高速公路建设技术：高海拔高寒地区最终线位层可靠度模型

第3层次是对区域地理及环境的进一步细化，在该层次下通过各种影响因素的细化以及约束条件的强化，并在第2层次确定方案的基础上，进一步分析冻土特性及走廊带工程容纳能力，确定工程修建的可靠程度，最终确定路线的线位。

3．2．4．1 可靠度模型

根据公路建设多年的实践经验，充分考虑由冻土地温、冻土病害、植被覆盖等因素带来的危害，同时兼顾多年冻土区既有工程间的相互热影响，建立的多年冻土区工程可靠性模型包含了多年冻土区平均地温模型t、冻土公路病害模型F、冻土区植被覆盖影响模型Θ与工程容量模型V四个子模型，表示为

式中：α1、α2、α3、α4分别为多年冻土区平均地温模型、冻土公路病害模型、冻土区植被覆盖影响模型与工程容量模型的权重，利用层次分析法得α1＝0.12，α2＝0.64，α3＝0.08， α4＝0.17。

在进行最终线位层公路路线选择时，依据各模型的计算数值计算最后的路线可靠度，尽量通过可靠度相对较大的区域。

3．2．4．2 年平均地温模型

1）影响因素分析及标度分级

多年冻土的年平均地温与海拔、纬度之间有着密切的关系，冻土年平均地温随海拔的升高、纬度的增加而降低；等效纬度可以反映太阳对地表的辐射情况，它受纬度、坡度、坡向的综合影响，可以在一定程度上反映坡向对年平均地温的影响；植被能遮挡和反射太阳光的直接辐射，加上其根系可以保持水分，对冻土的发育具有保护作用，因此在植被发育地段，冻土年平均地温较低，可见，海拔、纬度、等效纬度、植被覆盖对冻土年平均地温有较大影响。

根据上述影响因素分析，采用不可公度理论进行无量纲化标度，分析每个影响因素不同分值情况下对年平均地温的影响，具体见表3--14和表3--15。

表3--14 影响因素定量标度分级

表3--15 影响因素定性标度分级

3）模型构建

多年冻土区的年平均地温主要由上述四个环境要素组成。首先对四个自然环境要素进行标度分值，其次确定权重，建立年平均地温模型，则有

式中：t为分区年平均地温指数；C3，i为分区计算单元内四个自然环境要素的标度分值；λi为四个要素的权重系数。

3．2．4．3 冻土区公路病害模型

1）影响因素分析及标度分级

多年冻土地区地质条件复杂，发育了大片的不良地质现象，对多年冻土区选线具有巨大影响。厚层地下冰存在的地段修筑路堑、开挖边坡及地基后，会使多年冻土上限发生变化而引起路基变形，从而形成热融湖塘等公路病害，严重影响路线选择；含冰土层会引起路基沉陷、边坡失稳和不均匀冻胀等病害，严重影响多年冻土区公路线位布局的稳定性与经济性；热融滑塌会导致路基侧向积水，路基发生热融下沉、不均匀冻胀等病害，同时还会产生涵管壅塞，降低边坡稳定性，对路线选择具有极大的影响；冻胀丘形成时产生的巨大隆胀力会使路基严重变形，其融化后使路基及其附近土体含水率过高，又会产生路基融沉等病害，从而影响路线走向，对多年冻土区路线选择具有巨大影响。

根据不可公度原理对各计算因子进行无量纲化公度，具体见表3--17。

2）影响因素权重分析

采用层次分析法确定上述影响因素的作用权重系数，具体计算结果见表3--18。

表3--17 影响因素定量标度分级(www.zuozong.com)

表3--18 选线困难度指数权重计算系数

3）模型构建

针对多年冻土区内道路病害的影响因素，将研究区域划分为若干个分区，建立了考虑分区中影响因子连续度和发育度的多年冻土区公路病害模型，其中，冻土影响因子连续度是指冻土病害在路线穿越区域的分布连续程度；冻土影响因子发育度是指冻土病害在路线穿越区域的发育程度。具体计算表达式为

式中：Fk为第k个分区的冻土区公路病害指数；Ek为第k个分区中影响因素的连续度；Sk，j为第k个分区中第j个影响因素的面积；Sk为第k个分区的总面积；Wk为第k个分区中影响因素的发育度；βj为第j种影响因素的权重；Uk，j为第k个分区中第j种影响因素的标度分值；γ1、γ2为连续度与发育度的权重。

3．2．4．4 冻土区植被覆盖影响模型

1）影响因素分析

植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个重要指标，也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子，对于区域环境变化和监测研究具有重要意义，由于青藏高原多年冻土区的高寒特性，使得其植被较为稀少，生态环境脆弱而敏感，生态区植被的破坏不仅影响冻土的稳定性，而且会对公路工程造成危险，因此公路路线的选择应充分考虑冻土区植被覆盖的影响。

2）模型构建

归一化植被覆盖指数（NDVI）是表征地表植物覆盖和生长状况的重要指标，通过监测NDVI的逐年变化来建立冻土区植被覆盖影响模型，基于NDVI的多年冻土区植被覆盖影响模型如下

式中：Nl为第l年的最大化NDVI值。

3．2．4．5 工程容量模型

1）影响因素分析

青藏高原多年冻土区工程走廊带较为狭窄，布设有包括青藏公路、青藏铁路、格拉成品油管道等线形工程，它们会对新建道路形成一定程度的热影响，同时这些线形工程的修建也对现有的冻土条件产生了不利影响，加速了冻土的退化，可见现有的青藏铁路、青藏公路及输油管线对公路选线会产生巨大约束。

2）影响因素权重分析

采用层次分析法确定上述影响因素的作用权重系数，具体计算结果见表3--19。

表3--19 选线困难度指数权重计算系数

3）模型构建

为避免由于密集的工程构造物形成的热干扰，综合考虑青藏铁路、青藏公路及输油管线产生的热影响，构建了工程容量模型，有

式中：V为工程容量指数；Y3，11、Y3，12、Y3，13分别为区域内青藏铁路工程、输油管线、青藏公路的长度；ζ1、ζ2、ζ3为相应影响因素的权重。