中巴公路奥-布段水毁灾害及风险性评价研究

杨 栓 成，魏 学 利，陈 宝 成，罗 文 功2，李 宾

(1.新疆交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006； 2.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

中巴公路不仅是连接中国和巴基斯坦的国际友谊公路，而且也是“丝绸之路”经济带的重要组成部分，具有重要的国家战略意义。其中，中巴公路奥依塔克镇-布伦口段(以下简称奥-布段)为中巴公路国内段的必经廊道， 线路走向自东北向西南，总长度为70.25 km。由于路线沿盖孜河布设，沿线现代冰川广泛发育，山谷沟道比降普遍较大，且局地性降雨强度较大，导致了公路水毁现象十分频繁，严重影响了中巴公路的畅通和安全运行。

目前，关于中巴公路沿线灾害的研究多为泥石流等地质灾害，如王景荣对中巴公路喀什至塔什库尔干路段冰川泥石流的危害分布及形成原因进行了研究[1]；廖丽萍等分析了中巴公路泥石流灾害的破坏机理及防治[2]；魏学利等分析了中巴公路艾尔库然沟冰川泥石流的形成条件和起动模式，并提出合理的防治模式和治理对策[3]；但是涉及中巴公路沿线公路水毁的相关研究较少。鉴于此，本文以中巴公路奥-布段公路水毁为研究对象，依据河谷地形地貌与公路及河流的位置关系，将该段公路划分为44个评价单元，从危险性和易损性两个方面建立水毁风险性评价指标体系，并基于GIS平台对各路段进行风险等级划分。研究结果可对中巴公路建设和运维过程中的灾害防治提供一定的理论依据和科技支撑。

1 中巴公路奥-布段概述

中巴公路奥-布段位于新疆喀什地区西南端，北与天山山脉接壤，南与喀喇昆仑山相连，西接帕米尔高原，东临塔里木盆地[4]。中巴公路奥-布段位于山岭重丘区，沿盖孜河布设，总体走向自东北向西南，从公格尔山脚下穿行，路线长约70.25 km，起讫点高程介于1 750～3 350 m，以奥依塔克镇起点，途经奥依恰康达、奥依塔克村、盖孜边防检查站、玉其喀帕古驿站遗址等，至布伦口水库，是通往塔什库尔干县、红其拉甫口岸的必经之路，也是中巴公路国内段的重要组成部分。该区自然条件极为恶劣，地形起伏较大，沿线地质构造和地层岩性复杂，新构造运动活跃，地震频发，冰川活动强烈，局部降雨强度较大，加之路线多依山傍水而行，导致公路沿线地质灾害频发，其中公路水毁是奥-布段沿线较为常见灾害之一(见图1)。经初步统计，该路段每年由于水毁造成的的损失均不低于500万元。

图1 中巴公路奥-布段公路水毁分布Fig.1 Flood damage distribution along the Ao-Bu section of Sino-Pakistan Highway

2 中巴公路奥-布段气象水文地质特征

2.1 气象水文

研究区属于暖温带干旱气候，地形条件复杂，加之不同的地貌特征孕育了研究区不同的气候环境。盖孜河上游，高山险峻，气候寒冷，终年积雪；盖孜河中游，季节性积雪为主；盖孜河下游，气候以局地降雨为主。年平均气温5.6℃，极端最低气温-27.2℃，极端最高气温32.7℃；年平均降水量为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，且多为对流性暴雨，历时短，降水量等值线随地面高程的抬升而增加，而且山前地带降水相对丰富且历时极短，易造成局地暴雨，且出现频率较高。

研究区内分布有著名的公格尔山和慕士塔格山主峰，海拔高程分别为7 649 m和7 509 m，终年积雪，现代冰川广泛发育，发育有327条，总面积为640.15 km2，属极大陆型冰川[5]，长度超过10 km的山谷冰川有6条，其中最著名的是树枝状的克拉牙依拉克冰川，面积为128.15 km2。另据公格尔山北麓盖孜河流域克勒克水文站的资料显示，盖孜河的多年平均年径流量为97.8亿m3，其中冰川融水补给比重占77.83%[6]。

2.2 地质背景

研究区古生界至新生界地层皆有分布，主要地层为片麻岩、片岩、板岩、灰岩、砂砾岩以及含煤碎屑岩，总体地层条件较为复杂(见图2)。强烈构造作用致使区域构造断裂发育，地层断褶严重，中巴公路奥-布段主要位于库地地块， 库地-桑珠达坂和公格尔-塔什库尔干单元，主要断裂带为盖孜-库地断裂带和哈拉斯坦-奥依塔格断裂带，并且在公路沿线发育次级小型断裂带。研究区处于青藏高原西北构造结，地质构造复杂，地壳隆升和地表剥蚀强烈，又加上处于喜马拉雅地震活动带附近，区域中强震频发，据1970年来研究区附近地震资料统计发现，5级以上地震共发生177次，其中5～6级地震发生148次，6～7级地震25次，7级以上地震4次。研究区50 a超越概率10%的地震动峰值加速度为0.3g，其相应的地震基本烈度为Ⅷ度。

图2 中巴公路奥-布段段纵断面地层Fig.2 Stratigraphic Map of longitudinal section along the Ao-Bu section of Sino-Pakistan Highway

3 中巴公路奥-布段水毁灾害

据野外实地调查，该路段共发育水毁灾害18处，总计危害范围8.8 km，占总里程的12.3%，水毁类型以路基冲刷水毁和防护工程水毁为主。

3.1 路基冲刷水毁

路基冲刷水毁是奥-布段最为常见的水毁类型，其主要破坏形式包括：① 受弯曲河道环流的影响，造成公路凹岸路基严重冲刷； ② 沿河公路受地形突然变化的影响，压缩河流，使水速变大，冲刷能力增强，导致路基被冲毁； ③ 山区河流开阔段形成的股流流速大，泥沙运动强烈，使河岸不断遭受冲刷而坍塌，如图3,4所示。

图3 中巴公路K1570+000处路基损毁Fig.3 Subgrade damage at K1570+000 of Sino-Pakistan Highway

3.2 防护工程水毁

山区沿河公路为了减少河流对路基的冲刷，常常修筑防冲刷工程，从而增强路基边坡的抗冲刷能力[7]。奥-布段防护工程水毁主要有：① 路基挡土墙等坡面护坡工程基础，受水流强烈冲刷，形成基础悬空，从而导致防护工程的破坏；② 路基坡脚防护工程，如石笼、护坦、矶头坝等直接防护构造物，由于河流及其携带物的冲刷与撞击，造成构造物的变形破坏，甚至被完全冲毁；③ 间接防护构造物，如丁坝、顺坝、格坝等，受水流局部冲刷的变形破坏较为严重，常见的有丁坝坝头损坏、石笼倾覆变形等，如图5,6所示。

图4 中巴公路K1555+100处路基护面损毁Fig.4 Destruction of subgrade cover at K1555+100 of Sino-Pakistan Highway

图5 中巴公路K1571+600处丁坝端部损毁Fig.5 Damage of spur dike at K1571+600 of Sino-Pakistan Highway

图6 中巴公路K1574+950处石笼丁坝损毁Fig.6 Stone cage damage at K1574+950 of Sino-Pakistan Highway

4 奥-布段公路水毁风险性评价指标体系

公路水毁风险性评价指标的选取必须能够较客观全面地反映研究区公路水毁灾害的基本特征[8]。为了便于评价，根据河谷地形地貌及公路与河流的位置关系，将线路划分为44段作为评价单元。

公路水毁成因非常复杂且涉及影响因素较多[9-10]，一般可概括为以下几个方面：① 道路等级、设计标准、路基参数取值等不合理的公路设计，给后期公路运营带来隐患；② 河流冲刷路基，尤其是山区河流，水流形式较为复杂，如河道压缩、凹岸冲刷、挑流顶冲等强烈冲刷路基，在长时间冲刷作用下冲毁路基；③ 防护结构不合理，主要分为路基坡面防护和坡脚防护，前者常见结构形式有挡土墙等，后者常见结构形式有丁坝、护坦等，当这些防护构造物设置不合理时，会导致抗冲击能力差，失去其防护功能，最终被冲毁。

根据上述水毁成因分析，并结合奥-布段公路水毁现场调查和历年资料分析，经专家咨询，本文采用灰色关联分析法[11]，选取10个主要影响因素，建立评价体系，见图7。

图7 奥-布段公路水毁风险评价指标体系Fig.7 Risk assessment index system of water damage along Ao-Bu section

4.1 评价指标因子的选取

4.1.1危险性评价因子的选取

(1) 水毁分布密度。水毁分布密度分为点密度和线密度，点密度指单位长度内水毁分布数量，单位为处/km。线密度表示单位长度公路内路基水毁的总长度，单位为m/km。为了统一指标分级，采用下列公式确定：

KM=1/2(100Kp+KL)

(1)

式中，KM为综合指标，Kp为点密度，KL为线密度。

(2) 河流形态。河流形态的变化往往会导致河道压缩、河流凹岸冲刷等现象，从而改变水流的流速及流向，加剧对沿河公路路基的冲刷[12]。根据河流形态与公路的位置关系，将奥-布段划分为开阔河道顺直段、开阔河道凹岸、开阔河道凸岸、峡谷河道顺直段、峡谷河道凹岸、峡谷河道凸岸。

(3) 河床比降。河床比降的大小往往直接影响水流的流速，山区河流一般比降较大，流速较快，挟沙能力强，特别是河床比降大的河段，可以带动沿途河床质，从而对沿河公路路基造成严重威胁。

(4) 公路类型。根据沿线地形地貌，公路类型可划分为沿河公路、边坡公路、跨河公路和平原公路，不同类型的公路受水毁灾害的影响程度也不一样。因此，公路类型是公路水毁风险性评价的一个重要指标。

(5) 地形起伏度。一般情况下，地势起伏大的地方比地势起伏小的地方更容易遭受河水的侵袭，即起伏度越高，公路水毁危险性越大。

(6) 岩性条件。不同的岩性条件，其结构特征、力学性质、透水性等都具有差异性，在降雨与河流的冲刷作用下，其稳定性和敏感性也不一致。根据不同岩组与水流相互作用的强弱，将研究区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个岩组，其抗水毁能力依次减弱。

(7) 地质构造。区域地质构造发育越集中的路段，其岩土体的变形和破坏就越严重，在洪水作用下，公路路基遭受毁坏的可能性也越大。因此，地质构造的发育在一定程度上影响了公路水毁的分布。

(8) 24 h降雨量。降雨是导致洪灾的一个主要因素，尤其在山区，充足的降雨量可使地表径流增加，导致洪水，从而直接影响公路水毁灾害的程度[13]。本文采用24 h降雨量作为奥-布段公路水毁危险性评价因子。

4.1.2易损性评价因子的选取

(1) 公路造价。公路造价主要包括公路主体、附属防护设施价值及公路维护费用等。对于公路水毁灾害，附属防护设施的价值对易损性评价具有直接影响[14]。本文按照不同公路类型及其附属防护设施，将公路造价花费划为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级，其相应造价依次增加。

(2) 路基自身稳定性。路基自身稳定性主要包含防护工程稳定性和完善性两方面，前者主要指防护工程表面抗冲刷能力、抗水流冲击能力、基础稳定性等方面[15]；后者则是指防护形式和防护范围选择的适当性。根据防护工程的稳定性和完善性，路基自身稳定性可分为好、较好、一般、较差4个等级。

4.2 评价指标权重的确定

公路水毁风险性评价指标之间关系复杂，评价过程是一个多目标、多层次、多属性的问题，指标权重的赋值对评价结果的精确性和可靠性具有直接影响[16]。结合前人研究成果及研究区实际情况，选取层次分析法与确定性系数法相结合(AHP-CF)确定指标权重。首先运用确定性系数(CF)法，求出各评价因子指标分级的相对权重，即CF值，但该方法不能很好地确定各评价因子之间的权重；然后运用层次分析法(AHP)对各评价指标之间进行层次划分，科学分配权重，并检验权重分配的可靠性；最终结合这两种方法构建AHP-CF评价模型，确定评价指标的综合权重，对奥-布段公路水毁灾害进行风险性评价[17]。该评价模型将客观与主观相结合，不仅考虑了各指标对公路水毁的影响度，还在一定程度上避免了各指标的重复性和人为干扰因素，计算简便，可有效地提高评价结果的准确性。通过对各指标进行权重赋值，并通过一致性检验，其各项评价指标见表1。

表1 奥-布段公路水毁风险性评价指标权重Tab.1 Weight of risk evaluation index of water damage along Ao-Bu highway

5 奥-布段公路水毁风险性评价

公路水毁风险性评价是对评价对象自然属性和社会属性的综合性分析过程[18]。通过建立奥-布段公路水毁风险性评价指标体系，对奥布段公路水毁进行危险性评价和易损性评价，在此基础上建立公路水毁灾害风险性评价模型，进而定量评价奥布段公路水毁灾害风险性。

5.1 危险性评价

在公路水毁风险性评价指标体系基础上，对危险性评价指标基础数据进行量化处理，进而转化为各路段基础信息，最终建立公路水毁危险性分区数据[19]。在对奥-布段公路水毁进行危险性评价过程中，综合考虑了评价指标间的权重以及不同指标分级对水毁灾害的影响，因此，应将两者联合起来确定危险性分区综合量化值，其计算公式为

(2)

式中,LSP为危险性分区综合和指数；n为评价体系中评价指标总数；Wi为评价指标的权重；CFij为指标第j个分类的确定性系数。

根据上述公式，赋予评价单元综合权重值，然后通过GIS平台对各评价指标进行加权叠加，最终获得奥-布段公路水毁灾害危险性分区，如图8所示。通过自然分类法对水毁危险性进行分级，按危险性可分为4个等级，分别为极高危险区[0.021 5～0.658 2]、高危险区[-0.325 8～0.021 5]、中危险区[-0.542 9～-0.325 8]、低危险区[-0.666 7～-0.542 9]，见表2。

图8 奥-布段公路水毁灾害危险性分区Fig.8 Zoning of hazard degree of water damage hazard along Ao-Bu highway

5.2 易损性评价

基于GIS平台对易损性评价指标进行量化处理，进而建立公路水毁易损性分区数据库。在此，易损性分区综合量化值的计算与上述危险性评价原理相同，其计算公式：

(3)

式中，LSP为易损性分区综合和指数；n为评价指标总数；Wi为评价指标xi的权重；CFij为指标xi第j个分类的确定性系数。

表2 奥布段公路水毁灾害危险性分布Tab.2 Hazard distribution of flood damage along Ao-Bu highway

根据上述评价模型，基于GIS平台对评价指标加权叠加，最终得到奥-布段公路水毁灾害易损性分区，如图9所示。

图9 奥-布段公路水毁灾害易损性分区Fig.9 Vulnerability zone of water damage disaster along Ao-Bu highway

通过自然分类法将水毁易损性划分为四个等级，分别为极高易损区[0.014 4～0.537 5]、高易损区[-0.203 8～0.014 4]、中易损区[-0.425 6～-0.203 8]、低易损区[-0.632 5～-0.425 6]，见表3。

表3 奥-布段公路水毁灾害易损性分布Tab.3 Distribution of vulnerability of flood damage along Ao-Bu highway

5.3 风险性评价

本文风险性评价模型采用国际上比较常用的R=H×V模型，其中R代表风险度，H代表危险性，V代表易损性。该模型为联合国提出的自然灾害风险性评价模型，可以较全面地反映风险的本质[20]。根据前文得到的公路水毁危险性和易损性分区图，基于GIS平台将其进行空间叠加，最终得出奥布段公路水毁风险性等级分区图(见图10)，其各分级计算结果见表4。

图10 奥-布段公路水毁灾害风险性分区Fig.10 Risk zoning of water damage disaster along Ao-Bu highway

表4 奥-布段公路水毁灾害风险性分布Tab.4 Risk distribution of water damage hazard along Ao-Bu highway

根据水毁风险分区结果，奥布段水毁风险以低风险为主，其中低风险路段为39.25 km，占总里程的55.87%；中风险路段为10.15 km，占总里程的14.45%；高风险路段为12.55 km，占总里程的17.86%；极高风险路段为8.30 km，占总里程的11.81%。根据喀什公路管理局对该路段2005～2015年公路水毁统计结果，受灾损毁路段主要集中于K1559-K1615路段，与本文风险评价结果较为一致。因此，本文研究结果比较准确、可靠，可以为公路水毁的防灾减灾工作提供一定的参考价值。

6 结 论

(1) 以中巴公路奥-布段为研究对象，根据公路沿线地貌与水系分布关系，将其划分为44段评价单元，分别从水毁危险性和水毁易损性方面，选取10个影响因素构建公路水毁风险性评价指标体系。

(2) 基于GIS平台，将评价指标数据进行量化处理，获取各评价指标单要素专题图，在此基础上，利用AHP-CF评价模型对公路水毁危险性和易损性进行等级划分，进而利用风险性评价模型计算得到中巴公路奥-布段公路水毁风险性等级区划图。结果表明：奥布段公路水毁风险性以低风险为主，占总里程的55.87%，同时极高风险路段为8.30 km，占总里程的11.81%。通过和历年水毁统计资料比较，该评价结果较准确、可靠，具有一定的实用性和借鉴意义。

(3) 在指标选取过程中，影响因素还有很多，鉴于研究区可参考资料较少，有些数据难以获取，本文仅选取了10个指标，且部分指标需要更加精确化，未来需要对关键数据的获取加强研究。