玉树Ms7.1地震灾区灾后重建工程地质与水文地质条件分区评价.pdf

第 31 卷增刊2 岩 土 力 学 Vol.31 Supp.2 2010 年 11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2010 收稿日期2010-05-25 基金项目国家自然科学基金No.40772188资助；973 深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论深部岩体结构与地应力特征及其对灾 害的调控作用No.2010CB732001资助。 第一作者简介祁生文，1975 年生，男，博士，副研究员，主要从事岩体工程地质力学以及岩土体动力学的相关研究。 E-mail qishengwen 文章编号文章编号1000－7598 2010增刊 2－0224－06 玉树玉树 Ms7.1 地地震灾区震灾区灾后重建工程地质灾后重建工程地质 与水文地质条件与水文地质条件分区分区评价评价 祁生文 1，刘春玲2，常中华1，翟文龙3 1. 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 3. 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083 摘摘 要要研究玉树地震灾区 4 县 27 乡镇的灾后重建工程地质与水文地质条件，选定了地形地貌、地层岩性、水文地质条件、 场地地震烈度 4 个因素作为评价分区指标，构建了单因素指标评价准则，并利用层次分析方法确定了各因素的权重。在此基 础上，结合模糊数学理论与方法，分别给出了基于自然单元、乡镇以及各乡镇工程建设用地、特别是极重灾区结古镇镇址的 工程地质与水文地质评价结果。结果表明，除奔达乡、真达乡、洛须镇、正科乡、尕多乡等 5 乡镇所在地分布在工程地质条 件较差和极差区，不具备重建工程地质与水文地质条件外，其余各乡镇所在地均处于工程地质较好和良好区，具备重建工程 地质及水文地质条件。 结古镇原镇址 85的建筑用地分布在工程地质与水文地质条件比较好的地区，只有零星的建筑用地分 布在工程地质与水文地质条件较差和极差区，活动断裂穿越，距离地质灾害易发地较近，重建时要注意避让。 关关 键键 词词地震；工程地质与水文地质；区划；玉树 中图分类号中图分类号P64 文献标识码文献标识码A Engineering geology and hydrogeology mapping zonation for post-earthquake rebuilding planning of Yushu Ms7.1 earthquake damaged zone QI Sheng-wen1, LIU Chun-ling2, CHANG Zhong-hua1, ZHAI Wen-long3 1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China; 3. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China Abstract Engineering geology and hydrogeological conditions of Yushu earthquake damaged zone in 27 towns of 4 counties are studied. Four factors such as topography, lithology, hydrogeological condition, seismic intensity are selected as the uation indices; and uation criterion for single factor index is presented. Then a hierarchical model is established; and weight of each factor is identified. On this basis, uation results based on natural unit, town and the construction site of each town particularly the heaviest damaged zone Jiegu town are given with fuzzy mathematical . uation results indicate that except the construction site of Benda town, Zhenda town, Luoxu town, Zhengke town and Gaduo town, where the engineering geology and hydrogeology are in poor and extremely poor conditions don’t meet the reconstruction need; the construction sites of all other towns are all located in area with relatively good and good engineering geology and hydrogeology conditions, and can meet the reconstruction need. The eighty five percent 85 of the original construction sites of Jiegu town are located in the area with relatively good and good engineering geology and hydrogeology conditions; and only sporadic construction sites are located in the area with poor and extremely poor engineering geology and hydrogeology conditions, in which active faults develop, the geological hazard is prone to occur, and should be excluded from the potential construction sites. Key words earthquake; engineering geology and hydrogeology; mapping zonation; Yushu 1 引 言 2010 年 4 月 14 日，青海玉树藏族自治州发生 了 7.1 级地震据 USGS 网站震源深度为 10 km；发 震断层为巴颜喀喇块体南边界甘孜-玉树断裂， 倾角 近于直立，左旋走滑性质[1]。该断裂带全新世以来 增刊 2 祁生文等玉树 Ms7.1 地震灾区灾后重建工程地质与水文地质条件分区评价 225 平均水平滑动速率很高，达 5～7 mm/a。从中国大 陆来说，玉树地震发生在青藏高原巴颜喀拉块体的 中南部。 近期， 块体的西部附近 1996 年发生过喀喇 昆仑 7.1 级、1997 年发生过玛尼 7.9 级地震和 2008 年发生过于田 7.3 级地震，2001 年中西部发生过昆 仑山口西 8.1 级地震，2008 年块体的东缘发生过汶 川 8.0 级地震。震象表明，在近 20 年内该块体的活 动非常强烈。 巴颜喀拉块体北部的喀喇昆仑-嘉黎断 裂带，平均水平滑动速率达 10～11 mm/a。这 2 条 近东西向的断裂带依次向东推移，使其东部的川、 滇地区由于受扬子地块的阻挡而产生复杂的断裂变 形和块体转动，这可能是在块体滑动速率高的喀喇 昆仑-嘉黎断裂带和对应变能流作正面阻挡的块体 东缘发生了昆仑山口西 8.1 级和汶川 8.0 级地震， 并 在块体周缘相继发生多次 7 级以上大地震的原由之 一[2–3]。 “4.14”地震使玉树州、县府所在地结古镇城镇 建筑物、基础设施和生命线工程系统遭受毁灭性破 坏，面积约 8 km2的范围成为重灾区，居民住房几 乎全部倒塌，人民生命财产蒙受巨大损失。共导致 2 222 人遇难，12 135 人受伤，80 人失踪。全国各 族人民开展了抗震救灾工作，随着抗震救灾工作的 不断深入，灾后重建工作也陆续展开。本文是国 家玉树地震灾后重建规划专项评估资源环境承载 能力评估报告专项评价报告的工程地质与水文地质 条件评价部分，对玉树 Ms7.1 级地震灾区 4 县 27 乡镇的工程地质与水文地质条件进行了评价。 2 评价指标及评价准则 2.1 评价指标评价指标 采用 3 个层次的评价思路①基于自然单元对 整个研究区的工程地质与水文地质条件进行评价； ②基于自然单元的评价结果，利用乡镇边界，根据 最大隶属度原则， 对 27 个乡镇的综合工程地质与水 文地质条件进行评价；③利用自然单元评价结果对 极重灾区结古镇镇址工程建设用地的工程地质与水 文地质评价进行综合评价。 众所周知，影响工程地质与水文地质条件的因 素主要包括地形地貌、地层岩性、活动构造、物理 地质现象、水文地质条件、场地地震烈度等多种因 素。活动构造以及次生地质灾害作为 2 个重要的工 程地质条件要素在项目总体设计时作为资环承载能 力的独立要素进行单独评价， 因此， 这里不再考虑。 本次评价采用了如下评价指标地形地貌类型、工 程岩组特性、岩组水文地质性质和地震烈度。地貌 类型综合考虑了坡度、地形起伏、绝对高程以及相 对高差对斜坡稳定性有重要影响；工程岩组特性反 映了岩石的坚硬程度对地基稳定性有重要影响；岩 组水文地质性质反映了水文特点和区域特征；地震 烈度反映了地震在地面造成的实际影响，表明了地 面运动的强度和地表破坏程度，反映了对地壳稳定 性的重要影响。 2.2 单因素评价准则单因素评价准则 在前人研究资料的基础上，结合本区的实际特 点以及项目组关于专项评价的总要求，对玉树灾区 进行 5 级综合工程地质分区评价I 为工程地质条 件良好区 （分值为 5） ； II 为工程地质条件较好区 （分 值为 4） ；III 为工程地质条件中等区（分值为 3） ； IV 为工程地质条件较差区（分值为 2） ；V 为工程 地质条件极差区（分值为 1） 。 相应地，评价因素的指标界限一般也按其质量 状况划分为 5 级，指标界限是经过空间相关分析， 借鉴前人在这方面所做的工作所确定的。这些指标 分级的全体就构成了表 1 所示的玉树地震灾区综合 工程地质分区评价单因素评价指标的划分方案。需 要说明的是，工程岩组特性分级是根据岩组的坚硬 程度，依靠单轴抗压强度（UCS）来判定。参考建 筑地基基础设计规范 GB50007-2002（UCS 大于 60 MPa 的岩石划分为硬岩，UCS 介于 60～30 MPa 的为次硬岩，UCS 介于 30～15 MPa 为较软岩， 15～5 MPa 为软岩，5 MPa 以下为极软岩） ，含第四 系松散岩土体。 依据综合工程地质图图例及色标 （中 华人民共和国国家标准 GB12328-90） 中烈度与区域 地壳稳定性的对应关系，将地震烈度与综合工程地 质评价的等级划分相对应。 表表 1 指标项及其分级标准指标项及其分级标准 Table 1 Assessment classification criteria for each factor 工程地质与水文地质条件评价分级 因 素 良 好 较 好 中 等 较 差 极 差 地形地 貌类型 高海拔平 原、 中海拔 平原 极高海拔 平原、 高海 拔台地、 中 起伏中山、 小起伏中 山 高海拔丘 陵、 极高海 拔丘陵、 极 高海拔台 地 大起伏高 山、 小起伏 高山、 中起 伏高山 极大起伏 极高山、 小 起伏极高 山、 中起伏 极高山 工程岩组 特性 硬岩 次硬岩 较软岩 软岩 极软岩 （含 未成岩） 岩组水 文地质 性质 孔隙水 裂隙、岩溶 水 岩溶水 裂隙水 隔水层 地震烈度 VI 度以下 VI 度 VII 度 VIII 度 IX 及以上 226 岩 土 力 学 2010 年 3 评价方法 由于影响工程地质与水文地质条件的因素十分 复杂，而作为划分分区、分级的各指标界限也不是 很清晰，单纯考虑某个因素，势必不能作出切近实 际的评价。各种因素的影响很难用经典数学模型加 以度量，也很难将复杂的影响因素综合成一个元素 进行评价。因此，采用层次分析和模糊评判的方法 进行工程地质与水文地质条件分区评价。 层次分析法（AHP）是通过两两因素的对比， 逐层比较多种关联因素，最后确定诸因素整体关系 的一种办法。该方法首先是由 Saaty[4–6]在 20 世纪 70 年代中期提出的， 1982 年首次引入我国使用， 取 得了一系列成果[7–10]。它适用于处理多因素、多层 次、多目标的复杂系统和难于完全用定量的方法来 分析与决策的复杂系统工程问题，它可以将人们的 主观判断用数量形式加以表达和处理，使主观判断 尽可能与客观实际情况相符。 利用层次分析方法，可建立如图 1 所示的层次 分析模型。该层次结构模型共分 2 层上一层工程 地质分区（R）为目标层；下一层影响因素（V）为 指标层。各层之间的连线反映了因素之间的逻辑关 系。在此基础上，引入 Saatty 的标度方法，其含义 如表 2 所示。 图图 1 层次分析模型层次分析模型 Fig.1 AHP structure model 表表 2 判断矩阵标度及其涵义判断矩阵标度及其涵义[11] Table 2 Scale of relative importance[11] 标度 涵 义 1 两个因素相比，具有相同的重要性 3 两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要 5 两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要 7 两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要 9 两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要 倒数 因素 xi与因素 xj相比得 aij，则 xj比 xi判断为 aji1/aij 2、4、6、8 表示上述相邻判断的中值 根据这些标度对指标层各因素相对重要性给出 判断，用这些标度值表示出来写成判断矩阵。经过 多次试算， 得出一系列判断矩阵， 相对于“综合工程 地质分区”总目标，考虑指标层 V 之间的相对重要 性比较，构成表 3。 表表 3 指标层指标层 V 下各指标相对重要性比较下各指标相对重要性比较 Table 3 Hierarchy weight sorting table V1j V1i V11 V12 V13 V14 V11 1 5 3 3 V12 1/5 1 1/2 1/2 V13 1/3 2 1 1 V14 1/3 2 1 1 则指标层 V 对目标层 R 的判断矩阵 4 4 1533 1/ 511/ 21/ 2 1/ 3211 1/ 3211 R Vij a          A （1） 通过层次分析并经过一致性检验[4]，最终得到 各因素的总排序权值向量为 R （0.531, 0.097, 0.186, 0.186） 从该权向量可以看出，各评价指标对综合工程 地质分区的影响程度是不同的，其中地形地貌类型 占得比重较大，这主要是由于地形地貌包含了地形 坡度、地形起伏、地形高差及地形高程 4 个要素， 对于本区工程地质条件具有举足轻重的影响；其次 为岩组水文地质特性和场地地震烈度，前者反映了 场地水源地条件，后者反映了场地地震稳定条件。 因此，这一排序结果是比较符合实际的，其权值分 配是合理的。 层次分析法解决了各指标之间的权值分配问 题，然而各单因素指标对于目标层的隶属度则需要 利用模糊数学的方法构建模糊函数。 在总结前人确定隶属度成功经验和失败教训的 基础上，结合本次工作区的实际情况，采用剖分面 积元的办法来确定因素的隶属度[8]。即 0 1 k ik S a S        （2） 式中aik为第 i 个因素在某个单元对第 k 等级的隶 属度（k 1,2,3,4；i1,2,3,,7） 。这种方法确定的 综合工程地质分区 目标层 R 岩组 水文 地质 特性 V3 指标层 V 地形 地貌 类型 V1 工程 岩组 特性 V2 地震 烈度 V4 表示第 i 因素在某单元中第 k 等级 中所占面积为 0 表示第 i 因素在某单元中第 k 等级 中所占面积为 Sk 表示第 i 因素在某单元中第 k 等级 中所占面积为 S 增刊 2 祁生文等玉树 Ms7.1 地震灾区灾后重建工程地质与水文地质条件分区评价 227 隶属度，非常直观，易于计算，而且也很符合实际 情况，是一种可行的方法。 在此基础上，进行模糊综合评判。模糊综合评 判是根据已给出的评判标准及评价指标的数值，首 先进行单因素评价，形成单因素模糊矩阵 A，再利 用 AHP 法确定每个因素对评价目标贡献大小，即 权重向量 R，经模糊合成，得到对系统总体评价的 评语集 B， 即 RAB， 其中 B （B1， B2， ， Bi ， ） ， Bi为评价对象对第 i 条评语的隶属度。本次评价采 用下属模糊算法 设模糊矩阵为  11121 21222 12 m m ij n m nnnm aaa aaa a aaa            A （3） 权重向量为   12 1 ， ，， in n rrrr  R （4） 则评语集  12 ， ，， m bbbBRA （5） 其中 1 1 2 n jiij i brajm    ，，，， （6） 4 评价结果 评价结果（见图 2）表明①工程地质与水文 地质条件极差区面积为 7 310.22 km2，占全区总面 积的 19.77 ，主要分布在奔达乡、真达乡、洛须 镇、正科乡、尕朵乡、巴塘乡、小苏莽乡、洛须镇 境内，这些地区地壳稳定性问题突出，斜坡地质灾 害问题相对次之。工程地质和水文地质条件复杂、 活动断裂带穿越，烈度大于或等于 IX 度。地貌高 陡、起伏极大，同时由于构造活动和地震的影响， 地质灾害的潜在危险性很高，不宜作为工程规划的 建设场地。②研究区工程地质与水文地质条件较差 区面积为 18 421.26 km2，约占全区总面积的 49.81 ，这些地区斜坡地质灾害问题突出，局部存 在地壳稳定性问题，大型活动断裂带不穿越场地。 地貌上属中山高山区，坡度较陡、高差相对较大。 工程地质和水文地质条件较为复杂，崩塌、滑坡和 泥石流等地质灾害突出，这类地区存在地质灾害发 育的良好条件。地震烈度为Ⅷ度，为适度规划开发 区域，但要注意抗震设防的等级，可作为零形居民 地规划建设场地。③工程地质与水文地质条件中等 区，面积为 7 990.83 km2，占全区总面积 21.61 ， 这些地区工程地质条件一般，可以作为工程规划的 建设场地，但要控制工程规模和强度。④工程地质 与水文地质条件良好区（I 类区） 、和较好区（II 类 区）面积分别为 1 933.40 km2和 1 328.29 km2，分别 约占全区总面积的 5.23和 3.29，场地平坦，地 基条件好，地质灾害少，居民用水水源地充足，可 以作为城镇规划建设的场地。图 3 为评价区各乡镇 的工程地质与水文地质条件评价情况。 图图 2 玉树地震灾区工程地质玉树地震灾区工程地质与水文地质条件与水文地质条件分区评价图分区评价图 Fig.2 Engineering geology and hydrogeology zonation of Yushu earthquake damaged zone 图图 3 玉树地震灾区各乡镇工程地质玉树地震灾区各乡镇工程地质与水文地质条件与水文地质条件分区分区 评价图评价图 Fig. 3 Engineering geology and hydrogeology mapping zonation result of each county of Yushu earthquake damaged zone 图 4 为镇址建设用地与综合工程地质分区关系 图。由图可以看出，除了奔达乡、真达乡、洛须镇、 228 岩 土 力 学 2010 年 正科乡、尕多乡等 5 乡镇所在地分布在较差和极差 区，不具备重建工程地质与水文地质条件，其余各 乡镇所在地均处于工程地质较好和良好区，具备重 建工程地质及水文地质条件。 图 5 为极重灾区结古镇镇址的评价情况。图中 深蓝线为结古镇镇址建筑用地线。由图可以看 出， 结古镇镇址85的建筑用地分布在工程地质与水文 地质条件比较好的地区即 I 类区和 II 类区；只有零 星的几块建筑用地分布在工程地质与水文地质条件 较差和极差区，这些地区地壳稳定性问题突出，活 动断裂穿越，距离地质灾害易发地较近，重建时要 注意避让。 图图 4 玉树地震灾区玉树地震灾区县乡县乡（（镇镇））所在地与所在地与工程地质工程地质以及以及水文水文 地质地质条件条件评价结果评价结果 Fig.4 Engineering geology and hydrogeology mapping zonation result of the construction site of each county of Yushu earthquake damaged zone 图图 5 结古镇结古镇镇址所在地工程地质与镇址所在地工程地质与 水文地质条件评价结果水文地质条件评价结果 Fig.5 Engineering geology and hydrogeology mapping zonation result of Jiegu town 5 结 论 （1）地震灾区工程地质与水文地质条件总体 较差，适宜于工程建设的工程地质与水文地质条件 良好区和较好区面积分布较少。 （2）早期灾区的城镇选址基本合理。除奔达 乡、真达乡、洛须镇、正科乡、尕多乡等 5 乡镇所 在地分布在工程地质条件较差和极差区，不具备重 建工程地质与水文地质条件外，其余各乡镇所在地 均处于工程地质较好和良好区，具备重建工程地质 及水文地质条件。 （3）极重灾区结古镇原镇址，85的建筑用地 分布在工程地质与水文地质条件比较好的地区，即 I 类区和 II 类区，只有零星的建筑用地分布在工程 地质与水文地质条件较差和极差区，这些地区地壳 稳定性问题突出，活动断裂穿越，距离地质灾害易 发地较近，重建时要注意避让。 （4） 结古镇房屋在地震中大面积倒塌的原因是 未执行建筑抗震设计规范，建筑物抗震设防标准太 低。重建时必需依据国家地震局最新修订青海、 四川部分地区地震动峰值加速度区划图 ， 严格执行 新修订的建筑抗震设计规范。 参参 考考 文文 献献 [1] 中国地震局地质研究所. 甘孜-玉树断裂简介 [EB/OL]. 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