基于地形坡度的场地分类方法在杭州市临安城区中硬、坚硬场地中的应用

2021-10-18李环宇路建波杨福平余刚群

华北地震科学 2021年4期

李环宇，路建波，杨福平，余刚群，陈涛，罗楠

（浙江省地震局，杭州 310013）

0 引言

场地条件在工程抗震中受到重视始于20世纪，许多破坏性地震的震后灾害调查表明场地条件对于震害结果有着明显的影响[1-7]。不同场地类别对于地震作用响应不同，依据这一特征在不同类场地采用不同的抗震设防策略，对于不同区域内建筑物科学合理规划与区域性防震减灾工作有着重要的积极影响[8-10]。因此，场地分类作为震害防御工作中最基础、且最具指导性的工作，一直备受重视[3，11-13]。

场地分类分为针对单点或多点场地的分类和区域性场地分类2种情况。其中，单点或多点场地分类主要依据岩土体剪切波速特征以及其他指标对场地类别直接判定，区域性的场地分类则依据地形、地貌等连续因素，建立这些因素与岩土体剪切波速间的定量关系，进而对场地进行区域性划分。

针对单点或多点地场地分类方法，国内外主要有欧美规范、日本规范以及中国现行建筑抗震设计规范。其中，美国分类规范NEHRP（National Earthquake Hazards Reduction Program）形成于20世纪70年代中期，该方案最早应用Seed提出的S1、S2、S3场地划分标准。而后经过强震观测记录校准改进，现行分类方法把场地分为A、B、C、D、E、F六类，其依据指标主要有地表30 m剪切波速VS30、标准贯入锤击数、未排水抗剪强度、湿度百分比、覆盖土层厚度、塑性指数以及岩性。欧洲各国则采用统一的抗震设计规范Eurocode8，该规范与美国分类方案类似，只是分档存在区别。日本现行的建筑抗震设计规范主要根据场地土的特征周期，将场地类型简单地分为3类，即硬土和基岩、一般土以及软弱土。

中国各行业抗震规范中，建筑抗震设计规范处于主导地位。20世纪五、六十年代，工程场地分类工作在中国逐渐形成规范。从20世纪50年代末至今，中国建筑场地分类标准大致可以划分为七代。第1代为中国科学院土木建筑研究所在1959年起草的《建筑抗震设计规范》（草案），该草案初步对抗震有利和不利场地进行了规定[14]；第2代为中国科学院工程力学研究所于1964年起草的《地震区建筑设计规范》（草案稿），草案中给出了判定地基等级的方法（相当于场地土和场地分类的标准），将场地土及对应的场地均分为4类，参考指标为计算强度、单位质量以及纵波速度等，该草案稿基本确定了中国场地划分的框架[15]。以上两代场地分类方案都未对外正式颁布。第3代为《工业与民用建筑抗震设计规范》，是中国第1个正式颁布的建筑抗震规范，该规范对场地土、场地和地震影响系数做了系统且明确的规定，场地主要划分依据为岩性[16]；第4代规范颁布于1979年，其规定与第3代基本相同[17]；第5代为1989年颁布的《建筑抗震设计规范》，简称“89规范”，该规范利用土层平均剪切波速与覆盖层厚度来共同划分场地土类别，划分出4类场地[18]；第6代为2001年颁布的《建筑抗震设计规范》，该规范对场地土和场地类别的划分与89规范基本一致，但在剪切波速和覆盖层的具体规定上做了改进，如该规范使用地表20 m土层的等效剪切波速，而“89规范”则为15 m平均剪切波速[19]；现行的第7代《建筑抗震设计规范》于2010年颁布，通过2008年汶川地震震害经验的总结，2010规范对场地土和场地类型划分做了适当调整，整体划分指标没有太大的变化，其中I类场地当中又细分为I0类、I1类2个亚类[20]。

针对单点或多点的场地划分主要依据钻孔沉积物岩性、岩土层覆盖厚度、岩土体剪切波速等指标，得到的数据可以满足部分城市重点地区和重点工程的需要。但是，对于较大区域的场地划分仍需要耗费大量的人力财力。因此，前人展开了一系列基于地形与地貌特征的区域性场地划分探索性工作。基于地形、地貌特征确定场地分类的基本原理是地形的起伏变化，从某种意义上说是地层岩性的反映，而不同的地层岩性代表着不同的场地类型。由于场地分类主要的依据是岩土体剪切波速，所以上述诸多工作的核心思想是将地形、地貌等要素与剪切波速相关联[21-23]。

基于地形坡度的场地分类方法是基于地形、地貌场地分类方法的一种，最初由美国学者Wald等提出[24]。在区域性的尺度来看，不同的地形坡度可以代表不同的岩性与地形特征。总体来说，地形坡度较大的地区为山，其地表主要为裸露的岩石，地形坡度较小的地方为平原或盆地，其地表主要为第四系所覆盖。这种场地分类方法的实现主要是通过定量地建立地形坡度与VS30的对应关系，从而进行场地类型划分。该分类方法在较大区域尺度的场地划分工作中已经得到了广泛应用[25-29]，对于此方法是否适用于中小区域尺度尚不明确。另外，大多数重点工程的选址按照抗震设防要求都选在中硬、坚硬场地，所以本文重点对中硬、坚硬场地展开研究。基于以上研究现状与背景，本文以杭州市临安城区为例，对基于地形坡度的场地划分方法在中小区域尺度中硬、坚硬场地分类中的应用展开研究。

1 研究区自然地理及地质概况

临安区是杭州市辖区，位于浙江省杭州市西部。地处浙江省西北部天目山区，东邻余杭区，南连富阳区和桐庐县、淳安县，西接安徽省歙县，北接安吉县及安徽省绩溪县、宁国市。临安区境内东西宽约100 km，南北长约50 km，总面积3 118.77 km2，区内下辖5个街道13个乡镇298个行政村[30]。

地层分区上，临安区属江南地层区中江山至临安地层分区，境内地层自元古界震旦系至新生界第四系，除中生界三叠系和新生界第三系部分缺失外，均有发育[31]（图1）；

图1 临安区地质图

区域构造上，临安区属扬子准地台钱塘台褶带，在漫长的地质年代中，受印支期和燕山期造山作用的影响，境内地形地貌呈现多样性与奇特性。临安区地势西北高，东南低，自西北向东南倾斜（图2），呈阶梯状下降，东西部海拨高差1 778 m。北部、西南部、西北部为中低山区，其中清凉峰高1 787.4 m；中部、东部以低山丘陵为主，低山丘陵和宽谷盆地相向排列；东南部地势低平，多为海拔100 m左右的冲积平原和河谷盆地，低山丘陵相间。东部南苕溪下游为杭嘉湖平原西南边缘，汪家埠海拔9 m，为境内最低点。

区内山脉有南、北两支，北支天目山脉，为仙霞岭北支，自西北向东南延伸，西起浙皖边界清凉峰，东至临安与余杭交界的窑头山，为长江水系和钱塘江水系的分水岭；南支为昱岭山脉，自清凉峰始，沿浙皖边界向南延伸，海拨多在1 200 m以上。境内地貌由山地、低山丘陵、河谷盆地平原组成。海拨100 m以上山地丘陵面积2 797.4 km2，占全市总面积的89.7%；海拨100 m以下河谷平原面积329.4 km2，占全市总面积的10.3%。山地主要包括北部天目山、茶叶坪岗、大坪中低山深谷区，西北部百丈岭、千顷塘中低山浅谷区，西部清凉峰、龙塘山中山深谷区，及南部昱岭山脉中低山宽谷区。低山丘陵介于山地与河谷平原之间，为低山丘陵-宽谷、盆地地貌，分布中部和南部溪流两侧，面积1 563.4 km2，约占总面积的50%。河谷平原主要分布溪流中下游沿溪两岸，面积521.1 km2，占总面积的16.7%，间有低山丘陵，地势低平（图2）。

图2 杭州市临安区高程图

2 基于地形坡度场地分类方法的实现

基于地形坡度场地分类的实现主要分为3步，依次是数字高程模型（DEM）的获取、地形坡度的计算以及场地的分类。

2.1 数字高程模型的获取

数字高程模型（DEM）由一组有序的空间高程数据组成，传统方法用一个立体绘图仪和有重叠区域的航空相片生成DEM，现在主流生成DEM数据的方法是由遥感图像数据获取[32]。本文所用DEM数据来源于中科院网络信息中心的地理空间数据云（www.gscloud.cn）网站，使用ASTER GDEMV2 30 m分辨率高程数据进行空间分析。该DEM数据是ASTER GDEM（先进星载热辐射和反射仪全球数字高程模型）的第二代产品，数据来源于NASA对地观测卫星Terra的详尽观测结果，覆盖了83°N到83°S之间的所有陆地区域。其空间参考为WGS84/EGM96，该数据的全球空间分辨率约为30 m。需要注意的是，在将数据镶嵌裁剪之后需要定义地图投影，将地理坐标转化为投影坐标，否则下一步坡度计算就会受到影响。

本文共收集到勘察钻孔资料38套，大多数位于临安主城区内，在所辖村镇少有分布。为了便于对基于地形坡度的场地分类方法的分类结果进行验证，本文对研究区进行了相应的调整。选取的研究区大部分位于临安主城区内，尽可能地囊括了大部分收集到的钻孔孔位（图2）。

2.2 地形坡度的计算

地形坡度指过地表面任意一点的切平面与水平面之间的夹角。坡度用来计算任一单元和邻域单元间变化的最大比率。输出的数据中每个单元都有一个坡度值，坡度值较低则表明地势较平坦，坡度值较高则表明地势较为陡峭[33]。

地形坡度计算主要基于GIS内置的3D分析中坡度分析功能与空间分析中地图代数功能。基于DEM计算地形坡度是栅格数据处理中邻域运算应用的一种，一般使用与某一点周围相邻的8个栅格的高程进行计算（表1），用来计算坡度的基本公式为：

表1 3×3窗口计算点的坡度

公式（1）中，dz/dx为e点在x方向上的坡度，其计算公式为dz/dx=（（c+2f+i）−（a+2d+g））/8×cellsize；dz/dy为e点在y方向上的坡度，其计算方法为dz/dy=（（g+2h+i）−（a+2b+c））/8×cellsize；公式（2）为弧度与角度换算公式。

地形坡度计算的结果为度（图3），根据栅格数据属性统计，研究区内坡度最大值为60.37°，最小值为0°，平均值为12.13°。各坡度区间中，小于10°的地形占50.67%，占比最大，坡度10°～20°之间的面积占总面积的29.20%，坡度20°～30°之间面积占研究区总面积的14.94%，坡度大于30°的面积占总面积的5.19%。从地形坡度的初步分类结果来看，所选研究区整体较为平坦，且各种坡度区间的地形都占据一定的比重，并且随着坡度的增长，比重逐渐降低，这种丰富的地形有利于验证基于地形坡度进行场地分类方法的适用范围。为了便于进行场地分类，在GIS中对初次生成的坡度利用地图代数功能进行二次开发，得到坡度的正切值（tan（slope）），然后依据NEHRP标准对场地进行初步分类。

图3 研究区地形坡度图

2.3 场地类型划分

2.3.1 地形坡度与VS30对应关系的建立

场地的划分关键在于地形坡度与VS30对应关系的建立。关于地下30 m的平均剪切波速与地形坡度，前人已经做了足够的讨论并给出两套针对不同地质构造条件对应的关系[24，34]。根据对坡度值二次开发计算的结果，在确定研究区域的整体活跃情况之后，就可实现利用地形坡度估算VS30，进而确定场地种类（表2）。

表2 地形坡度与NEHRP场地分类的关系[24]

浙江省在构造分区上整体属于稳定大陆地区，构造活动不强烈[35]。因此，本文选用Wald提供的第二套方案（即稳定大陆地区对应方案）将杭州市临安区的地形坡度与VS30进行对应，得到临安区NEHRP场地分类图（图4）。

图4 研究区NEHRP场地分类图

由NEHRP场地分类图看出，通过计算得到的研究区内B类场地（tan（slpoe）>0.025）分布较为广泛，约占研究区面积的76.42%；C类场地次之，约占研究区面积的20.25%；D类与E类场地较少，一共占研究区面积的约4%。

2.3.2 基于地形坡度的场地划分结果

本研究利用Wald等[24]提出的稳定大陆地区对应方案，将研究区地形坡度与场地类型建立了对应关系。然而国内场地类型的划分与美国标准有一定的差异，针对如何将美国标准的A、B、C、D、E类场地转换为中国相应的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地这一问题，前人已开展过相应研究。

吕红山等[36]用美国ROSRINE（Resolution of Site Response Issue from the North ridge Earthquake）计划的场地波速测试资料，对VS30与VS20之间的联系展开研究（图5）。图中横轴是等效剪切波速VS30，纵轴是等效剪切波速VS20，从中可以看出两者有较为明显的对应趋势。图中N、O两个点偏离分布较远，是由于两国规范的计算方法及参数选取差异导致的，并不是岩土体自身剪切波速VS20与VS30之间没有联系导致[36]。按美国规范得到的VS30剪切波速在510 m/s以上的场地对应中国规范的Ⅰ类场地，510～260 m/s则对应中国的Ⅱ类场地，260～150 m/s属于中国规范中的Ⅲ类场地，小于150 m/s则对应中国规范中的Ⅳ类场地。

图5 中美两国场地分类比较[35]

依据上述对应关系，并结合表2中VS30剪切波速与坡度的正切值之间的线性对应关系（图6），本次研究通过线性拟合得到坡度正切值与中国场地分类之间的对应关系。根据图6中的拟合公式，计算得到260 m/s、510 m/s对应的坡度正切值分别为0.002 89、0.013 7。而由于用于拟合的y值普遍偏低，导致x值较小时，y值可能出现负值。当x为150时，计算就得到了负值。结合表2综合考虑，150 m/s对应的坡度正切值定为2×10−5。

图6 VS30与坡度正切值线性拟合图

通过以上拟合所确定的参数，绘制出研究区基于地形坡度的、符合中国《建筑抗震设计规范》的场地分类图（图7）。通过栅格统计，得出研究区Ⅰ类场地的占地面积高达研究区总面积的90.43%，Ⅱ类场地的占地面积约占研究区总面积的8.85%，Ⅲ类与Ⅳ类场地共占研究区总面积的0.72%。

图7 研究区场地分类图

3 场地划分结果验证

利用收集到的临安城区已有工程勘察钻孔对场地划分结果进行验证。划定的研究区内共收集到勘察钻孔34个，勘察资料钻孔时代从2000—2015年均有分布。通过等效剪切波速与覆盖层厚度确定的Ⅰ类场地钻孔16个，Ⅱ类场地钻孔18个（图8）。其中，Ⅰ类场地多为密实的碎石土或者较软的岩石，少数为较硬的岩石，20 m深处等效剪切波速在648～826 m/s之间，大多数小于800 m/s；Ⅱ类场地的钻孔揭示的覆盖层厚约为6～28 m，20 m深处等效剪切波速在182～380 m/s区间波动，大多数在182～320 m/s之间（表3）。

表3 收集到的勘察钻孔资料

图8 已收集勘察钻孔分布图

收集到的18个Ⅱ类场地勘察钻孔中，有16个钻孔分布于基于地形坡度确定的Ⅱ类场地中，2个分布于基于地形坡度确定的Ⅰ类场地中；而收集到的16个Ⅰ类场地钻孔勘察中，有14个分布于基于地形坡度确定的Ⅰ类场地中，2个分布于基于地形坡度确定的Ⅱ类场地中。由此可得出，基于地形坡度计算得到的场地分类结果与工程勘察钻孔资料揭示的Ⅱ类场地分类的配准率达到88.89%，Ⅰ类场地的配准率达到87.5%，具有很高的匹配性。也就是说，基于地形坡度、利用GIS平台计算地形坡度来确定场地类型方法在中硬、坚硬场地类型中具有很高的应用前景。