枣庄市新城区岩土震害预测

2015-04-17韩敬龙

防灾科技学院学报 2015年3期

韩敬龙，韩超

(1.枣庄市建筑业管理局，山东枣庄 277800;2.枣庄市房产管理局鉴定中心，山东枣庄 277100)

0 引言

岩土震害是指由于岩土体在地震时产生的不稳定所导致的场地和地基破坏［1－2］。主要包括砂土液化、软土震陷、断裂引起的地表错动以及地震导致的边坡失稳等。近年来，我国乃至世界上大地震频发，从2008年汶川8.0 级地震、2010年玉树7.1 级地震到2011年日本9.0 级地震和2014年尼泊尔8.1 级地震，这些大地震给当地人民生命财产造成了巨大损失。地震灾害仍然是人类经济社会建设和可持续发展的最大潜在威胁之一。而工程结构的破坏是地震中导致人员伤亡、经济损失的主要原因。任何工程结构都有其所依赖的场地和基础，场地或基础一旦在地震中遭受破坏，那么任何工程结构就都没有抗震性能可言。由此可见，场地和地基的稳定是上部结构在地震中不被破坏的前提，岩土震害的研究是工程结构防震减灾的基础［1］。

枣庄新城区是山东省城市的后起之秀，依山傍水，环境优美，交通发达。枣庄市新城区的规划面积为20km2，东边界为长白山路;西边界为祁连山路;北边界为黑龙江路;南边界为长江路(图1)。枣庄的行政中心已经于2006年搬迁至新城区。山东省地震工程研究院［3］对枣庄市新城区进行了地震小区划工作，为该新区的合理规划、工程优化布局、土地有效利用和建筑抗震设计积累了大量的基础资料。然而，小区划工作主要提供了区划范围内抗震设防所需要的设计地震动参数，往往不能形成对岩土地震灾害的总体认识，无法为工程结构的设计和国家防震减灾决策提供直观的参考资料。本次研究利用数据库技术和GIS平台对已有的资料进行空间数据的科学分析，对地震时场地和地基的稳定性做出科学预测，可以改变以往被动救灾的局面，实现主动防灾的科学理念。

1 工程地质环境

枣庄市新城区位于枣庄市薛城区东侧，在大地构造上，位于华北地台东南部的鲁西断块，属典型的地台式结构。结晶基底由太古代下部的泰山群组成，形成年代距今约25 亿年。主要构造线方向、片麻理走向以及紧密线型褶皱的轴向一致，大都为NW 向。枣庄市新城区周边主要发育早第四纪断裂，如峄山断裂、峄城断裂等;以及前第四纪断裂，如陶枣断裂、曹王墓断裂等，只有距离枣庄市新城区20 多千米的凫山断裂为晚第四纪活动断裂(图2)。枣庄市新城区西北部主要是寒武纪沉积岩及泰山群变质岩，南部及东部主要是厚度为5～15 m 的第四系沉积物。西北部袁寨山及谷山主要由年代较老的沉积岩和变质岩构成，节理、风化十分发育，在外动力作用下容易导致边坡的失稳。根据山东省地震工程研究院［3］资料，在研究范围第四系覆盖区普遍存在1～2 m 晚第四纪的高含水量粉质粘土层，存在着砂土液化的潜在危险。从总的工程地质条件来看，枣庄市新城区主要的地震岩土震害是砂土液化和不稳定边坡失稳。

图1 枣庄市新城区的规划示意图Fig.1 Planningschematic diagram of new district in Zaozhuang

2 基础资料的处理

岩土震害预测涉及到大量的基础资料，如工程地质环境、断裂展布情况、地震动场分布情况、地形地貌等等。岩土震害包含了多种灾害类型，不同的岩土震害类型均受众多因素的影响。如砂土液化主要受到土体自身的性质、地震动的大小以及土体所处的工程地质环境等的影响［4］。对于砂土液化，我们选取了10 种影响因子进行研究。这些因子分别为地震烈度、震中距、加速度、地下水位、埋藏深度、非液化层厚度、有效压力、标贯数、平均粒度、不均匀系数。而断裂引起的地表错动主要受到断裂的展布情况、上断点的埋深、几何特征等因素影响。因此岩土震害的预测将会涉及到大量的基础资料。GIS 技术的发展，为我们提供了一个可将数据统一起来进行综合分析的平台。本次研究中结合直接矢量化、遥感解译技术、DEM 高程三维模型计算等方法对所需要的基础数据进行处理，并将处理结果存放到一个统一的GIS 数据库中，进行综合系统的分析。

3 权重计算

目前比较常用的权重计算方法主要分为客观权重计算方法(如粗糙集理论等)、主观权重计算方法(如层次分析法等)，以及综合考虑主、客观因素的综合计算法［1，5－6］。岩土震害是一个极其复杂的自然过程，拥有众多的影响因子，对这些影响因子进行权重分析是比较困难的。如果只注重通过专家评分来对权重结果进行数学分析，会使结果中主观因素干扰过大;而只注重对数据客观信息进行分析，过分依赖客观数据，又会使结果中客观因素所占比例过大，为了避免产生以上两种不符合实际规律的结果，本次研究采用层次分析法和粗糙集理论分别计算各因子对研究范围内各类岩土震害的主观权重和客观权重，最后通过计算偏好系数，综合考虑主、客观权重得到综合权重值。大量的文献已经对层次分析法和粗糙集理论的计算方法进行了论述［1，5－6］，在这里不再赘述。我们利用上述方法分别对枣庄地区的砂土液化、边坡失稳进行了影响因子的分析，并对影响因子分别进行了主观和客观的权重计算。对于砂土液化的主观权重，我们选取了对砂土液化具有主要影响的10个因子，建立了层次分析的数据结构(2 层，共4个判断矩阵)，经过计算，得到了 4个判断矩阵的特征向量分别为:(0.426，0.249，0.325)、(0.358，0.284，0.358)、(0.254，0.194，0.213，0.339)、(0.325，0.249，0.426)，从判断矩阵我们可以得到砂土液化各影响因子的主观权重值(表1)。对于砂土液化的客观权重，因为研究区内没有相应的资料，在分析时选取了唐山地震砂土液化联合研究小组［7］的唐山地震砂土液化现场勘查资料作为原始数据。为了减少计算量，也将选取的10个主要影响因子进行了层次划分(分为2个层次)，并建立了相应的知识库，通过粗糙集理论方法的计算，得到了砂土液化的客观权重(表1)。最后利用一个偏好系数，对主观和客观权重进行综合，得到最终的综合权重(表1)。在偏好系数选取时主要考虑了两种权重的预测准确率，发现利用粗糙集理论得到的客观权重的预测准确率(76.7%)要略高于主观权重的(68.3%)，因此选取了主观权重占40%，客观权重占60%这样一个偏好系数。

图2 研究范围地震构造图(据山东省工程研究院，2007)Fig.2 The seismic structural map of research zone

表1 各因子权重值Tab.1 The weights of the influence factors

4分析结果

根据上述方法得到了各类岩土震害影响因子的权重值，通过前面提到的方法将各因子数据进行离散化危险性影响等级评分和矢量化。如第四系厚度离散化危险性等级评分图(图3)。枣庄市新城区的第四系覆盖厚度为5～15 m 左右，因此，按照一定的间隔(0、0～5 m，5～10 m，10～15 m，大于15 m)分别对不同第四系厚度的区域进行离散化打分(0、1、2、3、4)。由于枣庄市新城区与第四系厚度相关的岩土震害是砂土液化，因此第四系越厚，发生砂土液化的可能性就越大，危险性越大。从图4可以看到，砂土液化的危险性分区与第四系厚度离散化危险性分区的分布情况较为相近，说明土层的厚度起了主要作用。在西南角砂土液化危险性等级较第四系厚度离散化危险性等级略有提高，主要是受到地震距和地震烈度的影响。因为在枣庄新区的西南方为两条早第四纪断裂的交汇处，未来在该处发生中强地震的可能性较大。对于不稳定斜坡，枣庄新区总体地势较为平坦，起伏不大，只在东部的谷山和袁寨山附近存在边坡，边坡稳定性的危险等级主要依据相对高差、岩层产状、岩石的年代、厚度、风化程度、节理数量、倾向等等来判断的(图5)。最后通过GIS软件的权重叠加功能对研究区枣庄市新城区各岩土震害影响因子离散化后的矢量化评分图进行加权叠加，得到枣庄市新城区岩土震害危险性预测图。危险性预测图也是按照离散化打分的形式给出的(图6)，分值大小代表着岩土震害危险性程度的相对大小。

图3 枣庄市新城区第四系厚度离散化评分图Fig.3 Discrete rating map of Quaternary thickness of new district in Zaozhuang

图4 枣庄市新城区砂土液化危险性等级分区图Fig.4 Risk distribution map of sand liquidation of new district in Zaozhuang

图5 枣庄市新城区边坡失稳危险性等级分区图Fig.5 Risk distribution map of unstable slope of new district in Zaozhuang

5 讨论与结论

根据GIS 软件对枣庄市新城区各类岩土震害影响因子矢量化评分图进行加权叠加，得到了枣庄市新城区岩土震害危险性分区图(图6)。从图6上可以看出，危险性最大的区域主要位于新城区的东部边缘长白山路附近，以及三号路东部的小面积区域。根据分析，这两个区域第四系覆盖较厚，含有相对较厚的可液化土层，因此综合分析该区域危险性相对较大。谷山和袁寨山附近由于存在地形影响，不稳定边坡失稳可能是主要的岩土震害类型，但是总体坡度较缓，所以这些区域是危险性相对较大的区域。城区的南部由于位于规模较大的早第四纪断层附近，因此推测的地震动峰值加速度较高，加上该区域存在第四系覆盖，因此该区域也是危险性相对较大的区域。