石家莊市斷裂構造簡述和巖土地震參數(shù)調整研究

孫立川 楊乾坤 張 乾

(河北中核巖土工程有限責任公司，河北石家莊 050021)

0 引言

石家莊市市轄區(qū)域跨太行山山地和華北平原兩大地貌單元。石家莊凹陷位于華北平原坳陷區(qū)的冀中凹陷區(qū)西南隅(見圖1)。西臨保定-石家莊斷裂[1]，東臨邢衡凸起。

圖1 河北省新構造單元劃分圖(局部)[1](粗線為二級構造單元，細線為三級構造單元，圓表示歷史地震；I華北平原坳陷區(qū)；I2冀中凹陷；I3滄縣凸起；I4黃驊凹陷；I6邢臺衡水凸起；I7臨清凹陷)

石家莊市及鄰區(qū)是華北平原地震帶的一部分，受華北地震區(qū)地震活動的制約和影響。1966年3月21日的邢臺地震震中寧晉東旺村[2-3]位于石家莊市轄區(qū)邊界東南2.35 km，距市中心僅60 km，震級7.2級，震源深度9 km，震中烈度為10度。2015年版中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖把石家莊的地震分組從第一組調整至第二組，把辛集市的地震設防加速度由0.10g調整為0.15g，反映了這種制約和影響[4]。

隨著經(jīng)濟發(fā)展，石家莊市市區(qū)面積逐步擴大，原來研究程度不高的市郊農(nóng)村也開始了大規(guī)模的城市建設。本文整理、匯編了石家莊城區(qū)主要地質構造的特征，并對斷裂進行活動性判別、分級。針對石家莊城區(qū)地層分布特點討論了場地分類和錯劃場地分類對建筑結構設計的影響，分析了與場地類別劃分密切相關的反應譜特征周期調整、地震加速度調整、地震分組調整和設防烈度調整等問題。

1 石家莊城區(qū)主要地質構造特征及分類

通過收集石家莊主城區(qū)周邊半徑100 km內的地質構造資料，結合文獻[1]、文獻[5-8]，整理了石家莊城區(qū)主要斷裂構造特征、活動年代等內容，將斷裂構造位置疊加到石家莊行政區(qū)劃圖上(見圖2)。圖中斷裂構造相對于二環(huán)、三環(huán)和高速公路的位置僅為示意。主要的四條斷裂構造特征描述如下，其余請參閱文獻[1]。

圖2 石家莊地區(qū)地質構造示意圖

1.1 四條主要斷裂構造特征

1.1.1 保定—石家莊斷裂石家莊段(石家莊斷裂)

1.1.2 欒城東斷裂

欒城東斷裂也稱為藁城東斷裂(見圖4)，據(jù)人工地震勘探資料，該斷裂呈NE40°展布，全長約36 km，是一條傾向SE、傾角約50°的張性正斷裂，下端埋深達7000 m，上端埋深700 m。該斷裂早更新世早期有過活動，屬于早中更新世斷裂。

圖3 太行山山前斷裂帶在石家莊及其鄰近地區(qū)的分布圖[1]

1.1.3 北席斷裂

該斷裂自西南經(jīng)北龍宮村北、前堤里村、崗上鎮(zhèn)、北席、段干村、南留村、南趙臺村，止于使莊村(見圖4)，長約50 km，走向NE30°～50°，傾向NW，為正斷層。北席斷裂上端點埋深600～700 m，斷裂未延入第四系地層。北席斷裂和石家莊斷裂同屬太行山山前斷裂帶保定—石家莊斷裂段的組成部分，它們的形成、演化、最新活動基本相同。綜合考慮，認為北席斷裂第四紀早期可能有過活動。

1.1.4 馬村北斷裂

位于石家莊南部裝備制造基地的馬村北斷裂[1,6](見圖4)是隱伏斷裂，西起范家莊村西，經(jīng)馬村北、使莊村北止于欒城區(qū)西不落營村，走向NWW，傾向NNE，全長24 km，為轉換正斷層。切割石家莊斷裂、北席斷裂和元氏斷裂。該斷裂由兩條斷層組成，呈“y”字形構造，斷裂帶寬度120～140 m，主斷層傾向北的正斷層，傾角較緩。上端點埋深56～100m，晚更新世以來沒有活動。

圖4 馬村北斷裂與其他斷裂的關系位置圖[6]

1.2 石家莊城區(qū)主要構造的斷裂活動性及分類

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)(2009年版)5.8節(jié)規(guī)定，全新活動斷裂為全新地質時期(一萬年)內有過地震活動或者近期(500年來)發(fā)生過地震震級M≥5級的斷裂。據(jù)此，對石家莊城區(qū)主要地質構造的工程分類如表1所示。

按照《巖土工程勘察規(guī)范》表5.8.3，對古運糧河斷裂和晉獲斷裂帶北段進行全新活動斷裂分級，均屬于微弱全新活動斷裂，分級為Ⅲ級。

表1 石家莊城區(qū)主要地質構造匯總及斷裂分類(分級)

1.3 石家莊城區(qū)未來可能遭受地震的矩震級

近年來石家莊市區(qū)新建的甲類建筑物僅有河北疾控中心項目，但未能收集到該項目的地震安評資料。根據(jù)文獻資料，認為未來石家莊市區(qū)可能遭受到的地震危險中，威脅最大(或對石家莊市所遭受的地震貢獻最大)的是邢臺新河斷裂，可能遭受到的最大震級為7.3級[9-10]。建議當資料缺乏時，可偏保守的暫按矩震級MW=7.3級進行相關計算。

2 設計地震分組和抗震設防烈度的調整

《建筑抗震設計規(guī)范》[11]附錄A給出了我國各縣級及縣級以上城鎮(zhèn)地區(qū)的抗震設防烈度、設計基本地震加速度以及所屬的設計地震分組。但是沒有給出所有城(鄉(xiāng))鎮(zhèn)的抗震設防烈度、設計地震分組。由于縣級行政區(qū)地域范圍較大，有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地震動參數(shù)會與縣城所在地顯著不同。因此需要根據(jù)具體的地震動參數(shù)進行調整，確定工程所在地的設計地震分組和抗震設防烈度。《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[12]中給出了所有行政區(qū)劃中城(鄉(xiāng))鎮(zhèn)的地震動峰值加速度和反應譜特征周期。

例如，某工程位于石家莊趙縣新寨店鎮(zhèn)，勘察報告需提供勘察場地所在地的設計地震分組、設計基本地震加速度和反應譜特征周期。查《建筑抗震設計規(guī)范》[11]附錄A，趙縣屬于第一組，設計基本地震加速度為0.10g，顯然，這些參數(shù)是趙縣縣城所在地的地震動參數(shù)。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[12]附錄A和附錄B,趙縣處于分界線附近，又根據(jù)該規(guī)范的附錄C，查得新寨店特征周期為0.4s，設計基本地震加速度為0.10g，而特征周期0.4s在《建筑抗震設計規(guī)范》中對應的設計地震分組為第二組，兩規(guī)范的設計地震分組結果不一致。

在抗震規(guī)范[11]的附錄A條文說明中，給出了以下內容：“當在各縣級以及縣級以上城鎮(zhèn)中心地區(qū)以外的行政區(qū)域從事建筑工程活動時，應根據(jù)工程廠址地理坐標查詢《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)的附錄A和附錄B,以確定工程廠址的地震峰值加速度和地震加速度反應譜周期，并根據(jù)下述原則確定工程廠址所在地的抗震設防烈度、設計基本地震加速度和所屬的設計地震分組”。

據(jù)此，對于該工程場地所在位置，應根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》查得的特征周期(趙縣新寨店為0.4s)，結合該條文說明的附表[11](見表2)，調整確定工程場地所在地的設計地震分組。所以，趙縣新寨店的設計地震分組調整為第二組。

表2 設計地震分組與GB18306反應譜特征周期的對應關系[11]

又如，某工程位于辛集市南智丘鎮(zhèn)。查抗震規(guī)范[11]附錄A，辛集市屬于第一組，設計基本地震加速度為0.15g，抗震設防烈度7度。顯然，這些參數(shù)是辛集市主城區(qū)的地震動參數(shù)。同樣根據(jù)上述條文說明，應根據(jù)南智丘鎮(zhèn)的地震動峰值加速度0.20g和表3調整確定工程場地的設防類別為8度(0.20g)。

表3 抗震設防烈度、設計基本地震加速度與GB18306反應譜特征周期的對應關系

經(jīng)筆者核查，石家莊市共有37個類似(鄉(xiāng))鎮(zhèn)的設計地震分組與縣城所在地的設計地震分組不一致，需根據(jù)特征周期進行調整，見表4。此外，還有三個位于辛集市的城(鄉(xiāng))鎮(zhèn)的抗震設防烈度與縣市政府所在地不同，見表5。

表4 調整前后石家莊轄區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地設計地震分組一覽表

表5 辛集市轄區(qū)抗震設防烈度調整前后一覽表

3 場地類別劃分

3.1 規(guī)范的場地類別劃分方法存在的問題

現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》場地類別劃分是按照覆蓋層厚度dov和等效剪切波速vse進行雙參數(shù)分類[13]，采用了絕對的數(shù)值邊界，劃分的結果就是非此即彼的場地類別。根據(jù)抗震規(guī)范[11]，場地類別劃分如圖5所示，各類別場地中都有突變的尖角，在此處實測數(shù)據(jù)稍有變化，劃分的場地類別就會相差一類。這樣，就導致根據(jù)場地類別確定的特征周期存在著不連續(xù)現(xiàn)象。有時場地條件接近的兩個場地，場地類別卻相差一類。對此，文獻[14]提出了采用等效特征周期以及模糊數(shù)學計算場地分類等方法來解決此類問題。

圖5 場地類別劃分示意圖

3.2 場地類別與地質成因和年代的關系

石家莊市轄區(qū)大部分位于太行山山前沖洪積平原，城區(qū)大致以京廣鐵路和中華北大街為界，以西地區(qū)為上更新統(tǒng)沖洪積地層[5]，沉積年代久，密實度較好，剪切波速相對較高；以東地區(qū)淺部地層屬于全新統(tǒng)沖洪積地層，沉積年代較短，密實度不高，剪切波速相對偏低。

正定新區(qū)滹沱河沿岸淺部地層屬于全新統(tǒng)沖積地層，沉積年代較短，剪切波速不高。按照工程經(jīng)驗，石家莊地區(qū)地層的剪切波速普遍都在Ⅱ類、Ⅲ類場地類別邊界線附近，在劃分場地類別時不僅要考慮實測的波速數(shù)值以及覆蓋層厚度，還應該考慮沉積年代、密實程度等地質因素。

根據(jù)資料，石家莊城區(qū)西部屬于剝蝕區(qū)，缺失全新統(tǒng)地層[5](見圖6)，表層主要以Q3或更古老地層為主。根據(jù)剪切波速度試驗結果統(tǒng)計，大致以京廣鐵路為界，以西市區(qū)平原部分以Ⅱ類場地為主，以東以Ⅲ類場地為主，但裕華路以北部分區(qū)域剪切波速較高，存在Ⅱ類場地。

圖6 石家莊市第四紀地質圖[5]

3.3 錯劃場地類別的影響

文獻[15]總結了場地類別與抗震措施和抗震構造措施的影響(見表6)。由表6可以看出，如果因測試誤差或者其它原因把Ⅱ類(錯)劃成Ⅲ類，或者把Ⅲ類(錯)劃成Ⅱ類，對于石家莊主城區(qū)的乙類和丙類工程來說，結構的抗震措施和抗震構造措施都是按照8度設防(比設防烈度提高一度)來設計，也即對結構的抗震措施和抗震構造措施沒有影響。但如果工程位于石家莊其他地區(qū)，結果就可能有所不同。

表6 乙、丙類建筑的抗震措施和抗震構造措施[15]

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[12]，石家莊市絕大部分抗震設防烈度7度(0.10g)，但辛集市抗震設防烈度7度(0.15g)(表5所示三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為8度0.2g)。由表6可知，位于辛集市的乙類抗震建筑，除按照提高一度采取抗震措施外，還應該按照8+采取抗震構造措施。如果此時因測試誤差或者其它原因把Ⅱ類(錯)劃成Ⅲ類，或者把Ⅲ類(錯)劃成Ⅱ類，就會對結構抗震設計產(chǎn)生很大影響。

根據(jù)抗震規(guī)范[11]第5.1.2-3條規(guī)定，對于8度設防的Ⅰ類和Ⅱ類場地以及7度設防的全部場地類別，當建筑物高度大于100 m；或者8度設防的Ⅲ、Ⅳ類場地，當建筑物高度大于80 m時，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。第5.1.2-5條規(guī)定，平面投影尺度很大的空間結構等特殊建筑物在6度和7度設防時，Ⅰ、Ⅱ類場地的抗震驗算可采用簡化方法，7度設防的Ⅲ、Ⅳ類場地和8、9度設防時，應采用時程分析方法進行抗震驗算?？梢姲癣蝾?錯)劃成Ⅲ類，或者把Ⅲ類(錯)劃成Ⅱ類都會對工程設計計算工作產(chǎn)生影響。

另外，《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(2015版)第13條規(guī)定：“結構總地震剪力……，(超限建筑)Ⅲ、Ⅳ類場地時尚宜適當增加(舊版文件規(guī)定為增加10%)”。照此，對位于辛集市外的超限建筑物，錯劃場地類別(把Ⅱ類(錯)劃成Ⅲ類，或者把Ⅲ類(錯)劃成Ⅱ類)盡管不影響抗震措施和抗震構造措施，但需適當增加地震作用，意味著主體結構要加強，造價也會增加。

根據(jù)以上討論，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，對于石家莊地區(qū)設防加速度0.05g和0.10g的非超限且高度符合抗震規(guī)范[11]表5.1.2-1規(guī)定的乙、丙類建筑物，場地類別劃為Ⅱ類或Ⅲ類的影響不大，除此之外的建筑物，場地類別劃為Ⅱ類或Ⅲ類的影響較大。

4 地震反應譜參數(shù)按照場地類別調整

建設場地地震動反應譜參數(shù)調整是指對地震動峰值加速度和反應譜特征周期進行調整。這是因為抗震規(guī)范[11]只給出了Ⅱ類場地的上述參數(shù)，而對于其他類別場地需要進行調整，以反映場地條件的變化對地震動參數(shù)的影響。

4.1 特征周期按照場地類別調整計算

抗震規(guī)范[11]的8.2條提供了按照場地類別進行特征普周期的調整方案。該方案隱含了特征周期不連續(xù)的跳躍現(xiàn)象，即在某些等效剪切波速數(shù)值附近，只要波速數(shù)值稍有變化，就會導致場地類別變化一類，從而特征周期增加或減少0.1s。

4.1.1 《建筑抗震設計規(guī)范》條文說明的方法

針對特征周期不連續(xù)現(xiàn)象，抗震規(guī)范[11]第4.1.6條的條文說明給出了一種連續(xù)化插入方案配圖(見圖7)，該圖在場地覆蓋層厚度dov和等效剪切波速vse平面上用等步長以及按線性規(guī)則改變步長的方案進行連續(xù)化插入，相鄰等值線的Tg值均相差0.01s。文獻[13]對上述插值計算方法進行了詳細說明。

需要指出的是，圖7說明中 “用于設計特征周期一組”的說法，含義模糊。究竟是指地震分組還是其他意思尚有爭議，因為抗震規(guī)范[11]其他地方?jīng)]有“設計特征周期一組”這一用語，也未見對此有說明解釋之處。

圖7 抗震規(guī)范[11]Tg等值線圖(用于設計特征周期一組,相鄰Tg等值線差值0.01s)

4.1.2 《建筑抗震設計規(guī)范》條文說明修正方法

文獻[16]認為，類別界限附近15%的范圍是插值計算范圍，而其他的范圍為確定的范圍，不需要插值。例如，對于第一分組，圖8中Ⅱ類和Ⅲ類界限附近折線BDFHJ為覆蓋層厚度±15%范圍，向右超過這條線特征周期就取值0.45s，則插值計算時取折線BDFHJ對應的特征周期為0.45s，那么插值計算就可以僅僅在陰影區(qū)進行。

圖8 插值計算示意圖(注:虛線位置處界限數(shù)值未按比例標注)

插值計算時按照以下原則[16]進行計算：根據(jù)覆蓋層厚度dov和等效剪切波速vse確定插值點位置。插值點位置位于ABDC、EFGH橫線陰影區(qū)域內時，根據(jù)覆蓋層厚度dov進行線性插值；位于CDFE、HJIG豎線陰影區(qū)域時，根據(jù)等效剪切波速vse線性插值。

4.1.3 專家建議的調整方法

中國建筑設計院有限公司總工程師朱炳寅在其編著的《建筑抗震設計規(guī)范應用與分析》(第二版，2017年版)提供了一個表格，對特征周期一組的場地，可根據(jù)場地的覆蓋層厚度和等效剪切波速查該書表4.1.6-1得到特征周期，并允許線性插值。

4.2 地震加速度按照場地類別調整計算

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[12]附錄C查得的是Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度α′maxⅡ，然后根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[12]6.2節(jié)規(guī)定對基本加速度進行調整計算，得到不同地面運動水準的Ⅱ類場地地震動峰值加速度αmaxⅡ(當只考慮基本/設防地震加速度時，無需進行此調整計算)。

區(qū)劃圖[12]附錄E指出，對于Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅲ、Ⅳ類場地地震動峰值加速度αmax可根據(jù)Ⅱ類場地地震動峰值加速度αmaxⅡ和場地地震動峰值加速度調整系數(shù)Fa(查規(guī)范[12]附錄表E.1)按照下式確定。

αmax=FaαmaxⅡ

舊版區(qū)劃圖不考慮按照場地類別調整地震加速度，也即所有場地類別的場地地震加速度是一樣的。調整以后實際上是考慮了場地土(Ⅲ、Ⅳ類)對基巖入射地震波的放大作用，這樣，地震作用就有可能比原來的大，從而加大建設投入。

需要指出的是，現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010，2016年版)在局部修訂時尚未要求對地震加速度進行場地類別調整計算[11,17]。

5 結論

石家莊城區(qū)及周邊斷裂構造研究深度不一，位于主城區(qū)的斷裂構造研究程度相對較高，隨著石家莊的經(jīng)濟發(fā)展和城區(qū)范圍擴大，原來研究程度不高的斷裂的資料也會逐步豐富，巖土工程勘察應隨著資料的豐富，不斷改進，以適應工程建設的需要。

石家莊市地層類別介于Ⅲ類和Ⅱ類之間，主城區(qū)西部和東部分別是全新統(tǒng)缺失區(qū)和全新統(tǒng)覆蓋區(qū)，并不全是Q4地層。全新統(tǒng)缺失區(qū)以Ⅱ類為主，全新統(tǒng)覆蓋區(qū)場地類別以Ⅲ類場地為主，但也有Ⅱ類場地分布，地層剪切波波速處于分界線附近，勘察時需要仔細區(qū)分。

《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》規(guī)定了全國主要城(鄉(xiāng))鎮(zhèn)的Ⅱ類場地地震基本加速度，而抗震設計規(guī)范規(guī)定了全國縣級政府所在地的Ⅱ類場地地震基本加速度，在實際工程中，需要分別根據(jù)場地類別進行調整。反應譜參數(shù)中的特征周期更是和場地類別、工程所在地位置有關。而地震基本加速度調整尚未在抗震設計規(guī)范中進行規(guī)定，目前可暫不根據(jù)場地類別調整。

隨著石家莊的經(jīng)濟發(fā)展，甲類建筑物會越來越多，對石家莊主城區(qū)地震影響貢獻最大的斷裂的主要指標(例如矩震級)研究應會更加明確。另外，隨著南水北調對主城區(qū)特別是滹沱河沿岸地下水的調蓄影響，地下水位會逐步回升，地基的地震液化和抗浮設防水位問題也需充分關注。

承蒙河北省地震局彭遠黔研究員提供部分資料，特此致謝！