嘉興科技城地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險研究

路建波，余剛?cè)?，盛特?/p>

（浙江省工程地震研究所 杭州 310013）

0 引言

地震地質(zhì)災(zāi)害是在地震作用下，地質(zhì)體變形或者破壞所引起的災(zāi)害［1］。地震地質(zhì)災(zāi)害危害人類的例子在中外地震史上舉不勝舉。如1976年唐山7.8 級地震、1995年日本阪神 7.2 級地震、2008年汶川 8.0 級地震、2010年玉樹 7.1 級地震、2013年蘆山 7.0 級地震、2017年九寨溝7.0 級地震均導(dǎo)致地面不同程度的砂土液化、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害［2-9］。大量的地震地質(zhì)災(zāi)害使建構(gòu)筑物地基失效，不僅造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，加劇了地震災(zāi)害的破壞，而且對地震現(xiàn)場應(yīng)急救援、臨時安置、重建等工作都有嚴(yán)重的威脅。在建設(shè)前期對目標(biāo)區(qū)域進行地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的研究，尤其對一些經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、新區(qū)等的土地規(guī)劃利用、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、合理選址、制定相關(guān)抗震防災(zāi)措施等方面都有非常重要的意義。

本文在評價嘉興科技城地震構(gòu)造環(huán)境和歷史震害的基礎(chǔ)上，收集分析了目標(biāo)區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的資料，研究了區(qū)內(nèi)在遭遇Ⅶ度（0.10 g 地震作用）和Ⅷ度（0.20 g 地震作用）可能的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

1 地震構(gòu)造環(huán)境及歷史震害

嘉興科技城位于嘉興市主城區(qū)，是一個典型的城市開發(fā)區(qū)，是浙江省最早規(guī)劃建設(shè)的科技城，2015年擴展至規(guī)劃范圍面積29.5 km2。據(jù)地質(zhì)構(gòu)造資料顯示，科技城附近馬金-烏鎮(zhèn)斷裂、蕭山-球川斷裂為規(guī)模較大斷裂，控制了古近紀(jì)盆地的邊界，沿蕭山-球川斷裂在近場內(nèi)發(fā)生過震級為級的地震，蕭山-球川斷裂在杭州至富陽一帶也發(fā)生過5 級、級的地震，是科技城附近一條重要的發(fā)震斷裂，北西向斷裂與其相交部位也有歷史、現(xiàn)今地震發(fā)生。

根據(jù)史料及有關(guān)文獻記載，歷史上對科技城影響較大的地震主要是華東陸域和南黃海的大地震，遠(yuǎn)場大震對科技城的影響烈度為Ⅴ度。1867年海寧鹽官級地震距工程場址約26 km，海寧州志記載“同治六年八月地大震，壞民居”，它對場地的影響烈度最大可達Ⅴ度。1621年江蘇吳江平望地震距離科技城場地約33 km，震中烈度為Ⅵ度，利用衰減公式計算得到它對工程場地影響烈度不到Ⅴ度。

綜合分析，科技城及附近存在5～6 級地震構(gòu)造背景，可能產(chǎn)生Ⅶ度～Ⅷ度的地震烈度，對應(yīng)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖上就是設(shè)防地震作用和罕遇地震作用的烈度。

2 工程及水文地質(zhì)資料收集和分析

收集了科技城內(nèi)61 個鉆孔和多份勘察報告，分析了科技城內(nèi)工程和水文地質(zhì)情況。場地地貌單元為沖湖積平原，地勢稍起伏。場地內(nèi)土層可分為15 個大層和34 個地質(zhì)層組，包括耕填土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉土夾砂土等。根據(jù)鉆孔及等效剪切波速確定整個場地存在Ⅲ類和Ⅳ類兩個場地類別，如圖1所示。

圖1 場地類別劃分圖Fig.1 Divided Map of Site Classification

場地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，四季分明，雨水充足。年平均降雨量1 246.7 mm，年季變化大。年平均雨日140.7 d，雨日最多為2010年，達154 d，最少的是1986年，僅120 d。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，嘉興市多年平均水位為0.85 m，歷史最高洪水位為3.23 m，最低水位-0.25 m，一年中最低水位出現(xiàn)在1月，平均0.68 m，最高出現(xiàn)在9月，為1.12 m。50年一遇設(shè)計水位為2.50 m。

場地地下水存在兩類，即淺部孔隙水和深部承壓水?？紫稘撍恢饕邮艽髿饨邓娜霛B補給，以及微地貌的控制，與附近河流有一定的水力聯(lián)系，排泄方式以垂直蒸發(fā)為主。場地內(nèi)主要賦存于下部的粉性、砂性土含水層中的地下水略具承壓性。

3 地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險

3.1 砂土液化風(fēng)險

砂土液化主要是飽和砂土和粉土在地震循環(huán)荷載作用下，空隙水壓增加，使土粒處于懸浮狀態(tài)喪失抗剪強度，從而導(dǎo)致其上或者附近工程地基失效。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB50011-2010（2016年版）》［10］根據(jù)1976年唐山地震科考資料統(tǒng)計得出了基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的評價方法，并在1994年美國Northridge 地震和1995年日本Kobe 地震的考察基礎(chǔ)上，吸收H.B.Seed 等國內(nèi)外專家研究成果，對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法進行了修正，見式⑴。

式中：N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；ρc為粘粒含量百分率（%），當(dāng)ρc＜3 或為砂土?xí)r，均采用3；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度（m）；dW為地下水位深度（m）；β 為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

若飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實測值N63.3＜Ncr，則判為液化，否則判為不液化。對存在液化土層的地基，按式⑵計算液化指數(shù)，確定液化等級：

式中：I1Ei為液化指數(shù)；n 為20 m 深度范圍內(nèi)每一個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的總數(shù)；di為i 點所代表的土層厚度（m）；Wi為i 土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值（m-1），當(dāng)該層中點深度 Zi≤5 時，取 Wi=10，該層中點深度 Zi=20 時，取 Wi=0，該層中點深度 5＜Zi＜20 時按線性內(nèi)插法取值，其中I1Ei≤6 時評定為輕微液化。

基于該方法對科技城61 個鉆孔中存在飽和砂土粉土的21 個鉆孔進行了評價，確定了其在遭遇Ⅶ度（0.10 g 地震作用）和Ⅷ度（0.20 g 地震作用）時砂土液化的風(fēng)險。根據(jù)評價結(jié)果，在遭遇Ⅶ度（0.10 g 地震作用）時，只有個別鉆孔位置會發(fā)生輕微砂土液化可能，在遭遇Ⅷ度（0.20 g 地震作用）時，有10 個鉆孔會發(fā)生輕微液化，這說明地震作用越強發(fā)生液化可能性越大。

3.2 軟土震陷風(fēng)險

震動過程中空隙水壓力上升，有效應(yīng)力降低是軟土震陷的主要原因［11］。石兆吉［12］提出通過計算標(biāo)準(zhǔn)建筑物的震陷量進行判別，并根據(jù)震陷值劃分破壞等級，這種定量方法比較合理，但是存在模型復(fù)雜、公式參數(shù)眾多等問題，使用起來有一定難度。文獻［10］基于震害經(jīng)驗給出了用塑性指數(shù)、液性指數(shù)以及各含水量的判別評價方法，該方法只能針對每一層土進行評價，無法獲取軟土震陷的不同分布。《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程：JGJ 83-2011）》根據(jù)天津等地區(qū)的經(jīng)驗給出了臨界等效剪切波速評價方法，該方法給出了抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度地震作用下的臨界等效剪切波速值分別為＞90 m/s、＞140 m/s、＞200 m/s，等效剪切波速超過臨界值為不存在震陷可能，否則反之。本文采用該方法對存在軟弱土的鉆孔進行了評價。

據(jù)各鉆孔等效剪切波速顯示，在遭遇Ⅶ度（0.10 g地震作用）時，所有鉆孔等效剪切波速均大于90 m/s，不會發(fā)生軟土震陷；在遭遇Ⅷ度（0.20 g 地震作用）時，有8 個鉆孔存在軟土震陷可能。

3.3 活動斷裂風(fēng)險

活動斷裂的影響主要是地震時斷裂錯動直通地表，在地面產(chǎn)生位錯，對建在位錯帶上的建筑，其破壞是不易用工程措施加以避免的，故工程建設(shè)時需要避開。

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造圖資料顯示，新塍-馬塘-金山斷裂通過科技城場地，由新塍沿東南走向至馬塘后轉(zhuǎn)向北東，經(jīng)金山至上海高橋，全長80 km，走向新塍至馬塘300°，馬塘至金山 50°～60°。由于斷裂為隱伏斷裂，布置兩條淺層地震勘探測線，采用縱波反射的方法進行了斷裂探測。由P1 測線（見圖2a）可見基巖反射波組在樁號3 572 處不連續(xù)，有明顯的錯斷，斷點繞射波發(fā)育明顯。斷點兩側(cè)存在約12 ms 的整體時差。根據(jù)反射波組，基巖面視斷距為11 m，斷點傾向南，視傾角約70°左右，總體地層表現(xiàn)為上盤下降、下盤上升的正斷層。由P8 測線（見圖2b）可見基巖反射波組在樁號1 214 處不連續(xù)，有明顯的錯斷，斷點繞射波發(fā)育明顯。斷點兩側(cè)存在約11 ms 的整體時差。根據(jù)反射波組，基巖面視斷距為10 m，斷點傾向南，視傾角約65°，總體地層表現(xiàn)為上盤下降、下盤上升的正斷層。綜合兩條測線顯示新塍-馬塘-金山斷層為前第四紀(jì)斷層，并且上覆土層厚200 m，均大于90 m。文獻［10］在總結(jié)了近年來地震宏觀位錯考察結(jié)果以及相關(guān)研究結(jié)果，提出抗震設(shè)防烈度小于Ⅷ度以及抗震設(shè)防烈度Ⅷ度和Ⅸ度時，隱伏斷裂土層覆蓋層厚度分別大于60 m 和90 m時，可以不考慮斷裂活動對地面建筑的影響。故新塍-馬塘-金山斷裂形成地表錯斷的風(fēng)險很小。

圖2 測線剖面及解釋圖Fig.2 Survey Line Profile and Explanatory Diagram

3.4 其他地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險

科技城距杭州灣海域最近距離約30 km，根據(jù)現(xiàn)有資料，杭州灣地區(qū)及其東部的東海地區(qū)，構(gòu)造穩(wěn)定，地震活動性較弱，加上東海為陸源淺海，主體部分海底平坦，水深較淺，近海海域不存在產(chǎn)生海嘯的基本條件；遠(yuǎn)海的日本-琉球島弧海域地震活動強烈，是地震海嘯的重要發(fā)源地，但是由于距離杭州灣地區(qū)較遠(yuǎn)，且經(jīng)日本-琉球群島島弧的阻隔，以及東海寬展海盆的消減，海浪傳播至我國沿岸地帶已經(jīng)十分微弱，綜合分析科技城遭受地震海嘯風(fēng)險不大。

根據(jù)現(xiàn)場實地踏勘，科技城位于平原地區(qū)，地形稍有起伏，高差不大，不具備發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地震地質(zhì)災(zāi)害的工程地質(zhì)條件，因此不存在發(fā)生上述地震地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險。

3.5 綜合分區(qū)

綜合評價上述各種地震地質(zhì)災(zāi)害，給出了科技城在Ⅶ度（0.1 g 地震作用）和Ⅷ度（0.2 g 地震作用）下的地震地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3 遭遇Ⅶ度（0.10g地震作用）分區(qū)圖Fig.3 Encounter Ⅶ Degree（0.10g Earthquake action）Partition Map

4 結(jié)論

在評價嘉興科技城地震構(gòu)造環(huán)境和歷史震害的基礎(chǔ)上，收集并分析了科技城工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的資料，在遭遇不同地震作用下，依據(jù)不同的技術(shù)方法對目標(biāo)區(qū)內(nèi)砂土液化、軟土震陷、斷裂錯動影響、地震海嘯、崩塌、滑坡、泥石流等地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險進行了評價，并對不同地震地質(zhì)災(zāi)害進行了分區(qū)，給出了綜合分區(qū)圖。這些成果為嘉興科技城后續(xù)國土規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、工程合理選址、制定相關(guān)抗震防災(zāi)措施提供了科學(xué)的依據(jù)，同時也為同類型區(qū)域的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價提供了一種參考。

圖4 遭遇Ⅷ度（0.20g地震作用）分區(qū)圖Fig.4 Encounter Ⅷ Degree（0.20g Earthquake action）Partition Map