謝 菲,趙 星,申 珂
(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)
通過對城市路網(wǎng)韌性的評估分析,有助于識別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),在地震發(fā)生前采取預(yù)防加強(qiáng)措施,提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對災(zāi)害的能力,同時在災(zāi)后也能提供恢復(fù)方向。
地震韌性研究開始于Bruneau 等,總結(jié)出韌性的“4R”特性,即魯棒性、冗余性、資源策略性以及快速恢復(fù)性[1]。魯棒性與冗余性在路網(wǎng)應(yīng)對災(zāi)害發(fā)生時的階段里分別體現(xiàn)出路網(wǎng)抵抗災(zāi)害的能力以及部分道路中斷后其他路徑資源的可替代程度,而資源策略性與快速恢復(fù)性則是在災(zāi)后恢復(fù)階段中體現(xiàn)出路網(wǎng)迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)的能力[2]。由于韌性本身的復(fù)雜性,國內(nèi)外研究中評估方法多樣化。Zhang 等[3]基于對網(wǎng)絡(luò)連通性的分析,構(gòu)建了一個綜合韌性指標(biāo)WIPW,該評估框架系統(tǒng)性地集成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?、冗余性、交通救援需求、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性等因素,并通過對假想橋梁網(wǎng)絡(luò)的研究,在災(zāi)前階段采取加固關(guān)鍵橋梁與新建橋梁兩項措施降低地震災(zāi)害損失,提高網(wǎng)絡(luò)韌性。王明振等[4]同樣將獨立路徑作為路網(wǎng)抗震韌性的關(guān)鍵,引入節(jié)點和路徑重要度為權(quán)重對可靠獨立路徑的計算作了改進(jìn),研究重慶市渝北區(qū)主干路網(wǎng)在不同地震烈度下的網(wǎng)絡(luò)韌性,地震烈度越大,網(wǎng)絡(luò)韌性下降幅度越明顯。不同于將多個評估標(biāo)準(zhǔn)整合到一個綜合度量指標(biāo)中,部分學(xué)者在韌性評估體系中采用一組不同方面的度量指標(biāo)。Aydin 等[5]構(gòu)建了隨機(jī)失效、基于網(wǎng)絡(luò)密度失效、基于社區(qū)結(jié)構(gòu)失效3 種場景來模擬地震事件造成的道路中斷情況,并選擇介數(shù)中心性、最大連通子圖、網(wǎng)絡(luò)效率3 個指標(biāo)評估韌性,得到影響韌性空間分布最大的關(guān)鍵節(jié)點。Wei 等[6]以汶川地震災(zāi)區(qū)公路網(wǎng)為典型案例,分別從網(wǎng)絡(luò)密度、最大連通子圖、網(wǎng)絡(luò)效率來討論全周期路網(wǎng)韌性。除了從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用娴囊暯情_展分析,Bocchini 等[7]還基于交通流評價網(wǎng)絡(luò)韌性,通過判斷橋梁震后破壞程度,借助交通分配原理,由通行時間和距離來量化韌性指標(biāo)。Sanderson 等[8]以太平洋沿岸地區(qū)路網(wǎng)為研究對象,綜合地震與海嘯多重災(zāi)害背景,借助道路橋梁易損性曲線分析路網(wǎng)破壞狀態(tài),并基于行程時間構(gòu)建評估指標(biāo),分析不同空間尺度下的路網(wǎng)韌性。
目前針對城市內(nèi)部交通網(wǎng)絡(luò)抗震韌性評估的研究有限,現(xiàn)有研究中多單一考慮橋梁結(jié)構(gòu)震后破壞的影響,但交通網(wǎng)絡(luò)中其他組件之間的相互影響同樣不能忽視。在對地震災(zāi)害造成的道路中斷場景進(jìn)行模擬時,還應(yīng)考慮地震空間分布特性。鑒于此,本文利用現(xiàn)有的震害預(yù)測模型,綜合分析道路、橋梁、隧道、沿街建筑產(chǎn)生的震害影響,結(jié)合地震烈度衰減分布模型分析震后路段連通性,識別脆弱路段,并以此為基礎(chǔ)提出抗震韌性多指標(biāo)評估方法,研究可為城市路網(wǎng)韌性提升提供參考。
1.1.1 道路單元
道路是交通網(wǎng)絡(luò)里的主體部分,其破壞程度不僅受所處地震烈度大小的影響,也與自身結(jié)構(gòu)特點有關(guān)。根據(jù)在道路震害預(yù)測基礎(chǔ)上確定的7 種震害因子,采用平均震害指數(shù)方法[9]來評估道路本身的破壞情況。首先,根據(jù)道路震害因子量化值計算平均震害指數(shù),計算公式為
式中:ri為第i 條路段的平均震害指數(shù);Xij為第i 條路段的第j 個震害因子所對應(yīng)的量化值,各震害因子分類及其量化值如表1 所示。
表1 道路震害因子量化值Tab.1 Quantified value of road earthquake damage factor
進(jìn)而分析道路完好程度,兩者之間存在指數(shù)關(guān)系,道路完好程度系數(shù)計算式[10]為
式中:Pr為道路完好程度系數(shù);ri為第i 條路的平均震害指數(shù);r0為路段最小平均震害指數(shù),通常取0.1;σ 為震害離散系數(shù),與地震烈度有關(guān),其推薦值如表2 所示。
表2 各地震烈度下σ 推薦值Tab.2 Recommended value of σ for each seismic intensity
不同破壞等級下對路段連通性影響不同,通過道路完好程度系數(shù)表征路段連通概率,對應(yīng)關(guān)系見表3。
表3 道路完好程度與路段連通概率Tab.3 Road integrity degree and probability of sectionconnectivity
大量經(jīng)驗表明,對于城市內(nèi)部道路網(wǎng)絡(luò)來說,道路結(jié)構(gòu)條件相比于城市外部連接道路的情況要更好,所以道路自身結(jié)構(gòu)破壞通常非首要因素,還應(yīng)考慮沿街建筑物倒塌所造成的瓦礫阻塞。為了分析沿街建筑倒塌產(chǎn)生的瓦礫堆積問題對路段連通性的影響,首先預(yù)測其倒塌概率,第j 棟建筑物的倒塌概率計算公式[11]為
式中:IPGV取值由地震烈度決定,其對應(yīng)關(guān)系如表4所示;λ 和ξ 分別是lnX 的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差,其取值見表5。
表4 地震烈度與IPGV 的對應(yīng)關(guān)系Tab.4 Correspondence between seismic intensity and IPGV
表5 建筑物倒塌概率估算參數(shù)Tab.5 Estimating parameters of building collapse probability
建筑物因所處斷層位置而表現(xiàn)出傾倒優(yōu)勢方向性,即在地震中,同一斷層范圍內(nèi)的建筑倒塌方向有一定的規(guī)律性[12]。因此,在傳統(tǒng)建筑物倒塌瓦礫阻塞量模型中作出改進(jìn)
式中:wjr為第j 棟建筑物前道路富裕寬度;wd為建筑物退后距離;ws為人行道寬度;Bj為第j 棟建筑物產(chǎn)生的瓦礫阻塞量;δj為第j 棟建筑物倒塌影響寬度系數(shù),文獻(xiàn)[13]中對地震作用下建筑結(jié)構(gòu)豎向倒塌影響開展研究,給出其取值見表6;Hj為建筑物高度;αj表示建筑物j 傾倒的方向角度;Aj為層面積;Pj,PGV為第j 棟建筑物的倒塌概率;n 為該路段沿街的建筑總棟數(shù)。
表6 建筑倒塌破壞影響范圍系數(shù)Tab.6 Coefficient of influence area of building collapse
最后,通過對路段瓦礫阻塞量密度與其臨界值的計算比較,可得到在建筑物倒塌影響之下的道路單元連通概率,相關(guān)公式如下
式中:Q 為瓦礫阻塞量密度,m2/m2;T 為沿街瓦礫總阻塞量,m2;L 為路段長度,m;W 為路段有效寬度,m,其值為2(wd+ws)+w0,w0為行車道寬度;Qc為臨界瓦礫阻塞量密度;Bc為臨界沿街瓦礫阻塞量;Lc為標(biāo)準(zhǔn)路長;Wc為路段標(biāo)準(zhǔn)有效寬度。
1.1.2 橋梁單元
橋梁由于其在網(wǎng)絡(luò)中所處位置的特殊性,一旦遭受地震的破壞,對路網(wǎng)整體的連通性會產(chǎn)生不利影響,若損壞嚴(yán)重會導(dǎo)致短時間內(nèi)修復(fù)較為困難。對橋梁的震害分析首先應(yīng)研究橋梁的震害度A[10],預(yù)測式為
式中:c0為調(diào)整系數(shù),一般可以取0.98;a 為影響橋梁的9 類震害因子;b 為震害因子的類別;cab為第a類震害因子中所對應(yīng)的第b 個類別因素的系數(shù),各因素的系數(shù)值如表7 所示。然后引入橋梁震害指數(shù)K,結(jié)合震害度研究橋梁的震后連通概率,對應(yīng)關(guān)系見表8。
表7 橋梁震害度影響系數(shù)Tab.7 Influence coefficient of bridge earthquake damage
表8 橋梁震害程度與連通概率Tab.8 Earthquake damage degree and probability of bridge connectivity
1.1.3 隧道單元
隧道通常具有良好的抗震性能,但當(dāng)隧道的結(jié)構(gòu)不足以抵抗強(qiáng)地震作用時,可能會出現(xiàn)裂縫、垮塌等現(xiàn)象,導(dǎo)致交通網(wǎng)絡(luò)異常。評估隧道的震害指數(shù)計算式[14]為
式中:B 為隧道震害指數(shù);j 為影響隧道的7 類震害因子;k 為震害因子的類別;bjk為第j 類震害因子中所對應(yīng)的第k 個類別因素的系數(shù),系數(shù)如表9所示。
表9 隧道震害因子系數(shù)Tab.9 Coefficient of tunnel earthquake damage factor
根據(jù)計算所得的隧道震害指數(shù),進(jìn)一步確定隧道連通概率,對應(yīng)關(guān)系見表10。
表10 隧道連通概率Tab.10 Probability of tunnel connectivity
地震的產(chǎn)生往往具有不確定性,其主要的三大特征參數(shù)分別是震源位置、地震震級、地震烈度。震源位置是指發(fā)生地震的中心,地震震級是表示地震的強(qiáng)弱程度,地震烈度用以表征地震所帶來的破壞程度。在上述對各道路設(shè)施的震害分析中離不開對地震烈度的判斷。
根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中提出的潛在震源區(qū)三級劃分方法[15]:第一步,劃分地震統(tǒng)計區(qū);第二步,在地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)劃分背景源,主要依據(jù)地震區(qū)內(nèi)不同區(qū)域在構(gòu)造背景上的差異及對地震活動性的影響;第三步,在背景源內(nèi)根據(jù)局部區(qū)域的構(gòu)造條件來劃分構(gòu)造源,示意圖見圖1。在潛在震源區(qū)的內(nèi)部,地震發(fā)生的概率是相同的。
圖1 潛在震源區(qū)三級劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-level division of potential epicenter area
當(dāng)?shù)卣鹆叶炔怀^Ⅵ度時一般不會對道路基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生較大損壞,本文重點考慮地震烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度的分布情況。為了表征地震烈度隨著震源中心沿各個方向衰減的特性,研究中常采用橢圓衰減模型[16],橢圓兩軸上各點的地震烈度由下列公式所得
式中:I 為地震烈度;M 為地震震級;r 為距震中的距離;a、b、c、r0均為回歸參數(shù)。
根據(jù)式(12)計算結(jié)果可得到橢圓等震線,每組等震線以震源為中心,具有相同的長軸方向。其中,構(gòu)造源內(nèi)長軸方向與此構(gòu)造源的活動斷層走向相同,而背景源內(nèi)的長軸方向則為距離震中最近的構(gòu)造源內(nèi)長軸方向[17]。地震烈度分布示意圖如圖2 所示。
圖2 地震烈度分布Fig.2 Distribution of seismic intensity
假設(shè)道路單元、橋梁單元和隧道單元各自獨立,其中某一部分受到地震損害便會對路段通行產(chǎn)生影響,故路段連通概率為
式中:Pc為路段的連通概率;Prc為道路單元連通概率,包括道路本身連通概率Prc1和建筑物倒塌下道路連通概率Prc2;Pbc為橋梁單元連通概率;Ptc為隧道單元連通概率。當(dāng)路段中不包含某一單元時,則在路段中的連通概率取1 計算。
結(jié)合地震烈度衰減分布模型中對路段單元所處烈度區(qū)進(jìn)行判定,若路段整體位于單一烈度區(qū)內(nèi)則直接計算連通概率,但當(dāng)路段跨越了多個烈度區(qū)時,路段不同地方的震害程度可能存在差異。根據(jù)烈度分區(qū)結(jié)果將路段分成N 個元路段,則位于第i個烈度區(qū)的元路段占比為
式中:L 為路段總長度;ΔLi為位于第i 個烈度區(qū)的元路段長度。
整條路段連通概率近似為
式中:Pc,i為第i 個烈度區(qū)路段連通概率。
盡管在不同研究領(lǐng)域里對韌性內(nèi)涵的定義存在差異,但達(dá)成的主要共識有網(wǎng)絡(luò)受到擾動后抵抗干擾的能力以及恢復(fù)至正常狀態(tài)的能力。目前對于交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)韌性的研究未形成統(tǒng)一的評估指標(biāo),大多通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用娴膶傩詠肀碚鳌1疚脑谄饰龀鞘新肪W(wǎng)遭受地震時受損機(jī)理的基礎(chǔ)上,重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)對攻擊時不同屬性的變化情況,分析網(wǎng)絡(luò)韌性表現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣J沁M(jìn)行韌性評估的基礎(chǔ),實際的城市交通系統(tǒng)可以抽象成由節(jié)點和邊構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,將道路交叉口簡化為節(jié)點,路段簡化為邊。
2.1.1 網(wǎng)絡(luò)效率
網(wǎng)絡(luò)效率反映交通網(wǎng)絡(luò)整體的通行效率,網(wǎng)絡(luò)效率越大,意味著節(jié)點對之間運輸服務(wù)能夠快速實現(xiàn),具有較強(qiáng)的抵抗能力,表示如下
式中:n 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(shù);dij為節(jié)點i 到節(jié)點j的最短路徑長度,可用Dijkstra 算法實現(xiàn)最短路徑搜索。
2.1.2 區(qū)域可達(dá)性
可達(dá)性衡量交通網(wǎng)絡(luò)通行的便捷程度,通常與行駛時間有關(guān)?;趯撛诳蛇_(dá)性的研究基礎(chǔ)上,引入節(jié)點人口權(quán)重得出區(qū)域可達(dá)性用以評估韌性[18],計算公式如下
式中:IPAi為潛在可達(dá)性;Pi和Pj分別為節(jié)點i 和j的人口數(shù);Tij為節(jié)點i 到節(jié)點j 間最短路徑中各路段通行時間之和;wi為節(jié)點人口權(quán)重。
2.1.3 平均獨立路徑數(shù)量
不同于上述指標(biāo)中的最短路徑,獨立路徑是指兩節(jié)點之間不共用任何一條路段的連通路徑集合。獨立路徑集合的選取方法為:首先找到兩節(jié)點之間的全部路徑與最短路徑;然后在全部路徑中剔除與最短路徑有共用路段的路徑,得到路徑集合a;最后在路徑集合a 中同樣由路徑最短原則逐個排除相互之間有共用路段的路徑,得到兩節(jié)點間包括最短路徑在內(nèi)的獨立路徑集合。
當(dāng)節(jié)點對的某條路徑受到攻擊破壞后,網(wǎng)絡(luò)中存在其他不受影響的路徑保障正常運行,表現(xiàn)出一定的冗余性。對于震后應(yīng)急期,在恢復(fù)資源無法立即就位時,獨立路徑的存在也尤為重要。表示如下
式中:Nij為節(jié)點i 與節(jié)點j 之間的獨立路徑數(shù)量;為網(wǎng)絡(luò)受損后的獨立路徑數(shù)量。
城市路網(wǎng)抗震韌性評估方法如圖3 所示,具體描述如下:
圖3 抗震韌性評估框架Fig.3 Seismic resilience assessment framework
步驟1 根據(jù)震源位置與地震震級,由地震烈度衰減模型得到地震場景下的烈度分布情況,確定路網(wǎng)各路段所處烈度區(qū);
步驟2 對道路、橋梁、隧道、沿街建筑進(jìn)行震害分析,計算出基于烈度的路段連通概率,識別脆弱路段;
步驟3 構(gòu)建震后路段累積失效場景,分別從網(wǎng)絡(luò)效率、區(qū)域可達(dá)性、平均獨立路徑3 種角度的度量指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)韌性進(jìn)行分析;
步驟4 基于韌性評估結(jié)果,若網(wǎng)絡(luò)韌性較差則需要進(jìn)一步提升韌性。
本文選取南京市鼓樓區(qū)東南角區(qū)域主要道路網(wǎng)絡(luò)作為研究對象,通過對道路網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計,將路網(wǎng)劃分為21 個節(jié)點和31 條路段,其中包括3 條隧道,無橋梁。根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所統(tǒng)計的全國活動斷層,將位于該區(qū)域的南京-湖熟斷層作為構(gòu)造源,該斷層傾角65°。路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與斷層位置分布見圖4。
圖4 地震烈度分布下的道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唸DFig.4 Road network topology diagram under seismic intensity distribution
在此背景下,假定在圖4 中所處位置發(fā)生了7級地震,根據(jù)烈度衰減分布模型得到烈度分區(qū)結(jié)果:陰影區(qū)域為烈度Ⅸ區(qū),等震線以外區(qū)域處于烈度Ⅷ區(qū)。根據(jù)建筑物傾倒方向與斷層的關(guān)系,假設(shè)在此次地震中,斷層西南側(cè)建筑物由北向南傾倒,斷層?xùn)|北側(cè)建筑物由西向東傾倒。
3.2.1 失效場景
求出各路段在地震下的連通概率。以路段17為例介紹計算過程。路段17 跨越不同烈度區(qū),長度為760 m,根據(jù)烈度分區(qū)結(jié)果可知有2 段元路段,位于烈度Ⅸ區(qū)和Ⅷ區(qū)的元路段長度分別為387 m 和373 m,得到n1,Ⅸ和n2,Ⅷ分別為0.509 和0.491,則路段17 的連通概率為
式中:Pc17,1,Pc17,2分別為處于烈度Ⅸ區(qū)和Ⅷ區(qū)的連通概率。
位于單一烈度區(qū)的路段連通概率由式(13)直接計算可得。
結(jié)合表11 中有關(guān)道路可靠性的分析判斷,研究路網(wǎng)中有3 條非可靠狀態(tài)道路,其連通概率與所處位置分別如表12 和圖5 所示。
圖5 脆弱路段位置示意圖Fig.5 Location diagram of vulnerable sections
表11 道路可靠性狀態(tài)Tab.11 Road reliability state
表12 脆弱路段連通概率Tab.12 Probability of vulnerable section connectivity
研究中選取上述3 條路段來構(gòu)建累積失效場景,模擬此次地震背景中路網(wǎng)的受影響程度,進(jìn)而對道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)韌性進(jìn)行分析。失效場景模擬情況見表13。
表13 失效場景模擬Tab.13 Elimination scenario simulation
3.2.2 韌性指標(biāo)分析
從圖6 結(jié)果可以看出,正常狀態(tài)下的道路網(wǎng)絡(luò)韌性隨著失效路段的增加而逐漸降低,在路段18和路段12 接連中斷后,韌性指標(biāo)下降程度更為明顯。在路段17 失效時,網(wǎng)絡(luò)韌性稍有下降,此時網(wǎng)絡(luò)具有一定的魯棒性。當(dāng)路段18 參與失效后,平均獨立路徑數(shù)量從正常狀態(tài)下的1 降為0.898,即使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點對之間仍存在有一定數(shù)量的獨立路徑,但可能會對某些節(jié)點的應(yīng)急救援產(chǎn)生影響,例如節(jié)點11 和節(jié)點17,可供選擇的通行路徑較少。當(dāng)路段12 參與失效后,網(wǎng)絡(luò)效率下降幅度高于其他路段,研究路網(wǎng)的運輸效率受到影響,使得節(jié)點間傳輸信息難度增加、消耗的時間資源更多,同時意味著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗干擾能力也因此降低。對于區(qū)域可達(dá)性,通過比較災(zāi)害模擬前后可達(dá)性下降變化比率,網(wǎng)絡(luò)韌性明顯下降出現(xiàn)于路段18 和路段12 的失效,兩種場景下的下降比率分別是-7.017%和-11.024%,可見節(jié)點間可替代的便捷路徑也有所減少。
圖6 不同場景下的網(wǎng)絡(luò)韌性Fig.6 Network resilience in different scenarios
通過韌性結(jié)果分析,各路段在網(wǎng)絡(luò)韌性中表現(xiàn)出不同的重要性。路段18 是連接節(jié)點11 和節(jié)點17的關(guān)鍵路段,中斷后不僅直接影響了兩個節(jié)點間的連通性,也會削弱兩個節(jié)點與其他節(jié)點之間的連接關(guān)系。路段12 中斷還會增加多個節(jié)點的繞行距離。
為了有效提高網(wǎng)絡(luò)的韌性,通常可以通過改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以實現(xiàn),例如在關(guān)鍵位置增加路段,然而在現(xiàn)實情況中,已建成的城市內(nèi)部道路網(wǎng)絡(luò)由于空間限制而無法達(dá)到目的,此時重點應(yīng)提高道路可靠度,尤其是靠近活動斷層區(qū)域,定期檢查和加固,增強(qiáng)道路網(wǎng)絡(luò)的魯棒性去抵抗地震災(zāi)害攻擊,特別是當(dāng)關(guān)鍵路段包含橋梁、隧道等設(shè)施單元時,通常是路網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),例如路段18,一旦失效會使得多方面韌性下降明顯,日常維護(hù)便顯得非常重要。除了對道路層面的考量,應(yīng)急資源中心的合理選址,有利于在路網(wǎng)遭受災(zāi)害和受損之后,加快路網(wǎng)韌性的恢復(fù)。
1)針對不同路段累積失效場景下的韌性對比分析,可以得出薄弱且重要的關(guān)鍵路段失效會對多方面網(wǎng)絡(luò)韌性下降造成明顯影響。
2)在韌性提升中若因現(xiàn)實條件限制而無法從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作出改變,則應(yīng)重點提高活動斷層范圍的道路可靠度,以及科學(xué)合理地規(guī)劃應(yīng)急資源中心。
3)研究不同于隨機(jī)攻擊或完全失效,一定程度上完善了受災(zāi)情景模擬真實性的問題,但僅針對路段分析網(wǎng)絡(luò)韌性變化,未來還可考慮節(jié)點聯(lián)合受攻擊的情況。