考慮近場地震動的水利水電工程設定地震反應譜研究

張效亮+張郁山+吳昊

摘 要：場址設計地震動參數的合理確定是重大工程抗震安全分析的重要環節之一，當前概率性地震危險性分析得到的一致概率反應譜是一種包絡反應譜，不能反映實際可能發生的強震頻度特性。最新水工規范（NB35047-2015）要求采用設定地震方法確定設計反應譜，設定地震反應譜既考慮概率性地震危險性結果，又找出了明確的主干斷裂與設定地震相對應，能夠綜合概率性和確定性地震危險性分析方法的優點。文章以某壩址為例計算了設定地震反應譜，并對比了點源衰減模型和斷層源衰減模型對設定地震反應譜的影響。

關鍵詞：設定地震反應譜；水利水電；概率性地震危險性分析

中圖分類號：TU475 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0016-03

引言

對于重大工程而言，如何科學合理地進行抗震設防一直是設計部門非常關注的重大技術問題之一。目前地震危險性分析主要采用概率性地震危險性分析（PSHA），概率性方法考慮了場點若干年內超過某一地震動參數值的概率，提供具有概率含義的地震動參數，便于設計部門根據建筑物等級選用不同危險性水平的地震動參數。地震災害都是由某一個具有明確物理特性參數（如震級、震中距等）的地震事件引起的，目前廣泛采用的地震危險性概率分析方法并不能反映某一特定地震所產生的地震動特點。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性的綜合影響，得到的一致概率反應譜是一種包絡反應譜，不能反映場址實際可能發生的強震的頻譜特性。

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

國家能源局發布公告，由水電水利規劃設計總院和中國水利水電科學研究院共同主編的能源行業標準《水電工程水工建筑物抗震設計規范》（NB35047-2015）（下稱新規范）已于2015年9月1日起開始實施，替代《水工建筑物抗震設計規范》（DL5073-2000）（下稱原規范）。根據新規范要求，“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，其設計反應譜應采用場地相關設計反應譜，其他工程的水平向和豎向設計反應譜應采用標準設計反應譜”，“最大可信地震的場地相關設計反應譜宜按與水平向設計地震動峰值加速度相應的設定地震確定”。

1 設定地震的確定原則和方法

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

（1）首先利用地震危險性概率分析方法，計算工程場址不確定性校正前后的地震動峰值加速度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%）下貢獻率較大的潛在震源區和對應的主干斷裂。在目前的工程抗震設計實踐中，在按設防概率水平確定設計地震動峰值加速度值后，設計反應譜一般都取其均值，不需要對衰減關系作不確定性修正。

（2）以不確定校正之前的地震動峰值加速度為約束，在符合條件的潛在震源區中遵循主干斷裂相關原則和發生概率最大原則，確定設定地震的震級和距離。設定地震的確定應該具有明確的發震構造，從潛在震源區內主干斷裂上尋找，一般可取沿主干斷裂距重大工程場址最近處作為設定地震的最小距離，以潛在震源區震級上限作為最大設定地震的震級。根據GR關系，距離工程場址最近處的地震震級最小，相應的發震概率最大，可作為設定地震，不在使用數學期望值。如果潛在震源區中某個震級檔的空間分布函數fl，Mj作用突出，則取調整后發震概率最大的震級，可以按照如下公式確定發震概率。

其中，P（MSE，RSE）為由設定地震產生的場址加速度反應譜值的年超越概率；v是潛在震源區年超越概率；fl，Mj為潛在震源區空間分布函數（第l個潛在震源區Mj震級檔，注意Mj與Mi的區別）；M0為起始震級，通常活動較弱地區取4.0，地震活動較強地區取5.0；Mi為最大最小設定震級檔按照M劃分震級檔的中值；β與GR關系的b值相關（β=b×ln10）；Li為第i檔地震所對應的發震部位在潛在震源區主干斷裂上所占的長度；LSE為設定地震所屬的震級檔對應的發震部位在潛在震源區主干斷裂上所占的長度。

（3）根據設定地震的震級和距離，選用合適的衰減關系計算設定地震反應譜，并按照PGA歸一化處理。張翠然等（2010）詳細比較分析五套NGA衰減關系及其放大系數譜，將其與大震近場條件的實際基巖記錄和我國現有衰減關系進行比較，建議選擇Abrahamson團隊衰減關系用于大震、近場和基巖條件下的重大水利水電工程場地地震動研究。

2 某壩址設定地震反應譜應用實例

2.1 概率性地震危險性分析

通過概率性地震危險性計算，得到某壩址100年超越概率2%和1%兩種設防水準下的一致概率反應譜和不確定校正前后的地震動峰值加速度，100年超越概率2%的地震動峰值加速度為194gal（不確定校正前）和327gal（不確定性校正后），100年超越概率1%的地震動峰值加速度為205gal（不確定校正前）和393gal（不確定性校正后）。根據潛在震源區對壩址地震動峰值加速度貢獻量可知，對壩址影響最大的是1號潛在震源區（震級上限Mmax=7.0）。該潛在震源區主干斷裂（F1）為全新世活動斷裂，逆沖性質，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，潛在震源區和主干斷裂位置見圖1。

2.2 確定設定地震的震級和距離

利用概率性地震危險性計算中采用的點源衰減關系（肖亮，2011）計算設定地震的震級和距離。首先，建立以壩址為原點，潛在震源區主走向為長軸方向的橢圓坐標系；然后，根據指定的地震動峰值加速度和震級，由衰減關系分別求得橢圓的半長軸Ra和半短軸Rb，如果地震動橢圓與潛在震源區內主干斷裂相交，則相交點到壩址的距離就是設定地震的震中距。貢獻最大的潛在震源區的震級上限Mmax=7.0，最小震級取Mmin=4.0，在最大和最小設定地震之間取震級間隔0.1，得到能夠在場址產生指定地震動的設定地震震級和震中距的所有組合，并由公式（1）計算相應的發生概率（表1）。

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

2.3 確定設定地震反應譜

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

由設定地震反應譜對比（圖2）可知，在0.5s之前一致概率反應譜略高于水工規范標準譜，但是在0.5s之后一致概率反應譜略高于水工規范標準譜；設定地震反應譜低于一致概率反應譜；國內點源衰減模型得到的設定地震反應譜高于AS08斷層源衰減模型。設定地震所獲得的反應譜，經過適當歸一化處理后，可分別用于100年超越概率2%和100年超越概率1%設防標準下的壩址抗震計算，或者以此反應譜為目標反應譜擬合地震動時程，為壩址動力計算提供參考。

3 結束語

根據最新水工規范（NB35047-2015）的要求，本文在陳厚群等（2005）基于地震動峰值加速度確定設定地震反應譜的研究基礎上，建立了考慮大震近場地震動特性的設定地震反應譜模型，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。設定地震能夠綜合反映概率方法和確定性方法的優點，將概率地震危險性分析結果與物理意義明確的具體地震聯系起來，對于更合理地進行大壩等重大工程抗震設計具有參考價值。通過實例分析對比設定地震反應譜可知，設定地震反應譜反應譜低于一致概率反應譜，國內點源衰減模型得到的設定地震反應譜高于AS08斷層源衰減模型得到的設定地震反應譜。

參考文獻：

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[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.