场地区域类别划分方法的应用分析

罗丹芩，李世杰，罗祎浩，纪星星，邱 鹏

（1.贵州省工程防震研究院，贵阳 550001；2.贵州省地震局，贵阳 550001）

0 引言

场地分类可以提高地震地质灾害和地震风险评估的精确度[1]，近年来，中国学者致力于研究如何获得场地类别图：史大成[2]等利用场地土的地质年代以及岩石类别进行场地分类，建立了基于地质特征的场地类别划分关系表，应用GIS 软件的空间数据库分析工具，整合了地质成因类型与图层属性，绘制了全国1∶250 万场地分类图；亢川川[3]等采用Wills 提出的地质单元与VS30 之间的相关关系，以四川省1∶50 万地质图地质单元推测估计全省范围的VS30 分布，从而获得场地类别分类图；李昕蕾[4]等将钻孔勘测结果与大比例尺地质图相结合，获得了相对更精细的新疆场地分类图。本文收集了比例尺为1∶50 万的地质图资料，借助Arcgis 建立了遵义市地质数据库[5]，结合地层年代和岩石坚硬程度等地质因素，完成了遵义场地区域类别划分，并根据实测钻孔对场地分类进行验证，分类结果大致正确；获取了30 m 精度的DEM 数字高程数据，对其进行坡度分析，并建立了坡度与场地分类之间的关系，完成了遵义场地区域类别划分，并根据实测钻孔对场地分类进行验证，分类结果大致正确。最后叠加两种方法获得的场地类别划分图，进行修正，得到最终的遵义市场地类别划分结果。

1 方法介绍

1.1 基于地质成因的场地类别划分

地质图中含有丰富的地质要素信息，如年代地层、地质界线、断层、成因类型、岩石类型、钻孔等；地理内容信息，如居民地、河流、湖泊等。通过地质图中相关信息，建立地质单元与等效剪切波速之间的对应关系，可以推测得到区域面的剪切波速分布，进而得到区域面的场地类别分类图。结合地质年代及覆盖层岩土坚硬程度[6]，形成基于地质成因的场地分类关系矩阵，完成场地类别划分。

1.2 基于地形坡度的场地类别划分

利用数字高程数据，对区域性场地做坡度分析，提取区域坡度，根据坡度推测地表形态和岩性变化，建立地形坡度与场地类别之间的关系[6-7]。

坡度计算一般采用拟合曲面法[8]。拟合曲面一般采用二次曲面，即3×3 的窗口，如图1 所示。每个窗口的中心为一个高程点。图1 中中心点e 的坡度的计算公式如下：

式（1）中：Slope 为坡度， Slopewe为X 方向的坡度，Slopesn为Y方向的坡度。

图1 3*3的窗口Fig.1 3*3 window

关于Slopewe、Slopesn的计算可以采用一下几种常用的方法：

上式中的cellsize 为格网DEM 的间隔长度。算法1的精度最高，计算效率也最高，其次是算法2。ArcMap采用的是算法2。

不同的地形坡度对应不同范围的VS30 值，根据得到的坡度建立与VS30 的关系，进一步得到场地类别划分结果。

2 数据情况

2.1 钻孔情况

本文共收集到遵义市场地钻孔资料24 组，具体分布如图2 所示，从图2 看出，钻孔分布比较均匀，平均每个县至少有一个钻孔，在播州区仁怀市分布较多，从地形角度看，主要分布于较平坦地区。

图2 遵义市场地钻孔数据分布Fig.2 Distribution of site drilling data in Zunyi City

从场地类别来看，钻孔场地主要以Ⅱ类为主，共计14 组，占钻孔总数的58.33%；Ⅰ类场地上的钻孔共计10组，占钻孔总数的41.67%。

2.2 地形数据

本文使用的DEM数据来源于地理空间数据云下载的GDEMV2 30 m分辨率数字高程数据，如图3所示。

3 结果与分析

3.1 基于地质成因的场地类别划分结果

遵义市位于贵州北部，与渝、川、黔三省市接壤，晚元古代以来的地层发育齐全。本文搜集到遵义市1：50 万比例尺地质图，提取了其中的地层年代信息和岩性相关信息。

由地质图提取地层年代信息，绘制了不同地质年代地层分布图（图4）。纵观遵义市地层的构成及分布具有如下几个特点：

（1）地层主要由沉积岩组成。其中以碳酸盐岩最为发育。分布面积约9231 km2，占遵义市地层面积的50%。

（2）各时代地层空间分布具有一定的规律性，主要表现为：①震旦系主要分布于遵义市南部，寒武系、奥陶系主要呈条带状分布于中部东部习水县、仁怀市、湄潭县等地，志留系少量分布于全区，石炭系少量分布于南部，二叠系、三叠系较广泛分布于全区，侏罗系、白垩系较集中分布于西部赤水县，第四系零散分布在遵义市中部、南部。总体呈现背斜形态，由中部向东西部出露的地层时代由老变新的趋势。②大致以习水县为界，西北、东南的地层发育存在着明显的差异：西北地区主要出露白垩系侏罗系，未见其余时代地层；东南地区地层发育较全。

图3 遵义市GDEMV2数据Fig.3 Data of GDEMV2 in Zunyi City

图4 不同地质年代地层分布图Fig.4 Stratigraphic distribution map of different geological ages

1：50 万比例尺地质图根据岩性、岩性组合及结构面等性质，遵义市岩体按照坚硬程度将岩土体划分为4个基本大类[9-10]：

（1）坚硬岩，主要包括：流纹岩、玄武岩、石英砂岩等；

（2）较坚硬岩，主要包括：白云岩、砾岩、砂岩、石英砂岩、灰岩、硅质岩等；

（3）较软岩，主要包括：页岩、粉砂岩、粘土岩夹粉砂-细砂岩、泥灰岩、泥灰岩夹粘土岩、炭质页岩、砂质夹粉砂质黏土岩、板岩等；

（4）软岩类，主要包括第四纪堆积物：泥岩、砂、砂砾石等。

根据岩石坚硬程度绘制了分布图（图5），并统计了各类岩石分布面积（表1）。根据图可以看出，遵义市较软岩分布较广，占比50%，较坚硬岩次之，占比43%，坚硬岩占比6.6%，主要分布于赤水市和余庆县，遵义市还有少数区域分布有软岩，如绥阳县附近等。从岩体坚硬程度分布图可以得出初步结论，遵义市地貌以山地丘陵为主。

图5 岩石坚硬程度分布图Fig.5 Distribution of rock hardness

表1 岩石坚硬程度分类面积及占比Table 1 Classification area and proportion of rock hardness

我国场地类别划分的标准主要依据Vse及覆盖层厚度的双参数，但也规定了无波速测试数据时土的类型也可以作为建筑场地类别划分的一个参考依据[11]。

根据中国场地分类指标以及遵义市地质数据库，结合年代与岩性信息，建立适用于本文的基于地质成因的场地分类标准，得出基于地质成因的场地分类图（图6）。坚硬岩划分为Ⅰ类场地，较坚硬岩根据其覆盖层厚度进行划分，覆盖层厚度小于5米时，划分为Ⅰ类场地，其余划分为Ⅱ类场地，较软岩划分为Ⅱ类场地，覆盖第四纪沉积物地区划分为Ⅲ类场地。

将实测钻孔对应的场地类别投到场地类别划分图上，红色三角形为Ⅱ类场地钻孔，黄色三角形为Ⅰ类场地钻孔，据图7可以看到，实测钻孔场地类别划分与场地类别划分图大致相对应，在个别地方会有出入，判断可能是因为地质图年代岩性等数据精度太低，得出的场地类别划分图结果粗略。

图6 场地分类图Fig.6 Site classification diagram

图7 钻孔实测场地图Fig.7 Field map of borehole measurement

3.2 基于地形坡度的场地类别划分结果

本文采用遵义市30 m 数字高程数据，通过GIS的坡度分析计算得到区域的坡度值，参照美国场地类别划分标准，以Vs30 为桥梁建立坡度值与场地类别划分的对应关系（表2），得到基于地形坡度的场地类别划分图（图8）。

将实测钻孔对应的场地类别投到场地类别划分图上，红色圆形为B 类场地钻孔，绿色圆形形为C类场地钻孔，据图9可以看到，实测钻孔场地类别划分与场地类别划分图大致相对应，在个别地方会有出入，判断可能是因为30 m 数字高程数据精度不够，只能得出区域类大致场地类别划分结果。

表2 NEHRP VS30分类指标、VS30和坡度值之间的关系表[8]Table 2 The relationship between NEHRP VS30 classification index，VS30 and slope value

图8 场地分类图（美国标准）Fig.8 Site classification chart（American standard）

图9 钻孔实测场地图（美国标准）Fig.9 Field map of borehole measurement（American standard）

4 结论与建议

本文主要通过研究基于地质成因的场地类别划分方法和基于地形坡度的场地类别划分方法，将其应用于遵义市地区，绘制得到遵义市场地类别划分图件，在研究过程中得出以下结论：

（1）通过收集遵义市相关地质资料，建立了相对合理的基于地质年代、岩石坚硬程度等地质因素与场地类别分类的关系，实现了遵义市场地数据库的建立和场地类别划分。

（2）通过下载拼接30 m 数字高程数据，借助Arcgis 软件处理DEM 数据后进行坡度分析，并通过NEHRP 的场地类型划分关系，得到美国标准下的遵义场地类别划分结果。

（3）通过对贵州省遵义市进行场地类别划分，为贵州省其他地区如六盘水市等进行场地类别划分提供了很好的方法借鉴。

在研究中尽管取得了一定的结果，也发现了如下问题：

（1）基于地质成因得到的场地类别划分结果相对粗略，只能反映区域上的场地类别情况，与实测钻孔场地类型叠加有部分出入，建议搜集更大比例尺地质图进行分类，结果将更加精确。

（2）基于地形坡度得到的场地类别划分结果也受到精度影响，划分结果不够精确，建议以后可以用更高精度的DEM数据进行分类。

（3）收集到的遵义市的钻孔较少，缺少VS20、VS30 等数据，故没有很好地借助钻孔数据进行更进一步的研究，下一步将继续收集钻孔资料，为进一步建立精确的坡度-剪切波模型做准备。