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山东省场地类别分布及地震动峰值加速度区划调整
山东省场地类别分布及地震动峰值加速度区划调整
蒋其峰*, 魏玮, 王红卫, 董翔, 张干, 韩立强
(山东省地震局,济南 250014)
 [收稿日期]: 2016-10-09
摘要

首先,本文搜集了山东省5220个建设工程场地的资料,引入"分布区"的概念,统计分析了山东省场地类别的区域分布并进行了分区。然后,根据《中国地震动参数区划图(GB18306-2015)》中的山东省地震动峰值加速度区划以及Ⅲ类场地调整系数,对山东省Ⅲ类场地分布区的地震动峰值加速度区划进行了调整,得到了考虑场地类别分区的山东省地震动峰值加速度区划图,增进了对山东省地震灾害风险空间分布的认识。结果表明,山东省场地类别分布与地貌分区有很强的相关性,Ⅰ-Ⅱ类场地分布区包括鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)以及鲁东丘陵区,Ⅲ类场地分布区包括鲁西北-鲁西南平原区和鲁中南山地丘陵区西南部山间平原地带。Ⅰ-Ⅱ类场地分布区约占全省陆地面积的59.5%,Ⅰ-Ⅱ类场地分布区与Ⅲ类场地分布区的面积比例约为1.47。地震动峰值加速度区划图经过调整后,Ⅶ度及以上设防区域占全省陆地面积的比例由79%提高到90%,10个地级市的峰值加速度有提高。



引言

20世纪以来发生的多次强震表明,场地条件直接影响到地震灾害程度的分布。如1906年美国旧金山大地震,在震中区附近进行震害调查时,有学者就发现不同类别场地上的建筑物震害差别很大(Hansen等,2013)。1985年的墨西哥大地震虽然发生在太平洋沿岸,但是由于墨西哥盆地湖积层的场地放大效应,地震的破坏集中在离震中400km的墨西哥城(Ramos-Martínez等,1997)。自20世纪60年代以来,我国的工程地震工作者针对场地条件对地震动的影响开展了大量的工作(胡聿贤等,1980薄景山等,2003李小军等,2001a李小军等,2001b吕悦军, 2008, 2011王红卫等, 2015, 2016),现今场地条件对地震动影响的研究已成为地震工程和岩土工程领域具有重要理论意义和工程应用价值的研究课题。场地条件对地震动的影响很大,在地震动幅值(如峰值加速度)和频谱特性(如反应谱特征周期)的变化上均有体现(吕悦军等,2008李爽等,2015荣棉水等,2016)。一般而言,软弱场地上的建筑物震害较坚硬场地更严重(董娣等,2005吕悦军等,2008)。软土场地对地震动加速度的幅值和频谱的影响非常明显,除对峰值加速度的放大倍数高外,还使得加速度反应谱谱形变宽、特征周期变大(彭艳菊等,2004蒋其峰等,2014)。

我国震害防御的基础建立在地震区划图上(高孟潭等, 2006, 2008)。《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2015)是我国建设工程抗震设防、社会经济发展和城乡建设等方面的强制性标准,于2016年6月1日正式实施。《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》给出的是Ⅱ类场地条件下的基本地震动参数,并根据场地条件对地震动影响的研究结果给出了各类场地的调整系数(高孟潭,2015)。在地震动峰值加速度区划图中,山东省0.10g及以上的地震动峰值加速度分区占全省面积的79%,峰值加速度分区值最高达0.30g,代表着山东省有79%的区域需要进行Ⅶ度及以上设防,最高设防烈度达Ⅷ度。山东省具有发生强震的地质构造背景(晁洪太等, 1995, 1999王志才等,2005王华林等,1998),地震活动强度大,频度高,历史上发生过有记载的破坏性地震达90余次,其中5.0—5.9级74次,6.0—6.9级13次,7.0—7.9级6次,最大地震为公元1668年郯城8½级地震(国家地震局震害防御司,1995中国地震局震害防御司,1999窦海岳,2009)。山东省场地类别多样,且Ⅱ、Ⅲ类场地分布广泛(窦海岳,2009),而对一个地区的场地类别进行研究有利于开展重点地区地震危险性预测、大震震害预评估等方面工作(彭艳菊等,2012荣棉水等,2013)。因此,有必要对山东省的场地条件宏观分布情况进行进一步研究,增强认识,做好预防。

本文通过统计多年来积累的场地工程地质资料,分析山东场地类别区域分布,然后在《中国地震动参数区划图》的基础上进一步考虑场地分布的影响,给出考虑场地类别分布的地震动峰值加速度区划图。研究成果对增进山东省地震灾害风险空间分布的认识及开展震后灾情的快速评估等(聂高众等,2012)有一定的参考意义。

1 资料收集与整理

本文共搜集整理了5220个工程场地的资料,其中Ⅰ类场地232个,Ⅱ类场地3633个,Ⅲ类场地1335个,Ⅳ类场地20个。工程范围很广,涉及住宅楼、商业楼、学校、医院、桥梁、隧道、工厂企业等工程,所搜集工程场地的位置基本覆盖全省所有的县(市、区),对全省场地类别分布情况有较好的代表性(图 1)。图 1的底图由山东省DEM数据生成,该DEM来源于美国STRM数据,图中不同灰度代表不同的海拔高度,反映了山东省山地、平原等地形地貌的分布情况。按照全省地形地貌及其空间位置分布,山东可以分为鲁中南山地丘陵区、鲁东丘陵区和鲁西北-鲁西南平原区(宋明春,2009),地貌分区界线见图 1


图 1 山东省各县(市、区)场地数量统计分布情况及地貌分区 Fig. 1 Location and distribution of site number and geomorphic division of Shandong
2 场地类别划分方法与分区原则

在工程应用中,场地类别的划分需要根据场地覆盖层厚度和覆盖层等效剪切波速(或者岩石剪切波速)两个参数,通过对照《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2010)给出的划分表(表 1)确定。场地类别共划分为4类,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,其中Ⅰ类场地细分为Ⅰ0和Ⅰ1类。各类场地具有不同的软硬程度,Ⅰ—Ⅳ类场地依次为坚硬、中硬、中软和软弱场地。

表 1 场地类别划分表(建筑抗震设计规范(GB50011—2010)) Table 1 Classification of site types (from Code for seismic design of buildings (GB50011—2010))

本文依统筹考虑、遵循规律的原则对山东省场地类别进行分区。在充分利用统计得到的山东省场地类别分布情况的基础上,统筹考虑与场地分类密切相关的山东省地形地貌分布和覆盖层厚度分布这两个因素。一般而言,一个地区的场地工程地质条件复杂多变,但场地类别比较稳定,所以本文在进行场地类别分区时,为了充分把握区域场地类别总体变化规律,尝试引入“分布区”的概念。在生态学中,某动物分布区指该种动物能在该分布区内得到充分繁衍,但不排除有其他种类动物的存在。也就是说,本文中“某类场地分布区”是指该类场地在该地区分布广泛,但不排除有个别例外。实际上,由于地质条件的复杂变化,场地类别存在突然变化的情况,要想完全掌握山东省每一片场地的类别,其代价是极高的,目前也是不现实的。本文根据多年来所积累的资料进行了尝试,目的是探索山东省场地类别的宏观分布,开展进一步研究需要更多资料的积累和技术的进步支撑。

3 山东省场地类别分区

本文所统计的山东省场地类别分布是场地类别分区的直接依据。各工程场地的位置及场地类别分布见图 2。由图 2可以看出,山东场地类别分布有区域性分布的特点,且与地貌分区有很强的相关性。鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)以及鲁东丘陵区以Ⅰ、Ⅱ类场地为主,这与山地丘陵区基岩裸露、第四纪沉积较薄致使场地偏硬有关。鲁西北-鲁西南平原区场地以Ⅲ类场地为主,这与该地区基岩较深、第四纪沉积较厚致使场地偏软有关。因此,可以考虑将鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)以及鲁东丘陵区划为Ⅰ—Ⅱ类场地分布区,将鲁西北-鲁西南平原区和鲁中南山地丘陵区西南部山间平原地带划为Ⅲ类场地分布区。


图 2 山东省场地类别分布 Fig. 2 Distribution of site type of Shandong province

研究场地覆盖层厚度分布有利于进行场地类别分区。根据统计资料中2671个场地的覆盖层厚度数据,经过插值计算得到覆盖层厚度分布图(图 3)。可以看出,鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)和鲁东丘陵区覆盖层厚度几乎全部在50m以内,其中大部分地区覆盖层厚度在15m以内。根据表 1,当场地覆盖土层厚度小于15m时,场地只能是Ⅰ类或Ⅱ类场地;当场地覆盖层厚度大于等于15m且小于50m时,只有在场地等效剪切波速小于等于150m/s的条件下才能划分为Ⅲ类场地,等效剪切波速大于150m/s时为Ⅱ类场地。所以,山东省场地覆盖层厚度分布情况进一步说明了鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)和鲁东丘陵区应该以Ⅰ类或Ⅱ类场地为主。鲁西北-鲁西南平原区以及鲁中南山地丘陵区的西南部山间平原地带覆盖层厚度基本都在50m以上,其中大部分在80m以上,进一步辅助说明了该地区以Ⅲ类场地为主的结论。


图 3 覆盖层厚度分布图 Fig. 3 Distribution map of thickness coverage

综合以上分析,将山东省划分为Ⅰ—Ⅱ类场地分布区和Ⅲ类场地分布区。将鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)和鲁东丘陵区列为Ⅰ—Ⅱ类场地分布区,将鲁西北-鲁西南平原区和鲁中南山地丘陵区西南部山间平原地带列为Ⅲ类场地分布区。对山东省地貌分区界线进行调整后得到山东省场地类别分区图(图 4)。经过测算,Ⅰ—Ⅱ类场地分布区约占全省陆地面积的59.5%,Ⅰ—Ⅱ类场地分布区与Ⅲ类场地分布区的面积比例约为1.47。


图 4 山东省场地类别分区 Fig. 4 Site type zoning of Shandong province
4 对地震动峰值加速度区划图的调整

《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》是关系国家地震安全的重要基础性和强制性国家标准,在我国一般建设工程抗震设防、各类建设工程规划与选址、国土利用规划编制等方面具有重要实用价值(高孟潭,2015)。《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》提供了山东省Ⅱ类场地条件下的地震动峰值加速度区划图(图 5),同时给出了各类场地条件下的转换系数表(表 2)。若已知Ⅱ类场地地震动峰值加速度amax,那么Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅲ、Ⅳ类场地条件下的基本地震动参数amax就可以用amax乘以场地地震动峰值加速度调整系数Fa得到(公式(1))。Fa根据Ⅱ类场地地震动峰值加速度amax的大小通过分段线性插值确定。


图 5 山东省地震动峰值加速度区划图(中国地震动参数区划图(GB 18306—2015)) Fig. 5 Seismic peak ground acceleration zonation of Shandong province (from Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China (GB 18306—2015))
表 2 场地地震动峰值加速度调整系数Fa(中国地震动参数区划图(GB 18306—2015)) Table 2 Adjustment coefficient Fa of seismic peak ground acceleration (from Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China (GB 18306—2015))
${{a}_{\max }}\text{=}{{a}_{\max Ⅱ}}{{F}_{\text{a}}}$ (1)

根据表 2,Ⅲ类场地对地震动峰值加速度的放大系数最大,所以Ⅲ类场地分布区的地震危险性水平要高于地震动峰值加速度区划图中的结果。为进一步反映地震危险水平,根据转换公式(1),对Ⅲ类场地分布区的地震动峰值加速度区划进行调整,思路是将区划图中各分区的界线视为等值线,对等值线进行插值(高孟潭,2015)确定等值线新的位置。具体步骤如下:

(1)将区划图中地震动峰值加速度分区界线视为等值线,利用arcgis中的栅格插值、绘制等值线等工具,对地震动峰值加速度区划图进行空间插值,绘制一系列等值线。

(2)根据公式(1)反推出在Ⅲ类场地条件下分界线值所对应的Ⅱ类场地条件的值,并找出代表该值的等值线。

(3)对Ⅲ类场地分布区的地震动峰值加速度分区界线进行调整。

地震动峰值加速度区划图中,0.05g区由Ⅱ类场地转换为Ⅲ类场地时发生跨档,跨档到0.10g,出于保守考虑,Ⅲ类场地条件下不再考虑0.05g区。经过计算,得到考虑场地类别分布的山东省地震动峰值加速度区划图(图 6)。


图 6 考虑场地类别分布的山东省地震动峰值加速度区划图 Fig. 6 Seismic peak ground acceleration zonation with consideration of site type distribution of Shandong province

调整后的区划图(图 6)与原山东省地震动峰值加速度区划图(图 5)相比,0.10g及以上的地震动峰值加速度分区(Ⅶ度及以上设防区域)占全省陆地面积的比例由79%提高到90%。Ⅲ类场地分布区的地震动峰值加速度整体有所提高,涉及济南、菏泽、济宁、聊城、德州、滨州、潍坊、东营、淄博、泰安共10个地级市。由0.05g提高到0.10g涉及32个县(市、区),由0.10g提高到0.15g涉及28个县(市、区),由0.15g提高到0.20g涉及7个县(市、区)。

由0.05g提高到0.10g涉及的县(市、区)包括:济南市天桥区、历城区、槐荫区、章丘、济阳、商河;济宁市任城区、兖州、鱼台、汶上、邹城、嘉祥、金乡、微山;菏泽市巨野县;德州市陵城区、武城、夏津、宁津、乐陵、庆云、临邑、齐河;滨州市滨城区、无棣、沾化、阳信、惠民、邹平;东营市利津、垦利;淄博市高青县。

由0.10g提高到0.15g涉及的县(市、区)包括:菏泽市牡丹区、巨野、郓城、定陶、曹县;济宁市梁山、嘉祥;聊城市东昌府区、冠县、临清、茌平、东阿、阳谷;德州市陵城区、夏津、平原、临邑、齐河、禹城;滨州市博兴县;东营市河口区、东营区、利津、垦利、广饶;潍坊市寒亭区、寿光;泰安市东平。

由0.15g提高到0.20g涉及的县(市、区)包括:菏泽市牡丹区、郓城、鄄城、曹县;聊城市东昌府区、莘县、阳谷。

5 结论

本文对5220个建设工程场地的资料进行了统计分析,引入了“分布区”的概念,划分出了Ⅰ—Ⅱ类场地分布区与Ⅲ类场地分布区,并结合场地类别分区对《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》中山东省地震动峰值加速度区划进行了调整。主要结论如下:

(1)山东省Ⅰ—Ⅱ类场地分布区、Ⅲ类场地分布区与山东省地貌分区有很强的相关性。Ⅰ—Ⅱ类场地分布区包括鲁中南山地丘陵区(西南部的山间平原地带除外)以及鲁东丘陵区,Ⅲ类场地分布区包括鲁西北-鲁西南平原区和鲁中南山地丘陵区西南部山间平原地带。

(2)山东省Ⅰ—Ⅱ类场地分布区约占全省陆地面积的59.5%,Ⅰ—Ⅱ类场地分布区与Ⅲ类场地分布区的面积比例约为1.47。

(3)对Ⅲ类场地分布区的地震动峰值加速度区划进行了调整,得到了考虑场地类别分布的山东省地震动峰值加速度区划图,增进了对山东省地震灾害风险空间分布的认识。调整后,Ⅶ度及以上设防区域占全省陆地面积的比例由79%提高到90%,10个地级市的峰值加速度有所提高,由0.05g提高到0.10g涉及32个县(市、区),由0.10g提高到0.15g涉及28个县(市、区),由0.15g提高到0.20g涉及7个县(市、区)。

参考文献
薄景山, 李秀领, 李山有, 2003. 场地条件对地震动影响研究的若干进展[J]. 世界地震工程, 19(2): 11-15.
晁洪太, 李家灵, 崔昭文, 1995. 山东及其沿海地区强震(M ≥ 6) 发生的地质构造背景[J]. 地震研究, 18(2): 188-196.
晁洪太, 王志才, 刘西林, 1999. 郯庐断裂带下辽河-莱州湾段与潍坊-嘉山段地震构造和地震活动特征对比[J]. 华北地震科学, 17(2): 36-42.
董娣, 周锡元, 徐国栋, 等, 2005. 9.21台湾集集地震中场地类别对地震动若干特性的影响[J]. 地震研究, 28(4): 365-372.
窦海岳, 2009. 山东地区场地条件对地震动参数影响的研究. 兰州: 中国地震局兰州地震研究所. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85403-2009240276.htm
高孟潭, 2015. GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》宣贯教材. 北京: 中国标准出版社.
高孟潭, 卢寿德, 2006. 关于下一代地震区划图编制原则与关键技术的初步探讨[J]. 震灾防御技术, 1(1): 1-6. DOI:10.11899/zzfy20060101
高孟潭, 肖和平, 燕为民, 等, 2008. 中强地震活动地区地震区划重要性及关键技术进展[J]. 震灾防御技术, 3(1): 1-7. DOI:10.11899/zzfy20080101
国家地震局震害防御司, 1995. 中国历史强震目录(公元前23世纪-公元1911年). 北京: 地震出版社.
胡聿贤, 孙平善, 章在墉, 等, 1980. 场地条件对震害和地震动的影响[J]. 地震工程与工程振动: 36-43.
蒋其峰, 彭艳菊, 吕悦军, 2014. 渤海海域软表层厚度对反应谱的影响[J]. 地震工程与工程振动, 34(S1): 238-246.
李爽, 吕悦军, 2015. 中硬场地对华北地区不同地震环境地震动反应谱的影响[J]. 国际地震动态, (9): 172.
李小军, 彭青, 2001a. 不同类别场地地震动参数的计算分析[J]. 地震工程与工程振动, 21(1): 29-36.
李小军, 彭青, 刘文忠, 2001b. 设计地震动参数确定中的场地影响考虑[J]. 世界地震工程, 17(4): 34-41.
吕悦军, 彭艳菊, 兰景岩, 等, 2008. 场地条件对地震动参数影响的关键问题[J]. 震灾防御技术, 3(2): 126-135. DOI:10.11899/zzfy20080203
吕悦军, 彭艳菊, 施春花, 等, 2011. 北京地区中硬场地地震动效应研究[J]. 防灾减灾工程学报, 31(5): 523-528.
聂高众, 安基文, 邓砚, 2012. 地震应急灾情服务进展[J]. 地震地质, 34(4): 782-791.
彭艳菊, 吕悦军, 施春花等, 2012. 北京平原区基于第四纪地质与剪切波速的场地类别划分. 见: 全国第一届防灾减灾工程学术研讨会论文集. 南京: 中国灾害防御协会. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-FZGC201109001025.htm
彭艳菊, 唐荣余, 吕悦军, 等, 2004. 天津滨海场地土类别特征及其对地震动的影响[J]. 地震工程与工程振动, 24(2): 46-52.
荣棉水, 李小军, 王振明, 等, 2016. HVSR方法用于地震作用下场地效应分析的适用性研究[J]. 地球物理学报, 59(8): 2878-2891. DOI:10.6038/cjg20160814
荣棉水, 王世元, 李小军, 等, 2013. 成都盆地不同工程地质分区内场地地震动参数的计算分析[J]. 地震学报, 35(4): 543-552.
宋明春, 徐军祥, 王沛成, 等, 2009. 山东省大地构造格局和地质构造演化. 北京: 地质出版社.
王红卫, 冯志军, 刘希强, 等, 2015. 山东地区地震动峰值加速度场地效应的定量分析[J]. 地震地质, 37(1): 44-52.
王红卫, 葛孚刚, 王冬雷, 等, 2016. 山东地区地震加速度反应谱特征周期的统计研究[J]. 震灾防御技术, 11(2): 322-330. DOI:10.11899/zzfy20160215
王华林, 薛革, 刘希强, 等, 1998. 山东及其沿海地区活动构造与地震危险区判定[J]. 地震学刊, (1): 37-44.
王志才, 贾荣光, 孙昭民, 等, 2005. 沂沭断裂带安丘-莒县断裂安丘-朱里段几何结构与活动特征[J]. 地震地质, 27(2): 212-220.
中国地震局震害防御司, 1999. 中国近代地震目录(公元1912年-1990年MS ≥ 4.7). 北京: 中国科学技术出版社.
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2015. GB 18306-2015中国地震动参数区划图. 北京: 中国标准出版社.
中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010. GB 50011-2010建筑抗震设计规范(附条文说明)(2016年版). 北京: 中国建筑工业出版社.
Hansen R., Hansen G., 2013. 1906 San Francisco earthquake. South Carolina: Arcadia Publishing.
Ramos-Martínez J., Chávez-García F. J., Romero-Jiménez E., et al, 1997. Site effects in Mexico City:constraints from surface wave inversion of shallow refraction data[J]. Journal of Applied Geophysics, 36(4): 157-165. DOI:10.1016/S0926-9851(96)00057-2


Site Type Distribution and Adjustment of Seismic Peak Ground Acceleration Zonation of Shandong Province
Jiang Qifeng*, Wei Wei, Wang Hongwei, Dong Xiang, Zhang Gan, Han Liqiang
(Earthquake Administration of Shandong Province, Ji'nan 250014, China)
Abstract

In this study, the site type data of 5220 construction sites in Shandong Province were collected, and the regional distribution of site types were analyzed by using the concept of distribution area, and site type zonation was conducted. Then, based on the seismic peak ground acceleration zonation and the adjustment coefficient of site type Ⅲ in Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China, the seismic peak ground acceleration zonation of site type Ⅲ distribution region was adjusted, and seismic peak ground acceleration zonation of Shandong Province considering regional distribution of site types was obtained. The understanding of the spatial distribution of earthquake risk in Shandong Province was also enhanced. The results show that, site type distribution of Shandong Province presents a strong correlation with geomorphic zoning, in which site type Ⅰ-Ⅱ area contains central and southern mountain region (except for the plain area among mountains at its southwest) and eastern hilly area of Shandong Province, and site type Ⅲ area contains west plain area and the plain area among mountains at southwest of central and southern mountain region. In terms of the total area site type Ⅰ-Ⅱregion approximately accounts for 59.5% of Shandong's land area and is 1.47 times of the area of site type Ⅲ region. After adjustment of the seismic peak ground acceleration zonation map, area ratio of fortification Ⅶ degree and above increases from 79% to 90%, and seismic peak ground acceleration of 10 cities increases too.



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山东省场地类别分布及地震动峰值加速度区划调整
蒋其峰*, 魏玮, 王红卫, 董翔, 张干, 韩立强
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170306