Разработка элементов автоматизации сейсмического микрорайонирования с использованием ГИС технологий

Представлена методика проведения сейсмического микрорайонирования (СМР) с использованием географических информационных систем (ГИС). Использование ГИС технологий существенно облегчает и ускоряет создание карт СМР – конечного результата работы.

Ключевые слова: землетрясение, ГИС, сейсмическое микрорайонирование.

Введение

Сейсмическое микрорайонирование (СМР) выполняется с целью количественной оценки влияния свойств грунтов на сейсмические колебания в пределах площадей расположения конкретных сооружений и на территории населенных пунктов. Выделение участков с различной сейсмичностью проводится на основе комплексного изучения сейсмических свойств грунтов, инженерно-геологических, гидрогеологических и сейсмотектонических особенностей территории [1]. В результате работ по сейсмическому микрорайонированию для объектов всех классов составляется карта сейсмического микрорайонирования.

Методику проведения СМР можно разделить на 4 этапа. Первый этап (подготовительный) включает в себя сбор геологической, сейсмологической, геофизической и топографической информации. На основании этих данных строится 3D модель исследуемой площадки (второй этап). Третий этап – расчет в каждой точке модели сейсмической интенсивности, с использованием различных расчетных методов [2], а также метода сейсмических жесткостей [3].

Заключительный этап СМР представляет собой создание карт сейсмического районирования, на которых отображаются области с разной сейсмической интенсивностью сотрясения в долях балла MSK-64. Карты сейсмического районирования служат для осуществления сейсмостойкого строительства, обеспечения безопасности населения, охраны окружающей среды и других мероприятий, направленных на снижение ущерба при сильных землетрясениях. Очевидно, что во входной и выходной информации (карты сейсмической опасности) содержатся данные географического положения (координаты, высоты), и, следовательно, использование ГИС в этом плане облегчает выполнение работ по СМР практически на каждом этапе. Таким образом, ГИС может быть использована для представления конечного результата работы – карты сейсмического районирования.

Сбор данных

Надежность получаемых на стадии СМР оценок напрямую зависит от качества и полноты исходной инженерно-геологической и инженерно-геофизической информации на исследуемой площадке. В связи с этим на первой стадии СМР используется комплекс инженерно-геофизических методов, позволяющий определить характеристики грунтовой толщи, необходимые для реализации инструментальных и расчетных методов СМР.

Геологическая информация представляет собой данные по бурению скважин: координаты, абсолютные отметки устья, количество и мощность слоев, уровень грунтовых вод. Эта информация берется из отчетов инженерно-геологических изысканий.

Каждому слою присваивается номер инженерно-геологического элемента (ИГЭ). За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же номенклатурного вида однородного по свойствам и состоянию. В соответствии с номером ИГЭ каждому слою присваиваются физико-механические показатели (плотность, предельное сдвиговое напряжение и т.д.) и скорости распространения P- и S- волн. Значения скоростей получают при обработке и интерпретации материалов сейсморазведочных работ (КМПВ, ВСП) [4]. Для дальнейшей работы в среде ГИС вышеуказанные данные должны быть представлены в виде базы данных или электронной таблицы. Пример входных данных для скважины показан в таблице 1.

Таблица 1

Пример входных данных для скважины

На этом же этапе происходит импорт и визуализация данных по скважинам в среду ГИС. Наряду с этой информацией отображаются топографические данные: линии высот поверхности, границы исследуемого участка и положения существующих и проектируемых строений на данной геоплощадке (рис. 1).

В большинстве случаев входные данные по скважинам могут относиться к большей области, чем область, на которой выполняется СМР. Выбор необходимых данных осуществляется с помощью ГИС-программы, инструменты которой предоставляют широкие возможности для использования графических средств, в частности, для выделения географических границ исследуемой области.

Рис. 1. Первичная визуализация входной информации,

представляющая данные по бурению скважин

Построение геологической 3Dмодели исследуемой геоплощадки

Для дальнейшего численного моделирования реакции геологической среды на сейсмические воздействия на основе вышеизложенных данных выполняется построение 3D модели геологической среды площадки с некоторым шагом.

Средствами ГИС создается сетка, каждая точка которой географически привязывается по высоте и координатам к данной площадке. Далее, на основании данных по бурению и инженерно-геологических разрезов в каждой точке задается количество и мощность слоев (рис. 2). Эти данные являются входными для последующего расчета сейсмической интенсивности.

Рис. 2. 3D модель геологической среды площадки исследований

Расчет сейсмической интенсивности

Расчет сейсмической интенсивности производится с помощью метода сейсмических жесткостей и различных программ, рассчитывающих колебание поверхности грунтовой толщи. Существуют различные методы расчета колебания грунтовой толщи на основе линейных уравнений [2], например, метод тонкослоистых сред – программа Grunt (ИФЗ РАН) и метод передаточных функций – программа WinShake (модификация SHAKE91 [6]).

Метод сейсмических жесткостей

Инструментальная оценка скоростных свойств сейсмореализующего слоя рассматривается как информационная база для расчета приращений сейсмической интенсивности. Оценка приращений сейсмической интенсивности по методу сейсмических жесткостей выполняется на основе измерения скоростей распространения сейсмических волн и значений плотностей в верхней (10 метровой) толще изучаемого и эталонного грунта с учетом влияния обводненности разреза.

Расчеты выполняются по формуле:

                                   J = J₀ + DJ_c + DJ_В,                                                                 (1)

где J – сейсмическая интенсивность в баллах с учетом местных условий, J₀ – исходная сейсмическая  интенсивность  в  баллах  в  привязке  к  средним  грунтовым   условиям  (II-категория по сейсмическим свойствам) по данным УСО; DJ_c – приращение сейсмической интенсивности за счет различия акустических жесткостей грунтов на изучаемом и эталонном участке

DJ_c=1.67lg (V_(p,s) p_э/ V_(p,s)ip_i),                                             (2)

где V_(p,s) и V_(p,s)i – средневзвешенные значения скоростей распространения продольных и поперечных волн для расчетной толщи на изучаемом и эталонном участке, p_э и p_i– средневзвешенные значения плотностей на эталонном и изучаемом участке; DJ_В – приращения сейсмической интенсивности за счет ухудшения сейсмических свойств при водонасыщении [32].

Численное моделирование в программе

Моделирование реакции геологической среды на воздействие землетрясений выполняется в программах WinShake и Grunt посредством пересчета ансамбля акселерограмм (WinShake) и велосилограмм (Grunt) через сейсмогеологические модели на дневную поверхность.

Алгоритмы программы Grut были адаптированы под задачи СМР, что позволило рассчитывать большие объемы информации в автоматическом режиме. Алгоритм программы WinShake состоит в последовательной обработке опций, заданных в командном файле, в котором описывается грунтовый разрез участка, динамические зависимости грунта, а также другие необходимые входные параметры. Для автоматизации вычислений написана подпрограмма генерации таких командных файлов.

Грунтовый разрез описывается как совокупность перечисляемых и нумеруемых сверху вниз слоев (включая полупространство), каждый из которых имеет свои механические параметры. Каждый слой может быть разбит на подслои одинаковой мощности с механическими параметрами своего слоя для выяснения свойств движения на нужной глубине разреза (все расчеты в программе выполняются для кровли подслоя).

Входное движение считывается из форматного файла. Нелинейное и неупругое поведение грунта при нагрузках, вызванных сильными движениями, описывается изменением модулей упругости и затуханием, которые обусловлены вызванной деформацией. Их значения определяются итеративно посредством приведения максимальной деформации к некоторой однородной для всего слоя.

Для проведения расчета каждому модельному участку составляется командный файл с входными параметрами для расчета. Для каждой модели проводятся расчеты с использованием синтезированных акселерограмм [5], акселерограмм аналогов и региональных записей землетрясений. В результате каждого расчета получаются численные характеристики.

Для каждой расчетной пары находится набор характеристик, в том числе:

–    пиковые ускорения PGA в долях g, определенные для заданных периодов повторяемости (максимальное значение модуля ускорения за время землетрясения);

–    длительность сейсмических колебаний для заданных периодов повторяемости;

–    периоды колебаний с максимальными пиковыми ускорениями.

Для пересчета пикового ускорения в интенсивность используется соотношение [7]:

                        I = 2.5 lg(PGA, см/с²) + 1.25 lg(d, c) + 1.05.                                   (3)

Построение карт сейсмического районирования

На последнем этапе на основе анализа результатов расчетных и инструментальных методов создаются карты сейсмического районирования [8]. В процедуре построения карт используются различные параметры выделения областей с одинаковой бальностью (например, кригинг, интерполяция сплайнами и др.), которые предлагаются в ГИС (рис. 3).

Заключение

Разработанная методика с использованием ГИС технологий существенно облегчает и ускоряет исследования, связанные с СМР. Построение 3D модели геологической среды позволяет повысить точность определения интенсивности сотрясаемости исследуемой площадки.

Расчет сейсмической интенсивности производится с помощью метода акустических жесткостей и численного моделирования – программ Grunt и WinShake. ГИС является основным инструментом создания карт СМР – конечного этапа разрабатываемой вычислительной методики.

Рис. 3. Создание карты сейсмического микрорайонирования в программе ГИС

Литература:

1.      Симонов К.В., Кабанов А.А., Бурцев А.А., Денисенко А.В. Мониторинг геодинамической опасности территории водохранилищ крупных ГЭС // Информатизация и связь. – 2013. – № 2. – С. 104–106.

2.      Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и больших строительных площадок / В.Б. Заалишвили [отв. ред. А.В. Николаев]; Центр геофизических исследований Владикавказского НЦ РАН. – М.: Наука, 2009. – 350 с.

3.      РСН 60-86 «Инженерные изыскания для строительства. Сейсмическое микрорайонирование. Нормы производства работ».

4.      Бондарев В.И. Основы сейсморазведки / В.И. Бондарев. Екатеринбург: Издательство УГГТА52003, 2003. – 332 с.

5.      Boore D.M. SMSIM – Fortran Programs for Simulating Ground Motions from Earthquakes: Version 2.0 – A Revision of OFR 96-80-A , U.S. Geological Survey Open-File Rep., 00-509, 2000 (http://geopubs.wr.usgs.gov/open-file/of00-509/).

6.      Idriss I.M., Sun J.I. SHAKE91 – A computer program for conducting equivalent linear seismic response analysis of horizontally layered soils. CGM research report. UC Davis, 1992.

7.      Аптикаев Ф.Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности. – М.: Наука и образование, 2012. – 176 с.

8.      Перетокин С.А. Использование программно-алгоритмического аппарата методики ОСР-97 в задачах детального сейсмического районирования // Геология и геофизика Юга России. – 2015. – № 1. – С. 59–62.