土層結(jié)構(gòu)對(duì)油氣管線工程地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖的影響研究①

孫　譯, 石玉成, 盧育霞1,, 馬林偉1,, 任　棟

(1.中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.中國(guó)地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

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土層結(jié)構(gòu)對(duì)油氣管線工程地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖的影響研究①

孫譯1,2,3, 石玉成2, 盧育霞1,2, 馬林偉1,2, 任棟2

(1.中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.中國(guó)地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

摘要:油氣管線工程是生命線工程的重要組成部分，工程跨度通常超越幾十甚至幾千公里，從而導(dǎo)致橫穿地區(qū)覆蓋層中土層結(jié)構(gòu)存在明顯差異，對(duì)地震動(dòng)峰值加速度(PGA)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響區(qū)劃結(jié)果。本文采用分區(qū)擬合放大系數(shù)的方法，對(duì)華北平原地區(qū)某大型管線進(jìn)行研究，給出研究區(qū)不同土層結(jié)構(gòu)條件下場(chǎng)地放大系數(shù)KS-基巖PGA擬合函數(shù)結(jié)果，得到沿線附近10 km范圍內(nèi)的PGA區(qū)劃圖結(jié)果，并與第四代和第五代中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖提出的場(chǎng)地系數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。三種計(jì)算方法的結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)50年超越概率10%條件下實(shí)際場(chǎng)地放大系數(shù)為1.30～1.45，50年超越概率5%條件下實(shí)際場(chǎng)地放大系數(shù)為1.15～1.30，均高于我國(guó)第四代和第五代區(qū)劃圖對(duì)場(chǎng)地系數(shù)的建議值。50年超越概率10%下的PGA區(qū)劃圖結(jié)果顯示，局部區(qū)域在第四代和第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖場(chǎng)地系數(shù)的結(jié)果中位于0.15g或0.20g區(qū)，由于KS的提高,其實(shí)際計(jì)算結(jié)果會(huì)提升為0.20g或0.25g分區(qū)，這說(shuō)明場(chǎng)地系數(shù)對(duì)峰值加速度區(qū)劃圖結(jié)果具有較大影響。

關(guān)鍵詞:油氣管線工程； 土層結(jié)構(gòu); 場(chǎng)地放大系數(shù)； 地震動(dòng)峰值加速度

0引言

地表處局部場(chǎng)地條件(如地形地貌、土層結(jié)構(gòu)、土動(dòng)力學(xué)參數(shù)等)對(duì)地震峰值加速度具有較大影響[1]。大量強(qiáng)震觀測(cè)資料也證實(shí)了這點(diǎn)，如墨西哥地震中軟弱土層處記錄得到的地震動(dòng)峰值是基巖處的1.5～4倍[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者關(guān)于覆蓋層厚度和土層結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)參數(shù)影響的研究取得了豐碩的成果。薄景山等[3-4]利用我國(guó)大量工程場(chǎng)地鉆孔資料，分析研究了覆蓋層厚度、軟土層埋深與厚度等對(duì)場(chǎng)地地表加速度峰值和特征周期的影響。石玉成等[5-6]對(duì)黃土土層結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響進(jìn)行研究,指出黃土塬上較塬下反應(yīng)譜存在較大差異，峰值向長(zhǎng)周期方向移動(dòng)。李小軍等[7]對(duì) 188個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出四類場(chǎng)地反應(yīng)譜的特性，并給出四類場(chǎng)地條件下的地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)的參考范圍。盧育霞等[8]采用橫波勘探和地脈動(dòng)測(cè)試方法，將甘肅省隴南臺(tái)和岷縣臺(tái)場(chǎng)地獲取的測(cè)試結(jié)果與汶川地震記錄進(jìn)行頻譜特征對(duì)比，得出場(chǎng)地波速結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)頻譜有控制作用。陳永新等[9]利用日本強(qiáng)震觀測(cè)網(wǎng)KiK-net中的基巖臺(tái)站和場(chǎng)地臺(tái)站獲取的強(qiáng)震記錄，通過(guò)頻譜分析，得出III類場(chǎng)地覆土層較基巖對(duì)地震動(dòng)具有明顯影響。

油氣管線工程屬柔性結(jié)構(gòu)，具有一定的抗變形能力，使用壽命一般為30～50年。一旦遭受破壞，會(huì)對(duì)周圍地區(qū)造成嚴(yán)重的化學(xué)污染，危害人民的生命健康。地震中地表土液化導(dǎo)致的地表大變形，會(huì)對(duì)管線工程產(chǎn)生巨大的破壞作用[10]。目前為滿足管線工程抗震設(shè)計(jì)需要，我國(guó)制定了管線工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范——《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB 50470-2008)[11]，其適用范圍為：地震動(dòng)峰值加速度≥0.05g且≤0.40g地區(qū)的陸上鋼質(zhì)油氣輸送管道線路工程的新建、擴(kuò)建和改建工程的抗震勘察設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收。規(guī)范提出管線工程采用50年超越概率5%的概率水準(zhǔn)，抗震設(shè)計(jì)要求高于一般性建筑物，需提供50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下的場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖。

關(guān)于地形地貌對(duì)地震動(dòng)的影響已有相關(guān)研究[12]，本文以華北平原地區(qū)某大型輸氣管線工程為研究對(duì)象，主要研究土層結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)的影響，研究區(qū)為Ⅲ類場(chǎng)地條件，覆蓋層厚，土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有明顯的橫向分段特征。本文擬利用分區(qū)擬合場(chǎng)地系數(shù)——基巖峰值加速度的函數(shù)關(guān)系的方法，計(jì)算場(chǎng)地峰值加速度區(qū)劃圖;分別采用實(shí)際擬合放大系數(shù)、第四代和第五代區(qū)劃圖提出的場(chǎng)地系數(shù)公式計(jì)算峰值加速度區(qū)劃圖，并對(duì)三種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1研究區(qū)背景資料

該工程為中原至開(kāi)封輸氣管道工程北段,起點(diǎn)為榆濟(jì)管道南樂(lè)分輸站，終點(diǎn)為黃河北大堤，中間設(shè)濮陽(yáng)分輸站，途徑4處穿越工程(圖1)。輸氣管線規(guī)格為D711，設(shè)計(jì)壓力8.0 MPa，全長(zhǎng)92.1 km。

1.1研究區(qū)鉆孔剪切波速資料及土層結(jié)構(gòu)

鉆孔布置包括主要場(chǎng)點(diǎn)的12個(gè)主控鉆孔和沿線的9個(gè)輔助鉆孔(圖2)。6處主要場(chǎng)地為中開(kāi)首站、濮陽(yáng)分輸站、濮范高速穿越、晉中南鐵路穿越、濮臺(tái)鐵路及工業(yè)大道穿越和金堤河穿越。每處布置2個(gè)鉆孔，深度為90.0～99.0 m，并進(jìn)行剪切波速測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，覆蓋層厚度為80.0～83.0 m，等效剪切波速為190.0～220.0 m/s，場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地。覆蓋層內(nèi)土層主要由耕土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉細(xì)砂五類土組成。以覆蓋層土層結(jié)構(gòu)為參考標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同厚度中粉土、粉質(zhì)黏土和砂土的比重(圖3)，將研究區(qū)劃分為三個(gè)分區(qū)：第1分區(qū)為中開(kāi)首站—濮范高速穿越；第2分區(qū)為濮陽(yáng)分輸站—晉中南鐵路穿越；第3分區(qū)為濮臺(tái)鐵路—終點(diǎn)。其中，1分區(qū)覆蓋層的中層粉土、粉質(zhì)黏土和砂土比重均勻，而底層主要由粉質(zhì)黏土組成；2分區(qū)覆蓋層的上層土類成分豐富，中層由粉質(zhì)黏土組成，比重大于60%，而底層主要是粉土，比重大于80%； 3分區(qū)覆蓋層上層組成不同于1、2分區(qū)，中層和底層主要由粉土、粉質(zhì)黏土和砂土組成。

圖1　輸氣管工程平面位置圖Fig.1　Plane of the gas transmission pipeline project

圖2　研究區(qū)鉆孔布置及場(chǎng)地單元分區(qū)Fig.2　Boreholes layout and site division in the study area

2場(chǎng)地放大系數(shù)結(jié)果

2.1第四代與第五代區(qū)劃圖場(chǎng)地系數(shù)比較

第四代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[13]提供了適用于一般中硬場(chǎng)地(Ⅱ類)條件下的基巖與地表地震動(dòng)峰值加速度的轉(zhuǎn)換比例關(guān)系[式(1)]，其場(chǎng)地系數(shù)值建議在1.00～1.25。該式僅適用于Ⅱ類場(chǎng)地條件，未給出其他場(chǎng)地類型條件下的轉(zhuǎn)換比例關(guān)系。

ahs=ks·as

(1)

其中:

圖3　12個(gè)主控鉆孔覆蓋層土層組成Fig.3　Soil layer structure of the overburden in the 12 main control boreholes

式中:ahs為一般場(chǎng)地(Ⅱ類場(chǎng)地)地震動(dòng)峰值加速度;ar為基巖地震動(dòng)峰值加速度;ks為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖在第四代的基礎(chǔ)上做了很多重要的改變[14],其一是將原先的四類場(chǎng)地劃分變更為五類；其二就是考慮了不同場(chǎng)地類型對(duì)地震動(dòng)峰值加速度的影響效應(yīng)。各類場(chǎng)地條件下地震動(dòng)峰值加速度amax是以Ⅱ類場(chǎng)地基本地震動(dòng)amaxⅡ?yàn)榛鶞?zhǔn)乘以相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)Fa得到[式(2)],調(diào)整系數(shù)由表1中各分檔值分段線性插值確定。

amax=Fa·amaxⅡ　　　(2)

2.2實(shí)際計(jì)算場(chǎng)地系數(shù)KS-基巖PGA擬合結(jié)果

通過(guò)對(duì)場(chǎng)地內(nèi)主要鉆孔土層進(jìn)行一維土層反應(yīng)分析計(jì)算，對(duì)場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到3個(gè)分區(qū)內(nèi)50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下的場(chǎng)地放大系數(shù)KS與基巖地震動(dòng)加速度峰值的函數(shù)擬合結(jié)果，并與第四代和第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖采用的方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖4、圖5)。

結(jié)果顯示,對(duì)于該研究區(qū)三種土 層結(jié)構(gòu)分區(qū),在50年超越概率10%的概率水準(zhǔn)下，實(shí)際放大系數(shù)KS取值在1.35～1.45間，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代區(qū)劃圖結(jié)果(1.12～1.20)，但第五代區(qū)劃圖的場(chǎng)地系數(shù)已接近實(shí)際計(jì)算結(jié)果。在50年超越概率5%的概率水準(zhǔn)下，實(shí)際放大系數(shù)KS取值在1.15～1.30間，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代區(qū)劃圖結(jié)果(1.10～1.14)。研究區(qū)50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下，基巖峰值加速度對(duì)應(yīng)0.15g和0.20g，實(shí)際放大系數(shù)KS的中值為1.375和1.225。

圖4　研究區(qū)50年超越概率10%條件下場(chǎng)地放大系數(shù)KS擬合結(jié)果Fig.4　Fitted lines of amplification coefficient KS for 10% exceedance probability in 50 years of the research area

圖5　研究區(qū)50年超越概率5%條件下場(chǎng)地放大系數(shù)KS擬合結(jié)果Fig.5　Fitted lines of amplification coefficient KS for 5% exceedance probability in 50 years of the research area

3地震動(dòng)峰值加速度PGA區(qū)劃結(jié)果

利用實(shí)際計(jì)算場(chǎng)地系數(shù)以及第四代和第五代中國(guó)地震參數(shù)區(qū)劃圖建議的場(chǎng)地放大系數(shù)，對(duì)研究區(qū)地震動(dòng)峰值加速度進(jìn)行區(qū)劃研究。以0.05經(jīng)緯度為空間控制點(diǎn)，基于場(chǎng)地系數(shù)轉(zhuǎn)換公式，將地震危險(xiǎn)性分析計(jì)算得到的基巖處峰值加速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到地表地震動(dòng)峰值加速度。利用ArcGIS軟件的空間分析功能和克里金差值，最終得出研究區(qū)內(nèi)50年超越概率10%和5%的峰值加速度區(qū)劃圖(圖6、圖7)。

結(jié)果表明，在50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖中，局部區(qū)域在第四代和第五代中國(guó)地震動(dòng)區(qū)劃圖方法結(jié)果中應(yīng)位于0.15g區(qū)和0.20g區(qū)，但由于實(shí)際放大系數(shù)KS的提高，其實(shí)際計(jì)算結(jié)果提高為0.20g區(qū)和0.25g區(qū)，并且差異范圍較大。而對(duì)于50年超越概率5%的PGA區(qū)劃圖，雖然局部區(qū)域經(jīng)實(shí)際計(jì)算結(jié)果由0.20g區(qū)和0.25g區(qū)提高為0.25g區(qū)和0.30g區(qū)，但由于放大系數(shù)KS隨基巖峰值加速度提高而變化的速率較小，即擬合直線的斜率較小，因此結(jié)果差異性小于50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖。

圖6　工程線路沿線50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖Fig.6　The seismic zonation map of PGA for 10% exceedance probability in 50 years of the researching area

圖7　工程線路沿線50年超越概率5%地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖Fig.7　The seismic zonation map of PGA for 5% exceedance probability in 50 years of the researching area

4結(jié)論與討論

本文以華北地區(qū)某大型管線工程為研究對(duì)象，研究區(qū)為Ⅲ類場(chǎng)地，覆蓋層厚度為80.0～83.0 m，主要由耕土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉細(xì)砂組成，并且土層結(jié)構(gòu)組成在水平方向具有差異性,從而導(dǎo)致場(chǎng)地放大系數(shù)具有空間差異性。本文采用分區(qū)擬合場(chǎng)地系數(shù)-基巖PGA的函數(shù)關(guān)系，較精細(xì)地給出了局部地區(qū)的峰值加速度區(qū)劃圖結(jié)果,并將實(shí)際計(jì)算結(jié)果和用第四代和第五代中國(guó)地震動(dòng)區(qū)劃圖提出的場(chǎng)地系數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,得出如下結(jié)論：

(1) 在研究區(qū)為Ⅲ類場(chǎng)地的條件下， 50年超越概率10%的實(shí)際場(chǎng)地放大系數(shù)KS取值為1.30～1.45，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代(1.12～1.20)區(qū)劃圖結(jié)果； 50年超越概率5%下的實(shí)際場(chǎng)地放大系數(shù)KS為1.15～1.30，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代(1.10～1.14)區(qū)劃圖結(jié)果。但第五代區(qū)劃圖放大系數(shù)KS取值明顯高于第四代區(qū)劃圖，更接近實(shí)際計(jì)算值。

(2) 50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖表明，由于實(shí)際場(chǎng)地放大系數(shù)的提高，局部區(qū)域的計(jì)算結(jié)果由0.15g和0.20g區(qū)提高為0.20g和0.25g區(qū)，且結(jié)果差異范圍較大；50年超越概率5%的PGA區(qū)劃圖表明，局部區(qū)域由0.20g和0.25g區(qū)提高為0.25g和0.30g區(qū)，但差異范圍較小，原因可能為放大系數(shù)KS隨基巖峰值加速度提高而變化的速率較小。

考慮到油氣管線工程具有大跨度的工程特點(diǎn)，在進(jìn)行地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃工作時(shí)，要充分考慮場(chǎng)地類型、土層結(jié)構(gòu)、地形地貌等場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響。本文可為復(fù)雜土層結(jié)構(gòu)下長(zhǎng)距離管線工程地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃工作提供參考。

致謝：感謝中國(guó)地震局地球物探中心的工作人員為該項(xiàng)研究提供了工程背景資料及鉆孔測(cè)試數(shù)據(jù)等，在此表示衷心的感謝！

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[14]中國(guó)地震局.GB 18306-2015,中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

China Earthquake Administration.GB 18306-2015,Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China[S].Beijing:Standards Press of China,2015.(in Chinese)

Influence of Soil Layer Structure on Seismic Peak Ground Acceleration Zonation Maps of Oil and Gas Pipeline Project

SUN Yi1,2,3, SHI Yu-cheng2, LU Yu-xia1,2, MA Lin-wei1,2, REN Dong2

(1.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;2.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;3.GeophysicalExplorationCenter,CEA,Zhengzhou450002,Henan,China)

Abstract:Oil and gas pipelines are vital aspects of infrastructure projects and may span tens or even thousands of kilometers.These spans may involve different soil structures that may become overburdened and thus considerably affect the seismic peak ground acceleration (PGA) and PGA zonation map. In this study,based on the site amplification coefficient,we examine a gas pipeline project in the North China plain. We estimate the fitting functions of the site amplification coefficient (KS) and PGA of rocks in different soil layer constructions and obtain a PGA zonation map for the adjacent 10 km area.We then compare our results with those given by the 4thand 5thseismic ground motion parameter zonation maps of China.The results show that the practical amplification coefficient KS lies between 1.30 and 1.45 for 10% probability of exceedance in 50 years,and the amplification coefficient KS lies between 1.15 and 1.30 for 5% probability of exceedance in 50 years.They are both relatively larger than the values suggested by the 4thand 5thzonation maps.The PGA zonation map with 10% probability of exceedance in 50 years shows that local regions belonging to 0.15g or 0.20g zones in the 4thand 5thzonation maps of China become 0.20g or 0.25g zones,which demonstrates that the amplification coefficient KS may significantly influence PGA zonation map classifications.

Key words:oil and gas pipeline project; soil layer structure; site amplification coefficient; seismic peak ground acceleration

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0219

中圖分類號(hào):P315.9;TE973.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-0844(2016)02-0219-07

作者簡(jiǎn)介:孫譯(1985-),男,碩士研究生,工程師,主要從事巖土地震工程方面的研究工作。E-mail:sy47-010@163.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374099,51248005)；中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2015IESLZ05)

收稿日期:①2015-10-19