РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА ИНСТИТУТ СЕЙСМОЛОГИИ

ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ И СЕЙСМИЧЕСКОГО РИСКА

Москва

1997

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА ИНСТИТУТ СЕЙСМОЛОГИИ

ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ И СЕЙСМИЧЕСКОГО РИСКА

Пособие для должностных лиц

Москва

1997

оценок опасности в этих зонах, т.е. предлагает то, что нужно для планирования мероприятий по уменьшению сейсмического риска в государственном и региональном (субрегиональном) масштабах. ОСР проводится на основании данных сейсмологии, геологии, геофизики, геодезии и других областей науки [Методические..., 1974; Сейсмическое..., 1980].

Цель ДСР — изучение сейсмогенерирующих структур, представляющих опасность для конкретного объекта. Необходимость более детальных исследований связана с особой ценностью объекта и/или с тем, что повреждение объекта может представлять угрозу для здоровья и жизни людей и окружающей среды, нанести существенный материальный ущерб. Под объектом при ДСР понимается как отдельное сооружение, так и комплекс сооружений, населенный пункт или район перспективного народнохозяйственного освоения.

Методическими рекомендациями по ДСР предусмотрено проведение ДСР двух классов [Методические..., 1986]. ДСР I-го класса проводится в радиусе 25 км от внешней границы объекта без ограничений по рангу картируемых структур. При ДСР И-го класса картируются зоны ВОЗ с Л/ >5.1 в радиусе до 100 км. Значения радиусов выбраны так, чтобы землетрясения с магнитудами Af <5.1 на расстоянии свыше; 25 км и с М < 6.1 на расстоянии свыше 100 км вызывали сотрясения на площадке объекта со средними грунтовыми условиями не более 6 баллов с вероятностью 0.9.

При ОСР и ДСР изучаются зоны ВОЗ, т.е. источники сейсмической опасности, а также локальные зависимости параметров сейсмических воздействий от расстояния и характеристик очагов и среды. При ОСР основным элементом карты является балл шкалы сейсмической интенсивности; при ДСР, кроме того, производится прогнозная оценка параметров сейсмических колебаний: максимальных амплитуд ускорений, скоростей, смещений, спектрального состава и продолжительности колебаний.

Задача СМР состоит в оценке влияния местных грунтовых условий на очаговое сейсмическое воздействие [Джурик и др., 1988]. Под местными условиями понимаются особенности рельефа, состав и строение среды, наличие грунтовых вод и другие факторы, влияющие на сейсмический эффект. Влияние местных условий нельзя рассматривать в отрыве от характеристик очаговых воздействий, изучаемых при ДСР. Влияние местных условий может быть различным в зависимости от углов подхода сейсмических волн, их поляризации, спектров и др. Особое внимание при СМР уделяется прогнозу вторичной геологической опасности, связанной с землетрясениями (разжижение грунта, просадки, оползни, обвалы и др.).

ОСР, ДСР, СМР являются составными частями работ по оценке сейсмической опасности. Результаты работ по оценке сейсмической опасности представляются в виде карт, как правило, в изолиниях сейсмических воздействий с определенной повторяемостью.

При выборе параметров сейсмических воздействий применительно к условиям России следует принимать вс внимание следующие обстоятельства:

1. В существующих ныне строительных нормах и правилах балл сейсмической шкалы используется в качестве определяющего параметра сейсмической опасности.

10

2.    Балл сейсмической шкалы хотя и является в известной мере описательной характеристикой, однако, будучи оцениваемым по степени повреж-денйй зданий и сооружений, прямо описывает сейсмический эффект.

3.    В отличие от весьма малочисленных инструментальных данных о колебаниях грунтов при сильных землетрясениях имеется значительный объем макросейсмических данных о степени повреждений различных объектов, допускающих их статистическую обработку и выдачу результатов в вероятностном виде, необходимом при оценках сейсмического риска [Ляхтер и др., 1978; Ляхтер, Фролова, 1983; Ляхтер, Иващенко, 1986; Штейнберг и др., 1993].

Поэтому балл сейсмической шкалы остается и в будущем в качестве одной из основных характеристик сейсмических воздействий.

На разных стадиях работ по оценке сейсмической опасности используются следующие исходные данные.

1.    Для выявления зон ВОЗ:

-    исторические сведения о землетрясениях;

-    результаты инструментальных сейсмологических наблюдений;

-    геоморфологические признаки, в том числе палеосейсмологические данные;

-    данные о разломной тектонике;

-    интенсивность новейших и современных движений земной коры по геологическим данным;

-    интенсивность современных движений земной коры по геодезическим данным;

-    аномалии геофизических и других полей.

2.    Для оценки максимальной магнитуды землетрясения:

-    исторические сведения о землетрясениях;

-    результаты инструментальных сейсмологических наблюдений;

-    оценки мощности сейсмоактивного слоя;

-    данные о корреляции максимальных магнитуд с сейсмической активностью;

-    данные о корреляции максимальных магнитуд с размерами геологических структур или элементами этих структур;

-    сведения о корреляции максимальных магнитуд с характеристиками аномальных зон, выделенных с применением методов геологии, геофизики, геохимии, геодезии.

3.    Для оценки повторяемости сотрясений:

-    исторические сведения о землетрясениях;

-    результаты инструментальных сейсмологических наблюдений;

-    ограниченно, сведения о тектонике и палеосейсмологии;

-    данные о характере трещиноватости горных город;

-    данные о количестве речных террас.

4.    Для оценки сейсмических воздействий:

-    данные о корреляции параметров движений грунта с баллами шкалы сейсмической интенсивности и др. макросейсмическими признаками;

-    записи сильных движений при местных землетрясениях;

-    записи слабых местных землетрясений, экстраполированные в область сильных движений по эмпирическим закономерностям;

- расчетные оценки с использованием корреляционных соотношений между параметрами сейсмических воздействий и характеристиками очагов (магнитуда, глубина, расстояние, "жесткость" подвижки, т.е. соотношение низкочастотной и высокочастотной составляющих сейсмического излучения, тип подвижки, характеризующийся коэффициентом Лоде-Надаи, скорость развития разлома, сброшенное напряжение), тип среды, вмещающей очаг (осадочный чехол, кристаллический фундамент, кора, верхняя мантия), геофизические характеристики среды, вмещающей очаг ^ плотность, скорости распространения сейсмических волн), раздробленность среды (количество разломов на единицу площади), простирание геологических структур, коэффициенты уравнения макросейсмического поля, коэффициенты уравнений волновых полей, резонансные и другие свойства грунтов.

При оценке потерь от землетрясений необходимо учитывать не только опасность, связанную с разрывами на дневной поверхности и сейсмическими колебаниями, но и другие виды геологической опасности, спровоцированные землетрясениями.

ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Землетрясения сопровождаются многочисленными вторичными последствиями (табл. 5), ущерб от которых может быть весьма существенным. Известны случаи, когда именно вторичные процессы ответственны за основную массу жертв и убытков.

Таблица 5. Последствия вторичных воздействий землетрясений

12

При землетрясении в сентябре 1923 г. большая часть жителей Токио погибла от пожара, а не от обрушения легких домиков. Землетрясение 23 января 1556 г. в провинции Щэньси сопровождалось гибелью 830 тыс. человек из-за обвалов лессовых пещер. Во время землетрясения 31 мая 1970 г. в Перу, на склоне горы Уаскаран, в 130 км от очага землетрясения, сотрясения расшатали скалы и лед, превратившиеся в каменно-ледяную лавину. Промчавшись со скоростью 200 км/ч по длинной долине, лавина разрушила 2 городка, погибло 25 тыс. человек — почти все население.

Во время землетрясения 1971 г. в Сан-Фернандо возникли сотни малых оползней в горах Сан-Габриэль, разрушивших дороги, дома и различные сооружения.

Отклики Ташкентского землетрясения 26 апреля 1966 г. и двух сильных 7-балльных афтершоков (9 и 24 мая) 5 июня 1966 г. вызвали проседание гребня плотины озера Яцинкуль в Средней Азии. 18 июня произошел прорыв плотины, в результате которого огромная масса воды объемом 6.5 млн м³, разрушив центральную часть плотины, выдавив и размыв около 3 млн м³ грунта, обрушилась в долину реки Тегермеч. Прорывный паводок трансформировался через 1.5 км от завала в водокаменный сель высотой до 12 м.

В качестве основных принципов систематизации вторичных воздействий и последствий землетрясений используются: генезис, последовательность, направленность, продолжительность, распространенность (табл. 6). По генезису все вторичные воздействия и последствия можно объединить в две группы: природные и техногенные, хотя последствия при этом могут быть природными, природно-техногенными, техногенными, социальными.

Вторичные воздействия и, соответственно, их последствия могут возникать сразу в момент подземных толчков. Например, завал от разрушенного здания одновременно может стать причиной нарушения транспортной доступности. В последующие часы возникают последствия второго и последующих уровней: нарушение работы служб аварийной и медицинской помощи и связанные с этим дополнительные человеческие жертвы и т.д.

По продолжительности вторичные последствия делятся на мгновенные (смерть человека, разрушение здания от взрыва), кратковременные (пожар в разрушенном при землетрясении доме) и длительные, которые часто носят скрытый характер, например хронические заболевания, вызываемые психическим травматизмом в момент землетрясения и в связи с потерей близких. Другим примером может служить сейсмогенное оживление оползня через 2-3 недели после землетрясения.

Характеру воздействий соответствует и тип вызываемых ими последствий: необратимые (например, катастрофическое поражение людей ядовитыми веществами), трудно обратимые (завал дороги и до.) и обратимые (повреждения растительности и др.).

Последствия в соответствии с характером объектов и их устойчивостью к тому или иному виду вторичного воздействия могут проявляться на значительной площади (затопление, загрязнение территории), носить локальный площадной (завал) или линейный характер (повреждение подземных коммуникаций и др.).

13

Таблица 6. Систематизация последствий вторичных воздействий землетрясений

Основные принципы систематизации Воздействия Последствия По генезису Природные Техногенные Природные Природно-техногенные Техногенные Социальные Природно-техногенные Техногенные Социальные По последовательности возникновения В момент подземных толчков В течение 2-3 ч после подземных толчков Спустя 3 ч после подземных толчков Первичные (первого уровня) Вторичные (второго уровня) Третичные (третьего уровня) По направленности Непосредственные Опосредованные Прямые Косвенные По продолжительности явления В момент воздействия В течение 2-3 ч после воздействия До конца ликвидации последствий Мгновенные Кратковременные Длительные По интенсивности Допустимые Ликвидируемые Катастрофические Обратимые Трудно обратимые Необратимые По характеру распространения Определяются не только интенсивностью воздействия, но и параметрами реципиентов Локальные Линейные Площадные

В городе, когда землетрясение может стать причиной аварий на многих объектах, возникает чрезвычайная ситуация в виде цепной реакции воздействий и их последствий на различных уровнях.

Вторичные воздействия приносят огромный ущерб, оценка которого в настоящее время — трудно выполнимая задача из-за сложных связей и многообразия внутренних и внешних факторов, одновременно влияющих на ущерб.

УЯЗВИМОСТЬ

В крупных городах наиболее остро возникает проблема уязвимости населения. Чем больше город, тем быстрее он развивается и тем сложнее проблемы совершенствования управления и контроля. Спрос на землю в черте города и за его пределами порождает географическую экспансию. Зна-

14

чительная часть городского населения может проживать в районах, подверженных различным видам природных опасностей.

Когда происходит сильное землетрясение, намного труднее организовать поисковые, спасательные и восстановительные работы в крупных городах с недостаточно обоснованным с точки зрения сейсмической опасности развитием территории и строительством.

Уязвимость городского жилья во время землетрясений существенно зависит от типа застройки и инфраструктуры города. Разные типы зданий характеризуются разной уязвимостью. Например, кирпичные здания чаще разрушаются при землетрясениях под воздействием сильных колебаний грунта, нежели более легкие сооружения или железобетонные каркасные сооружения. Оценки уязвимости разных типов сооружений часто используется для прогноза числа погибших и раненных при ожидаемом событии, поскольку между ними существует сильная корреляция.

Ниже приводится перечень зданий, сооружений и элементов инфраструктуры наиболее уязвимых при природных катастрофах:

•    старые жилые здания, построенные по устаревшим строительным нормам и правилам, и, как правило, плохо сохранившиеся к настоящему времени;

•    здания, построенные до введения специальных требований по контролю качества строительства;

•    спонтанно возникшая застройка в районах с потенциальной сейсмической и вторичной геологической опасностью, где здания спроектированы и построены без учета мероприятий по сейсмостойкости;

•    современные здания и сооружения, построенные .по проектам, не отвечающим требованиям действующих нормативных документов, и характеризуемые низким качеством строительства;

•    медицинские учреждения, не рассчитанные на прием большого количества пострадавших от землетрясения;

•    школы и другие общественные здания, построенные по устаревшим нормам и правилам;

•    мосты и путепроводы, насыпи и дренажные трубы, построенные по проектам, не отвечающим требованиям действующих нормативных документов, получают серьезные повреждения во время землетрясений и затрудняют эвакуацию пострадавших, передвижение спасателей, доставку предметов первой необходимости в пострадавшие районы; к такому же эффекту приводят и узкие улицы, заваленные после землетрясения разрушенными домами;

•    системы водоснабжения;

•    канализационные системы;

•    линии электропередач и системы энергоснабжения;

•    газовые магистрали.

Повреждение зданий и сооружения, а также отдельных элементов инфраструктуры оказывает на население как непосредственное, так долгосрочное воздействие. Прямой эффект состоит в гибели людей и получении травм и ранений от обрушения зданий и сооружений во время землетрясения. Долгосрочный эффект связан с болезнями, потерей трудоспособности, гибелью людей из-за отсутствия или недостаточной медицинской помощи.

неэффективной эвакуацией пострадавших, недостатком временного жилья и запасов воды, продовольствия, электричества и топлива.

Экономические потери, вызываемые землетрясениями и сопровождающими его явлениями и процессами, подразделяются на прямые и косвенные, вторичные и долгосрочные.

Прямой экономический эффект. Прямой экономический эффект (потери) вызывается повреждением отдельных элементов инфраструктуры, повреждением или разрушением материальных ценностей, зданий и сооружений во время землетрясения; эти потери относительно легко можно рассчитать и составить сценарий землетрясения определенной интенсивности.

С развитием городской застройки возрастают промышленные и производственные мощности. Соответственно становится больше риск прямых потерь.

Косвенные экономические потери. Косвенные экономические потери связаны с нарушением сроков и объемов производства (из-за потери здоровья и гибели рабочих, сбоев в функционировании элементов инфраструктуры и сферы обслуживания), с нарушением коммерческой и финансовой деятельности, сокращением расходов и объемов потребления населением. Эти факторы могут вызвать цепную реакцию уменьшения доходов и увеличения безработицы.

Даже незначительное событие, которое может вызвать повреждения одного или двух мостов или железнодорожных путей, может повлечь за собой значительные сбои (задержки) в работе транспорта. Потенциальные экономические потери, связанные с задержками транспорта или нарушением транспортных систем, могут быть оценены через стоимость ежедневных потерь в торговле и коммерции.

По мере снижения товарооборота косвенные потери увеличиваются, что может привести к экономической депрессии. Например, землетрясение в январе 1994 г. в Нор-ридже (США) привело к потери прибыли в размере 308 млн долл, только от отказа туристов посетить Лос Анжелес в 1994 г.

Вторичные экономические потери. Они возникают как следствие других эффектов самого события:

•    нарушения в снабжении водой или в функционировании общественного здравоохранения, повышающие риск возникновения эпидемий;

•    недостатка продовольствия или других товаров, ведущего к увеличению роста цен и, возможно, инфляции;

•    сокращения объемов финансирования социальной сферы, образования, экономической деятельности из-за сокращения доходов и необходимости финансирования восстановительных и строительных работ;

•    увеличения цен из-за повышенного спроса на строительные материалы и квалифицированную рабочую силу.

Долгосрочные экономические потери. К ним можно отнести потери международных инвестиций и зарубежных рынков, разрушение отдельных отраслей промышленности, увеличение дефицита бюджета и падение национального годового дохода. Степень долгосрочных экономических потерь можно охарактеризовать временем, необходимым для восстановления экономики города, района, области до уровня, который был перед катастрофой.

ОЦЕНКА УЯЗВИМОСТИ

Уязвимость наиболее просто определяется для зданий и сооружений: как отношение стоимости восстановления к его первоначальной стоимости. Процедура оценки уязвимости предполагает следующие этапы работ:

•    классификация объектов (элементов) риска по их внутренним свойствам и, главное, по степени их реакции на заданное сейсмическое воздействие;

•    паспортизация объектов на заданной территории, т.е. отнесение каждого объекта к тому или иному классу, оценка его стоимости и т.д.;

•    определение функций уязвимости для каждого класса объектов, т.е. оценка соотношения между сейсмическим воздействием и степенью ущерба.

На практике классификация объектов осуществляется по шкалам сейсмической интенсивности (люди, животные, здания типа А, Б, В и др.). Но ввиду отсутствия в шкале ГОСТ 6249-52 новых сейсмостойких зданий и сооружений, в том числе современных линий жизнеобеспечения, трубопроводов, транспортных сооружений и др., при проведении работ по оценке уязвимости и сейсмического риска необходимо введение новых классов объектов. В Приложениях 1-3 приведены шкала ГОСТ 6249-52, утвержденная в качестве государственного стандарта в 1952 г., более поздняя неофициальная шкала MSK-64, а также таблица значений ускорений колебаний грунта при интенсивности сотрясений 1=6, 7, 8 и 9 баллов, используемых в различных шкалах.

При проведении паспортизации сооружений для- уменьшения объема работ на региональном или городском уровне они также подразделяются на соответствующие классы. В свою очередь, эти классы сооружений могут подразделяться на подклассы в соответствии с их физическими, и механическими характеристиками, такими как несущая основную нагрузку система, архитектурные компоненты, материалы конструкции, срок службы сооружения и др. В настоящее время в нашей стране и за рубежом имеются различные методики проведения паспортизации сооружений, отличающиеся в деталях [Восстановление..., 1988; Инструкция..., 1987; Методические..., 1980, 1989; Правила..., 1988; Положение..., 1990; Рашутина, 1987; СНиП, 1987]. В целом же процедура паспортизации сооружений и объектов иной природы предусматривает обязательные этапы:

1)    подразделение изучаемой территории (город/регион) на зоны;

2)    классификация объектов в пределах каждой зоны;

3)    определение количества объектов каждого класса в каждой зоне;

4)    определение функции уязвимости объектов каждого класса. Функция уязвимости, связывающая степень ущерба с уровнем сейсмического воздействия, определяется, в основном, эмпирическим путем. Изучаются инженерные последствия сильных местных землетрясений, оцениваются коэффициенты повреждаемости d и потери для каждого класса объектов. Используется мировая статистика данных по ущербу для классов объектов, находящихся на изучаемой территории, в аналогичной сейсмогео-логической ситуации.

Описание степеней повреждений d зданий и сооружений, принятых в России, приводится в Приложении 2.

17

I 1 * к \1    (\\1    ^    ^л*    Ш ^di

Рис. 2. Функции уязвимости кирпичных зданий

do — нет повреждений; d\ — легкие повреждения; di — умеренные повреждения; d$ — тяжелые повреждения; (U, — разрушения; d$ — обвалы

По результатам инженерного обследования последствий землетрясений оценивается коэффициент повреждаемости Kd (средняя степень повреждения) для однотипных объектов:

Kd-£

где dj — степень повреждения зданий; щ — число однотипных зданий с повреждениями df, N — общее число зданий этого типа, в зависимости от интенсивности землетрясений.

Вероятностный характер степени повреждения зданий при заданном воздействии учитывается матрицами повреждаемости. Такие матрицы в неявном виде присутствуют в шкалах сейсмической интенсивности.

Необходимо проявлять осторожность при объединении различных наборов данных, относящихся на первый взгляд к зданиям однотипным, но имеющим различные конструктивные решения. Так, кирпичные здания в разных странах могут вести себя по-разному. Однако в целом такие функции уязвимости позволяют провести качественную оценку риска, определить уровень возможной повреждаемости данного типа сооружений (а следовательно, и оценить потери) при землетрясении заданной интенсивности (рис. 2) [Megacities...» 1995; Structures..., 1995].

Имеются попытки введения новых классов сооружений (до 7 классов) с оценками для них ожидаемых коэффициентов повреждаемости Kd = = {dj rij)/N, где di — степень повреждения зданий; л,- — число однотипных зданий с повреждениями df, N — общее число зданий этого типа в зависимости от интенсивности землетрясений (табл. 7). По шкале MSK-64 степень повреждения d имеет шесть градаций:

0    — отсутствие каких-либо повреждений;

1    — легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке, откалывание небольших кусков штукатурки;

18

Таблица 7. Ожидаемые коэффициенты повреждаемости Kd для различных типов зданий в зависимости от интенсивности землетрясений (по материалам Б.А. Кирикова)

Тип зданий Интенсивность /, баллы 6 7 8 9 А 2.0 3.0 4.0 5.0 Б 1.5 2.5 3.5 4.5 В 1.0 2.0 3.0 4.0 Г 0.5 1.5 2.5 3.5 д 0.5 1.0 2.0 3.0 Е — 1.0 1.5 2.5 Ж — 0.5 1.0 2.0

2    — умеренные повреждения: небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб;

3    — тяжелые повреждения: большие глубокие и сквозные трещины в стенах, падение дымовых труб;

4    — разрушения: обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса, проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями зданий;

5    — обвалы: полное разрушение зданий.

Здесь буквенными индексами обозначены здания различных типов:

А — здания с глинобитными стенами, со стенами из кирпича-сырца или рваного камня на глиняном растворе без деревянного каркаса;

Б — здания без антисейсмических мероприятий: из глиняного обожженного или силикатного кирпича или камней правильной формы на растворе марки 10 и ниже; здания типа А, усиленные деревянным раскосным каркасом;

В — здания без антисейсмических мероприятий: деревянные, каркасные с щитовым, заполнением с несущими стенами из кирпича или камней правильной формы на растворе марки около 25;

Г — крупноблочные и каркасные здания, имеющие неполное антисейсмическое усиление; деревянные рубленые дома;

Д — крупнопанельные здания, имеющие неполное антисейсмгческое усиление; здания, запроектированные на 7 баллов;

Е, Ж — здания, запроектированные на 8 и 9 баллов соответственно.

Поскольку степень повреждений зданий при заданном воздействии носит вероятностный характер, то сделаны попытки ввести матрицу вероятности повреждения зданий (табл. 8 9).

На основе анализа обследования последствий сильных землетрясений мира сделана экспертная оценка уязвимости транспортных сооружений (насыпи, выемки, верхнее строение пути, твердое дорожное покрытие, мосты, тоннели, галереи, подпорные стены, трубы, опоры контактной сети) (табл. 10).

19

Брошюра подготовлена на основе результатов исследований, выполнявшихся в 1993-1995 гг. в рамках Государственной научно-технической программы "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф", проект 2.2.1, в котором принимали участие следующие организации: Институт сейсмологии Объединенного Института физики Земли РАН, Научноинженерный и координационный сейсмологический центр РАН, Институт земной коры СО РАН, Институт литосферы РАН, Институт проблем передачи информации .РАН, Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций Минстроя РФ с участием Международной Академии информатики.

Брошюра предназначена в основном для должностных лиц, принимающих решения на городском, региональном или государственном уровнях, для планирующих органов, страховых компаний и др., а также для жителей сейсмоопасных районов.

В брошюре дается общее представление о сейсмической опасности, о последствиях сильных землетрясений, об уязвимости населения, зданий и сооружений, линий жизнеобеспечения в сейсмоопасных районах. Обсуждаются вопросы прямых и косвенных, вторичных и долгосрочных потерь от землетрясений и пути минимизации этих потерь. Разработанные методики могут быть использованы для оценки сейсмического риска в масштабе республики, края, области, района, города, поселка или отдельного объекта.

В качестве примера рассмотрен город Иркутск, для которого на основе анализа оценок сейсмической опасности территории города, данных о населении города и его инфраструктуре с использованием геоинформаци-онных систем сделан прогноз некоторых видов ущерба.

Брошюра подготовлена группой специалистов в составе: канд. физ.-мат. наук Ф.Ф. Аптикаев, канд. техн. наук В.Г. Гитис, д. геол. мин. наук Г.Л. Кофф, канд. физ.мат. наук Н.И. Фролова.

Ответственный редактор: член-корреспондент РАН Г .А Соболев

Таблица 8. Матрица вероятности повреждений различной степени при различной интенсивности I [Mitigating..., 1991]

Степень повреждений Уязви- мость Интенсивность /, баллы 6 7 8 9 10 1 0.000 0.950 0.490 0.300 0.14 0.03 2 0.005 0.030 0.380 0.400 0.30 0.10 3 0.050 0.015 0.080 0.160 0.24 0.30 4 0.200 0.004 0.020 0.080 0.16 0.26 5 0.450 0.001 0.015 0.030 0.10 0.18 6 0.800 0.000 0.010 0.020 0.04 0.10 7 1.000 0.000 0.005 0.010 0.02 0.03

Таблица 9. Матрицы вероятности повреждений для зданий различного типа по данным инженерного анализа последствий сильных землетрясений в Турции [Proc. of the UNDRO, 1984]

Степень повреждения Баллы по шкале MSK-64 5 1 I 6 7 1 1 8 1 1 9 Здания из местных материалов Нет повреждений 0.35 0.25 0.15 0.02 0.00 Легкие повреждения 0.45 0.35 0.20 0.08 0.05 Средние повреждения 0.15 0.30 0.40 0.30 0.20 Тяжелые повреждения и обрушения 0.05 0.10 0.25 0.60 0.75 Глинобитные здания Нет повреждений 0.70 0.50 0.20 0.05 0.00 Легкие повреждения 0.25 0.34 0.22 0.15 0.05 Средние повреждения 0.04 0.14 0.43 0.40 0.35 Тяжелые повреждения и обрушения 0.01 0.02 0.15 0.40 0.60 Кирпичные здания Нет повреждений 0.95 0.80 0.40 0.20 0.05 Легкие повреждения 0.04 0.15 0.35 0.30 0.15 Средние повреждения 0.01 0.05 0.23 0.40 0.50 Тяжелые повреждения и обрушения 0.00 0.00 0.02 0.10 0.30 Здания с деревянным каркасом Нет повреждений 0.90 0.70 0.60 0.20 0.05 Легкие повреждения 0.09 0.23 0.25 0.30 0.35 Средние повреждения 0.01 0.07 0.14 0.30 0.45 Тяжелые повреждения и обрушения 0.00 0.00 0.01 0.10 0.15 Здания с железобетонным каркасом Нет повреждений 0.95 0.80 0.60 0.15 0.10 Легкие повреждения 0.05 0.18 0.20 0.30 0.25 Средние повреждения 0.00 0.02 0.14 0.40 0.35 Тяжелые повреждения и обрушения 0.00 0.00 0.06 0.15 0.30

20

ВВЕДЕНИЕ

Среди природных катастроф наиболее тяжелые последствия вызывают землетрясения. Для мира в целом ущерб от землетрясений превышает ущерб от всех остальных природных катастроф вместе взятых. По оценкам экспертов ЮНДРО й ЮНЕСКО, ежегодный ущерб от землетрясений составляет несколько десятков миллиардов долларов и во многих развивающихся странах поглощает значительную часть национального дохода. Одно катастрофическое землетрясение может унести до миллиона жизней и причинить ущерб до 100 млрд. долл. США. При этом негативные экономические последствия наблюдаются далеко за пределами территории, непосредственно пострадавшей от землетрясения. Процесс урбанизации ведет к увеличению материального ущерба от землетрясений. Если в прошлом десятилетии в эпицентральной зоне 8-балльного землетрясения на каждого жителя приходился средний убыток в 1500 долл., то теперь эта цифра достигает 30 000 долл.

Наглядны примеры ущерба, причиненного землетрясениями последних лет. В результате землетрясения средней силы в Нортрид;.;е (США) в 1994 г., происшедшего в относительно малонаселенном районе, прямой ущерб только линиям жизнеобеспечения превысил 2 млрд. долл. Данная величина отражает только затраты на ремонт поврежденных коммуникаций, а прогнозная оценка косвенного ущерба составляет на порядок большую величину.

Затраты на ремонтные работы после трех землетрясений в США (Сан-Фернандо 1971 г., Лома Приета 1989 г., Нортридж 1994 г.) составили 29 млрд. долл, (в ценах 1994 г.), что значительно меньше последствий землетрясения в Кобе (Япония) 1995 г.

Только прямой ущерб от разрушения жилых зданий в пос. Нефтегорск в результате землетрясения 28 мая 1995 г. превысил 230 млрд. руб. (в ценах на 1 июня 1995 г.). Усиление зданий до 7 баллов (без выселения жильцов) обошлось бы в 100 млрд, руб., а повышение сейсмостойкости еще в процессе возведения зданий составило бы 4-5% от стоимости строительства несейсмостойких зданий. Число погибших в результате землетрясения — 1989 человек, раненых — более 400 человек (при общей численности населения поселка около 3000 человек).

В табл. 1-3 в качестве примера анализируются последствия землетрясений последних лет, происшедших в районах с разными экономическим и социальным уровнями развития. Относительная величина потерь по отношению к валовому национальному продукту в среднем меньше в высокоразвитых странах.

В табл. 1-3 приведены данные о количестве Nc полностью обрушившихся зданий, количестве Nd серьезно поврежденных зданий и прямом ущербе в миллионах долл. США по курсу на момент землетрясения. Каждая из таблиц 1-3 соответствует определенному интервалу сейсмической интенсивности в районах, подвергшихся сейсмическим воздействиям (7, 8, 9 баллов соответственно). Оценки в процентах относятся к наиболее пострадавшей части рассматриваемой территории. Данные приводятся в порядке возрастания магнитуды М. Хорошо видно, что ущерб возрастает не только

Таблица 1. Ущерб, причиненный землетрясениями с интенсивностью 7 баллов на рассматриваемой территории

Район Дата М Nc Nd Nc+Nd Ущерб, млн долл. Сицилия 7.06.1981 4.5 - 100 — - Кентукки, США 27.07.1980 4.8 - 306 - 2.0 Новая Зеландия 2.03.1987 5.3 - - - 85.0 Китай 6.11.1983 5.4 3300 - - Сальвадор 25.11.1986 5.4 *29% - - - Калифорния 28.06.1991 5.4 - - - 33.5 Перу 5.04.1986 5.5 2000 — — - Калифорния 13.08.1978 5.6 — - - 15.0 Турция 13.05.1986 5.6 1500 — — 120.0 Болгария 7.12.1986 5.7 1300 (80%) ■“ Орегон, США 21.09.1993 5.8 - *1000 — 7.5 Калифорния 24.04.1984 6.1 - - - 10.0 Перу 30.05.1990 6.5 6000 (30%) ““ Чили 8.08.1987 7.0 *1000 — — — Айдахо, США 28.10.1983 7.3 50 200 250 15.0

Примечание. Здесь и в последующих таблицах М — магнитуда землетрясения; Nc — число разрушенных зданий; Nd — число поврежденных зданий.

Таблица 2. Ущербу причиненный землетрясениями с интенсивностью 8 баллов на рассматриваемой территории

Район Дата М Nc Nd Nc+Nd Ущерб, млн долл. 1 2 3 4 5 6 7 Бельгия 8.11.1983 4.3 - сотни - - Колумбия 31.03.1983 5.0 - - - 500.0 Италия 29.04.1984 5.4 1200 *31.0 Нидерланды 13.04.1992 5.5 182.0 Албания 16.11.1982 5.6 329 2208 2537 - Сальвадор 10.10.1986 5.6 *34% - - 2000.0 Туркмения 14.03.1983 5.7 75% - - - Аргентина 26.01.1985 5.9 12 500 — - Таджикистан 13.Ю.1985 6.0 *900; 90% — кирпичных Йемен 13.12.1982 6.1 - 300 — 90.0 деревень Киргизия 15.05.1992 6.3 5500 22.4 Греция 20.06.1978 6.4 8287 13 918 22 205 190.0 Греция 9.07.1980 6.4 1085 4605 5690 - Калифорния 2.05.1983 0.5 500 - — 31.0

4

Таблица 2_ Окончание

1 2 3 4 5 6 7 Греция 24.02.1982 6.7 £150 - - 900.0 Румыния 30.08.1986 6.9 12 500 42 500 55 000 - Грузия 29.04.1991 6.9 - - 95% — Индия 20.10.1991 6.9 201 800 74 714 275 514 — Албания 15.04.1979 7.0 70.7 Чили 3.03.1985 7.6 45 000 76 000 121 000 1800,0 Япония 12.06.1978 7.6 1383 5524 6907 800.0 Япония 26.05.1983 7.9 943 - — 600.0

Таблица 3. Ущерб, причиненный землетрясениями с интенсивностью 9 баллов на рассматриваемой территории

Район Дата М Nc Nd Nc+Nd Ущерб, млн долл. 1 2 3 4 5 6 7 Италия 29.04.1984 5.4 1200 - - £31.0 Греция 13.09.1986 5.7 1500 (47%) 1050 2550 (80%) 800.0 Марокко 29.02.1960 5.8 80% — - — Сицилия 15.01.1968 5.9 - - - 320.0 Ливан 16.03.1956 6.0 6000 - - - Югославия 26.07.1963 6.1 700 1800 2500 500.0 Никарагуа 28.12.1972 6.2 — 50 000 (75%) 2000.0 Греция Италия 4.03.1981 6.05.1976 6.3 6.5 250 11 000 (98%) 500.0 3600.0 Новая Зеландия 2.03.1987 6.5 - - — 200.0 Турция 19.08.1966 6.7 19 000 - - 35.0 Армения 7.12.1988 6.7 100% - - 17 000.0 Пакистан 1.02.1991 6.8 5187 79 900 85 087 - Иран 10.04.1972 6.8 100% - - 5.0 Индия 19.10.1991 6.9 20 186 74 714 94 900 - Китай 16.03.1925 7.0 £70 000 (90%) _ Китай 1.08.1937 7.0 £30 000 - - — Югославия 15.04.1979 7.0 70% - - 2200.0 Мексика 2.4.10.1980 7.0 90% - - - Иран о. Гуам, США 21.06.1990 8.08.1993 7.1 7.1 100% — — 7200.0 115.0 Турция 28.03.1970 7.2 13 795 5586 19 386 97.0 Иран 1.09.1963 7.2 - - 199 500 30.0 Турция 24.11.1976 7.2 — 9282 (95%) 25.0 Румыния 4.03.1977 7.2 32 900 квартир ~ " £2000.0

5

Таблица 3_ Окончание

1 1 2 3 4 5 6 7 Калифорния 18.10.1989 7.2 1300 20 881 22 181 8000.0 Узбекистан 19.03.1984 7.2 - 50% - - Япония 16.01.1995 7.2 98 960 200 000.0 о.Сахалин 28.05.1995 7.2 52.2 Иран 31.08.1968 7.4 12000 40.0 Алжир 10.10.1980 7.5 80% 3000.0 Киргизия 19.08.1993 7.5 8200 Гватемала 4.02.1976 7.5 25.4750 1100.0 Турция 1.02.1944 7.5 50 000 Иран 16.09.1978 7.6 £15 ООО 11,0 Китай 27.07.1976 7.8 98% 6000.0 Мексика 19.09.1985 8.1 412 3124 3536 5000.0 (60%)

Таблица 4. Сравнительная оценка потерь от землетрясений за последние десятилетия по данным страховой компании Munich Re

Десятилетия 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1986-1995 Число событий 5 14 16 16 Экономические потери 11.5 43.5 69.5 177 Страховые выплаты 92 747 3500 18500

Примечание. Оценки потерь даются в млрд долл. США в ценах 1994 г.

при увеличении балльности, но и при возрастании магнитуды. Последнее связано с тем, что с ростом магнитуды возрастают и площади, подверженные воздействиям каждой интенсивности.

На рис. 1 приведены оценки потерь от землетрясений за год и за десятилетия, сделанные по мировым данным страховой компании Munich Re [Smolka, 1995]. В табл. 4 приводятся данные о сейсмической активности (увеличение число событий) и увеличении потерь от землетрясений за последнее десятилетие: так число событий с тяжелыми последствиями во всем мире по сравнению с 60-ми годами увеличилось в 3.2 раза, а объем потерь возрос в 15.4 раза.

Анализ причин увеличения потерь говорит о том, что это — далеко не случайное явление, а необратимые последствия быстрого роста населения, промышленности, инфраструктуры, коммерческой и экономической деятельности в крупных городах и промышленных центрах, расположенных в сейсмоактивных регионах. Это приводит к выводу о необходимости инвестирования работ по стратегии уменьшения потерь от землетрясений до того, как произойдет землетрясение, а не расходовать во много раз больше в период реагирования и восстановления после него.

Реализация стратегии осуществляется в соответствии с планами превентивных мероприятий, подготавливаемыми под руководством администрации соответствующих регионов, городов или областей совместно с заинтересованными министерствами и организациями.

6

M. рокко, Чили к» —

Югославия «- — США, Япония м —

Перу - _ США — — Иран, Никарагуа ю —

Турция ►- —

Гватемала, Италия, Китай, Филлипины,Турция с» — Румыния — — Япония, Иран к) — Югославия — — Алжир, Италия — Греция — — Йемен •- — Колумбия, Япония, Турция CJ —

Чили, Мексика к> — Эль Сальвадор — — Новая Зеландия, Эквадор, США ш —

СССР--

США, Австралия к> — Иран, Филлипины к» — Индия •- — Египет, Индонезия — Индия — —

США--

Япония — —

В нашей стране после крупных сейсмических катастроф последних лет заметно повысилось осознание сейсмической опасности, предпринимаются конкретные шаги по улучшению планирования, созданию современных строительных норм и правил, уточнению оценок сейсмической опасности отдельных территорий, развитию стратегии уменьшения последствий землетрясений, образованию и обучению населения. Однако в тех районах, где на протяжении последних лет сильные землетрясения не напоминали о себе, такие подготовительные мероприятия, как правило, не проводятся.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Благодаря усилиям международных организаций, в первую очередь ЮНЕСКО и ЮНДРО, в настоящее время выработаны общие принципы борьбы со стихийными бедствиями любой природы: землетрясениями, ураганами, наводнениями, извержениями вулканов и др. [Co-operative..., 1991; Mitigating..., 1991; Proc. of UNDRO, 1994]. На этих принципах разрабатываются методы уменьшения ущерба от стихийных бедствий в разных странах. Для всех методов основными понятиями являются ОПАСНОСТЬ, УЯЗВИМОСТЬ, РИСК.

Под сейсмической опасностью понимается вероятность появления сейсмических воздействий определенной силы на заданной площади в течение заданного интервала времени. Сейсмические воздействия выражаются в баллах шкалы сейсмической интенсивности, амплитудах колебаний грунта или иных характеристиках, используемых инженерами-проектировщиками.

Уязвимость определяется как отношение стоимости ремонта (восстановления) к общей стоимости соответствующего элемента риска. Уязвимость изменяется от 0 (отсутствие повреждений) до 1.0 (полное разрушение). Уязвимость не зависит ни от выбора валютной единицы, ни от уровня инфляции. Зная текущую стоимость элемента риска, легко перейти к ущербу в денежном выражении. Под элементами риска понимается все находящееся на рассматриваемой территории — люди, инженерные сооружения гражданского и промышленного назначения, линии жизнеобеспечения, другие составляющие инфраструктуры, экономическая и коммерческая деятельность и т.д. Зависимость степени повреждений от силы воздействий (степени сейсмической опасности) называется функцией уязвимости.

Сейсмический риск — вероятность социального и экономического ущерба, связанного с землетрясениями на заданной территории в течение определенного интервала времени.

Сейсмический риск, сейсмическая опасность и уязвимость связаны соотношением

R= Ях V,

где R — сейсмический риск (от английского risk); Н — сейсмическая опасность (от английского hazard); V — уязвимость (от английского vulnerability).

Оценки сейсмической опасности и сейсмического риска — не самоцель, а необходимые этапы для проведения мероприятий по снижению потерь от землетрясений. Эти мероприятия можно подразделить на следующие категории:

8

•    оптимизация планировочных решений, т.е. размещение объектов в наиболее безопасных в сейсмическом отношении местах;

•    техническая мелиорация грунтов: улучшение их несущей способности и сейсмических характеристик;

•    снижение уязвимости элементов риска, в частности снос объектов с высокой уязвимостью, укрепление или перепрофилирование объектов с недостаточной сейсмостойкостью, проектирование новых объектов с приемлемой уязвимостью;

•    мероприятия социального характера, в частности обучение населения и специалистов необходимым действиям до, во время и после землетрясения;

•    подготовка планов превентивных мероприятий и их реализация.

В большинстве стран с высоким уровнем сейсмической опасности страхование от землетрясений рассматривается как составная часть комплекса мероприятий по уменьшению ущерба и сокращения сроков ликвидации негативных последствий [Earthquakes..., 1992; Кофф и др., 1995]. При обязательном страховании от землетрясений страховые ставки, зависящие от местоположения объекта, грунтовых условий, типа сооружения, качества строительства служат экономическим регулятором для разумного размещения объектов и обеспечения достаточной сейсмостойкости.

Социально приемлемое снижение риска, зависящее от уровня развития общества, находит свое отражение в законодательных актах и строительных нормах и правилах.

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ

По определению, сейсмическая опасность оценивается в терминах распределения вероятности сейсмических воздействий (в баллах шкалы сейсмической интенсивности и в параметрах колебаний грунта) по их силе в пространстве и времени. При оценке сейсмической опасности необходимо определить:

•    места возможных очагов землетрясений (зон ВОЗ);

•    силу этих землетрясений;

•    частоту повторения землетрясений;

•    ожидаемые параметры сейсмических воздействий.

Для этого проводятся работы по сейсмическому районированию, которое в России подразделяется на три вида: общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонированис (СМР). Различие между ОСР, ДСР и СМР заключается в содержании задач, методиках их решения и, главное, в объектах изучения. Эти различия обуславливают различные масштабы картирования.

Задача ОСР — изучение крупных сейсмогенерирующих структур, определяющих сейсмичность регионов. С помощью оценок сейсмической опасности, приведенных на карте ОСР, можно прогнозировать повреждения объектов массовой застройки. Предполагается, что существенный ущерб от повреждения объектов такого типа вызьтзается землетрясениями с магнитудами М> 6.1. Генерализация, свойственная ОСР, соответствует задаче выделения крупных сейсмогенерирующих зон, повышает надежность средних

9