烏東德水電站設定地震及場地相關設計反應譜研究

周華 劉科 王占軍 曹去修

摘要：烏東德水電站壩址地震地質條件復雜、基本烈度高、防震抗震問題突出。為合理評價烏東德大壩等抗震設防類別為甲類的重要建筑物抗震安全性能，采用了概率法和確定性方法相結合的設定地震方法，結合工程場地地震安全性評價給定的輸入?yún)?shù)、衰減關系和設計地震動加速度值，依據(jù)發(fā)生概率最大的原則和潛在震源中主要發(fā)震構造，確定了設定地震的震級和震中距，同時選用美國NGA中的AS08反應譜衰減關系，得到了與場地地震地質條件相關的加速度反應譜。結果表明：場地相關設計反應譜能真實反映壩址工程地震地質條件，其作為大壩抗震分析的依據(jù)是合適的。

關鍵詞：設定地震;場地相關設計反應譜;衰減關系;地震危險性分析;烏東德水電站

中圖法分類號：TV642文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.007

文章編號：1006 - 0081（2021）08 - 0033 - 06

0引 言

我國大型水利水電工程多數(shù)位于高山峽谷中，壩址地震烈度一般較高，合理的地震動輸入是大壩抗震安全評價的重要前提?，F(xiàn)行NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》規(guī)定：一般工程的水平向和豎向設計反應譜應采用標準設計反應譜，但對進行專門的場地地震安全性評價的抗震設防類別為甲類的工程，其設計反應譜應按規(guī)定采用場地相關設計反應譜。目前，已有一些學者針對高壩大庫開展過地震動輸入研究：李紅軍等[1]研究了基于設定地震的場地相關反應譜以及一致概率反應譜確定的動參數(shù)下，240 m高長河壩高心墻堆石壩的動力反應特征;黃熠輝等[2]研究了楊房溝水電站155 m高混凝土雙曲拱壩在場地相關設計反應譜以及人工地震動時程條件下的抗震安全性能。但總體而言，開展專門地震動輸入研究的工程數(shù)量不多，可供參考借鑒的工程經(jīng)驗較少。

烏東德水電站作為金沙江水電開發(fā)中的重要梯級，地處干熱河谷，高溫低濕，河谷深切、河床狹窄、岸坡陡峻、壩址河床覆蓋深厚、構造劇烈、地質條件復雜，地震基本烈度為Ⅶ度，工程技術難度大。樞紐主體建筑物混凝土雙曲拱壩最大壩高270 m，厚高比僅0.19，為目前世界上最薄的300 m級特高拱壩。烏東德拱壩屬于需要開展專門地震安全性評價且抗震設防類別為甲類的重要建筑物。根據(jù)現(xiàn)行抗震設計規(guī)范要求，大壩抗震安全評價分析時，其設計反應譜應采用基于概率法和確定性方法相結合的設定地震方法所確定的場地相關反應譜。

本文在系統(tǒng)總結烏東德水電站工程場地地震安全性評價意見的基礎上，依據(jù)國內現(xiàn)行抗震設計規(guī)范和相關科研機構最新研究進展，開展烏東德水電站設定地震及場地相關設計反應譜研究，可為大壩等抗震設防類別為甲類的重要建筑物抗震安全評價提供分析依據(jù)。

1 工程場地地震安全性評價

1.1 地震動參數(shù)和基本烈度

根據(jù)2015年4月云南省地震工程勘察院編制的《金沙江烏東德水電站工程場地地震安全性評價報告》[3]和中國地震局中震安評〔2015〕62號批復文件，烏東德工程場址地震基本烈度為Ⅶ度，壩址不同超越概率水平的基巖水平向峰值加速度見表1。

查詢GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》附圖，烏東德水電站壩址區(qū)50 a超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

1.2 區(qū)域地震活動性分析

金沙江烏東德水電站壩址區(qū)在區(qū)域大地構造單元劃分上位于揚子準地臺的滇東臺褶帶（[3] ）西側。在新構造運動分區(qū)上，屬鹽源-攀枝花掀斜隆起區(qū)的會理-玉溪掀斜差異凸起區(qū)。斷塊差異運動強烈，近南北向、北西向主體斷裂帶晚第四紀以來活動強烈，受其控制形成串珠狀斷陷盆地和現(xiàn)代湖盆，使斷裂兩側塊體產(chǎn)生了明顯的差異運動和水平滑移。區(qū)內歷史上發(fā)生過一系強震（表2），最大地震為1833年嵩明8.0級地震和1733年8月2日東川紫牛坡7.8級地震。歷史地震對烏東德壩區(qū)產(chǎn)生的最大影響烈度估計為Ⅶ度。因此，工程場地的強震危險性主要來自南北向展布的小江斷裂帶。

1.3 近場區(qū)地震活動性分析

烏東德水電站近場范圍內新構造運動以大面積間歇性掀斜隆升和斷塊差異運動為主。由于區(qū)內較強烈的隆升運動造成深切河谷并以基巖裸露的高山峽谷地貌為特征。近場區(qū)斷裂構造十分發(fā)育，縱橫交錯，主要以南北向和北東向斷裂為主，并切割了近東西向的斷裂，形成網(wǎng)格狀構造型式。近場區(qū)內共有10條斷裂，這些斷裂的規(guī)模不大，其最新活動時代均為早至中更新世，并無晚更新世以來活動斷裂。近場區(qū)自公元1893年有地震記錄以來，歷史強震稀少，共有3次破壞性地震記載（表3）。對工程場地影響最大的是1947年6月7日四川會東5.5級地震，最大影響為Ⅵ度。這3次地震分別位于馬鹿塘斷裂（F10）和德干斷裂帶（F2）附近。

1.4 主要發(fā)震斷裂及潛在震源區(qū)劃分

《金沙江烏東德水電站工程場地地震安全性評價報告》在區(qū)域內共劃分出26個潛在震源區(qū)（圖1），其中震級上限Mu=8.0級潛源5個，Mu=7.5級潛源3個，Mu=7.0級潛源9個，Mu=6.5級潛源6個，Mu=6.0級潛源3個。對工程場地影響最大的潛在震源區(qū)是第2號東川8.0級潛源，其次是包圍壩址的第1號富民6.5級潛源。

1.5 主要地震活動性參數(shù)

在全國地震區(qū)帶劃分上，研究區(qū)絕大部分位于青藏地震區(qū)的鮮水河-滇東地震帶（V3-2）內，只有東邊一小部分屬于華南地震區(qū)的右江地震帶（V4-2）。安全性評價報告給出的各地震統(tǒng)計區(qū)地震活動性參數(shù)見表4，對場址地震危險性貢獻較大的潛在震源區(qū)均屬于鮮水河-滇東地震帶。

1.6 地震動衰減關系

在基巖地震動衰減模型中，考慮到加速度峰值和反應譜的高頻成份在大震級和近場飽和特征，基巖水平加速度峰值和反應譜的衰減關系為

式中：Y代表加速度峰值或反應譜值，單位為cm/s2;M為震級;R為震中距，單位為km;C1，C2，C3，C4，C5，C6為回歸系數(shù)，σ為lgY的標準差。

安全性評價報告中，選用中國地震局地球物理研究所擬合的地震動衰減關系（表5），該衰減關系已在云南地區(qū)多個重大項目中使用。

1.7地震危險性綜合概率分析

根據(jù)之前確定的研究區(qū)域的地震統(tǒng)計區(qū)與潛在震源區(qū)、地震活動性參數(shù)及地震動衰減關系，采用地震危險性分析程序包，計算得到主要潛源對場地概率貢獻百分比（表6）。

計算結果表明：對工程場地起主要作用的潛在震源區(qū)是No（2）東川、No（1）富民和場址所在的No（1）號背景源。對場地50 a超越概率63%和10%的貢獻主要來自于場地所在的富民6.5級潛源、6.0級背景源以及場地以東約30 km的東川8.0級潛在震源區(qū)。隨著概率水平的降低，中等距離處的東川8.0級潛源的貢獻不斷加大，至100a超越概率1%時，東川8.0級潛源的貢獻以增強至73%，成為對場地的主要影響源。場地所在的6.5級潛源，隨概率水平降低，對場地的影響一直保持在25%的中等水平。場地所在的6.0級背景源，隨概率水平降低，對場地的影響逐漸減弱，至100a超越概率1%的時已降至3.8%。這些結果與場地處于中等距離高震級潛源、近場中等震級潛源和中等背景源的地震環(huán)境是相匹配的。

2 設定地震及場地設計反應譜研究方法

按照水電水利規(guī)劃設計總院“關于印發(fā)《〈水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范〉（NB 35047-2015）設定地震確定場地相關設計反應譜補充說明》的通知（水電規(guī)水工〔2017〕53號）”的相關要求以及陳厚群[4-5]等最新研究成果，工程場地相關反應譜的主要研究內容和步驟為：①基于概率地震危險性分析方法和指定的概率水準（如100a超越概率2%和100a超越概率1%），得到與之對應的不確定性校正前后的地震動峰值加速度值。②選取對場址給定峰值加速度值貢獻最大的潛在震源作為設定地震可能發(fā)生的區(qū)域。③遵循發(fā)生概率最大的原則，確定發(fā)生概率最大的震級及其在潛源中所處的空間位置，確定設定地震的震級M和震中距Repi。④已知設定地震的震級和震中距后，選取合適的反應譜衰減關系求得與場地地震地質條件相關的加速度反應譜，并按峰值加速度值進行規(guī)一化。鑒于目前缺乏直接根據(jù)中國強震記錄統(tǒng)計回歸的反應譜衰減關系，目前在中國重大水電工程的抗震研究中均采用了美國NGA中的AS08反應譜衰減關系[6]。

工程場地相關反應譜確定流程見圖2。

3 烏東德工程場地相關設計反應譜

3.1 確定設定地震

由表6中各主要潛在震源區(qū)對工程場地地震危險性貢獻的比例可知，對烏東德壩址地震危險性的100 a超越概率2%和1%貢獻最大的均為No（2）東川8.0級潛在震源區(qū)，貢獻的比例可達到66.9%和73.1%，其次為壩址所在的No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)，貢獻的比例分別為21.1%和19.3%。依據(jù)設定地震的確定原則，宜選取概率貢獻最大的潛在震源區(qū)作為設定地震的發(fā)震區(qū)域，但考慮到No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)的貢獻可達到20%左右，故對于烏東德壩址，同時選取No（1）富民和No（2）東川潛在震源區(qū)作進一步研究。

No（2）東川8.0級潛在震源區(qū)的主要斷裂為小江斷裂北段和中段。小江斷裂的斷裂活動表現(xiàn)為強烈的左旋走滑運動，為西南乃至中國大陸上一條著名強震帶，小江斷裂北段和中段為全新世活動斷裂。No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)內分布的主要斷裂為北北東向的德干斷裂帶（F2）和近東西向的落雪-通安斷裂（F5），德干斷裂帶（F2）是近場區(qū)內的主要斷裂，該斷裂帶在中更新世有過明顯活動，晚更新世活動跡象不明顯，具有發(fā)生6.0級左右地震的潛在危險。另外壩址區(qū)5 km范圍內還分布有熱水塘斷層（F6）和馬鹿塘斷裂（F10）。這4條斷層均為中更新世斷裂，不具備發(fā)生6.0級以上強震的構造條件?？紤]到No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)距壩址最近且將壩址包于其中，從保證工程安全的角度出發(fā)，No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)也作為設定地震的發(fā)震區(qū)域考慮。

綜上，同時選取對工程小概率設防概率水準（100 a超越概率2%和100 a超越概率1%）有貢獻的潛在震源區(qū)，即No（1）富民和No（2）東川潛在震源區(qū)作為設定地震可能發(fā)生的區(qū)域。遵循發(fā)生概率最大原則，根據(jù)確定設定地震的主要步驟，得到烏東德水電站壩址設定地震的震級M和震中距Repi見表7。

3.2 確定場地相關設計反應譜

將對應不同潛源和不同超越概率的設定地震的震級和震中距代入到AS08衰減關系中，并對得到的加速度譜按照峰值地面加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）進行歸一化處理，即可得到烏東德壩址在不同概率水準的放大系數(shù)譜β（T）（圖3）。圖3中繪制了該放大系數(shù)譜與新老規(guī)范標準譜的比較情況，DL 5073-2000標準譜的參數(shù)為（反應譜最大值βmax=2.5，特征周期Tg=0.2s，下降段衰減指數(shù)γ=0.9），NB 35047-2015標準譜的參數(shù)為βmax=2.5，Tg=0.3s，γ=0.6，NB 35047-2015標準譜（Tg不調整）的參數(shù)為βmax=2.5，Tg=0.2s，γ=0.6。烏東德壩址在GB 18306-2015《中國地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖》中位于0.45s區(qū)，根據(jù)NB 35047-2015中表5.3.5特征周期調整表，烏東德壩址標準反應譜的特征周期調整為0.3 s。

從圖3可以看出：在烏東德拱壩基頻（約0.4 s周期）附近，基于No（2）東川潛源確定的設定地震的放大系數(shù)譜高于基于No（1）富民潛源確定的設定地震譜。因此，從保證工程安全的角度出發(fā)，選取基于No（2）東川潛源得到的設定地震反應譜作為烏東德拱壩壩址的場地相關設計反應譜。

將b（T）譜值乘以地震危險性概率計算，不確定校正后相應概率水準的地震動峰值加速度在100a超越概率1%時為340.6 gal（3.406 m/s2），100 a超越概率2%時為280.4 gal（2.804 m/s2），得到烏東德壩址設定地震加速度反應譜Sa（T）（圖4）。圖中繪制了該加速度反應譜與NB 35047-2015規(guī)范譜、基于安全性評價一致概率譜對比情況，可以看出，在大約小于1.3 s的周期范圍內，基于安全性評價的一致概率譜均高于設定地震譜。按照現(xiàn)行抗震規(guī)范相關規(guī)定，推薦采用基于設定地震法確定的場地相關反應譜及其據(jù)此生成的人工模擬地震波作為大壩抗震設計的依據(jù)。

4 結 論

本文根據(jù)現(xiàn)行NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，結合云南省地震工程勘察院提交的《金沙江烏東德水電站工程場地地震安全性評價報告》中給出的相應于設計地震和校核地震（最大可信地震）的基巖水平向峰值加速度和安全性評價報告等相關原始資料，進行了壩址區(qū)基于設定地震的場地相關設計反應譜研究工作，主要成果和結論如下：

（1）根據(jù)安全性評價報告中地震危險性分析成果，本文選取概率貢獻最大的No（2）東川潛在震源區(qū)以及概率貢獻次大、距壩址最近的No（1）富民6.5級潛在震源區(qū)作為設定地震的發(fā)震區(qū)域，并確定了壩址設定地震的震級和震中距。

（2）采用美國NGA中的AS08衰減關系，根據(jù)設定地震的震級和震中距，確定了相應的歸一化場地相關設計反應譜。結合烏東德拱壩基頻情況，從保證工程安全的角度出發(fā)，選取設定地震放大系數(shù)譜較高的No（2）東川潛源地震反應譜作為烏東德拱壩壩址的場地相關設計反應譜，推薦其作為大壩抗震設計的依據(jù)。

參考文獻：

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（編輯：江 文）