)工作提供一定的參考價值。

6 結(jié) 論

(1) 以中巴公路奧-布段為研究對象，根據(jù)公路沿線地貌與水系分布關(guān)系，將其劃分為44段評價單元，分別從水毀危險性和水毀易損性方面，選取10個影響因素構(gòu)建公路水毀風險性評價指標體系。

(2) 基于GIS平臺，將評價指標數(shù)據(jù)進行量化處理，獲取各評價指標單要素專題圖，在此基礎(chǔ)上，利用AHP-CF評價模型對公路水毀危險性和易損性進行等級劃分，進而利用風險性評價模型計算得到中巴公路奧-布段公路水毀風險性等級區(qū)劃圖。結(jié)果表明：奧布段公路水毀風險性以低風險為主，占總里程的55.87%，同時極高風險路段為8.30 km，占總里程的11.81%。通過和歷年水毀統(tǒng)計資料比較，該評價結(jié)果較準確、可靠，具有一定的實用性和借鑒意義。

(3) 在指標選取過程中，影響因素還有很多，鑒于研究區(qū)可參考資料較少，有些數(shù)據(jù)難以獲取，本文僅選取了10個指標，且部分指標需要更加精確化，未來需要對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取加強研究。