考慮近場地震動(dòng)的水利水電工程設(shè)定地震反應(yīng)譜研究

張效亮+張郁山+吳昊

摘 要：場址設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的合理確定是重大工程抗震安全分析的重要環(huán)節(jié)之一，當(dāng)前概率性地震危險(xiǎn)性分析得到的一致概率反應(yīng)譜是一種包絡(luò)反應(yīng)譜，不能反映實(shí)際可能發(fā)生的強(qiáng)震頻度特性。最新水工規(guī)范（NB35047-2015）要求采用設(shè)定地震方法確定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，設(shè)定地震反應(yīng)譜既考慮概率性地震危險(xiǎn)性結(jié)果，又找出了明確的主干斷裂與設(shè)定地震相對應(yīng)，能夠綜合概率性和確定性地震危險(xiǎn)性分析方法的優(yōu)點(diǎn)。文章以某壩址為例計(jì)算了設(shè)定地震反應(yīng)譜，并對比了點(diǎn)源衰減模型和斷層源衰減模型對設(shè)定地震反應(yīng)譜的影響。

關(guān)鍵詞：設(shè)定地震反應(yīng)譜；水利水電；概率性地震危險(xiǎn)性分析

中圖分類號(hào)：TU475 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0016-03

引言

對于重大工程而言，如何科學(xué)合理地進(jìn)行抗震設(shè)防一直是設(shè)計(jì)部門非常關(guān)注的重大技術(shù)問題之一。目前地震危險(xiǎn)性分析主要采用概率性地震危險(xiǎn)性分析（PSHA），概率性方法考慮了場點(diǎn)若干年內(nèi)超過某一地震動(dòng)參數(shù)值的概率，提供具有概率含義的地震動(dòng)參數(shù)，便于設(shè)計(jì)部門根據(jù)建筑物等級(jí)選用不同危險(xiǎn)性水平的地震動(dòng)參數(shù)。地震災(zāi)害都是由某一個(gè)具有明確物理特性參數(shù)（如震級(jí)、震中距等）的地震事件引起的，目前廣泛采用的地震危險(xiǎn)性概率分析方法并不能反映某一特定地震所產(chǎn)生的地震動(dòng)特點(diǎn)。另外，概率性方法考慮的是場址周圍所有潛在震源對場址地震危險(xiǎn)性的綜合影響，得到的一致概率反應(yīng)譜是一種包絡(luò)反應(yīng)譜，不能反映場址實(shí)際可能發(fā)生的強(qiáng)震的頻譜特性。

設(shè)定地震（Scenario Earthquake）的概念最早由Ishikawa和Kameda（1991）在第四屆國際地震區(qū)劃大會(huì)上首次提出的，設(shè)定地震下場址地震動(dòng)參數(shù)的估計(jì)方法是近年來人們較為關(guān)注的研究課題，它主要涉及設(shè)定地震的確定和設(shè)定地震下的地震動(dòng)參數(shù)估計(jì)。設(shè)定地震的確定方法可分為兩類：一類是基于地震構(gòu)造、斷層狀況及歷史地震等確定設(shè)定地震；另一類是基于地震危險(xiǎn)性概率分析結(jié)果確定設(shè)定地震（或稱等效地震），它能綜合考慮總體地震環(huán)境影響。高孟潭（1994）結(jié)合我國地震危險(xiǎn)性分析的特色，推導(dǎo)出了潛在震源區(qū)震級(jí)和空間聯(lián)合分布函數(shù)，并建立了確定設(shè)定地震期望震級(jí)和期望震中距的方法。陳厚群等（2005）、張翠然等（2010）和吳建（2013）從各個(gè)方面對設(shè)定地震方法進(jìn)行了討論研究。

國家能源局發(fā)布公告，由水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院和中國水利水電科學(xué)研究院共同主編的能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB35047-2015）（下稱新規(guī)范）已于2015年9月1日起開始實(shí)施，替代《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5073-2000）（下稱原規(guī)范）。根據(jù)新規(guī)范要求，“對進(jìn)行專門的場地地震安全性評價(jià)的抗震設(shè)防類別為甲類的工程，其設(shè)計(jì)反應(yīng)譜應(yīng)采用場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，其他工程的水平向和豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜”，“最大可信地震的場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜宜按與水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度相應(yīng)的設(shè)定地震確定”。

1 設(shè)定地震的確定原則和方法

針對概率性地震危險(xiǎn)性分析得到的一致概率反應(yīng)譜存在的問題和不足，陳厚群院士（陳厚群等，2005）倡導(dǎo)的設(shè)定地震方法是以地震危險(xiǎn)性概率分析所確定的峰值加速度（PGA）為依據(jù)，選取對場址貢獻(xiàn)最大的潛在震源并考慮構(gòu)造因素確定設(shè)定地震。該方法能夠綜合反映概率方法和確定性方法的優(yōu)點(diǎn)，所確定的設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜更易于為人們所接受，反應(yīng)譜參數(shù)較為合理，能夠滿足實(shí)際工程抗震需求。設(shè)定地震的確定原則包括如下4個(gè)方面：（1）以地震危險(xiǎn)性概率分析結(jié)果為前提；（2）設(shè)定地震應(yīng)具有明確的物理意義；（3）設(shè)定地震應(yīng)具有明確的構(gòu)造位置；（4）設(shè)定地震應(yīng)符合最大發(fā)生概率原則。確定設(shè)定地震反應(yīng)譜的具體步驟如下：

（1）首先利用地震危險(xiǎn)性概率分析方法，計(jì)算工程場址不確定性校正前后的地震動(dòng)峰值加速度PGA，并尋找指定概率水平（比如水工建筑要求100年超越概率2%和100年超越概率1%）下貢獻(xiàn)率較大的潛在震源區(qū)和對應(yīng)的主干斷裂。在目前的工程抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐中，在按設(shè)防概率水平確定設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度值后，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜一般都取其均值，不需要對衰減關(guān)系作不確定性修正。

（2）以不確定校正之前的地震動(dòng)峰值加速度為約束，在符合條件的潛在震源區(qū)中遵循主干斷裂相關(guān)原則和發(fā)生概率最大原則，確定設(shè)定地震的震級(jí)和距離。設(shè)定地震的確定應(yīng)該具有明確的發(fā)震構(gòu)造，從潛在震源區(qū)內(nèi)主干斷裂上尋找，一般可取沿主干斷裂距重大工程場址最近處作為設(shè)定地震的最小距離，以潛在震源區(qū)震級(jí)上限作為最大設(shè)定地震的震級(jí)。根據(jù)GR關(guān)系，距離工程場址最近處的地震震級(jí)最小，相應(yīng)的發(fā)震概率最大，可作為設(shè)定地震，不在使用數(shù)學(xué)期望值。如果潛在震源區(qū)中某個(gè)震級(jí)檔的空間分布函數(shù)fl，Mj作用突出，則取調(diào)整后發(fā)震概率最大的震級(jí)，可以按照如下公式確定發(fā)震概率。

其中，P（MSE，RSE）為由設(shè)定地震產(chǎn)生的場址加速度反應(yīng)譜值的年超越概率；v是潛在震源區(qū)年超越概率；fl，Mj為潛在震源區(qū)空間分布函數(shù)（第l個(gè)潛在震源區(qū)Mj震級(jí)檔，注意Mj與Mi的區(qū)別）；M0為起始震級(jí)，通?；顒?dòng)較弱地區(qū)取4.0，地震活動(dòng)較強(qiáng)地區(qū)取5.0；Mi為最大最小設(shè)定震級(jí)檔按照M劃分震級(jí)檔的中值；β與GR關(guān)系的b值相關(guān)（β=b×ln10）；Li為第i檔地震所對應(yīng)的發(fā)震部位在潛在震源區(qū)主干斷裂上所占的長度；LSE為設(shè)定地震所屬的震級(jí)檔對應(yīng)的發(fā)震部位在潛在震源區(qū)主干斷裂上所占的長度。

（3）根據(jù)設(shè)定地震的震級(jí)和距離，選用合適的衰減關(guān)系計(jì)算設(shè)定地震反應(yīng)譜，并按照PGA歸一化處理。張翠然等（2010）詳細(xì)比較分析五套NGA衰減關(guān)系及其放大系數(shù)譜，將其與大震近場條件的實(shí)際基巖記錄和我國現(xiàn)有衰減關(guān)系進(jìn)行比較，建議選擇Abrahamson團(tuán)隊(duì)衰減關(guān)系用于大震、近場和基巖條件下的重大水利水電工程場地地震動(dòng)研究。

2 某壩址設(shè)定地震反應(yīng)譜應(yīng)用實(shí)例

2.1 概率性地震危險(xiǎn)性分析

通過概率性地震危險(xiǎn)性計(jì)算，得到某壩址100年超越概率2%和1%兩種設(shè)防水準(zhǔn)下的一致概率反應(yīng)譜和不確定校正前后的地震動(dòng)峰值加速度，100年超越概率2%的地震動(dòng)峰值加速度為194gal（不確定校正前）和327gal（不確定性校正后），100年超越概率1%的地震動(dòng)峰值加速度為205gal（不確定校正前）和393gal（不確定性校正后）。根據(jù)潛在震源區(qū)對壩址地震動(dòng)峰值加速度貢獻(xiàn)量可知，對壩址影響最大的是1號(hào)潛在震源區(qū)（震級(jí)上限Mmax=7.0）。該潛在震源區(qū)主干斷裂（F1）為全新世活動(dòng)斷裂，逆沖性質(zhì)，全長約100km，走向北東，傾向北西，傾角60°，壩址位于斷層上盤，壩址距離F1斷裂最近距離為6.39km，潛在震源區(qū)和主干斷裂位置見圖1。

2.2 確定設(shè)定地震的震級(jí)和距離

利用概率性地震危險(xiǎn)性計(jì)算中采用的點(diǎn)源衰減關(guān)系（肖亮，2011）計(jì)算設(shè)定地震的震級(jí)和距離。首先，建立以壩址為原點(diǎn)，潛在震源區(qū)主走向?yàn)殚L軸方向的橢圓坐標(biāo)系；然后，根據(jù)指定的地震動(dòng)峰值加速度和震級(jí)，由衰減關(guān)系分別求得橢圓的半長軸Ra和半短軸Rb，如果地震動(dòng)橢圓與潛在震源區(qū)內(nèi)主干斷裂相交，則相交點(diǎn)到壩址的距離就是設(shè)定地震的震中距。貢獻(xiàn)最大的潛在震源區(qū)的震級(jí)上限Mmax=7.0，最小震級(jí)取Mmin=4.0，在最大和最小設(shè)定地震之間取震級(jí)間隔0.1，得到能夠在場址產(chǎn)生指定地震動(dòng)的設(shè)定地震震級(jí)和震中距的所有組合，并由公式（1）計(jì)算相應(yīng)的發(fā)生概率（表1）。

由表可知，壩址100年超越概率2%對應(yīng)的設(shè)定地震震級(jí)和震中距如下（MSE=7.0、RSE=28.63km），對應(yīng)的地震動(dòng)橢圓的半長短軸分別為Ra=33.33km，Rb=22.04km；100年超越概率1%對應(yīng)的設(shè)定地震震級(jí)和震中距如下（MSE=7.0、RSE=27.22km），對應(yīng)的地震動(dòng)橢圓的半長短軸分別為Ra=31.81km，Rb=20.96km。

2.3 確定設(shè)定地震反應(yīng)譜

分別使用點(diǎn)源衰減模型（肖亮，2011）和NGA斷層源衰減關(guān)系的AS08模型（Abrahamson和Silva，2008）計(jì)算設(shè)定地震反應(yīng)譜。由于AS08衰減模型需要的計(jì)算參數(shù)很多，本文采用張效亮等（2017）方法建立虛擬三維有限斷層破裂面，將設(shè)定地震參數(shù)（震級(jí)MSE和震中距RSE）轉(zhuǎn)換成NGA衰減關(guān)系可用的參數(shù)（表2）。其中，斷層傾角δ、斷層類型SOF、斷層破裂面埋深ZTOR、上盤效應(yīng)修正項(xiàng)FHW等參數(shù)，根據(jù)潛在震源內(nèi)主干斷裂活動(dòng)性信息確定；斷層破裂面寬度W根據(jù)震源破裂尺度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式由震級(jí)M和斷層類型SOF確定；地表30米平均剪切波速VS30取1100m/s；場點(diǎn)到斷層各種距離（RJB、RRUP、RX）根據(jù)場點(diǎn)和虛擬三維震源斷層的幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換得到；震中在斷層破裂面相對位置取hypX=hypY=0.5。上述參數(shù)可直接用于AS08地震動(dòng)反應(yīng)譜衰減關(guān)系計(jì)算，所得設(shè)定地震反應(yīng)譜見圖2。

由設(shè)定地震反應(yīng)譜對比（圖2）可知，在0.5s之前一致概率反應(yīng)譜略高于水工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜，但是在0.5s之后一致概率反應(yīng)譜略高于水工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜；設(shè)定地震反應(yīng)譜低于一致概率反應(yīng)譜；國內(nèi)點(diǎn)源衰減模型得到的設(shè)定地震反應(yīng)譜高于AS08斷層源衰減模型。設(shè)定地震所獲得的反應(yīng)譜，經(jīng)過適當(dāng)歸一化處理后，可分別用于100年超越概率2%和100年超越概率1%設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的壩址抗震計(jì)算，或者以此反應(yīng)譜為目標(biāo)反應(yīng)譜擬合地震動(dòng)時(shí)程，為壩址動(dòng)力計(jì)算提供參考。

3 結(jié)束語

根據(jù)最新水工規(guī)范（NB35047-2015）的要求，本文在陳厚群等（2005）基于地震動(dòng)峰值加速度確定設(shè)定地震反應(yīng)譜的研究基礎(chǔ)上，建立了考慮大震近場地震動(dòng)特性的設(shè)定地震反應(yīng)譜模型，通過建立虛擬三維震源來確定NGA斷層源模型所需的眾多參數(shù)。設(shè)定地震能夠綜合反映概率方法和確定性方法的優(yōu)點(diǎn)，將概率地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果與物理意義明確的具體地震聯(lián)系起來，對于更合理地進(jìn)行大壩等重大工程抗震設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。通過實(shí)例分析對比設(shè)定地震反應(yīng)譜可知，設(shè)定地震反應(yīng)譜反應(yīng)譜低于一致概率反應(yīng)譜，國內(nèi)點(diǎn)源衰減模型得到的設(shè)定地震反應(yīng)譜高于AS08斷層源衰減模型得到的設(shè)定地震反應(yīng)譜。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳厚群，李敏，石玉成.基于設(shè)定地震的重大工程場地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的確定方法[J].水利學(xué)報(bào)，2005，36（12）：1399-1404.

[2]高孟潭.潛在震源區(qū)期望震級(jí)和期望距離及其計(jì)算方法[J].地震學(xué)報(bào)，1994，16（3）：346-351.

[3]吳健.設(shè)定地震確定方法研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2013.

[4]肖亮.水平向基巖強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2011.

[5]張翠然，陳厚群，李敏.NGA衰減關(guān)系應(yīng)用于重大水電工程抗震設(shè)計(jì)的可行性探討[J].水利水電技術(shù)，2011，41（3）：40-45.

[6]張效亮，張郁山，吳昊.地震動(dòng)衰減關(guān)系中震中距和斷層源距轉(zhuǎn)換[J].地震工程與工程振動(dòng)（審稿中），2017.

[7]國家能源局.水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（NB35047-2015）[S].北京：中國電力出版社，2015.

[8]Abrahamson， N. A.， and Silva， W. J. Summary of the Abrahamson & Silva NGA ground-motion relations[J].Earthquake Spectra，2008，24（1）：67-97.

[9]Ishikawa Y and Kameda H. Probability based determination of specific scenario earthquake[C].See： Proc. 4th International Conference on Seismic Zonation，1991，2：3-10.