棗莊市新城區巖土震害預測

韓敬龍，韓 超

(1.棗莊市建筑業管理局，山東棗莊 277800;2.棗莊市房產管理局鑒定中心，山東 棗莊 277100)

0 引言

巖土震害是指由于巖土體在地震時產生的不穩定所導致的場地和地基破壞［1－2］。主要包括砂土液化、軟土震陷、斷裂引起的地表錯動以及地震導致的邊坡失穩等。近年來，我國乃至世界上大地震頻發，從2008年汶川8.0 級地震、2010年玉樹7.1 級地震到2011年日本9.0 級地震和2014年尼泊爾8.1 級地震，這些大地震給當地人民生命財產造成了巨大損失。地震災害仍然是人類經濟社會建設和可持續發展的最大潛在威脅之一。而工程結構的破壞是地震中導致人員傷亡、經濟損失的主要原因。任何工程結構都有其所依賴的場地和基礎，場地或基礎一旦在地震中遭受破壞，那么任何工程結構就都沒有抗震性能可言。由此可見，場地和地基的穩定是上部結構在地震中不被破壞的前提，巖土震害的研究是工程結構防震減災的基礎［1］。

棗莊新城區是山東省城市的后起之秀，依山傍水，環境優美，交通發達。棗莊市新城區的規劃面積為20km2，東邊界為長白山路;西邊界為祁連山路;北邊界為黑龍江路;南邊界為長江路(圖1)。棗莊的行政中心已經于2006年搬遷至新城區。山東省地震工程研究院［3］對棗莊市新城區進行了地震小區劃工作，為該新區的合理規劃、工程優化布局、土地有效利用和建筑抗震設計積累了大量的基礎資料。然而，小區劃工作主要提供了區劃范圍內抗震設防所需要的設計地震動參數，往往不能形成對巖土地震災害的總體認識，無法為工程結構的設計和國家防震減災決策提供直觀的參考資料。本次研究利用數據庫技術和GIS平臺對已有的資料進行空間數據的科學分析，對地震時場地和地基的穩定性做出科學預測，可以改變以往被動救災的局面，實現主動防災的科學理念。

1 工程地質環境

棗莊市新城區位于棗莊市薛城區東側，在大地構造上，位于華北地臺東南部的魯西斷塊，屬典型的地臺式結構。結晶基底由太古代下部的泰山群組成，形成年代距今約25 億年。主要構造線方向、片麻理走向以及緊密線型褶皺的軸向一致，大都為NW 向。棗莊市新城區周邊主要發育早第四紀斷裂，如嶧山斷裂、嶧城斷裂等;以及前第四紀斷裂，如陶棗斷裂、曹王墓斷裂等，只有距離棗莊市新城區20 多千米的鳧山斷裂為晚第四紀活動斷裂(圖2)。棗莊市新城區西北部主要是寒武紀沉積巖及泰山群變質巖，南部及東部主要是厚度為5～15 m 的第四系沉積物。西北部袁寨山及谷山主要由年代較老的沉積巖和變質巖構成，節理、風化十分發育，在外動力作用下容易導致邊坡的失穩。根據山東省地震工程研究院［3］資料，在研究范圍第四系覆蓋區普遍存在1～2 m 晚第四紀的高含水量粉質粘土層，存在著砂土液化的潛在危險。從總的工程地質條件來看，棗莊市新城區主要的地震巖土震害是砂土液化和不穩定邊坡失穩。

圖1 棗莊市新城區的規劃示意圖Fig.1 Planningschematic diagram of new district in Zaozhuang

2 基礎資料的處理

巖土震害預測涉及到大量的基礎資料，如工程地質環境、斷裂展布情況、地震動場分布情況、地形地貌等等。巖土震害包含了多種災害類型，不同的巖土震害類型均受眾多因素的影響。如砂土液化主要受到土體自身的性質、地震動的大小以及土體所處的工程地質環境等的影響［4］。對于砂土液化，我們選取了10 種影響因子進行研究。這些因子分別為地震烈度、震中距、加速度、地下水位、埋藏深度、非液化層厚度、有效壓力、標貫數、平均粒度、不均勻系數。而斷裂引起的地表錯動主要受到斷裂的展布情況、上斷點的埋深、幾何特征等因素影響。因此巖土震害的預測將會涉及到大量的基礎資料。GIS 技術的發展，為我們提供了一個可將數據統一起來進行綜合分析的平臺。本次研究中結合直接矢量化、遙感解譯技術、DEM 高程三維模型計算等方法對所需要的基礎數據進行處理，并將處理結果存放到一個統一的GIS 數據庫中，進行綜合系統的分析。

3 權重計算

目前比較常用的權重計算方法主要分為客觀權重計算方法(如粗糙集理論等)、主觀權重計算方法(如層次分析法等)，以及綜合考慮主、客觀因素的綜合計算法［1，5－6］。巖土震害是一個極其復雜的自然過程，擁有眾多的影響因子，對這些影響因子進行權重分析是比較困難的。如果只注重通過專家評分來對權重結果進行數學分析，會使結果中主觀因素干擾過大;而只注重對數據客觀信息進行分析，過分依賴客觀數據，又會使結果中客觀因素所占比例過大，為了避免產生以上兩種不符合實際規律的結果，本次研究采用層次分析法和粗糙集理論分別計算各因子對研究范圍內各類巖土震害的主觀權重和客觀權重，最后通過計算偏好系數，綜合考慮主、客觀權重得到綜合權重值。大量的文獻已經對層次分析法和粗糙集理論的計算方法進行了論述［1，5－6］，在這里不再贅述。我們利用上述方法分別對棗莊地區的砂土液化、邊坡失穩進行了影響因子的分析，并對影響因子分別進行了主觀和客觀的權重計算。對于砂土液化的主觀權重，我們選取了對砂土液化具有主要影響的10個因子，建立了層次分析的數據結構(2 層，共4個判斷矩陣)，經過計算，得到了 4個判斷矩陣的特征向量分別為:(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)，從判斷矩陣我們可以得到砂土液化各影響因子的主觀權重值(表1)。對于砂土液化的客觀權重，因為研究區內沒有相應的資料，在分析時選取了唐山地震砂土液化聯合研究小組［7］的唐山地震砂土液化現場勘查資料作為原始數據。為了減少計算量，也將選取的10個主要影響因子進行了層次劃分(分為2個層次)，并建立了相應的知識庫，通過粗糙集理論方法的計算，得到了砂土液化的客觀權重(表1)。最后利用一個偏好系數，對主觀和客觀權重進行綜合，得到最終的綜合權重(表1)。在偏好系數選取時主要考慮了兩種權重的預測準確率，發現利用粗糙集理論得到的客觀權重的預測準確率(76.7%)要略高于主觀權重的(68.3%)，因此選取了主觀權重占40%，客觀權重占60%這樣一個偏好系數。

圖2 研究范圍地震構造圖(據山東省工程研究院，2007)Fig.2 The seismic structural map of research zone

表1 各因子權重值Tab.1 The weights of the influence factors

4分析結果

根據上述方法得到了各類巖土震害影響因子的權重值，通過前面提到的方法將各因子數據進行離散化危險性影響等級評分和矢量化。如第四系厚度離散化危險性等級評分圖(圖3)。棗莊市新城區的第四系覆蓋厚度為5～15 m 左右，因此，按照一定的間隔(0、0～5 m，5～10 m，10～15 m，大于15 m)分別對不同第四系厚度的區域進行離散化打分(0、1、2、3、4)。由于棗莊市新城區與第四系厚度相關的巖土震害是砂土液化，因此第四系越厚，發生砂土液化的可能性就越大，危險性越大。從圖4可以看到，砂土液化的危險性分區與第四系厚度離散化危險性分區的分布情況較為相近，說明土層的厚度起了主要作用。在西南角砂土液化危險性等級較第四系厚度離散化危險性等級略有提高，主要是受到地震距和地震烈度的影響。因為在棗莊新區的西南方為兩條早第四紀斷裂的交匯處，未來在該處發生中強地震的可能性較大。對于不穩定斜坡，棗莊新區總體地勢較為平坦，起伏不大，只在東部的谷山和袁寨山附近存在邊坡，邊坡穩定性的危險等級主要依據相對高差、巖層產狀、巖石的年代、厚度、風化程度、節理數量、傾向等等來判斷的(圖5)。最后通過GIS軟件的權重疊加功能對研究區棗莊市新城區各巖土震害影響因子離散化后的矢量化評分圖進行加權疊加，得到棗莊市新城區巖土震害危險性預測圖。危險性預測圖也是按照離散化打分的形式給出的(圖6)，分值大小代表著巖土震害危險性程度的相對大小。

圖3 棗莊市新城區第四系厚度離散化評分圖Fig.3 Discrete rating map of Quaternary thickness of new district in Zaozhuang

圖4 棗莊市新城區砂土液化危險性等級分區圖Fig.4 Risk distribution map of sand liquidation of new district in Zaozhuang

圖5 棗莊市新城區邊坡失穩危險性等級分區圖Fig.5 Risk distribution map of unstable slope of new district in Zaozhuang

5 討論與結論

根據GIS 軟件對棗莊市新城區各類巖土震害影響因子矢量化評分圖進行加權疊加，得到了棗莊市新城區巖土震害危險性分區圖(圖6)。從圖6上可以看出，危險性最大的區域主要位于新城區的東部邊緣長白山路附近，以及三號路東部的小面積區域。根據分析，這兩個區域第四系覆蓋較厚，含有相對較厚的可液化土層，因此綜合分析該區域危險性相對較大。谷山和袁寨山附近由于存在地形影響，不穩定邊坡失穩可能是主要的巖土震害類型，但是總體坡度較緩，所以這些區域是危險性相對較大的區域。城區的南部由于位于規模較大的早第四紀斷層附近，因此推測的地震動峰值加速度較高，加上該區域存在第四系覆蓋，因此該區域也是危險性相對較大的區域。

圖6 棗莊市新城區巖土震害危險性分區圖Fig.6 Risk zoning map of geotechnical damage of new district in Zaozhuang

總體來說，棗莊市新城區工程地質條件較簡單，主要的巖土震害類型為砂土液化和不穩定邊坡失穩，巖土震害發生的可能性較小，危險性較低，巖土震害危險性預測圖上的危險性大小只是一個相對的比較值。棗莊市新城區巖土震害危險性預測圖可以為棗莊市新城區土地利用規劃、工程結構設計防震減災決策提供直觀的參考資料。

［1］盛儉，袁曉銘，王禹萌，等.巖土震害影響因子權重研究—以砂土液化為例［J］.自然災害學報，2012，21(2):76－82.

［2］呂晗，王禹萌，鄒春紅，等.我國巖土震害研究回顧［J］.防災科技學院學報，2013，15(3):78－82.

［3］山東省地震工程研究院.棗莊市新城區地震小區劃工作報告［R］.2007.

［4］陳國興，李方明.基于徑向基函數神經網絡模型的砂土液化概率判別方法［J］.巖土工程學報，2006，28(3):301－305.

［5］Pawlak Z.Rough set:theoretical aspects of reasoning about data ［M］.Amsterdam:Kluwer Academic Publishers.1991.

［6］鄧吉秋，鮑光淑，劉斌.基于GIS 的層次分析法的應用［J］.中南工業大學學報(自然科學版).2003，34(1):1－4

［7］唐山地震砂土液化聯合研究小組.唐山地震砂土液化現場勘查資料研究報告［R］.北京:北京市勘查處.1983(2):26－41.