基于3D GIS的液化側移區劃新方法

李程程， 袁曉銘， 曹振中， 李瑞山

(1.中國地震局工程力學研究所，中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080;2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林理工大學，廣西 桂林 541004)

大量的震害調查結果表明，地震誘發的液化災害是比較普遍且危害性很大的地震災害之一。以往震害經驗表明，液化引起的震害通常包括土體側移、震陷、管涌以及砂沸等，其中常見的是液化引起的側移。液化引起的側移是指在地震作用下土體發生液化，使地表的土體沿著微小坡度滑動或者向臨空面(如河渠，堤壩等)運動而出現的永久位移，嚴重時有幾米大小。包括我國唐山大地震在內的以往國內外大地震中均出現過這種液化破壞形式[1]，是液化震害中最嚴重的一種[2]。1964年日本新瀉地震、美國阿拉斯加地震中大面積的液化，使地基承載強度喪失，大量的建筑物倒塌，道路、橋梁以及地下管道等基礎設施都會遭到嚴重破壞，1976年海城地震、1978年唐山地震、1995年神戶大地震、1999年土耳其地震與臺灣集集地震、2011年新西蘭地震以及2016年臺灣高雄地震等都突出了液化災害的巨大破壞性。2016年臺灣高雄地震中，土壤液化嚴重，造成了民眾極大恐慌，震后臺灣“行政院”立即組織發布了液化潛勢查詢系統，將災害區域分別標示出不同等級，民眾爭相登錄查詢，直至導致該系統癱瘓。研究和發展液化災害區劃技術對防災減災具有重要意義，為國土安全利用、城市規劃、保險方案制定、建設部門勘察設計以及地震防災預案制定、地震災害快速評估和地震應急求援等工作的基礎。

液化及其震害區劃技術研究起源于19世紀70年代，在美國等一些國家，液化側移的區劃工作已經納入了國家制圖計劃項目中，美國和日本等多個國家已經編制了有關液化的各種形式的區劃圖[3-9]。液化側移區劃技術方面，國際上目前最先進的是由美國國家地震減災計劃(NEHRP)支持研究的方法(NEHRP方法)。該方法主要由三部分構成：一是液化側移等級的計算方法，采用的是Youd等[10-15]基于實際液化側移數據庫、采用多元線性回歸方法建立起來的液化側移計算公式(Youd公式)；二是收集并整理大量土工勘察數據以及地質和地形數據；三是要素提取及成圖。其中要素提取方式為，對每個地質單元中鉆孔資料(點)，按照Youd公式計算液化側移量，然后按規定等級，判斷每個孔的液化側移等級，以累積超越概率85%為界限，即某一或某些等級的個數未超過總體的15%，則判定該等級的前一等級為這一地質單元的側移災害等級，然后繪制此單元(面)的側移災害等級分布圖。NEHRP方法在使用時，發現以下明顯不足：①該方法通過“數數看占優”的方式獲取區域的等級評價，不得不以大量點要素為基礎，需要高密度土工鉆孔，經濟成本很高，并且當某一地質單元沒有高密度鉆孔數據時，計算出的側移數量少，統計困難，且在GIS上插值不便，使區劃的準確度大大降低；②技術平臺為二維GIS，即主要參考的是地表地質情況，而實際土層是三維空間分布，二維地表地質顯然不能代表土層實際情況，同時液化層一般分布在地下，近期大地震也存在大量超過10 m的深層土情況[16]，此時用二維地表地質分布特征顯然無法反映真實情況。

Youd公式本身是用于單一場地液化側移計算而不是為區劃技術專門設計的。筆者認為，對于較大尺度(如整個縣、市區等)的區劃問題，不應追求單個點評價結果的精度，而應著眼于整個區域的評價結果，因此無論是液化側移判別還是場地特征要素，都應直接從一個面(地質單元)出發給出區域的場地液化震害風險整體評估，理論上應更合理經濟。并且，隨著計算機技術的發展，基于GIS的區劃技術得到了越來越多的應用，特別是GIS空間地理數據技術，可將數據與空間和圖形很好結合，使預測結果得到直觀、系統的展示，理應在液化側移區劃方法中得到應用。

我國幅員遼闊，工程地質條件復雜，未來地震形勢嚴峻，以三大城市群為代表的眾多大中城市位于軟弱和可液化場地之上，而我國液化側移區劃工作目前基本為為空白，顯然不適應防震減災的客觀需求。同時，我國地震動區劃工作已廣泛開展，工程地質資料也有較好積累，這些都為液化側移區劃工作開展奠定了基礎。

美國液化側移區劃的NEHRP方法，并不是遵循這種思路。首先，Youd公式是一個頗具權威性且應用廣泛的液化側移計算公式，但它本意不是專門針對區劃工作需要而設計的，主要是用來計算某個場地的液化側移大小。而將Youd公式應用于區劃工作時，地震動參數采用的是震級和震中距，在應用上受到很大限制，要想給出一個地質單元的液化側移等級評估結果，不得不依賴該單元上很多鉆孔資料，才能得到統計結果，是一種點-面的做法，這本身是一種間接的方法，一個地質單元評價估結果的可靠性，強烈依賴于本單元的鉆孔數量和分布。當某一地質單元沒有高密度鉆孔數據時，就無法給出區域液化側移等級科學合理的評估結果，甚至出現誤判。

本文認為，一個區域的液化側移區劃工作，不是追求其中每個場地評價結果的精度，而是合理地給出整個區域的評價結果。因此，原則上應直接從一個面出發，使用有限的最佳控制鉆孔數控制土層分布和與其相關的參數，進而給出區域的場地破壞整體評價。因此本文從液化區劃工作的本質需求出發，研究一種比NEHRP方法更經濟合理的液化區劃方法，力求克服NEHRP方法依賴高密度鉆孔的弊端，提出其影響因素的面要素提取技術，如土層液化層厚度和細粒土含量、地形地貌特征等，發展不需要高密度鉆孔便可完成的提取技術。以得到一套與區劃工作要求和現代技術發展相適應的液化側移區劃新方法，并以唐山地震為背景，展示和檢驗新方法。

1 關鍵技術與流程

筆者提出一種基于CART(Classification And Regression Tree)算法的場地液化側移等級預測方法和判別標準。方法中，液化側移的主要影響參數包括峰值加速度、臨空(緩坡)坡度、液化層厚度和細粒土含量，以及臨空和緩坡兩種情況下液化側移等級判別標準LLSL(Liquefaction Lateral Spread Level)，摒棄NHERP法點-面技術，采用面-面技術，對峰值加速度PGA、臨空(緩坡)坡度Wff或S、液化層厚度T15和細粒土含量F15進行面要素提取，與關鍵點一得到的判別標準相匹配。

根據地質調查資料中的地質剖面圖和地質描述，將MVS(Mining Visualization System)與GIS無縫連接，在GIS中布置整鉆孔數據，包括地質勘探實測鉆孔數據和根據地質剖面圖和地質描述得出的虛擬鉆孔數據，建立與鉆孔中各沉積層的海拔高度或深度相對應的數據庫，生成三維地質模型。在點-面技術改為面-面技術過程中，基于MVS-3D GIS的面要素提取技術起著關鍵作用，MVS最大的優點是不需要密集的鉆孔數據，只需一些起控制作用的鉆孔，如地質的尖滅點處，斷層或地層突變點處等，就可以較好地體現地層沉積狀況。然后可以根據有限的鉆孔勘測數據或已有的土層地質描述，標識可液化側移層，然后提取可液化側移層的厚度等值線，通過GIS對等值線進行處理，轉化成面要素分區。

液化側移區劃方法技術流程如圖1所示。首先是收集資料，主要是工程地質資料，然后對影響場地液化側移的各個影響因素，即峰值加速度PGA、臨空(緩坡)坡度Wff或S、液化層厚度T15和細粒土含量F15進行面要素提取并疊加整理圖形和屬性數據庫。根據LLSL標準，即根據液化側移四個等級下的各影響因素范圍取值進行判定，最終直接得到液化側移區劃圖。

2 唐山南區液化側移分區圖

本文以1976年唐山7.8級地震為背景，根據LLSL液化側移等級判別方法和本文提出的基于GIS的各影響因素面要素提取的技術流程，制作出唐山南區液化側移分區圖，并與震后航拍的結果進行比較，驗證本文方法的合理性和可行性。

2.1 地形地貌面要素的提取

本文研究區域為唐山部分區域(南區)，面積近350平方公里，如圖2框體所示。該區域北依燕山，南瀕渤海，地勢北高南低，由于受緯向構造系的影響和控制而有很大的分異：北部為燕山及其余脈上升的低山丘陵區；中部是遭受輕微侵蝕的、準平原化的山前平原區；南部是廣闊的濱海平原區。

圖1 液化側移區劃技術流程圖

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

根據美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的DEM高程數據(公開數據的精度為90 m)，經過拉伸和渲染得到該區域的地貌特征圖，如圖3所示。

將圖3框體所示區域的地貌進行矢量化，得到地貌單元，并運用GIS空間分析功能中的坡度計算模塊，通過DEM高程數據得到該地區的坡度，對得到的結果進行柵格聚類分析，將最終的數據分配到地貌單元中，即可得到坡度面要素。本文研究兩種緩坡和臨空面兩種情況，緩坡地帶可以按上述方法提取，對于有臨空面的陡河流域進行坡度處理時，按照臨空坡度定義，假設陡河的平均深度為5 m，取距離岸邊大約100 m以內為河岸臨空面近區(坡度大于5%)，100～250 m為河岸臨空面遠區(坡度小于5%)，最終得到如圖4所示的唐山市南區地形地貌因素，即坡度的面要素分區圖。

2.2 地質因素(T15)及土體特性(F15)的面要素提取

對于地質因素(T15，液化層厚度)，本文采用3D-GIS相結合的方法進行提取。

圖2 本文研究區域(唐山南區)的地理位置

圖3 唐山南區及附近區域地貌特征及地震活動斷裂分布(A,B,C為斷裂帶分區)

如圖3所示，本研究區域大致以唐山斷裂帶為界分為三個自然區：

A：北部荊各莊拗陷沉積區，多由第四系地層組成，由于受陡河斷裂的控制，陡河兩岸形成不對稱的地貌形態。西岸為陡河斷裂的下降盤，發育二級階地。Ⅰ級階地由陡河新近沉積的全新世地層組成，上部為可塑性亞黏土，一般為中等壓縮性土，局部地段分布有高壓縮性的淤泥質亞黏土；下部為粉細砂層覆蓋于灤河老沖積扇之上，由于沉積年代新，未經充分壓密固結，因此結構松散，在地震的作用下很易產生砂土液化現象，這種巖性對工程抗震不利，屬于Ⅲ類場地土。Ⅱ級階地由晚更新世地層組成，上部為可塑-硬塑亞黏土，下部為密實、均勻的細中砂層，屬Ⅱ類場地土。

該地區面積將近100平方公里，根據工程地質資料(如地質剖面圖，如圖6(a)、6(b)所示)和上述地質描述，設置14個控制圖層的虛擬鉆孔，結合收集到的15個實測鉆孔數據，如圖5北部所示，其中黑色的點為實測鉆孔，白色的為虛擬鉆孔，然后建立鉆孔的地層數據庫，將ArcGIS與MVS無縫連接，得到了該地區的三維土層分布及其剖面，如圖7(a)、7(b)所示。從中我們可以清楚地觀察到Ⅰ級階地向Ⅱ級階地的發展狀況，生成的三維地層與實際相符度很高。識別提取的液化層等值線如圖8所示。

圖4 提取的唐山南區坡度面要素的分區圖

圖5 三維建模所使用的鉆孔分布圖

B：中部唐山隆起區，斷裂帶為一地壘式隆起，以鳳凰山、大城山、巍山、鳳山等一系列北東走向的不連續的殘丘為主體，構成唐山隆起區。在殘丘地帶巖性為奧陶系灰巖直接出露地表，形成堅硬、穩定的堅實地基。基巖淺埋地帶為堅硬的殘坡積層，巖性為黃褐色、棕紅色的亞黏土和黏土，結構緊密，強度大，具有良好的抗震性能，屬于Ⅰ類場地土。該地區未分布有液化土層分布，因此不需制作該地區的三維地質模型。

C：第四系沉積厚度達150 m。這個地區的地層結構和巖性特征與其它兩個地區有明顯的差異，它的特點為：①地形平坦，自由河曲發育，陡河流域和東郊攜沙量大的大沙河流域在這個地區未形成階地，說明近代沉積速度快；②近代堆積的砂層厚度大、埋藏淺，上覆蓋層為亞黏土或輕亞黏土，在東南郊地帶砂層幾乎直接裸露地表，形成大面積的砂丘地貌。本區多為全新世地層，結構松軟，強度低，在趙田莊、侯邊莊一帶地表以下3 m分布有高壓縮性的軟弱土層；③本區灤河沖積扇、陡河和大沙河交錯地帶，巖相復雜、交錯層發育，因此構成了十分復雜的層狀介質特征。

該地區面積將近150平方公里，結合上述地質描述與地質勘測已知的地質剖面圖(如圖9(a)、9(b)所示)，設置14個虛擬鉆孔控制土層分布，并結合收集到的23個實測鉆孔數據，如圖5南部所示，得到該地區的三維地質分層及剖面如圖10(a)、10(b)所示，提取的等值線如圖11所示。

將液化層厚度等高線導入GIS中，轉化成液化層厚度分區圖，將所有各個液化層厚度分區進行疊加，得到研究區域的地下液化層累積厚度分區圖，如圖12所示，即可完成液化側移層厚度的面要素提取工作。

對于細粒土含量，根據勘探數據我們可知該地區砂質比較均勻，細粒土含量5%左右，數據浮動很小，因此將細粒土含量取做5%。

2.3 地震動因素PGA面要素提取

對于本文所取的研究區域，1978年由中國建筑科學研究院對該地區以4公里為鉆孔間距，進行了地脈動測試，并據此進行了7.8級地震下的地震動力反應分析，且結合胡聿賢等的唐山地區的地震動衰減理論，計算出各測點的地面峰值加速度，最后生成地面峰值加速度等值線。本文將這些資料進行整理，做出了該地區的地面峰值加速度分布圖，如圖13所示。

2.4 唐山市區側移等級分區圖

將提取的四個參數的面要素在GIS中相互疊加，運用GIS強大的圖形和屬性數據庫管理能力，分析和整理各影響因素的面要素屬性值，根據側移等級區劃標準進行區劃，最終得出研究區域的液化引起的側移區劃圖，結果如圖14所示，其中淺色部分沒有液化層分布，因此不考慮液化引起的側移。

2.5 與NEHRP方法的對比

(1) 精度整體提高

將本文的方法與NEHRP的方法進行了不同災害等級的對比，結果如表1所示。

由表1可以看出，無論對于臨空還是緩坡情況，本文的方法精度在81%左右，比MLR法均高出6%左右，而且對各個液化側移等級實測數據的回判精度表現較為均衡，彌補了NEHRP法在輕微等級判別中成功率較低的弱點。

(a) 后屯-小代莊一帶地層剖面

(b) 大屈莊-李各莊一帶地層剖面

(a) 地層分布

(b) 地層剖面圖

圖8 唐山南區北部荊各莊拗陷區液化層等值線的提取

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

(2) 所需鉆孔數量銳減

如圖15所示，美國NEHRP方法對鹽湖城地區500平方公里區域內進行液化側移等級區劃的研究時，使用了1 440個鉆孔來計算側移的大小。而如圖6所示，本文研究的唐山市區部分區域面積近350平方公里，共使用了56個鉆孔。如果將本文方法應用到美國鹽湖城地區，預計僅需要鉆孔80個，節約了90%，但精度并不會降低，符合中等區劃工作的要求，達到了科學合理且經濟的目標。

(a) 曹莊子-禮尚莊一帶地層剖面

(b) 孫家樓-趙田莊一帶地層剖面圖

(a) 地層分布

(b) 地層剖面圖

圖11 唐山南區北部荊各莊拗陷區液化層等值線的提取

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

圖12 唐山南區液化層厚度分區圖

(3) 基于3D GIS建立可視化三維土層

NEHRP液化側移區劃技術中花費最大的為鉆孔，而其中每個鉆孔的貢獻，僅僅是給區域液化側移等級判別貢獻一個數據點，花費巨大的鉆孔資料并未得到充分利用，十分浪費。事實上，淺表土層的空間結構在工程建設中十分重要，特別是地下空間的開發利用是目前發展大趨勢，而本文方法不僅可以使寶貴的鉆孔資料得到充分使用，而且可以利用三維GIS的空間分析優勢，得到近表土層三維分布形態，不僅為地面地震液化側移等級評價提供較為理性的結果，從防震減災方面做出貢獻，而且可為重大工程的建設提供重要參考。

圖13 唐山南區峰值加速度分區圖

圖14 唐山南區液化側移等級分區圖

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

表1 本文方法與NEHRP方法的精度對比

2.6 與實測結果的對比

1978年中國建筑研究院等單位根據1976年唐山地震三天后的地震災害航拍進行了解譯，得出的液化引起地表滑移災害圖，如圖14所示。其中，散射狀線條代表液化側移行跡，線條越密集代表液化側移越強烈。通過圖13的最終判別結果可知，對于圖14中側移行跡密集的部分，本文判定為非常嚴重(very high)；對于側移行跡密度較小的部分，本文判定為嚴重(high)；對于稀疏的部分，本文判定為中等(moderate)；對于不明顯的部分，本文判定為輕微(low)。

盡管圖14的液化側移結果是定性的，但通過兩圖的對比，還是可以推斷本文提出的液化側移區劃方法是合理可靠的。

3 結 論

為克服國際上現有液化側移區劃技術嚴重依賴高密度鉆孔的弊端，本文提出了一種基于3D GIS液化側移區劃方法。基于地震區劃的本質要求，摒棄國際上現有液化側移區劃點-面區劃方式，研發了一種面-面區劃技術，解決了影響因素范圍直接判定和場地特征面要素分區提取這兩個關鍵問題。利用我國以往震害資料對比分析表明，新方法合理可靠，也克服了NEHRP方法依賴高密度鉆孔的弊端，既保證地震液化側移區劃精度又大大降低了成本，達到了科學合理且經濟的目標。同時，以本文方法得到的近表土層三維空間分布結果，也可為其他工程建設提供基礎資料。

圖15 采用NEHRP方法完成猶他州鹽湖城南部液化側移區劃圖時所使用的鉆孔資料

Fig.15 Borehole data in NEHRP method used to calculate liquefaction-induced lateral spread value in south of Salt Lake City, Utah

圖16 1976年唐山地震三天后唐山南區地表液化滑移航拍解譯圖

Fig.16 Interpretive of aerial and satellite photos of earthquake hazards after 3 days of Tangshan earthquake

致謝

非常感謝美國工程院院士、楊百翰大學T. Leslie Youd教授提供寶貴的液化側移數據庫資料。