遼寧省地震高危區(qū)農(nóng)村民居防震減災(zāi)能力調(diào)查

劉永強(qiáng)，李 偉，索 銳，鄒 博

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

農(nóng)村地震安全工程是建立健全震災(zāi)預(yù)防體系的基本要求，農(nóng)村地區(qū)防震減災(zāi)工作仍十分薄弱，農(nóng)村民居基本不設(shè)防、農(nóng)民建房未納入規(guī)范管理、村鎮(zhèn)民居未考慮地震安全問題等等，已成為建立健全震災(zāi)預(yù)防體系的嚴(yán)重障礙。

為了有效減少地震在農(nóng)村地區(qū)造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，在農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)我省2020年的防震減災(zāi)奮斗目標(biāo)，按照《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的通知》的具體要求，通過遼寧省地震安全農(nóng)居抗震性能普查，推動(dòng)全省農(nóng)村地震安全工程的實(shí)施。

根據(jù)最新研究成果，2006-2020年全國(guó)劃定了25個(gè)地震重點(diǎn)防御區(qū)，營(yíng)口位于我省沈陽—大連重點(diǎn)防御區(qū)內(nèi)。在地震重點(diǎn)防御區(qū)內(nèi)的許多地區(qū)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)非常高，其中本文中營(yíng)口的大石橋市、蓋州市在全國(guó)第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中由7度區(qū)變?yōu)?度區(qū)，其抗震設(shè)防面臨著新的問題，所以有必要開展研究。

1 地震地質(zhì)背景

大石橋—蓋州所處的地區(qū)，位于金州斷裂蓋州北—鞍山段及海城河斷裂展布地帶，在構(gòu)造上處在金州斷裂和海城河斷裂的交會(huì)部位，金州斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂，海城河斷裂為全新世活動(dòng)斷裂。金州斷裂西側(cè)為下遼河盆地，東側(cè)為遼東山地，兩側(cè)新構(gòu)造差異升降運(yùn)動(dòng)明顯，金州斷裂總體上控制了這一地區(qū)的地震活動(dòng)，海城河斷裂為金州斷裂的共軛構(gòu)造，發(fā)震構(gòu)造以海城河斷裂為主。該地區(qū)發(fā)生過1975年海城7.3級(jí)地震及多次大于5級(jí)的強(qiáng)余震，是我省地震活動(dòng)最為密集的地區(qū)，沿金州斷裂形成NNE向疏密相間排列的地震條帶，沿海城河斷裂形成密集的NW向地震條帶,確定大石橋—蓋州地區(qū)為地震危險(xiǎn)水平高的地區(qū)。

近場(chǎng)區(qū)是一個(gè)地震多發(fā)且地震震級(jí)較大地區(qū)，地震的空間分布是不均勻的，絕大部分為海城7.3級(jí)地震的前、余震，近場(chǎng)區(qū)的東北部屬該地震區(qū)的一部分，所以地震分布特別密集。除此之外，地震分布比較集中的地方是蓋州青石嶺附近和蓋州西海岸，這里以小地震活動(dòng)為主，4級(jí)以上的地震很少，最大地震發(fā)生在博洛鋪一帶，為ML4.8級(jí)，在蓋州西海岸為ML4.0級(jí)。近場(chǎng)區(qū)ML4.0級(jí)以上地震幾乎都集中在海城老震區(qū)。地震在時(shí)間上的分布也是不均勻的，海城老震區(qū)的地震活動(dòng)在1975—1978年期間十分頻繁，其后強(qiáng)度明顯降低，其間發(fā)生3次5級(jí)左右地震，蓋州青石嶺地區(qū)的地震集中在1981年，西海岸一帶以1988年的地震較多，兩次4級(jí)左右地震分別發(fā)生在1981年和1989年。

總的看來，近場(chǎng)區(qū)是地震活動(dòng)十分頻繁的地區(qū)，地震活動(dòng)除在海城老震區(qū)集中以外，蓋州青石嶺和西海岸一帶也是小地震活動(dòng)的密集區(qū)。

2 資料調(diào)查與分析

此次的工作區(qū)范圍位于遼寧省營(yíng)口市蓋州、大石橋鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，工作區(qū)土地面積4540平方公里，人口138.55萬，包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)40個(gè)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)所含農(nóng)村559個(gè)，工作區(qū)范圍見圖1。

資料的調(diào)查收集工作分為三個(gè)階段，第一階段為調(diào)查方案設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合行政區(qū)劃、基礎(chǔ)資料詳細(xì)程度及精度的要求開展工作；第二階段為資料調(diào)查收集的核心階段，需要同步進(jìn)行：外業(yè)資料調(diào)查及照片拍攝、內(nèi)業(yè)資料調(diào)查包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)與人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地震地質(zhì)等資料收集；第三階段是所有基礎(chǔ)資料整理、檢查、補(bǔ)充、錄入階段。

圖1 工作區(qū)范圍Fig.1 The working area

根據(jù)已收集到的建筑物現(xiàn)狀信息，進(jìn)行調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)以村為單位，給出調(diào)查結(jié)果，總建筑面積2693.3萬平方米。建筑物專題數(shù)據(jù)調(diào)查根據(jù)工作區(qū)建筑物統(tǒng)計(jì)資料，給出以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為預(yù)測(cè)單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

從調(diào)查數(shù)據(jù)時(shí)間上看，數(shù)據(jù)分為80年代前、80年代、90年代、2000年后建筑。工作區(qū)內(nèi)80年代前的民居建筑數(shù)量311329棟，占普查房屋的27.54%，這類房屋年代久遠(yuǎn)，有腐蝕和歪裂現(xiàn)象，僅有一部分保持完好；80年代的建筑數(shù)量343006棟，占普查房屋的30.34%；90年代的建筑數(shù)量288738棟，占普查房屋的25.54%；2000年以后的建筑數(shù)量187329棟，占普查房屋的16.57%，這些建筑普遍保持完好（圖 2）。

圖2 建筑物按時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Building statistics by time

從結(jié)構(gòu)來看，工作區(qū)內(nèi)的建筑物主要分為四種類型：磚混房屋、磚石房屋、磚木房屋和土石房屋。

工作區(qū)內(nèi)磚混房屋建筑面積582.3萬m2，占普查房屋總面積的21.62%；磚木房屋建筑面積264.7萬m2，占普查房屋總面積的9.83%；磚石房屋建筑面積1821.7萬m2，占普查房屋總面積的67.64%；土石房屋建筑面積24.5萬m2，占普查房屋總面積的0.91%（圖3）。

圖3 建筑物按結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Building statistics by construction classification

工作區(qū)對(duì)四類建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽查，抽查農(nóng)村民居2910棟，涉及村莊126個(gè)，總建筑面積29.3萬平方米。將抽樣建筑入庫(kù)、整理、校隊(duì)后生成電子數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 抗震性能評(píng)估方法

建筑物震害等級(jí)劃分按建筑物的震害由各組成部分的構(gòu)件破壞反映出來，在劃分其震害等級(jí)時(shí)，按各部分構(gòu)件的破壞程度將震害分成毀壞、嚴(yán)重破壞、中等破壞、輕微破壞、基本完好五個(gè)等級(jí)。

首先，工作中采用的是經(jīng)驗(yàn)判別分析法［1］，根據(jù)多層磚混房屋的大量震害現(xiàn)象分析其地震破壞機(jī)制，可以認(rèn)為影響房屋抗震能力的因素基本屬于承重墻的抗剪強(qiáng)度和房屋的整體性兩方面，其中影響明顯的有房屋高度、磚墻面積率、砂漿標(biāo)號(hào)、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、樓蓋結(jié)構(gòu)形式、施工質(zhì)量等六項(xiàng)結(jié)構(gòu)因素和場(chǎng)地土分類共七項(xiàng)因素。我們把問題歸結(jié)為從過去地震中已經(jīng)知道震害程度的若干建筑結(jié)構(gòu)情況作為依據(jù)，尋求適當(dāng)途徑建立上述七項(xiàng)因素與震害程度的關(guān)系，得到的這個(gè)關(guān)系就是預(yù)測(cè)模型。

判別分析法的數(shù)學(xué)描述是：“任一個(gè)體是由m個(gè)變量x1，x2，x3，…，xm組成的，并且來自G個(gè)母體A1，A2，…，AG中的一個(gè)，若給出一個(gè)體，記做X＝（x1，x2，x3，…，xm），需要判別它來自哪個(gè)母體?！焙?jiǎn)單地說，就是根據(jù)變量解決分類問題。我們?nèi)舭讯鄬哟u房的七個(gè)因素看做是變量x1，x2，x3…，x7；這樣判別分析就成7根據(jù)七個(gè)因素預(yù)測(cè)震害程度屬于那一檔。

由已知的屬于五個(gè)震害程度的樣品房屋總數(shù)N可表示為：

式中g(shù)表示震害程度的序號(hào)，ng表示屬于震害程度g的樣品房屋數(shù)。

這組數(shù)據(jù)可看做震害程度與因素之間關(guān)系的先驗(yàn)信息，貝葉斯判別分析是以后驗(yàn)概率最大的原則，導(dǎo)出如下的判別函數(shù)計(jì)算式：

式中Cog和Cig為判別系數(shù)，腳標(biāo)i表示因素的序號(hào)，Xi（i=1，2，…，7） 是待預(yù)測(cè)房屋的7個(gè)因素值。

按（2） 式算出5個(gè)判別函數(shù)值Y1，Y2，…，Y5，找出最大的一個(gè)，即，則該房屋的震害程度屬g*檔。

本次工作調(diào)查對(duì)象中結(jié)構(gòu)是磚混、磚木、磚石、土石的農(nóng)村民居，在計(jì)算預(yù)測(cè)過程中，不同結(jié)構(gòu)有著不同判別系數(shù)，最后取該房屋的震害程度最大值作為預(yù)測(cè)結(jié)果。

其次，工作中采用的模糊類比法［2］，模糊類比法是歷史震害統(tǒng)計(jì)法的數(shù)學(xué)延伸，它是通過模糊類比的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行震害預(yù)測(cè)的一種方法。將對(duì)建筑物有明顯影響的房屋高度、磚墻面積率、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、樓蓋結(jié)構(gòu)形式等條件相類似的建筑物其震害結(jié)果認(rèn)為相近或差別不大，預(yù)測(cè)結(jié)果可以直接采用。

4 抗震性能評(píng)估結(jié)果

通過對(duì)工作區(qū)布局狀況和建筑物分布情況的研究，最終決定以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位劃分統(tǒng)計(jì)單元，整個(gè)工作區(qū)劃分為40個(gè)統(tǒng)計(jì)單元。其中建筑面積最大的是東城辦事處，面積為136.5萬平方米。結(jié)構(gòu)類型以磚石房屋為主，建筑年代集中在1980年前統(tǒng)計(jì)結(jié)果為1.5萬棟，80年代1.8萬棟，90年代1.3萬棟，2000年后0.8萬棟建筑。

工作區(qū)內(nèi)不同預(yù)測(cè)單元建筑物在各烈度下的建筑物震損情況見圖4-6。在五代區(qū)劃圖上，通過工作區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)所處的加速度分區(qū)，同時(shí)考慮可能造成人員傷亡的影響因素，預(yù)測(cè)建筑物可能達(dá)到的最不利震害情況（圖7）?？缭?個(gè)加速度分區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照最不利情況給出結(jié)果，例如：（0.15 g，0.20 g） 的加速度分區(qū)內(nèi)建筑物震害情況取值等同于0.20 g加速度分區(qū)內(nèi)建筑物震害取值，0.15 g分區(qū)內(nèi)建筑物震害取值按照線性插值法給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖4 Ⅵ度下各單元建筑物震損分布圖Fig.4 Seismic damage distribution of buildings underⅥmagnitude intensity

圖5 Ⅶ度下各單元建筑物震損分布圖Fig.5 Seismic damage distribution of buildings underⅦmagnitude intensity

圖6 Ⅷ度下各單元建筑物震損分布圖Fig.6 Seismic damage distribution of buildings underⅧmagnitude intensity

圖7 各單元建筑物地震破壞不利情況預(yù)測(cè)圖Fig.7 Worst case of the seismic damage prediction of all the statistical buildings

對(duì)調(diào)查的工作區(qū)各類建筑物的抗震能力進(jìn)行計(jì)算，得到了不同地震烈度下的破壞程度。分別計(jì)算工作區(qū)內(nèi)各類建筑物的震害矩陣，如表1-4所示。

表1 磚混房屋易損性矩陣

表2 磚木房屋易損性矩陣

表3 磚石房屋易損性矩陣

表4 土石房屋易損性矩陣

5 結(jié)論

此次工作范圍涉及到營(yíng)口的蓋州、大石橋二市，總建筑面積2693.3萬平方米。工作區(qū)內(nèi)共有40個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中蓋州25個(gè)，大石橋15個(gè)。從建筑物的普查情況來看，工作區(qū)內(nèi)的建筑物超過100萬平方米的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是東城辦事處、太陽升辦事處、水源鎮(zhèn)、旗口鎮(zhèn)、高坎鎮(zhèn)、虎莊鎮(zhèn)。工作區(qū)內(nèi)1979年前建成的建筑物占總數(shù)的27.54%，80年代、90年代建成的建筑物占總數(shù)的55.88%，2000年以后的建筑物16.57%。磚石房屋是工作區(qū)建筑物的主要結(jié)構(gòu)類型，超過房屋總數(shù)的67%，磚木類房屋約占總數(shù)的9.83%，磚混房屋約占總數(shù)的21.62%，土石房屋約占總數(shù)的0.91%。

由于農(nóng)村民居多沒有經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)，相較于城市住宅，抗震性能相對(duì)較差。從Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度震損分布圖上可以看出，將中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞建筑民居的和作為一個(gè)考慮指標(biāo)，東城辦事處和虎莊鎮(zhèn)2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)破壞面積達(dá)Ⅷ度時(shí)均超過100萬平方米，太陽升辦事處、水源鎮(zhèn)、旗口鎮(zhèn)、高坎鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)破壞面積達(dá)Ⅷ度時(shí)均超過80萬平方米。

如果考慮五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃的各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的位置，進(jìn)而分析可能發(fā)生的不利情況建筑物預(yù)測(cè)結(jié)果是東城辦事處和虎莊鎮(zhèn)破壞最多，是最不利鄉(xiāng)鎮(zhèn)；太陽升辦事處、旗口鎮(zhèn)、高坎鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬于二級(jí)不利鄉(xiāng)鎮(zhèn)，破壞面積超過80萬平方米；南樓辦事處和湯池鎮(zhèn)破壞面積超過70萬平方米?？傮w來看，工作范圍內(nèi)建筑物普遍存在年代久、抗震設(shè)防差的情況，一旦發(fā)生破壞性地震，可能會(huì)造成較嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。