Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика оценки геологических и инженерных факторов формирования ущерба от последствий землетрясений

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Методика оценки геологических и инженерных факторов формирования ущерба от последствий землетрясений"

РГГ) од

2 3 ВОЯ ВЗЗ

Российская академия наук

Институт литосферы окраинных и внутренних морей

На правах рукописи

Степанова Ирина Владимировна

Методика оценки геологических и инженерных факторов формирования ущерба от последствий землетрясений (на примере Нефтегорского землетрясения)

Специальность 04.00.01 - "Общая и региональная геология" Специальность 04.00.07 - "Инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1998

Диссертация выполнена в Лаборатории проблем риска вторичных процессов сейсмоактивных зон литосферы Института литосферы окраинных и внутренних морей Российской академии наук.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Кофф Григорий Львович.

Официальные оппоненты:

Академик РАН В.Е.Хаин

Кандидат геолого-минералогических наук В.В.Севостьянов

Ведущая организация: Московская государственная геологоразведочная академия им. С.Орджоникидзе (кафедра инженерной геологии).

Зашита состоится ЯЗ^^Лд^Х 1998 г. в часов на заседании специализированного совета Д. 003.50.01 при Институте литосферы РАН по адресу: 109180, Москва, Старомонетный переулок, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН.

Автореферат разослан го ноября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат геолого-минералогических наук /Я/¿рле&у Н.К.Власова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Землетрясения являются одним из наиболее опасных стихийных бедствий, вызывающих большой социальный и экономический ущерб. Ежегодно в мире от землетрясений гибнет около 10 тысяч человек.

По мере роста городских агломераций, усиления экономических связей между регионами и, следовательно, увеличения взаимной зависимости одних территорий от других, строительства крупных инженерных сооружений типа атомных электростанций, химических комбинатов, высотных плотин и т.п., разрушение которых может привести к технологическим и экологическим катастрофам, общество становится все более уязвимым по отношению к землетрясениям. Интерес к проблемам последствий землетрясений в нашей стране многократно возрос после последних землетрясений в Сахалинской области: Шикотанского (5 октября 1994) и, особенно, Нефтегорского (28 мая 1995 г.), разрушившего семнадцать пятиэтажных жилых зданий в поселке Нефтегорск и вызвавшего гибель около 2000 человек (при общей численности населения поселка около 3000).

25% территории Российской Федерации с населением более 20 миллионов человек может подвергаться воздействию землетрясений силой 7 баллов и выше, к высокосейсмичным районам относятся Камчатка, Курильские о-ва, Сахалин, зона БАМа и Северный Кавказ. При отсутствии антисейсмических мероприятий в сложившейся застройке и недостаточном контроле за качеством строительства многих гражданских и промышленных зданий 6-7 балльное землетрясение в России может стать катастрофическим для многих городов и населенных пунктов. В этих условиях приобретает исключительно важное значение необходимость повышения надежности проектируемой и существующей застройки в сейсмоопасных районах при условии рационального расходования материальных средств и трудовых ресурсов на антисейсмические мероприятия.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики прогнозирования первичных последствий землетрясений, проявляющихся в техногенной сфере, а именно - прогноза степени повреждения зданий. Для ее достижения были поставлены и решены следующие задачи: 1) определение возможных ущербообразующих факторов и разработка их классификации; 2) определение численных и иных параметров, наилучшим образом описывающих эти факторы применительно к геологической среде; 3) выбор математического метода исследования и программной базы его реализации; 4) построение математической модели явления и выявление наиболее значимых ущербообразующих факторов; 5) реализация прогнозной модели на конкретном материале.

Объектом исследования является подвергающаяся сейсмическому воздействию природно-техническая система (ПТС), под которой понимается система инженерного сооружения (комплекса инженерных сооружений) с частью геологической среды в зоне его (их) влияния, имеющей операционально фиксированные пространственно-временные границы.

Предметом исследований являются свойства элементов природно-технической системы и сила сейсмического воздействия, определяющие уровень повреждения технической подсистемы (зданий) в результате землетрясения. В работе проанализированы данные по повреждениям жилых и общественных зданий в населенных пунктах Охинского района Сахалинской области в результате Пефтегорского землетрясения, а также материалы, характеризующие природную подсистему, собранные сотрудниками Лаборатории проблем риска вторичных процессов в сейсмоактивных зонах литосферы Института литосферы РАН, в том числе автором данной работы, при проведении обследований и во время работы с архивными материалами различных организаций - СахалинТИСИЗа, Сахалингражданпроекта, Института морской геологии и геофизики (ИМГиГ) ДВО РАН и др.

Диссертационная работа основана на применении вероятностно-статистических методов обработки данных - множественного линейного регрессионного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующих основных положениях, являющихся предметом защиты:

1. Установление, анализ, обобщение и классификация основных природных и техногенных ущербообразующих факторов, формирующих совокупный ущерб при землетрясении. Выделены факторы сейсмической опасности и сейсмической уязвимости, а также факторы, формирующие первичный, вторичный и косвенный ущербы.

2. Методика аналитической оценки вклада основных ущербообразующих факторов в степень повреждения зданий при землетрясении на основе множественного регрессионного анализа.

3. Методика прогнозирования степени повреждения зданий с учетом выявленных основных природных и техногенных ущербообразующих факторов.

4. Методика районирования геологической среды города по статистическому коэффициенту геолого-сейсмической опасности, разработанная на основе учета значения и веса важнейших природных ущербообразующих факторов.

Практическая значимость результатов исследований состоит в разработке методики прогнозирования степени повреждения зданий при сейсмическом воздействии и методики районирования геологической среды населенных пунктов по коэффициенту геолого-сейсмической опасности. Разработанная автором методика районирования геологической среды может быть использована в качестве дополнительного метода при уточнении карт сейсмомикрорайонирования городов и населенных пунктов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были опубликованы в открытой печати в пяти научных статьях и разделе монографии и представлены на пяти научных конференциях ("Сейсмическая

безопасность урбанизированных территорий", Петропавловск-Камчатский, 1996; "Новые идеи в методике инженерно-геологических исследований", Москва, 1996; "Закономерности эволюции земной коры", Санкт-Петербург, 1996; "Экологический мониторинг: проблемы создания и развития единой государственной системы экологического мониторинга", Москва, 1996; XXVI Генеральная ассамблея европейской сейсмологической комиссии, Тель-Авив, 1998). Результаты работы использованы при составлении карты прогноза повреждаемости зданий и карты районирования геологической среды для г. Корсакова Сахалинской области.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав, заключения и списка литературы из 112 наименований. Объем работы 116 страниц основного текста, 18 страниц иллюстраций и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и цель исследования.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены современные методы изучения и прогнозирования последствий землетрясений и определены задачи исследования.

Говоря о сейсмической опасности, имеют в виду сам факт подверженности данной территории и расположенных в ее пределах объектов землетрясениям. Сейсмическая опасность рассматривается как система вероятностей возникновения сейсмических колебаний разной интенсивности на определенном участке поверхности Земли в определенный период времени. Сейсмический риск связывается с результатами воздействия землетрясения на человеческое общество и определяется как вероятность потерь на определенном участке земной поверхности за определенное время под влиянием землетрясений определенной интенсивности.

Негативные последствия землетрясения, проявляющиеся в социально-экономической и природной среде, квалифицируются как ущерб. Под

экономическим ущербом от землетрясения понимается натуральная, ранговая, балльная или стоимостная оценка негативных изменений природных и природно-технических систем, их элементов и компонентов, обусловленных прямым сейсмическим воздействием (т.е. повреждений зданий и сооружений, гибели и ранений находящихся в них людей), вторичными природными и техногенными воздействиями, а также косвенными последствиями, зависящими от каскадных эффектов в экономике и нежелательного обратного воздействия измененных при землетрясении объектов на природную среду и другие объекты.

Только прямой экономический ущерб от разрушения жилых зданий в Нефтегорске превысил 230 млрд. руб (в ценах 1995 г.), в то время как усиление зданий до 7 баллов без выселения жильцов обошлось бы в 100 млрд. руб, а повышение сейсмостойкости еще в процессе возведения зданий - в 4... 5 % от стоимости первоначального строительства.

Последствия крупных землетрясений анализировали многие исследователи: С.В.Медведев, Е.Т.Кенжебаев, Н.В.Шебалин, В.В.Штейнберг, Г.Л.Кофф, А.И.Мартемьянов, Я.М.Айзенберг, М.Касахара, Ч.Скаугорн и др. Большинство исследований носит описательный характер, наиболее изучено влияние геологических условий на интенсивность (балльность) землетрясения на конкретном участке земной поверхности, без рассмотрения объектов техносферы (методика сейсмомикрорайонирования).

Во второй главе рассмотрены основные ущербообразующие факторы при землетрясении и приведена их классификация.

Размеры и характер последствий землетрясений определяются множеством факторов. Определение вклада каждого из этих факторов в общий полный ущерб от землетрясения с целью повышения надежности существующей и проектируемой застройки является важной, но труднодостижимой задачей.

Единой устоявшейся классификации ущербообразующих факторов при землетрясении на сегодняшний день не существует. Факторы, формирующие

совокупный ущерб от землетрясения могут разделяться как по группам реципиентов (объектов социальной, технической или природной сфер), так и по этапности формирования ущерба (на стадии изысканий, проектирования, эксплуатации объекта) и другим принципам.

Наиболее разработаны классификации факторов, вызывающих повреждения и аварии объектов технической сферы - зданий и сооружений (как в результате сейсмического воздействия, так и для общего случая). В работах МЮ.Абелева, Сечи Кароя, АХ.Ройтмана, ГЛ.Коффа и других исследователей представлены различные принципы классификации ущербообразующих факторов: системно-иерархический, по их возникновению на различных стадиях функционирования здания (сооружения), причинам возникновения, по направленности факторов, однако все эти классификации не раскрывают подробно всей совокупности факторов полного ущерба.

Нами на основе принципов системно-иерархического деления разработанна классификация, в которой выделяются факторы сейсмической опасности и сейсмической уязвимости объектов природной, техногенной и социальной сфер, кроме этого факторы подразделяются по направленности на первичные, вторичные и косвенные (рис. 1).

В работе более подробно рассматриваются прямые первичные последствия от воздействия землетрясения на здания (различные деформации зданий вплоть до их разрушения, вызванные непосредственно сейсмическими колебаниями грунта) и ущерб, вызываемый этими последствиями (т.е. прямой первичный ущерб). Дополнительные повреждения зданий, которые могут быть получены в результате вторичных процессов при землетрясении, в расчет не принимаются, так как их возникновение определяется несколько другим набором факторов: требуется дополнительно учитывать экзогенные геологические процессы и сезонность их проявления, структуру застройки, наличие производств со складами горючих и взрывоопасных веществ и многое другое.

Ущербообразующие факторы при землетрясении

ПИ

I

Факторы сейсмической опасности

Факторы сейсмической уязвимости

1

[ Уязвимоеть природных объектов |

I

| Уяэвииостъ социальной сферы | £

КСТ ИоИ0НЫ«Ъ1в сейсм»меские условия

□

Тектонические условия

Плотность разломов

Ранг

разломов

Морфокинематич характеристики

Локальные сейсмические условия

Геоморфологические условия (р&пьеф)

Характеристики слоя, реализуй и »его сеуолб-

возмуЩвния (СРС)

Гидрогеологические условия

Мощность СРС

Состав и характеристики СРС

Неотектоническая активность

Гетерогенность СРС

Глубина до уровня грунтовых вод

Свойства технических объектов

Г«то><*ли<ыР урмии» (»го* региом. стран -"•»1 Имгенсивчость ос»оенич территории ) ~ Тип*омйсг»в>»мго ое»мцк»мерркгерт

крутизна и террас иро« эмиост ь

____Шйцоа.___

Тип »астрой»

Расчлененность рельефа

Плотность коммуникаций

■I Конструктивный тип. • I

Этажность |

^^ Состожнв гжтруМ га вопил »»летрадмч« I

—-гтгг^т-1—

Количество слоев с разными свойствами

К»«™» Аморти-

Н«*рП*ЛО> ''да"* зация

Подземные инженерно-технические объепы

Вторичнью о

ГИДрОПО'пЧвСГИв процессы ПрирОДНОГО и природНО-Т^'---------------------

—►{Се

—►] Обвалы"

I

п

Гидрологические]

—►[Цунами!

►{Наводнения) —Н Сейш ]

X

Транспортная доступность

Готовность аварийно-< ппсательных служб

Пожаро- и взрывоопасное^ |

Выбросы радиоактивных и вдовптых веществ

и з необ е спеч ену>я

Прогноз землетрясения

Плотность застройки

Каскадные эффекты экологического характера

Каскадные эффекты в экономике

Рис. 1. . Классификация ущербообразующих факторов

Прямой первичный ущерб от землетрясения, определяемый повреждением в разной степени зданий и сооружений, зависит не только от колебаний грунта, но и от характеристик самих зданий и сооружений (их сейсмостойкости). Сейсмостойкость зданий определяется целым комплексом факторов, из которых главнейшими являются конструктивный тип здания и его амортизация.

Колебания грунта при землетрясениях являются случайным процессом, зависящим как от характеристик очага, так и от строения и свойств среды на пути сейсмических волн от очага к дневной поверхности и местных грунтово-геоморфологических условий. На застроенных территориях на характер колебаний могут влиять и объекты техносферы: здания и различные сооружения (в наибольшей степени подземные, увеличивающие гетерогенность геологической среды и, следовательно, условия прохождения сейсмических волн).

В третьей главе описаны последствия произошедшего 28 мая 1995 г. с магнитудой 7,2 на севере Сахалина Нефтегорского землетрясения и геологические условия этого района.

В тектоническом отношении остров Сахалин представляет собой кайнозойское складчатое сооружение, продолжающееся далее к югу в пределы японского острова Хоккайдо, таким образом остров Сахалин входит в состав Хоккайдо-Сахалинской кайнозойской складчатой системы Тихоокеанского пояса. В геологическом строении острова принимают участие нижне-среднепалеозойские метаморфические породы, верхнемеловые морские и прибрежно-морские отложения, палеогеновые и неогеновые пирокластические, нормально-осадочные и пресноводно-континентальные образования. Четвертичные отложения слагают маломощный (до 15...20 м), плащ, мощность которого значительно увеличивается только в Поронайской и Сусунайской депрессиях.

Активная неотектоника и современная геодинамика Сахалина недостаточно изучены, что явилось одной из причин недооценки степени

сейсмической опасности этого региона. Одним из наиболее интересных эффектов, сопровождавших Нефтегорское землетрясение, явилось активное разрывообразование. Активизировавшийся при землетрясении правосторонний сдвиг север-северо-восточного простирания прослеживается на земной поверхности на протяжении примерно 37 км, общая же протяженность разлома составила около 80 км. Плоскость разрыва круто падает на северо-запад под углом около 70 градусов. Величина сдвиговой компоненты смещения колеблется от 0,5 до 8 м. Величина вертикальной компоненты смещения по разлому составляет 0...1,5 м. Активизировавшийся разлом пространственно совпадает с ранее известным Верхне-Пильтунским разломом и располагается между двумя крупными субмеридиональными правосторонними сдвигами - Пильтун-Эхабинским и Гыргыланьи-Дагинским. По мнению В.С.Рождественского, М.И.Стрельцова и др., активизацию Верхне-Пильтунского разлома можно считать результатом концентрации на нем напряжений в активной зоне правостороннего скалывания. Таким образом, Нефтегорское землетрясение оказалось связанным с второстепенным разломом, который характеризуется длительным периодом повторяемости сильных землетрясений.

Последствия Нефтегорского землетрясения в наибольшей степени проявились на севере Сахалина в населенных пунктах Охинского района. В тектоническом отношении этот район располагается в пределах СевероСахалинской наложенной впадины, заполненной мощной толщей неогеновых отложений флишоидной и молассовой формаций, смятой в пологие брахискладки. Четвертичные аллювиальные и морские песчано-глинистые отложения имеют мощность до 10...20 м.

В пос. Нефтегорск, расположенном в 35 км от эпицентра, интенсивность землетрясения составила 9 баллов; в городе Оха, поселках Сабо и Тунгор - 7 баллов; в поселках Восточный-1, Некрасовка, Эхаби - 6 баллов; в поселках Колендо и Москальво - 5 баллов. Все населенные пункты Охинского района находятся в пределах зоны с фоновой сейсмичностью 9

баллов. С поверхности залегают песчано-глинистые грунты, относимые ко II и III категориям по сейсмическим свойствам: пески разной крупности от маловлажных до водонасыщенных, супеси, суглинки и глины от текучепластичной до твердой консистенции.

В результате Нефтегорского землетрясения здания и сооружения в населенных пунктах на севере Сахалина получили повреждения разной степени. Предварительный анализ макросейсмического эффекта Нефтегорского землетрясения показывает, что наибольшей повреждаемостью характеризовались несейсмостойкие крупноблочные здания серии 1-447С и ветхие деревянные рубленные дома. Крупнопанельные несейсмостойкие здания проявили себя достаточно хорошо. Наименьшие повреждения получили сейсмостойкие здания 123 серии и деревянные рубленные дома хорошего качества (с небольшой амортизацией).

Обобщая результаты инженерного анализа последствий Нефтегорского землетрясения, выделим приоритетные ущербообразующие факторы (по убыванию их значимости): расстояние до эпицентра, строительство без антисейсмических мероприятий, недооценка уровня сейсмического воздействия, особенности конструктивного типа зданий, степень физического износа и качество строительства.

В третьей главе приведено также описание природных условий г. Корсакова, для которого планируется выполнить по разрабатываемой методике прогноз объемов разрушений зданий в результате возможного землетрясения. Город расположен на Тонино-Анивском полуострове на юге Сахалина и занимает фрагмент южной части Корсаковского плато, в тектоническом отношении соответствующего горст-антиклинальному поднятию, сложеному в районе Корсакова отложениями холмской свиты неогена, представленными переслаиванием аргиллитов, алевролитов, туфов, туффитов и песчаников. Исходная сейсмичность для района г. Корсакова составляет 8 баллов с повторяемостью 1 раз в 1000 лет. С поверхности залегают песчано-глинистые отложения П и Ш категории по сейсмическим

свойствам, подстилаемые отложениями холмской свиты, относимыми к I категории по сейсмическим свойствам. По результатам сейсмомикрорайонирования на территории города выделяются участки с интенсивностью сотрясения 7,8,9 и более 9 баллов.

В четвертой главе выполнен аналитический анализ зависимости степени повреждения зданий при землетрясении от комплекса факторов на основе множественного регрессионного анализа.

Обработка массива статистических данных проводилась с помощью универсальной статистической графической системы STATGRAPHICS Plus for Windows версии 2.1. При построении математической модели в качестве выходной величины была принята степень повреждения здания d, определяемая по шкале MMSK-86. В качестве входных воздействий -факторов первоначально было выбрано одиннадцать параметров, характеризующих: само здание (Н - этажность здания, А - возраст здания, в годах); влияние подземных коммуникаций водо-, газо- и теплоснабжения (К -расстояние до ближайшей магистральной ветки коммуникаций, в метрах); влияние рельефа местности (R - угол наклона земной поверхности, в градусах); интенсивность сейсмического воздействия (I — в баллах с учетом общего влияния грунтовых условий); инженерно-геологические условия (N -число рыхлых слоев в пределах верхней 10... 15 метровой грунтовой толщи; показатели физико-механических свойств слоя грунта, залегающего под подошвой фундамента: р - плотность грунта, в г/см3, W - естественная влажность, в процентах, Е - модуль общей деформации, в МПа, ср - угол внутреннего трения, в градусах); тектонические условия (F - расстояние до оси ближайшего крупного активного разлома, в метрах). Анализ генеральной совокупности каждого из параметров показал, что их значения носят случайный характер и подчиняются нормальному закону распределения. Расчеты проводились отдельно для каждого типа здания. Для Охинского района наиболее распространенными оказались следующие типы зданий: Вд - деревянные рубленные дома, несейсмостойкие крупноблочные здания

серии 1-447С, сейсмостойкие (расчетная сейсмостойкость 7 баллов) крупноблочные здания серии 123.

Для отброса незначимых переменных и построения наилучшего уравнения регрессии применялись ^упорядоченный поиск и процедуры пошаговой регрессии.

По результатам исследований построены регрессионные модели в нормализованном виде и для реальных значений показателей для зданий: Серии 1-447С

ан = - 0,14 + 0,52 Н-0,37 р + 0,35 1 + 0,16 II- 0,14 Е + 0,13 А + 0,12 К. (1) а = 3,47 + 0,43 Н - 3,39 р +- 0,401 + 0,10 И- 0,028 Е + 0,03 А + 0,0065 К. (2) Типа Вд

ан = - 0,15 - 0,65 К - 0,44 Б + 0,361 + 0,26 И - 0,26 <р + 0,21 А - 0,14 р. (3) (1 = 1,96 - 0,008 К - 0,000077 Б + 0,391 + 0,08 И - 0,039 <р + 0,013 А - 0,67 р.(4) Серии 123

ан = 0,34 + 0,64 ф + 0,57 Н - 0,54 Е + 0,411 + 0,41 А- 0,22 К + 0,15 р. (5) й = - 3,33 + 0,074 ф + 0,24 Н - 0,048 Е + 0,27 I + 0,039 А - 0,0034 К + 0,54 р.(6) Уровень доверия к построенным моделям превышает 99,9 %. Для несейсмостойких зданий серии 1-447С, получивших наибольшие повреждения по сравнению со зданиями других конструктивных типов, к сильно значимым факторам относятся: высота здания, плотность залегающего под подошвой фундамента слоя грунта, интенсивность землетрясения, взятая с учетом общих грунтовых условий. К малозначимым факторам относятся: угол наклона земной поверхности, модуль общей деформации грунта под подошвой фундамента, возраст здания, расстояние до подземных коммуникаций.

Адекватность моделей, проверенная на экзаментационных выборках, показала, что для анализа макросейсмических последствий землетрясений вполне применим метод линейного множественного регрессионного анализа. Разрушаемость сейсмостойких зданий 123 серии и деревянных рубленных домов хорошей постройки в большей степени зависит от особенностей

конструкции здания (наличие или отсутствие подвалов и пристроек, форма здания и т.п.). Влияние конструкций сейсмостойких зданий на их разрушаемость при землетрясении требует проведения дальнейших исследований.

При проведении исследований было выявлено значительное влияние на повреждаемость зданий обычно редко учитываемых при проведении сейсмомикрорайонирования показателей прочностных и деформационных свойств грунтов - угла внутреннего трения и модуля общей деформации.

Предлагаемая методика прогнозирования повреждаемости зданий при землетрясении основывается на расчетах по построенным регрессионным моделям (уравнения 2, 4 и 6) и позволяет прогнозировать степень повреждения как для отдельных зданий, так и для целых их групп.

На примере г. Корсакова был осуществлен прогноз повреждаемости зданий исследованных типов для землетрясения интенсивностью 8 баллов. Схематическая карта рассчитанных степеней повреждения зданий представлена на рис. 2. Схема позволяет выявить районы обязательного проведения мероприятий по повышению сейсмостойкости застройки, оценить потенциальный ущерб от сейсмического воздействия и сравнить его с затратами на компенсационные и антисейсмические мероприятия.

В качестве одного из вариантов прогноза степени разрушения зданий по построенным моделям предлагается методика районирования геологической среды города по статистическому коэффициенту геолого-сейсмической опасности. Данный коэффициент рассчитывается, исходя из линейной регрессионной модели для самых несейсмостойких зданий (в данном случае - для зданий серии 1-447С), следующим образом.

Из регрессионной модели (уравнение 2) выделяется та часть, которая относится только к ущербообразующим факторам природного происхождения:

М = 0,401-3,39 р- 0,028 Е + 0,10 Л. (7)

Рис. 2. Схема прогнозируемых повреждений зданий в городе Корсакове от землетрясения с интенсивностью 8 баллов.

Территория выбранного населенного пункта (или территория, которую планируется застроить) разделяется на зоны с одинаковой предполагаемой интенсивностью землетрясения (по методике СМР), в пределах этих зон выделяются районы залегания (на глубине заложения фундаментов - 3...5 м) rpyirroB с примерно одинаковыми значениями физико-механических характеристик - плотности и модуля общей деформации. Выделенные районы, в свою очередь, разделяются на участки, характеризующиеся примерно одинаковым наклоном земной поверхности. Таким образом осуществляется районирование территории, намеченной для прогнозирования повреждаемости зданий.

Каждый выделенный участок оценивается величиной М,-, исходя из которой рассчитывается коэффициент геолого-сейсмической опасности а по формуле:

oti = 1 -Mi/Mmin- (8)

Где Mj - значение величины М для i-ro участка, Mmin - минимальное значение величины М для всей территории.

Коэффициент а принимает значения от 0 до 1 и характеризует уровень геолого-сейсмической опасности территории, определяемый только природными факторами. Чем выше коэффициент а, тем больше опасность.

Для рассчета степени повреждения конкретных зданий в пределах выделенных участков используется уравнение:

d = (1 - а) М^ + 0,43 Н + 0,03 А + 0,0065 К + 3,47. (9)

Схематическая карта районирования геологической среды города Корсакова, выполненного на основе предлагаемого коэффициента геолого-сейсмической опасности, представлена на рис. 3.

Разработанная методика районирования геологической среды по коэффициенту геолого-сейсмической опасности позволяет выделять благоприятные и неблагоприятные доя строительства районы и планировать размещение проектируемых зданий и сооружений, а также может

Рис. 3. Схема районирования геологической среды города Корсакова по коэффициенту геолого-сейсмической опасности а.

использоваться в качестве дополнительной методики при уточнении карт сейсмомикрорайонирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Ущерб от землетрясений проявляется во всех сферах жизни общества и для его снижения необходимо учитывать влияние множества факторов (часто взаимозависимых), характеризующих сейсмическую опасность территории и сейсмическую уязвимость объектов техногенной и социальной сфер. Определение вклада каждого из этих факторов в общий (совокупный) ущерб от землетрясения с целью повышения надежности существующей и проектируемой застройки является важной, но труднодостижимой задачей.

2. Проведенный анализ основных природных и техногенных факторов совокупного ущерба при землетрясении позволил создать их классификацию на основе принципов системно-иерархического деления. Выделены факторы сейсмической опасности и сейсмической уязвимости, а также факторы, формирующие первичный, вторичный и косвенный ущербы. Полученная классификация является основой разработки методов оценки потенциальных ущербов для территорий с различными видами освоения; выявления факторов, влияющих на неоднородность проявления ущерба; определения комплекса мероприятий по предотвращению и компенсации ущербов.

3. Разработанная на основе множественного регрессионного анализа методика аналитической оценки вклада ущербообразуюших факторов в степень повреждения зданий при землетрясении позволила получить статистические модели повреждаемости зданий для наиболее распространенных конструктивных типов Сахалинской области — несейсмостойких крупноблочных зданий серии 1-447С, деревянных рубленных домов и сейсмостойких крупноблочных зданий 123 серии.

4. В результате анализа построенных моделей выделены основные значимые природные и техногенные факторы, влияющие на степень повреждения зданий при сейсмическом воздействии. К числу природных факторов относятся интенсивность землетрясения, показатели физико-механических свойств залегающего под подошвой фундамента слоя грунта (плотность, модуль общей деформации и угол внутреннего трения), угол наклона земной поверхности. Для деревянных домов значимым фактором является расстояние до оси ближайшего активного разлома.

5. Разработанная методика прогнозирования степени повреждения зданий с учетом выявленных основных природных и техногенных ущербообразующих факторов и районирования городской застройки по прогнозируемым степеням повреждения позволяет выделять участки первоочередных антисейсмических мероприятий, прогнозировать прямой экономический ущерб, определять затраты на восстановление зданий.

6. Предложенная методика определения коэффициента геолого-сейсмической опасности на основе учета природных ущербообразующих факторов позволяет проводить районирование геологической среды населенных пунктов и может использоваться в качестве дополнительной методики при уточнении карт сейсмомикрорайонирования.

7. Составленная карта районирования геологической среды г. Корсакова Сахалинской области в целом согласуется с картой сейсмомикрорайонирования, однако, границы районов с сильной и очень сильной геолого-сейсмической опасностью на некоторых участках не совпадают с выделенными при сейсмомикрорайонировании районами с сейсмичностью 9 и более 9 баллов; что объясняется влиянием свойств залегающего под подошвой фундамента слоя грунта, а также более дифференцированным учетом влияния рельефа местности в предложенной автором методике.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Кофф Г.Л., Котлов В.Ф., Карагодина М.В., Богомолова Т.В., Степанова И.В., Баулин Ю.И., Несмеянов С.А., Кабанцев О.В. Сейсмотектонический и инженерный анализ макросейсмических последствий Шикотанского землетрясения 5.10.1994 II Прикладная геоэкология, чрезвычайные ситуации, земельный кадастр и мониторинг. - М.: ИнтерЭВМ, 1995.-Вып. 1,-С. 64-74.

2. Лобацкая P.M., Кофф Г.Л., Степанова И.В., Кабанцев О.В. Влияние строения и активизации внутриразломного пространства на макросейсмические последствия землетрясения (на примере Курильских островов): Тез. докл. на 1-й Междунар. конф. "Сейсмическая безопасность урбанизированных территорий." - Петропавловск-Камчатский, 1996. - С. 35.

3. Кофф Г.Л., Карагодина М.В., Степанова И.В. К методике оценки сейсмической опасности и сейсмического риска при инженерно-геологических исследованиях урбанизированных территорий: Тез. докл. на Междунар. научн. конф. "Новые идеи в методике инженерно-геологических исследований." - Москва, 1996.

4. Кофф Г.Л., Чеснокова И.В., Степанова И.В. Инженерно-геологическое картирование и районирование для обоснования страхования населения и техногенных объектов от опасных природных процессов // Сб. тр. "Новые идеи в инженерной геологии." — М.: МГУ, 1996. - С. 83-85.

5. Степанова И.В. Анализ влияния сейсмотектонических и конструктивно-технологических факторов на макросейсмический эффект землетрясений (на примере Шикотанского и Нефтегорского землетрясений) // Геологические исследования литосферы. Сб. научн. тр. - М.: ИЛСАН, 1996. -С. 62.

6. Кофф Г.Л., Чеснокова И.В., Степанова И.В. Инженерная геология и страхование: Тез. докл. на конф. "Закономерности эволюции земной коры." Т. 1.-СП6., 1996.-С. 186.

7. Степанова И.В., Цымбал М.Н., Попова О.В., Боровикова К.Н. Геоэкологический мониторинг в сейсмоактивных областях с целью сценарного анализа последствий землетрясений: Тез. докл. на Всеросс. научно-практич. конф. "Экологический мониторинг: проблемы создания и развития единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСМ)."-М., 1996.-С. 12-13.

8. Степанова И.В. Соавтор раздела 2.1. Краткая характеристика землетрясений и их негативного влияния // Кофф Г.Л., Гусев A.A., Козьменко С.Н. Экономическая оценка последствий катастрофических землетрясений. -М.: ВНТИЦ, 1996. - С. 44-69.

9. Степанова И.В. Районирование инфраструктуры города для оценки сейсмического риска (на примере г. Корсакова Сахалинской области) // Прикладная геоэкология, чрезвычайные ситуации, земельный кадастр и мониторинг. -М.: РЭФИА, 1997. - Вып. 2. - С. 35-37.

10. Степанова И.В. Статистический анализ влияния сейсмогеологических и инженерно-строительных факторов на степень повреждения зданий в результате землетрясения (на примере города Оха Сахалинской области) /У Прикладная геоэкология, чрезвычайные ситуации, земельный кадастр и мониторинг. - Вып. 3. (в печати).

11. Sysoyev Y.A., Petrenko A.S., Orkvasov Z.V., Nazarova O.V., Popova O.V., Borovikova K.N., Stepanova I.V. Experience of Special Mapping for the Estimation of Total Risk of Direct Social and Economic Damage under the Pessimistic Scenario of Earhquake on Territory of Sochy: Тез. докл. на XXVI генеральную ассамблею европейской сейсмологической комиссии (ESC). -Тел-Авив, 1998. (в печати).

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Степанова, Ирина Владимировна, Москва

/

/

' российская академия наук

ИНСТИТУТ ЛИТОСФЕРЫ

ОКРАИННЫХ И ВНУТРЕННИХ МОРЕЙ

На правах рукописи

Степанова Ирина Владимировна

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНЫХ ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ УЩЕРБА ОТ ПОСЛЕДСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ НЕФТЕГОРСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ)

Специальность 04.00.01 - "Общая и региональная геология" Специальность 04.00.07 - "Инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук профессор Г.Л.Кофф

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5

1. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ......................10

1Л. Современные представления о сейсмической

опасности, уязвимости и риске........................... 10

1.2. Виды сейсмических воздействий и последствий............ 12

1.3. Виды и формы ущерба при землетрясении.................15

1.4. Методы экономико-геологической оценки и

прогноза последствий землетрясений......................19

1.5. Постановка задач исследования..........................23

ВЫВОДЫ . . ....................................................26

2. ФАКТОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ПОЛНЫЙ (СОВОКУПНЫЙ) УЩЕРБ ОТ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ................27

2.1. Принципы классификации ущербообразующих

факторов...............................................27

2.2. Классификация ущербообразующих факторов.............29

2.3. Факторы, формирующие прямой первичный

ущерб зданиям (сооружениям)............................32

2.3.1. Факторы сейсмической опасности....................34

2.3.2. Факторы сейсмической уязвимости...................42

ВЫВОДЫ......................................................45

3. НЕФТЕГОРСКОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ..........................46

3.1. Сейсмо-тектоническая характеристика

Нефтегорского землетрясения............................46

3.2. Геологическая характеристика Сахалина..................50

3.3. Тектоническая и инженерно-геологическая характеристика ряда населенных пунктов Сахалина........67

3.3.1. Оха и Эхаби......................................69

3.3.2. Восточный-1......................................73

3.3.3. Колендо..........................................75

3.3.4. Тунгор...........................................76

3.3.5. Москальво и Некрасовка............................77

3.3.6. Сабо.............................................79

3.3.7. Нефтегорск.......................................80

3.3.8. Корсаков.........................................80

3.4. Макросейсмические эффекты в населенных

пунктах плейстосейстовой зоны Нефтегорского

землетрясения..........................................85

ВЫВОДЫ.......................................................93

4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ НА СТЕПЕНЬ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЗДАНИЙ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ.......................................94

4.1. Выбор математического метода исследования..............94

4.2. Применение линейного множественного

регрессионного анализа для обработки данных.............98

4.3. Вычислительный эксперимент..........................104

4.3.1. Построение математической модели для

зданий серии 1-447С.............................. 104

4.3.2. Построение математической модели для

зданий типа Вд...................................106

4.3.3. Построение математической модели для

зданий 123 серии................................. 109

4.3.4. Анализ построенных моделей...................... 111

4.4. Методика прогнозирования последствий

землетрясений......................................... 113

4.4.1. Прогнозирование степени повреждения

зданий по построенным моделям....................113

4.4.2. Районирование геологической среды по статистическому коэффициенту геолого-сейсмической опасности территории................ 115

ВЫВОДЫ......................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................. 123

ВВЕДЕНИЕ

Землетрясения являются одними из наиболее опасных стихийных бедствий, вызывающих большой социальный и экономический ущерб. Ежегодно в мире от землетрясений гибнет около 10 тысяч человек.

По мере роста городских агломераций, усиления экономических связей между регионами и, следовательно, увеличения взаимной зависимости одних территорий от других, строительства крупных инженерных сооружений типа атомных электростанций, химических комбинатов, высотных плотин и т.п., разрушение которых может привести к технологическим и экологическим катастрофам, общество становится все более уязвимым по отношению к землетрясениям.

Вопросы экономической оценки последствий землетрясений, оценки экологической устойчивости и сейсмического риска территорий, подверженных воздействию опасных геологических процессов, относятся к числу наиболее сложных проблем ряда научных дисциплин.

Только за последние десятилетия во всем мире произошло значительное количество сильных разрушительных землетрясений (в Чили, Перу, Мексике, США, Японии, Армении, на Сахалине, в Афганистане и др.), которые вызвали огромный ущерб и немалые человеческие жертвы. Крупные землетрясения усилили интерес мирового сообщества к проблеме сейсмостойкого строительства, о чем свидетельствуют материалы международных и европейских конференций по сейсмостойкому строительству (Сан-Франциско, 1956, 1984; Токио, 1960, 1988; Веллингтон, 1965; Сантьяго (Чили), 1969; Лондон, 1972; Рим, 1973; Стамбул, 1975, 1980; Дели, 1977; Дубровник, 1978; Афины, 1982; Москва, 1990; Вена, 1994; Акапулько, 1996) [1 - 3].

25% территории Российской Федерации с населением более 20 миллионов человек может подвергаться воздействию землетрясений силой 7 баллов и выше, к высокосейсмичным районам относятся Камчатка,

Курильские о-ва, Сахалин, зона БАМа и Северный Кавказ. При отсутствии антисейсмических мероприятий в сложившейся застройке и недостаточном контроле за качеством строительства многих гражданских и промышленных зданий, 6-7 балльное землетрясение в России может стать катастрофическим для многих городов и населенных пунктов. Однако, до последнего времени сейсмической опасности России уделялось недостаточное внимание. Основные работы сейсмологов и специалистов по сейсмостойкому строительству проводились в республиках Средней Азии и Закавказья.

Интерес к проблемам последствий землетрясений в нашей стране многократно возрос после последних землетрясений в Сахалинской области: Шикотанского (5 октября 1994) и, особенно, Нефтегорского (28 мая 1995 г.), разрушевшего семнадцать пятиэтажных жилых зданий в поселке Нефтегорск и вызвавшего гибель около 2000 человек (при общей численности населения поселка около 3000). Главными причинами столь катастрофических последствий Нефтегорского землетрясения явились недооценка сейсмической опасности и несоответствие реальным природным условиям карты сейсмического районирования 1978 г. и, следовательно, действующих до последнего времени Строительных норм и правил, близость поселка к эпицентру, низкое качество строительства.

С 1995 года в России начата реализация Федеральной целевой программы по развитию сейсмологических наблюдений и прогнозу землетрясений (государственный заказчик МЧС РФ), в разработке которой участвовали ученые из научно-исследовательских институтов РАН, Роскомнедра и Минстроя России.

В этих условиях приобретает исключительно важное значение необходимость повышения надежности проектируемой и уже существующей застройки в сейсмоопасных районах при условии рационального расходования материальных средств и трудовых ресурсов на антисейсмические мероприятия.

Размеры и характер последствий землетрясений определяются множеством факторов, многие из которых оказывают влияние друг на друга. Определение вклада каждого из этих факторов в формирование полного ущерба от землетрясения позволило бы рационально планировать спасательные работы, мероприятия по антисейсмическому усилению существующих и размещению новых зданий и сооружений, определять страховые ставки; однако, в силу своей многофакторности, эта задача труднодостижима. В настоящее время существуют работы по оценке влияния отдельных факторов на различные составляющие полного ущерба от землетрясения. В данной работе предпринята попытка выявить комплексное влияние различных факторов на формирование одной из составляющих полного ущерба от землетрясения, а именно - прямого первичного ущерба для зданий.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка методики прогнозирования первичных последствий землетрясений, проявляющихся в техногенной сфере, а именно - прогноза степени повреждения зданий. При этом в работе изучаются только прямые первичные последствия от воздействия землетрясения на здания (различные деформации зданий вплоть до их разрушения, вызванные непосредственно сейсмическими колебаниями грунта) и ущерб, вызываемый этими последствиями (т.е. прямой первичный ущерб). Не рассматриваются повреждения зданий, вызванные вторичными последствиями землетрясений (хотя они могут быть значительными) и ущерб от землетрясений в природной и социальной сферах. Дополнительной целью исследований является выявление ущербообразующих факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс задач:

• провести анализ комплекса ущербобразующих факторов и разработать их классификацию;

• выделить основные факторы, формирующие прямой первичный ущерб зданиям при землетрясении;

• определить параметры, наилучшим образом описывающие эти факторы;

• провести сбор и анализ информации о макросейсмических последствиях конкретного разрушительного землетрясения; выбрать аналитический метод обработки макросейсмических данных и программную базу его реализации;

• разработать методику оценочного прогнозирования последствий землетрясений; провести по разработанной методике прогноз повреждений зданий от потенциального землетрясения на примере какого-либо населенного пункта в сейсмоопасной зоне; разработать методику районирования геологической среды сейсмоопасных территорий.

Объектом исследований является подвергающаяся сейсмическому воздействию природно-техническая система (ПТС), под которой понимается система инженерного сооружения (комплекса инженерных сооружений) с частью геологической среды в зоне его (их) влияния, имеющей операционально фиксированные пространственно-временные границы [4, 5].

Предметом исследований являются данные о свойствах элементов природно-технической системы и силе сейсмического воздействия, определившие уровень повреждения технической подсистемы (зданий) в результате землетрясения.

Диссертационная работа основана на применении вероятностно-статистических методов обработки данных по повреждению зданий при землетрясении (множественного линейного регрессионного анализа).

В работе анализируются данные по разрушению жилых и общественных зданий в населенных пунктах Охинского района Сахалинской области в результате Нефтегорского землетрясения. Используемые материалы были

собраны сотрудниками Лаборатории проблем риска вторичных процессов в сейсмоактивных зонах литосферы Института литосферы РАН, в том числе автором данной работы, при проведении обследования зданий и во время работы с архивными материалами различных организаций - СахалинТИСИЗа, Сахалингражданпроекта, Института морской геологии и геофизики (ИМГиГ) ДВО РАН и др.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Установление, анализ, обобщение и классификация основных природных и техногенных ущербообразующих факторов, формирующих совокупный ущерб при землетрясении. Выделены факторы сейсмической Опасности и сейсмической уязвимости, а также факторы, формирующие первичный, вторичный и косвенный ущербы.

2. Методика аналитической оценки вклада основных ущербообразующих факторов в степень повреждения зданий при землетрясении на основе множественного регрессионного анализа.

3. Методика прогнозирования степени повреждения зданий с учетом выявленных основных природных и техногенных ущербообразующих факторов.

4. Методика районирования геологической среды города по статистическому коэффициенту геолого-сейсмической опасности, разработанная на основе учета важнейших природных ущербообразующих факторов (на примере территории г. Корсакова).

1. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ

1Л. Современные представления о сейсмической опасности, уязвимости и риске

Землетрясения - одни из наиболее опасных стихийных бедствий, причем как по причиняемому экономическому ущербу, так и по числу человеческих жертв.

Понятие сейсмического риска возникло в сейсмологии и первоначально определяло оценку вероятности превышения в определенном районе заданной сейсмической интенсивности за определенный промежуток времени. Позже сейсмический риск стали связывать с последствиями землетрясений, понимая его как вероятность полного ущерба обусловленного повреждениями объектов и экономическими убытками за определенный период времени.

На IV Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Югославия, 1978 г.) было предложено различать понятия сейсмической опасности и сейсмического риска.

Говоря о сейсмической опасности, имеют в виду сам факт подверженности данной территории и расположенных в ее пределах объектов землетрясениям. Сейсмическая опасность рассматривается как система вероятностей возникновения сейсмических колебаний разной интенсивности на определенном участке поверхности Земли в определенный период времени [6-9]. .

Сейсмический риск связывается с результатами воздействия землетрясения на человеческое общество и определяется как вероятность потерь на определенном участке земной поверхности за определенное время под влиянием землетрясений определенной интенсивности.

Сейсмический риск для какого-либо объекта зависит как от сейсмической опасности, так и от степени уязвимости этого объекта, определяющейся возможной величиной удельных потерь в случае

землетрясения определенной интенсивности. Под удельными потерями при этом понимаются потери при землетрясении, отнесенные к первоначальному состоянию объекта.

Степень уязвимости может быть определена для любого объекта, вне зависимости от того, подвержен он влиянию землетрясений или нет.

В последние годы сформировался целостный подход и понятийный аппарат в области оценки сейсмического риска для зданий и сооружений. Приведем ниже основные определения [9]^/

Прямые потери - стоимость восстановления здания (сооружения) до того момента, в котором оно находилось до землетрясения, или же стоимость его сноса и строительства нового такого же здания на месте разрушенного.

Удельные потери - отношение стоимости восстановления или замены здания (сооружения) к его общей первоначальной стоимости.

Степень уязвимости здания (VI) - удельные потери при интенсивности колебаний 1.

Риск (Я) - вероятность потерь за определенный период времени.

Удельный риск (Яу) - вероятность возникновения удельных потерь за определенный период времени, определяемый по формуле: ЧУ.РДт,

где Р; - вероятность сейсмических колебаний интенсивностью { в основании зданий (сооружений) за определенный период времени.

Сейсмическая опасность, как и степень уязвимости, являются не конечными величинами, а функциями от сейсмической интенсивности.

Сейсмическая интенсивность определяется как статистическая мера эффекта воздействия землетрясения на совокупность объектов на поверхности Земли, т.е. она характеризует силу землетрясения на конкретной территории.

Сейсмическая интенсивность выражается в баллах по Международной модифицированной сейсмической шкале (ММ8К-86) и определяется по макросейсмическим данным о реакции объектов природной, техногенной и

социальной сфер (зданий, сооружений, людей и животных, предметов быта, элементов грунта и рельефа) на землетрясение, а также по инструментальным и сейсмологическим данным [10, 11, 12].

Для определения интенсивности землетрясений по поведению зданий и сооружений в шкале ММ8К-86 приведены классификация по типам несейсмостойких и сейсмостойких зданий (сооружений) и классификация степеней повреждения зданий. Выделяется шесть степеней повреждения - от нулевой, означающей отсутствие видимых повреждений, до пятой (обвалов).

Макросейсмический эффект землетрясений (выражающий реакцию природных и природно-технических систем на произошедшее землетрясение) определяется как характеристикой сейсмической опасности, так и характеристикой сейсмической уязвимости объектов природной, техногенной и социальной сфер в зоне ощутимых колебаний.

Под зоной ощутимых колебаний понимается территория, в пределах которой проявляется макросейсмический эффект землетрясения. Определение границ этой зоны носит несколько условный характер и связано с целью проводимых исследований. Так, для анализа поведения зданий и сооружений нижняя граница балльности может в большинстве случаев быть принятой в 6 баллов, а для выявления социальных эффектов землетрясения эту границу можно снизить до 3...4 баллов, являющихся порогом чувствительности людей. Соответственно будет изменяться и площадь изучаемой зоны.

1.2. Виды сейсмических воздействий и последствий

Первичные воздейств�