基于3D GIS的液化侧移区划新方法

2018-12-21李程程袁晓铭曹振中李瑞山

振动与冲击 2018年23期

李程程，袁晓铭，曹振中，李瑞山

(1.中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080;2.广西岩土力学与工程重点实验室，桂林理工大学，广西桂林 541004)

大量的震害调查结果表明，地震诱发的液化灾害是比较普遍且危害性很大的地震灾害之一。以往震害经验表明，液化引起的震害通常包括土体侧移、震陷、管涌以及砂沸等，其中常见的是液化引起的侧移。液化引起的侧移是指在地震作用下土体发生液化，使地表的土体沿着微小坡度滑动或者向临空面(如河渠，堤坝等)运动而出现的永久位移，严重时有几米大小。包括我国唐山大地震在内的以往国内外大地震中均出现过这种液化破坏形式[1]，是液化震害中最严重的一种[2]。1964年日本新瀉地震、美国阿拉斯加地震中大面积的液化，使地基承载强度丧失，大量的建筑物倒塌，道路、桥梁以及地下管道等基础设施都会遭到严重破坏，1976年海城地震、1978年唐山地震、1995年神户大地震、1999年土耳其地震与台湾集集地震、2011年新西兰地震以及2016年台湾高雄地震等都突出了液化灾害的巨大破坏性。2016年台湾高雄地震中，土壤液化严重，造成了民众极大恐慌，震后台湾“行政院”立即组织发布了液化潜势查询系统，将灾害区域分别标示出不同等级，民众争相登录查询，直至导致该系统瘫痪。研究和发展液化灾害区划技术对防灾减灾具有重要意义，为国土安全利用、城市规划、保险方案制定、建设部门勘察设计以及地震防灾预案制定、地震灾害快速评估和地震应急求援等工作的基础。

液化及其震害区划技术研究起源于19世纪70年代，在美国等一些国家，液化侧移的区划工作已经纳入了国家制图计划项目中，美国和日本等多个国家已经编制了有关液化的各种形式的区划图[3-9]。液化侧移区划技术方面，国际上目前最先进的是由美国国家地震减灾计划(NEHRP)支持研究的方法(NEHRP方法)。该方法主要由三部分构成：一是液化侧移等级的计算方法，采用的是Youd等[10-15]基于实际液化侧移数据库、采用多元线性回归方法建立起来的液化侧移计算公式(Youd公式)；二是收集并整理大量土工勘察数据以及地质和地形数据；三是要素提取及成图。其中要素提取方式为，对每个地质单元中钻孔资料(点)，按照Youd公式计算液化侧移量，然后按规定等级，判断每个孔的液化侧移等级，以累积超越概率85%为界限，即某一或某些等级的个数未超过总体的15%，则判定该等级的前一等级为这一地质单元的侧移灾害等级，然后绘制此单元(面)的侧移灾害等级分布图。NEHRP方法在使用时，发现以下明显不足：①该方法通过“数数看占优”的方式获取区域的等级评价，不得不以大量点要素为基础，需要高密度土工钻孔，经济成本很高，并且当某一地质单元没有高密度钻孔数据时，计算出的侧移数量少，统计困难，且在GIS上插值不便，使区划的准确度大大降低；②技术平台为二维GIS，即主要参考的是地表地质情况，而实际土层是三维空间分布，二维地表地质显然不能代表土层实际情况，同时液化层一般分布在地下，近期大地震也存在大量超过10 m的深层土情况[16]，此时用二维地表地质分布特征显然无法反映真实情况。

Youd公式本身是用于单一场地液化侧移计算而不是为区划技术专门设计的。笔者认为，对于较大尺度(如整个县、市区等)的区划问题，不应追求单个点评价结果的精度，而应着眼于整个区域的评价结果，因此无论是液化侧移判别还是场地特征要素，都应直接从一个面(地质单元)出发给出区域的场地液化震害风险整体评估，理论上应更合理经济。并且，随着计算机技术的发展，基于GIS的区划技术得到了越来越多的应用，特别是GIS空间地理数据技术，可将数据与空间和图形很好结合，使预测结果得到直观、系统的展示，理应在液化侧移区划方法中得到应用。

我国幅员辽阔，工程地质条件复杂，未来地震形势严峻，以三大城市群为代表的众多大中城市位于软弱和可液化场地之上，而我国液化侧移区划工作目前基本为为空白，显然不适应防震减灾的客观需求。同时，我国地震动区划工作已广泛开展，工程地质资料也有较好积累，这些都为液化侧移区划工作开展奠定了基础。

美国液化侧移区划的NEHRP方法，并不是遵循这种思路。首先，Youd公式是一个颇具权威性且应用广泛的液化侧移计算公式，但它本意不是专门针对区划工作需要而设计的，主要是用来计算某个场地的液化侧移大小。而将Youd公式应用于区划工作时，地震动参数采用的是震级和震中距，在应用上受到很大限制，要想给出一个地质单元的液化侧移等级评估结果，不得不依赖该单元上很多钻孔资料，才能得到统计结果，是一种点-面的做法，这本身是一种间接的方法，一个地质单元评价估结果的可靠性，强烈依赖于本单元的钻孔数量和分布。当某一地质单元没有高密度钻孔数据时，就无法给出区域液化侧移等级科学合理的评估结果，甚至出现误判。

本文认为，一个区域的液化侧移区划工作，不是追求其中每个场地评价结果的精度，而是合理地给出整个区域的评价结果。因此，原则上应直接从一个面出发，使用有限的最佳控制钻孔数控制土层分布和与其相关的参数，进而给出区域的场地破坏整体评价。因此本文从液化区划工作的本质需求出发，研究一种比NEHRP方法更经济合理的液化区划方法，力求克服NEHRP方法依赖高密度钻孔的弊端，提出其影响因素的面要素提取技术，如土层液化层厚度和细粒土含量、地形地貌特征等，发展不需要高密度钻孔便可完成的提取技术。以得到一套与区划工作要求和现代技术发展相适应的液化侧移区划新方法，并以唐山地震为背景，展示和检验新方法。

1 关键技术与流程

笔者提出一种基于CART(Classification And Regression Tree)算法的场地液化侧移等级预测方法和判别标准。方法中，液化侧移的主要影响参数包括峰值加速度、临空(缓坡)坡度、液化层厚度和细粒土含量，以及临空和缓坡两种情况下液化侧移等级判别标准LLSL(Liquefaction Lateral Spread Level)，摒弃NHERP法点-面技术，采用面-面技术，对峰值加速度PGA、临空(缓坡)坡度Wff或S、液化层厚度T15和细粒土含量F15进行面要素提取，与关键点一得到的判别标准相匹配。

根据地质调查资料中的地质剖面图和地质描述，将MVS(Mining Visualization System)与GIS无缝连接，在GIS中布置整钻孔数据，包括地质勘探实测钻孔数据和根据地质剖面图和地质描述得出的虚拟钻孔数据，建立与钻孔中各沉积层的海拔高度或深度相对应的数据库，生成三维地质模型。在点-面技术改为面-面技术过程中，基于MVS-3D GIS的面要素提取技术起着关键作用，MVS最大的优点是不需要密集的钻孔数据，只需一些起控制作用的钻孔，如地质的尖灭点处，断层或地层突变点处等，就可以较好地体现地层沉积状况。然后可以根据有限的钻孔勘测数据或已有的土层地质描述，标识可液化侧移层，然后提取可液化侧移层的厚度等值线，通过GIS对等值线进行处理，转化成面要素分区。

液化侧移区划方法技术流程如图1所示。首先是收集资料，主要是工程地质资料，然后对影响场地液化侧移的各个影响因素，即峰值加速度PGA、临空(缓坡)坡度Wff或S、液化层厚度T15和细粒土含量F15进行面要素提取并叠加整理图形和属性数据库。根据LLSL标准，即根据液化侧移四个等级下的各影响因素范围取值进行判定，最终直接得到液化侧移区划图。

2 唐山南区液化侧移分区图

本文以1976年唐山7.8级地震为背景，根据LLSL液化侧移等级判别方法和本文提出的基于GIS的各影响因素面要素提取的技术流程，制作出唐山南区液化侧移分区图，并与震后航拍的结果进行比较，验证本文方法的合理性和可行性。

2.1 地形地貌面要素的提取

本文研究区域为唐山部分区域(南区)，面积近350平方公里，如图2框体所示。该区域北依燕山，南濒渤海，地势北高南低，由于受纬向构造系的影响和控制而有很大的分异：北部为燕山及其余脉上升的低山丘陵区；中部是遭受轻微侵蚀的、准平原化的山前平原区；南部是广阔的滨海平原区。

图1 液化侧移区划技术流程图

Fig.1 The technology flow chart of liquefaction-induced lateral spread level

根据美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的DEM高程数据(公开数据的精度为90 m)，经过拉伸和渲染得到该区域的地貌特征图，如图3所示。

将图3框体所示区域的地貌进行矢量化，得到地貌单元，并运用GIS空间分析功能中的坡度计算模块，通过DEM高程数据得到该地区的坡度，对得到的结果进行栅格聚类分析，将最终的数据分配到地貌单元中，即可得到坡度面要素。本文研究两种缓坡和临空面两种情况，缓坡地带可以按上述方法提取，对于有临空面的陡河流域进行坡度处理时，按照临空坡度定义，假设陡河的平均深度为5 m，取距离岸边大约100 m以内为河岸临空面近区(坡度大于5%)，100～250 m为河岸临空面远区(坡度小于5%)，最终得到如图4所示的唐山市南区地形地貌因素，即坡度的面要素分区图。

2.2 地质因素(T15)及土体特性(F15)的面要素提取

对于地质因素(T15，液化层厚度)，本文采用3D-GIS相结合的方法进行提取。

图2 本文研究区域(唐山南区)的地理位置

图3 唐山南区及附近区域地貌特征及地震活动断裂分布(A,B,C为断裂带分区)

如图3所示，本研究区域大致以唐山断裂带为界分为三个自然区：

A：北部荆各庄拗陷沉积区，多由第四系地层组成，由于受陡河断裂的控制，陡河两岸形成不对称的地貌形态。西岸为陡河断裂的下降盘，发育二级阶地。Ⅰ级阶地由陡河新近沉积的全新世地层组成，上部为可塑性亚黏土，一般为中等压缩性土，局部地段分布有高压缩性的淤泥质亚黏土；下部为粉细砂层覆盖于滦河老冲积扇之上，由于沉积年代新，未经充分压密固结，因此结构松散，在地震的作用下很易产生砂土液化现象，这种岩性对工程抗震不利，属于Ⅲ类场地土。Ⅱ级阶地由晚更新世地层组成，上部为可塑-硬塑亚黏土，下部为密实、均匀的细中砂层，属Ⅱ类场地土。

该地区面积将近100平方公里，根据工程地质资料(如地质剖面图，如图6(a)、6(b)所示)和上述地质描述，设置14个控制图层的虚拟钻孔，结合收集到的15个实测钻孔数据，如图5北部所示，其中黑色的点为实测钻孔，白色的为虚拟钻孔，然后建立钻孔的地层数据库，将ArcGIS与MVS无缝连接，得到了该地区的三维土层分布及其剖面，如图7(a)、7(b)所示。从中我们可以清楚地观察到Ⅰ级阶地向Ⅱ级阶地的发展状况，生成的三维地层与实际相符度很高。识别提取的液化层等值线如图8所示。

图4 提取的唐山南区坡度面要素的分区图

图5 三维建模所使用的钻孔分布图

B：中部唐山隆起区，断裂带为一地垒式隆起，以凤凰山、大城山、巍山、凤山等一系列北东走向的不连续的残丘为主体，构成唐山隆起区。在残丘地带岩性为奥陶系灰岩直接出露地表，形成坚硬、稳定的坚实地基。基岩浅埋地带为坚硬的残坡积层，岩性为黄褐色、棕红色的亚黏土和黏土，结构紧密，强度大，具有良好的抗震性能，属于Ⅰ类场地土。该地区未分布有液化土层分布，因此不需制作该地区的三维地质模型。

C：第四系沉积厚度达150 m。这个地区的地层结构和岩性特征与其它两个地区有明显的差异，它的特点为：①地形平坦，自由河曲发育，陡河流域和东郊携沙量大的大沙河流域在这个地区未形成阶地，说明近代沉积速度快；②近代堆积的砂层厚度大、埋藏浅，上覆盖层为亚黏土或轻亚黏土，在东南郊地带砂层几乎直接裸露地表，形成大面积的砂丘地貌。本区多为全新世地层，结构松软，强度低，在赵田庄、侯边庄一带地表以下3 m分布有高压缩性的软弱土层；③本区滦河冲积扇、陡河和大沙河交错地带，岩相复杂、交错层发育，因此构成了十分复杂的层状介质特征。

该地区面积将近150平方公里，结合上述地质描述与地质勘测已知的地质剖面图(如图9(a)、9(b)所示)，设置14个虚拟钻孔控制土层分布，并结合收集到的23个实测钻孔数据，如图5南部所示，得到该地区的三维地质分层及剖面如图10(a)、10(b)所示，提取的等值线如图11所示。

将液化层厚度等高线导入GIS中，转化成液化层厚度分区图，将所有各个液化层厚度分区进行叠加，得到研究区域的地下液化层累积厚度分区图，如图12所示，即可完成液化侧移层厚度的面要素提取工作。

对于细粒土含量，根据勘探数据我们可知该地区砂质比较均匀，细粒土含量5%左右，数据浮动很小，因此将细粒土含量取做5%。

2.3 地震动因素PGA面要素提取

对于本文所取的研究区域，1978年由中国建筑科学研究院对该地区以4公里为钻孔间距，进行了地脉动测试，并据此进行了7.8级地震下的地震动力反应分析，且结合胡聿贤等的唐山地区的地震动衰减理论，计算出各测点的地面峰值加速度，最后生成地面峰值加速度等值线。本文将这些资料进行整理，做出了该地区的地面峰值加速度分布图，如图13所示。

2.4 唐山市区侧移等级分区图

将提取的四个参数的面要素在GIS中相互叠加，运用GIS强大的图形和属性数据库管理能力，分析和整理各影响因素的面要素属性值，根据侧移等级区划标准进行区划，最终得出研究区域的液化引起的侧移区划图，结果如图14所示，其中浅色部分没有液化层分布，因此不考虑液化引起的侧移。

2.5 与NEHRP方法的对比

(1) 精度整体提高

将本文的方法与NEHRP的方法进行了不同灾害等级的对比，结果如表1所示。

由表1可以看出，无论对于临空还是缓坡情况，本文的方法精度在81%左右，比MLR法均高出6%左右，而且对各个液化侧移等级实测数据的回判精度表现较为均衡，弥补了NEHRP法在轻微等级判别中成功率较低的弱点。

(a) 后屯-小代庄一带地层剖面

(b) 大屈庄-李各庄一带地层剖面

(a) 地层分布

(b) 地层剖面图

图8 唐山南区北部荆各庄拗陷区液化层等值线的提取

Fig.8 Extracting of the isogram of the liquefaction thickness for Jing Ge Zhuang depression area

(2) 所需钻孔数量锐减

如图15所示，美国NEHRP方法对盐湖城地区500平方公里区域内进行液化侧移等级区划的研究时，使用了1 440个钻孔来计算侧移的大小。而如图6所示，本文研究的唐山市区部分区域面积近350平方公里，共使用了56个钻孔。如果将本文方法应用到美国盐湖城地区，预计仅需要钻孔80个，节约了90%，但精度并不会降低，符合中等区划工作的要求，达到了科学合理且经济的目标。

(a) 曹庄子-礼尚庄一带地层剖面

(b) 孙家楼-赵田庄一带地层剖面图

(a) 地层分布

(b) 地层剖面图

图11 唐山南区北部荆各庄拗陷区液化层等值线的提取

Fig.11 Extract the isogram of the liquefaction thickness for Jing Ge Zhuang depression area

图12 唐山南区液化层厚度分区图

(3) 基于3D GIS建立可视化三维土层

NEHRP液化侧移区划技术中花费最大的为钻孔，而其中每个钻孔的贡献，仅仅是给区域液化侧移等级判别贡献一个数据点，花费巨大的钻孔资料并未得到充分利用，十分浪费。事实上，浅表土层的空间结构在工程建设中十分重要，特别是地下空间的开发利用是目前发展大趋势，而本文方法不仅可以使宝贵的钻孔资料得到充分使用，而且可以利用三维GIS的空间分析优势，得到近表土层三维分布形态，不仅为地面地震液化侧移等级评价提供较为理性的结果，从防震减灾方面做出贡献，而且可为重大工程的建设提供重要参考。

图13 唐山南区峰值加速度分区图

图14 唐山南区液化侧移等级分区图

Fig.14 Zoning map of liquefaction-induced lateral spread level in the study area

表1 本文方法与NEHRP方法的精度对比

2.6 与实测结果的对比

1978年中国建筑研究院等单位根据1976年唐山地震三天后的地震灾害航拍进行了解译，得出的液化引起地表滑移灾害图，如图14所示。其中，散射状线条代表液化侧移行迹，线条越密集代表液化侧移越强烈。通过图13的最终判别结果可知，对于图14中侧移行迹密集的部分，本文判定为非常严重(very high)；对于侧移行迹密度较小的部分，本文判定为严重(high)；对于稀疏的部分，本文判定为中等(moderate)；对于不明显的部分，本文判定为轻微(low)。

尽管图14的液化侧移结果是定性的，但通过两图的对比，还是可以推断本文提出的液化侧移区划方法是合理可靠的。

3 结论

为克服国际上现有液化侧移区划技术严重依赖高密度钻孔的弊端，本文提出了一种基于3D GIS液化侧移区划方法。基于地震区划的本质要求，摒弃国际上现有液化侧移区划点-面区划方式，研发了一种面-面区划技术，解决了影响因素范围直接判定和场地特征面要素分区提取这两个关键问题。利用我国以往震害资料对比分析表明，新方法合理可靠，也克服了NEHRP方法依赖高密度钻孔的弊端，既保证地震液化侧移区划精度又大大降低了成本，达到了科学合理且经济的目标。同时，以本文方法得到的近表土层三维空间分布结果，也可为其他工程建设提供基础资料。