隴東黃土高原地區建筑抗震設防參數研究①

王愛國，趙澤賢

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隴東黃土高原主要指位于六盤山以東、子午嶺以西的甘肅慶陽地區，是我國典型的黃土發育區（圖1）。黃土分布高程一般為1 400～1 600m，地勢西北高，東南低，第四系黃土沉積厚度由北向南逐漸減薄，至董志塬厚約250m。區內涇河及其支流縱橫其中，形成南部保存最完好的黃土塬及北部溝壑縱橫的黃土梁峁地貌［1］，河流最大切割深度達300m。

該區位于鄂爾多斯臺地西南部，大地構造屬于華北地臺鄂爾多斯中坳帶南段和鄂爾多斯西緣褶斷帶［2］。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306－2001），該區基本水平地震動峰值加速度0.05～0.10g，特征周期Tg為0.45s，相應地震烈度Ⅵ～Ⅶ度［3］。由于區內活動構造不發育，地震活動水平較低，建筑抗震設防工作一直重視不夠。2008年5月12日四川省汶川縣MS8.0特大地震給距離震中最近540km的隴東地區帶來巨大損失［4］①甘肅省地震局.2008年5月12日四川汶川MS8.0級地震災害損失評估報告（甘肅災區）.2008.，特別是幾棟新建小高層建筑的受損，引起政府對于抗震設防工作的高度重視。在災后重建工作中，慶陽市人民政府印發通知②慶陽市人民政府辦公室.關于災后重建工程質量管理地震設防工程監督檢查驗收的意見（慶政辦發〔2008〕100號）.2008.，要求災后重建工程設防在國家新的標準未頒布以前將災后重建項目及新建建筑設防標準統一提高1度進行設防，對學校、醫院、商場、高大公共建筑等人流密集、使用功能特殊的房屋建筑和電力、廣播電視、郵電、通訊、道路橋梁、交通運輸等生命線工程及抗震防災、黨政軍首腦、應急指揮中心所在的辦公建筑，則要求按Ⅷ度加強抗震構造措施。

黃土地區的地震地質背景和地震活動環境以及其特有的地形地貌和黃土厚度等決定了其地震地面運動規律有其自身的特性［5］，隴東黃土高原地區尤為特殊。本文以隴東黃土高原西峰市及環縣為例，對黃土高原地區建筑抗震設防參數進行研究，以期為黃土高原地區建筑抗震設防提供合理有效的參考。

圖1 隴東黃土高原地理位置及區域地震構造圖Fig.1 The geographical position and the seismotectonic map of eastern Gansu province.

1 歷史地震影響及破壞特征

表1 主要歷史地震對隴東黃土高原的影響烈度

對于黃土高原區的兩次中等強度地震，震害記載比較簡單，只是說明該區有地震，有一定破壞，而無具體描述。歷史資料有詳細記載的震害破壞主要有：

1556年陜西華縣MS8.0地震：慶陽“城垣坍倒，城櫓盡傾，山崖崩覆，穴居之民死傷者眾以萬計。府治后宅盡覆。城隍廟傾頹”；平涼“城垣盡摧，城中死者10余人，而山居穴處死者數千”。

1654年天水南MS8.0地震：環縣“崩塌城垣房屋”；慶陽“城垣房屋俱圮”；寧縣“墻屋悉傾，覆穴多壓死者”；崇信“崩壞城堡窯莊，傷人甚眾”。

1709年中衛南縣MS7.5地震：慶陽“墻垣多倒，人物不傷”。

1879年武都南縣MS8.0地震：鎮原“城垣及四鄉土窯有坍塌者”。

1920年海原縣MS8.5地震：寧縣“衙署房屋搖平，城垣崩陷，房窯倒塌十之六七，壓死4 000余人，牲畜10 000頭”；慶陽“城樓、垛口、學校、寺廟、民房、衙署等建筑均震塌，東南城門崩裂尤甚。共倒窯房15 394間，民莊1 209處，壓死2 405人，牲畜26 000余頭”；環縣“倒塌房屋十分之七，死3 000余人，牲畜75 000余頭”。

看出上述破壞形式及人員傷亡主要以窯洞為主。由于黃土裂隙發育，加上窯洞本身無抗震措施，因此地震破壞相對較重。

在東營乃至山東，最具代表性的地方文化是呂劇。東營區牛莊鎮時家村是呂劇創始人時殿元的故鄉，素有“要聽呂劇腔，就到時譚武杜張（“時譚武杜張”是牛莊鎮相鄰的五個村莊的簡稱）”的美譽。呂劇由民間說唱藝術山東琴書演化而來，迄今已有100多年的歷史。20世紀初期，在時殿元等老藝人的共同努力下，通過對山東琴書的直接繼承和改革發展，改《王小趕腳》、《王漢喜借年》等坐腔揚琴為化妝演出，吸收融合其他民間曲藝如“大鼓”、“弋陽腔”、“墜子”、“花鼓”等藝術精華，同時又借鑒化用“五音戲”、“柳腔”、“京劇”、“河北梆子”等劇種的某些腔調、藝術表演形式，不斷豐富、完善、發展而逐步形成［1］。

2008年汶川地震對隴東黃土高原建筑破壞也表現出明顯的結構選擇性和場地分區性［3］，以窯洞破壞最為嚴重，其次為高聳煙囪、水塔、薄長圍墻、大跨度結構及高層建筑，反映出無抗震性能結構及長周期結構的破壞相對較重。同時，震害在梁塬上比較重，而溝谷區相對較輕；黃土區相對重，基巖區輕。

2 隴東地區概率地震危險性計算

綜合中國地震局編制2001地震動參數區劃圖［3］所用潛源劃分方案及該區最新研究成果，取隴東黃土高原周邊250km半徑范圍作為計算區域，對該區代表性地點西峰市和環縣進行概率地震危險性計算。計算中地震動衰減關系經過對比分析，選用了俞言祥2004年對青藏高原東北緣地區烈度衰減關系統計結果及轉換得到的地震動反應譜衰減關系［8］，該結果能比較真實的反映本區地震動傳播特性。

表2為計算得到的結果綜合數據。對比計算結果與區劃圖結果，以中硬場地進行系數調整［9］，該區水平峰值加速度分檔與區劃圖保持一致，但西峰地震烈度有所提高，反映黃土地區烈度的衰減相對較慢。

對各概率水準下的基巖水平地震動峰值加速度，最大的貢獻潛源主要來自與計算場地相距大于150km的海原8.5級潛源，其次有固原北7.5級潛源、禮縣8.0級潛源及中衛8.0級潛源。相應的等效震級M與等效距離R均比較大，顯示本區的地震影響主要來自遠距離大震，與歷史地震破壞記載一致。采用麥圭爾90%能量持時公式［10］

ln（Td）＝0.19＋0.15 M＋0.35lnR

計算地震動持續時間，得到各概率水準下地震動90%能量持時均大于20秒，比西北地區一般場地持時高出約一倍，可見遠距離大震的直接影響之一是地震動持時的大幅增加，加大了結構特別是軟弱結構破壞的可能性。

表2 隴東黃土高原地震危險性分析計算結果

圖2為計算得到的西峰及環縣不同概率水準下的基巖地震動反應譜曲線。從圖可以看出，兩地的基巖反應譜特征周期均比較大，在50年超越概率63.5%、10%和2%三個水準下，特征周期Tg分別為0.4s、0.5s和0.6s，已經比地震動參數區劃圖一般場地條件高，低概率事件情況下尤為突出。

圖2 西峰與環縣不同概率水準下的基巖地震動反應譜曲線Fig.2 The response spectrum curves of bedrock ground motion in Xifeng and Huanxian under different exceeding probabilities.

3 黃土場地的放大作用

本區地表雖然溝壑縱橫交錯，但梁塬頂面基本為一微傾斜的平面，地層發育情況也很穩定。根據區域地質圖［11］及該區實地調查情況，該區典型地層剖面如圖3所示，地表為厚度大于250m的第四紀黃土，下部為第三系及白堊系粘土巖、砂巖、砂質泥巖、泥巖。塬面區巖土工程勘察資料及地震安評報告揭示［12］③蘭州地震工程研究院.甘肅慶陽電信樞紐樓工程場地地震安全性評價報告.2004.，第四系黃土剪切波速總體隨深度線性增大，地表剪切波速約150m／s，至約60m深度達到500m／s。該區場地土總體為中軟土，場地類別為Ⅲ類，淺部黃土的平均土動力學參數如表3。

圖3 黃土高原典型黃土地層剖面Fig.3 Typical stratigraphic section in loess plateau.

表3 淺部黃土相應剪應變下的平均剪模比G／G0和阻尼比D值

根據前面概率地震危險性分析計算結果，生成西峰及環縣不同概率水準下的基巖地震動時程各3條，采用一維等效線性化方法，進行剪切土層地震反應分析，得到地表地震動時程及反應譜（圖4）。表4對計算結果進行了總結。可以看出，在黃土高原區場地土對地震動峰值加速度的放大倍數基本為1.8～2.0，超越概率越大，放大倍數越大。考慮深部黃土相對較硬且密實，而計算采用的黃土動力學參數為淺層黃土參數，建議放大倍數取為1.8。黃土場地對高概率地震動反應譜特征周期有放大作用，但低概率事件則不明顯，反應譜特征周期總體在0.6s左右。對比《建筑抗震設計規范》GB50011－2001，西峰與環縣設計地震分組均為第三組，對Ⅲ類場地，特征周期對應為0.65s，與計算結果基本一致，可直接采用。

表4 隴東黃土高原場地對地震動參數的放大結果

圖4 黃土地層地表地震動反應譜曲線Fig.4 The response spectrum curves of ground motion on the loess surface.

圖5 隴東黃土高原區典型地貌剖面及邊坡Fig.5 Typical geomorphology profiles and side slopes in eastern Gansu province.

4 黃土高原地形的放大作用

隴東黃土高原地形地貌特殊，溝谷切割深度大，地貌上以粱塬為主（圖5），這種地形地貌對于地震動也有較強的放大作用。《建筑抗震設計規范》（GB50011－2001）對于地形放大調整系數有一定的規定［13］，以突出地形的相對高差H、坡降角度的正切H／L以及場址距突出地形邊緣的相對距離L1／H為參數，歸納了各種地形的地震力放大作用調整系數λ：

λ＝1＋ξα其中ξ為附加調整系數，與場址距突出地形邊緣的相對距離L1／H 相關；α為突出地形地震動參數的增大幅度，與突出地形的相對高差H及坡降角度的正切H／L相關。

為研究隴東黃土高原地形對地震動的放大作用，對該區梁塬峁地形的邊坡進行了統計研究。統計數據表明，黃土高原區邊坡類型基本可劃分為三類，即塬邊坡、梁邊坡與梁塬峁地貌邊坡帶發育的深切沖溝（圖5）。其中塬邊坡相對比較緩，梁邊坡次之，深切沖溝坡度最陡，各類邊坡的參數如表5。

對比《建筑抗震設計規范》（GB50011－2001），梁邊坡與塬邊坡的地震動增大幅度α為0.3，深切沖溝的地震動增大幅度α為0.4。由于梁峁與深切沖溝頂面無寬闊臺地，其附加調整系數ξ均取1；而對于黃土塬來說，以距塬面邊坡距離0.62km、1.25 km為界，ξ分別取1、0.6和0.3。因此，深切沖溝地震動參數放大系數λ為1.4，梁邊坡λ為1.3，塬邊坡λ則以距塬面邊坡距離0.62km、1.25km為界，可分別取1.3、1.18、1.09。可見，塬面中間黃土地形放大作用不明顯，而梁峁地貌區地震動則有較大的放大作用。綜合黃土場地放大效應，該區地震動放大達2.0～2.5倍。

表5 隴東黃土邊坡地形參數及地震動地形調整系數

5 隴東黃土高原抗震設防參數特征與建議

以上分析、計算及統計數據均表明，隴東黃土高原地區由于地理位置、構造環境、場地土條件、地形地貌等多方面的影響，地震動參數的確定有其特殊性。綜合各項研究結果該區地震動具有如下幾個特征：

（1）基巖峰值加速度與區劃圖基本一致，但特征周期比區劃圖大；

（2）地震影響以遠距離大震為主，地震動持時長，長周期成分明顯豐富；

（3）黃土場地覆蓋層厚，巖層穩定，場地土多為中軟土，場地類別為Ⅲ類，厚層黃土場地對地震動峰值放大倍數集中于1.8，對反應譜特征周期有放大并集中于0.6s附近；

（4）隴東黃土高原地區黃土地形具有明顯的邊坡分類特征與一致性，塬梁峁邊坡及邊坡深切沖溝均有相對穩定的邊坡形狀，地形對地震動的放大有明顯的地貌分類性。

因此，簡單按照《中國地震動參數區劃圖》（GB18306－2001）確定抗震設防參數，許多地區不能滿足抗震設防的要求。根據該區地貌特征建議對地震動參數的確定以地貌來分區。

由于梁塬邊坡附近的深切溝谷一般沒有建筑，加之現有建筑多搬遷至平整場地，綜合考慮地震動持時、反應譜和峰值加速度的特征，對隴東黃土高原地區一般建筑抗震設防方法提出如下地貌分區設防建議：

（1）基巖及河谷地區 峰值加速度按區劃圖取值，特征周期適當提高取0.55s；

（2）梁峁、塬邊（塬邊距小于1km）和溝谷黃土場地區 峰值加速度按區劃圖取值放大，0.05g→0.15g，0.10g→0.20g，0.15g→0.20g；特征周期取0.65s；

（3）塬區中部（塬邊距大于1km）峰值加速度按區劃圖取值放大，0.05g→0.10g，0.10g→0.15 g，0.15g→0.20g；特征周期取0.65s。

［1］李萍，薛振年，王治軍，等.隴東地區黃土工程地質特征［J］.地球科學與環境學報，2004，26（2）：59－62.

［2］李清河，郭守年，呂德徽.鄂爾多斯盆地西緣與西南緣深部結構與構造［M］.北京：地震出版社，1999.

［3］中華人民共和國國家標準.中國地震動參數區劃圖（GB18306－2001）［S］.北京：地震出版社，2001.

［4］王愛國，楊曉鵬，李明永，等.汶川MS8.0地震對甘肅隴東地區的破壞影響與特征分析［J］.西北地震學報，2009，31（1）：80－85.

［5］石玉成，盧育霞.甘肅黃土地區地震動持續時間預測研究［J］.甘肅科學學報，2005，17（3）：35－39.

［6］國家地震局震害防御司.中國歷史強震目錄（公元前23世紀－公元1911年）［M］.北京：地震出版社，1995.

［7］國家地震局震害防御司.中國近代地震目錄（公元1912年－1990年 MS≥4.7）［M］.北京：中國科學技術出版社，1999.

［8］俞言祥，汪素云.青藏高原東北地區水平向基巖加速度峰值與反應譜衰減關系［J］.地震學報，2004，26（6）：591－600.

［9］壽德主編.GB17741－2005《工程場地地震安全性評價》宣貫教材［S］.秦皇島：中國標準出版社，2006.

［10］胡聿賢.地震安全性評價技術教程征［M］.北京：地震出版社，1999.

［11］甘肅省地質局區域地質調查隊.1／20萬區域地質圖I－48－06（鎮原幅）［M］.蘭州：甘肅省地質局，1980.

［12］石玉成，蔡紅衛，孫崇紹.黃土地區場地的地震地面運動參數特征［J］.西北地震學報，1998，20（3）：66－72.

［13］中華人民共和國國家標準.《建筑抗震設計規范》（GB50011－2001）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2001.