曲江倒虹吸跨活動斷裂抗錯斷設(shè)防參數(shù)研究

米健 沐紅元

摘要：

跨活動斷裂的建筑物極易發(fā)生錯斷破壞，抗錯斷設(shè)防是跨活動斷裂建筑物設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。根據(jù)對我國西部地區(qū)走滑斷裂引發(fā)的歷史強(qiáng)震資料的分析，建立了震級與破裂長度、最大水平位移之間的擬合關(guān)系式，同時對曲江斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移和垂直位移、變形帶寬度以及蠕滑位移進(jìn)行預(yù)測，并提出了曲江倒虹吸的抗錯斷設(shè)防參數(shù)建議值。結(jié)果表明：曲江斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移量和垂直位移量分別為1.02 m和0.19 m，變形帶寬度為300 m;未來百年內(nèi)蠕滑水平位移和垂直位移分別為0.34～0.51m和0.06～0.10 m。研究結(jié)果對曲江倒虹吸跨曲江斷裂抗錯斷設(shè)防參數(shù)取值具有參考價值。

關(guān) 鍵 詞：

活動斷裂; 抗錯斷設(shè)防; 震級; 地震破裂帶; 位移; 曲江倒虹吸; 滇中引水工程

中圖法分類號： TV221

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.017

0 引 言

活動斷裂[1]是指晚更新世以來有活動的斷裂。全新活動斷裂為在全新地質(zhì)時期（10 000 a）內(nèi)有過地震活動或近期正在活動，在今后100 a可能繼續(xù)活動的斷裂[2]?；顒訑嗔岩资艽蟮貥?gòu)造力作用而產(chǎn)生錯動，從而造成跨越活動斷裂的建筑物發(fā)生災(zāi)難性的錯斷破壞，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損傷和人員傷亡。現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定宜避開活動斷裂帶并建議合理避讓距離，無法避開時，宜選擇在活動斷裂位移和斷裂帶寬度最小地段大角度穿越，并采取工程措施。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的不斷深入，在我國西部強(qiáng)震區(qū)興建的公路、鐵路、油氣管道以及引調(diào)水工程等線狀工程中，常常不可避免地跨越活動斷裂，受活動斷裂錯斷運(yùn)動影響，這些工程建筑物面臨著嚴(yán)重的錯斷威脅。1952年美國加州克恩郡發(fā)生7.6級地震，穿越白狼斷層破碎帶的4座隧道均遭受到嚴(yán)重破壞[3];1995年日本阪神發(fā)生7.2級地震，穿越多條斷層的六甲隧道破壞最為嚴(yán)重;2008年汶川地震中處于F3和F2斷層之間的龍溪隧道以及通過F11-2斷層的紫坪鋪隧道破壞嚴(yán)重。因此，對工程建筑物跨越活動斷裂的分布特征、活動特征等進(jìn)行研究，提出曲江倒虹吸跨活動斷裂的抗錯斷設(shè)防參數(shù)，是進(jìn)行工程抗錯斷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是保障工程安全運(yùn)營的前提。

我國學(xué)者和專家對活動斷裂進(jìn)行了大量的定量研究[4]。1983～1987年，在鄧起東的主持下對海源活動斷裂進(jìn)行了1∶5萬活動斷裂地質(zhì)填圖和晚第四紀(jì)斷裂活動歷史和滑動速率的綜合研究;李起彤根據(jù)活動斷裂的平均滑動速率和地震重復(fù)間隔以及下次大震逼近的時間進(jìn)行活動斷裂的活動度和危險度的判定;黃靜宜根據(jù)歷史地震的破裂參數(shù)情況，總結(jié)了地震破裂參數(shù)與震級的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。對活動斷裂不同方向和不同性質(zhì)的位移量、變形量和滑動速率的研究有助于定量地評估活動斷裂的地震對工程的危害程度。

本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、勘探成果以及歷史地震資料，對我國西部地區(qū)歷史強(qiáng)震的震級與地震破裂參數(shù)進(jìn)行擬合，分析了曲江斷裂震級上限及未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級，并對斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移和垂直位移、變形帶寬度以及蠕滑位移進(jìn)行預(yù)測;結(jié)合建筑物級別和工程設(shè)計(jì)使用年限，提出了曲江倒虹吸的抗錯斷設(shè)防參數(shù)建議值，可為曲江倒虹吸抗錯斷設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

曲江倒虹吸位于滇中引水工程輸水線路玉溪段，倒虹吸設(shè)計(jì)流量為20 m3/s，管徑2.60 m，全長1 856.28 m，進(jìn)、出口設(shè)計(jì)水位高程分別為1 652.36 m和1 642.96 m，中部曲江河床高程為1 402.10 m。沿線地層巖性為D3白云巖夾頁巖及Zbdn白云巖（見圖1～2）。倒虹吸在里程樁號75+375～75+530段跨越曲江斷裂，交角60°，相交位置曲江斷裂走向300°，傾向SE，傾角60°～70°，主斷裂帶寬約100 m，斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖主要為灰色角礫巖夾碎裂巖，構(gòu)造巖帶內(nèi)剪切斷面發(fā)育，多呈波狀。

倒虹吸場地50 a超越概率10%的地震動參數(shù)為：地震動峰值加速度為0.358 g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應(yīng)譜特征周期0.50 s。

2 斷裂活動特征及活動分級

（1） 斷裂活動特征。曲江斷裂北西起峨山縣城以西的安居村，向南東經(jīng)峨山縣城、小街、高大、曲溪，至廟碑山以東，南東止于小江斷裂帶，全長約110 km。沿斷裂帶構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，發(fā)育寬達(dá)幾十米至數(shù)百米的斷層破碎帶，最寬處破碎帶達(dá)1 km，其中糜棱巖帶達(dá)500～600 m。沿斷裂現(xiàn)今地貌上主要表現(xiàn)為一條直線型溝槽狀斷裂谷，并發(fā)育峨山、小海洽、高大和曲溪4個斷陷盆地，沿斷裂斷錯水系、斷錯山谷、斷層陡崖、斷層陡坎等斷錯地貌十分發(fā)育（見圖3）。

4 斷裂百年最大突發(fā)地震位移參數(shù)預(yù)測

4.1 斷裂震級上限預(yù)測

（1） 歷史地震法。對于有發(fā)震記錄的斷裂，尤其是有多次強(qiáng)震記錄的斷裂，可根據(jù)其歷史地震的震級確定其未來發(fā)震的震級上限，可將歷史上記錄的最大震級作為未來地震的震級上限，當(dāng)歷史震級的尾數(shù)為0.1～0.4時，按0.5記;當(dāng)歷史震級的尾數(shù)為0.6～0.9時，向上進(jìn)位按整數(shù)記[31]。曲江斷裂歷史最大地震為1970年通海7.8級地震，其震級上限應(yīng)為8.0級。

（2） 經(jīng)驗(yàn)公式法。聞學(xué)澤等[32]認(rèn)為，未來百年內(nèi)的震級上限應(yīng)是斷裂全長在單一地震事件中全部破裂時所達(dá)到的震級，曲江斷裂全長110 km，代入式（1）求解出震級為7.68級，其震級上限應(yīng)為8.0級。

因此，曲江斷裂的震級上限為8.0級。

4.2 百年最大突發(fā)地震震級預(yù)測

4.2.1 歷史地震法

從曲江斷裂帶強(qiáng)震M-T圖（見圖6） 可知：曲江斷裂帶自1517年以來，共經(jīng)歷了3個地震活躍期與相應(yīng)的平靜期：第一活躍期自1517～1606年，活動時間為90 a，共記載有M≥5.0級地震4次，最強(qiáng)地震為1588年建水曲溪M≥7.0級地震;第一平靜期自1607～1721年，115 a間無1次破壞性地震記載;第二活躍期自1722～1814年，活動時段為93 a，共記載有M≥5.0級地震2次，最強(qiáng)地震為1763年江川-通海間6.5級地震;第二平靜期自1815～1886年，72 a間無1次破壞性地震記錄;第三活躍期1887～1976年，活動時段為90 a，共發(fā)生2次7.0級以上強(qiáng)震，最大為通海7.8級地震。以上事實(shí)表明：曲江斷裂的活躍期時段為90 a左右，有2個活躍期內(nèi)發(fā)生7.0級以上地震，一個活躍期內(nèi)發(fā)生6.5級地震，最近的一個活躍期的地震活動水平遠(yuǎn)高于前2個地震活躍期，由此推測，曲江斷裂應(yīng)處于地震活動相對平靜的時段。

從上述2種方法的預(yù)測結(jié)果可知：曲江斷裂未來百年內(nèi)發(fā)生8.0級和7.5級地震的可能性很小，發(fā)生7.0級地震的可能性較大。因此，從斷裂發(fā)震的震級概率分析，曲江斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級為7.0級，可按7.0級地震對曲江倒虹吸進(jìn)行抗錯斷設(shè)防參數(shù)計(jì)算。

4.3 百年最大突發(fā)地震地表位移量預(yù)測

曲江斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震震級為7.0級。由式（2）計(jì)算求解曲江斷裂未來百年內(nèi)最大水平位移量為1.02 m。

最大垂直位錯量可由斷裂擦線側(cè)伏角計(jì)算。根據(jù)曲江斷裂與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力方位關(guān)系分析和實(shí)際調(diào)查資料，斷裂以水平位移為主，垂直位移分量較小，斷裂擦線側(cè)伏角多在20°左右，垂直位移按20°側(cè)伏角進(jìn)行計(jì)算，最大垂直位移量為0.19 m。

最大水平位移與最大垂直位移之比為5.4∶1.0，與1970年通海7.8級地震的同震位移比值相近。

4.4 最大突發(fā)地震地表變形帶寬度預(yù)測

從表1的地震地表破裂帶的現(xiàn)場觀測資料來看：7.0級以上強(qiáng)震的地表破裂帶一般為幾米到幾十米，最大寬度可達(dá)300～500 m，表明地震地表變形帶寬度有限。對于工程設(shè)防而言，應(yīng)考慮斷裂帶往往由多個分支斷裂組成，且地震破裂及其影響帶（含重力影響）應(yīng)相對較大一些。曲江斷裂的震級上限為8.0級，未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震震級為7.0級，參照表1中歷史強(qiáng)震資料，可將曲江斷裂地震破裂影響帶寬度定為300 m。

5 斷裂百年蠕滑位移量預(yù)測

中國地震局地質(zhì)研究所向宏發(fā)等[34]對滇西北地區(qū)的活動斷裂的黏滑與蠕滑運(yùn)動做了深入的研究和討論，得出滇西多數(shù)活動斷層蠕滑量約占位錯總量的2/3～1/3的初步認(rèn)識。據(jù)此類比，對于以黏滑為主的斷裂百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/3～1/2取值，對以蠕滑為主的斷裂百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/2～2/3取值。曲江斷裂為黏滑型活動斷裂，百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/3～1/2取值，即百年蠕滑水平位移量和垂直位移量分別為0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。

6 抗錯斷設(shè)防參數(shù)確定

曲江倒虹吸為1級建筑物，設(shè)計(jì)使用年限為100 a，應(yīng)按100 a進(jìn)行抗錯斷設(shè)防，設(shè)防參數(shù)建議值詳見表3。

7 結(jié) 論

（1） 曲江斷裂是一條全新世右旋走滑活動斷裂，斷裂全新活動分級為強(qiáng)烈，震級上限為8.0級，未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級為7.0級。

（2） 曲江斷裂未來百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移量和垂直位移量分別為1.02 m和0.19 m，變形帶寬度為300 m，未來百年內(nèi)蠕滑水平位移和垂直位移分別為0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。

（3） 鑒于曲江倒虹吸跨越的曲江斷裂規(guī)模大，次級斷面多，地面調(diào)查很難查清跨越部位斷裂地質(zhì)學(xué)特征，對該活動斷裂研究應(yīng)采用動態(tài)跟蹤的方法，貫穿設(shè)計(jì)和施工全過程，特別是在管槽開挖揭示出斷裂帶后進(jìn)行詳實(shí)的定量分析研究，從而確定抗錯斷的具體位置，并采取動態(tài)評估。

（4） 活動斷裂的變形、突發(fā)地震等都難以準(zhǔn)確預(yù)測，且破壞性極強(qiáng)。針對曲江倒虹吸建立安全預(yù)警系統(tǒng)十分必要，以便能及時發(fā)現(xiàn)問題和發(fā)出預(yù)警，及時采取相應(yīng)措施排除險情，保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（編輯：劉 媛）