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GIS技术在黄河郑州段砂土液化评价中的应用摘要：砂土液化研究是一项复杂的系统的工作，是工程地质界重要的研究方向。本文简单的阐述了GIS特点及其功能，在综合了液化判别规范的基础上提出液化安全系数法，并借助GIS相关理论和方法，以ArcGIS软件为平台在黄河郑州段工程实例中得以应用,实现了对区域的砂土液化分级预测,为基于有限资料下的大区域砂土液化判别及预测提供了可行有效的途径。关键词：GIS；砂土液化；安全系数评价；工程地质Exploration on Application of GIS Technology in Evaluation Regional Sand Liquefaction of Zhengzhou section of the Yellow River VillageAbstract: The sand liquefaction problem is a complex systemic work, and is an important research direction for geotechnical engineering In Engineering geological community. This paper describes simply features and functions of The GIS, the method of safety coefficient of liquefaction is proposed based on the criterions of liquefaction distinction, and this method is applied to the example in virtue of the correlative theory and method of GIS, and regarding the ArcGiS software as a platform, the sand liquefaction classify prediction of research regional area is completed and this provides a feasible effective way for sand liquefaction distinction in large region based on limited information.Keywords: GIS; Sand liquefaction; Evaluation of the safety coefficient; Engineering geological1 引言1.1 关于GIS地理信息系统(Geographic Information System简称GIS)是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一项新兴技术，是一个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的计算机信息系统。它可将表格式的属性信息和地图式的图形信息结合起来在计算机内组织成一个既反映数量特征又反映拓扑特征的地理信息数据库1。GIS的功能由5个组成部分提供：用户接口、系统数据库管理、数据输入、空间数据处理和分析、数字或专题图形输出。其优势在于把各类实体的空间数据都投影到同一地理坐标系下，把所有的属性数据和空间数据有机地联系起来，同类实体按表(图层)的方式存储在一起，这种信息的表达方式更接近自然实体的客观状态。在地学问题的研究中，它所提供的数字地面模型、拓扑叠加功能、网络分析模型等都得到了广泛的应用。1.2 砂土液化和安全系数液化判别法砂土液化是指饱和砂土在振动作用下表现出液体性质的一种现象，能够导致建筑物的基础失稳，从而造成工程失事，是工程地质领域常遇到的问题。安全系数砂土液化判别法是基于规范规定2的方法，即标准贯入锤击法(SPT)，原因是：借鉴边坡工程中对边坡稳定分析时使用的安全系数的理念，以便简单、准确地来表征事务的状态；规范中砂土液化判别公式变换的可行性；便于在GIS相关软件中的应用，以便作出液化分级可视化评价。规范中砂土液化判别分为2个步骤：初判和复判.当不满足初判条件可能发生液化时,需进行复判,复判的公式为： 对式两边同除以标准锤击数临界值，引进砂土液化安全系数，令 式中的物理意义是实测标贯值与临界标贯值之比。当1时，砂土不发生液化；当 1时，则砂土液化,故其能够表征砂土是否发生液化。为了能对砂土液化的结果进行分级，采用液化指数 I LE的算法 根据计算所得的的值对砂土液化进行分级3,分级标准见表1。表1 液化等级分级标准Table 1 The grading standards of liquid level 判别深度/m轻微中等严重15202 GIS在黄河郑州段保合寨东坝头砂土液化评价中的应用2.1 实例简介黄河郑州段保合寨东坝头,东西长约11.5km,南北长约3km,面积约为34.5 km2,工程区地震动峰值加速度为0.15g(相应的地震基本烈度为度)，动反应谱特征周期为0.35s。地下水埋深一般为1.82.2m,年地下水变化幅度约为1m，该区域内有保合寨和东坝头下延两处控导工程,花园口险工及黄河大提等防洪设施，工程全部坐落于沙基上,这给砂土液化研究提供了得天独厚的条件。根据已有现场勘测数据的情况,确定研究区域砂土液化判别的深度为地面以下15m范围内,且需进行复判。根据保合寨、花园口及东大坝 3个地区的现场钻孔资料以及 GIS的应用需要,在15m判别深度内,分为 4层来进行叠加分析,即在每个钻孔深度3.5、7.5、11.4和14m内获得SPT值,然后按式计算并叠加,亦可称为分层总和法.在该研究区域中共整理获得21个钻孔资料 ,其中保合寨、 花园口及东大坝3处各7个。2.2 具体评价分析过程以目前最为流行的ArcGIS 9作为操作平台，对该区域砂土液化做出具体的分析评价。2.2.1 空间数据处理首先对研究区域的地形数据进行矢量化处理,即数据格式转换成Shapefile数据；然后利用ArcToolbox中的 Clip工具进行数据裁切,以获得真正需要的地理数据。2.2.2 空间数据库建立根据现场的标贯试验资料,按照公式和计算出每一层的校正后的实测标贯值N63.5和标贯锤击数临界值Ncr。每个钻孔的地理坐标可以通过全站仪或动态 GPS获得.将这些获得的数据录入到 Excel中,数据包括编号、孔号、X坐标、Y坐标、N63.5和Ncr ,每一层数据存储为 1个文件名.通过 ArcCatalog的Personal Geodatabase工具,建立名为STYH.mdb的数据库.在 ArcMap中通过Tools Add XYData,将 Excel表中数据导入 ,将生成得的Shapefile文件通过ArcCatalog置入所建的STYH.mdb,即完成空间数据库的建立.2.2.3 空间插值在ArcGIS中提供了多种空间插值方法,选择目前最常用的普通克里格法(OrdinaryKriging),主要是因为它能提供预测误差4。插值前先进行数据正态分布检验,不符合的需进行数据变换；然后利用GeostatisticalAnalyst GeostatisticalWizard向导来进行空间插值。在半变异函数(Semi2va riogram)/协方差函数(Covariance)模型窗口中选择半变异函数理论模型,选择的是否适当将直接影响空间插值的精度。选择半变异函数模型优劣的评价标准是:标准平均值最接近0,均方根预测误差最小,平均标准误差最接近均方根预测误差,标准均方根预测误差最接近1.各层的插值模型选择见表2.2.2.4 空间分析主要包括栅格计算和重分类计算.利用Spatial Analyst Raster Calculator按式计算各层的液化安全系数F,对于F大于1的按式Fi-Abs(Fi-1)+1/2再进行栅格计算,使得F大于1的全部取1.然后按式(5)进行ILE的栅格计算,最后按ILE的取值进行栅格重分类,最终的区域液化等级预测结果如图1所示。图1 黄河郑州段保合寨东大坝区域砂土液化等级预测图Figure 1 Baohe to Dongda Dam Zhengzhou section of the Yellow River Village area liquefaction level forecast chart2.2.5 评价结果分析利用ArcGIS的空间分析模块中的区域统计功能(Zonal Statistics),对生成的砂土液化预测结果做进一步分析，其中未液化面积20.07km2;轻微液化面积13.7km2;中等液化面积0.89km2,分布情况如图2所示。图2 整个研究区域砂土液化等级分布Figure 2 the study area the distribution of soil liquefaction levels throughout从图1和图2来看,基于GIS的液化安全系数法所得出的该研究区域的砂土液化等级分布呈交叉状,以未液化和轻微液化为主,占整个研究区域面积的97%,区域内不存在砂土严重液化现象;中等液化区主要分布在花园口水文站处及东大坝下延工程区,黄河滩区控导工程、黄河大堤及险工等防洪工程区内均存在轻微液化现象.表2 液化数据半变异函数模型选择表Table 2 liquefied data semivariogram model selection table插值数据半变异函数模型半变异函数SPT1NcrRationalQuadratic模型21.5793*RationalQuadratic(3316.6)+443.263*NuggetN63.5RationalQuadratic模型2.2393*RationalQuadratic(10022)+35.5283*NuggetSPT2Ncr高斯模型8.10953*Gaussian(10022)+9.39293*NuggetN63.5指数模型0.0319563*Exponential(2417)+0.099173*NuggetSPT3Ncr圆状模型2215.13*Circular(445.59)+0*NuggetN63.5K-Bessel模型0.112813*K2Bessel(9598.6,0.40554)+0*NuggetSPT4Ncr指数模型0.0586963*Exponential(5642.7)+0*Nugget3 结论和建议砂土液化研究是一项复杂的系统的工作,准确、快速的液化判别是砂土液化评价的核心内容。在综合了液化判别规范的基础上提出液化安全系数法,并以ArcGIS软件为平台在实例中得以应用,实现了对区域的砂土液化分级预测,为基于有限资料下的大区域砂土液化判别及预测提供了可行有效的方法。GIS技术在砂土液化分析中的应用还属于一个探索阶段,如何选择合理的空间插值的参数模型及在插值过程中考虑地形地貌等其他影响液化的因素,需要进一步研究。随着把GIS应用于工程地质中，可以及时准确地进行工程监测和评价，GIS应用于区域工程地质问题的评价有许多优点，例如，数据采取便于更新或可以用于其他规划的形式，从而更容易理解；把空间特征与多种属性相结合时，计算机可避免一些人为操作的失误；另外，将不同特征的数据分层叠和还可以快速的进行方案的变更，短时间内完成多种方的比选等。GIS发展的趋势是与遥感技术（RS），卫星定位系统（GPS）等相结合，使得分析工程地质问题的能力提高到一个新的水平。GIS还可以应用于区域工程勘察、岩土工程、地质灾害总体评价等各个方面。同时也应重视基础资料的收集和必要的野外调查试验及室内分析试验，与传统方法相结合的GIS技术在工程地质中将会得到更广泛，更有效的应用。参考文献：1 郑贵洲地理信息系统(GIS)在地质学中的应用J地球科学中国地质大学学报， 23(4)，1998.72 中华人民共和国水利部.GB50287-99水利水电工程地质勘察规范S.北京:中国计划出版社,19993 中华人民共和国铁道部.GB50111-2006铁路工程抗震设计规范S.北京:中国计划出版社,20064 周小文,付晖.Kriging法在大区域场地砂土液化范围判别中的应用J.长江科学院院报,2005,22(4):48-515 朱瑞庚，刘波.GI