基于設(shè)定地震的重大水利水電工程抗震設(shè)防研究.pdf

1、對(duì)于重大水利水電工程而言，如何科學(xué)合理地進(jìn)行抗震設(shè)防一直是設(shè)計(jì)部門非常關(guān)注的重大技術(shù)問題之一。經(jīng)過幾十年的建設(shè)實(shí)踐，特別是近二十年的科技攻關(guān)，我國(guó)水庫(kù)大壩建設(shè)的工程技術(shù)已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，對(duì)于自然地震災(zāi)害條件下工程安全的科學(xué)分析和評(píng)價(jià)，仍缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和量化指標(biāo)，不能適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要。因此，對(duì)于重大水電工程而言，要確保高壩水庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的目標(biāo)，科學(xué)評(píng)價(jià)場(chǎng)址的地震安全性，進(jìn)行合理的抗震設(shè)防尤為重要。 本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外

2、最新研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，闡述重大水利水電工程在抗震設(shè)防研究中須重視從設(shè)定地震的確定及其設(shè)定地震下的地震動(dòng)參數(shù)估計(jì)、近壩址區(qū)活斷層強(qiáng)地震動(dòng)特性預(yù)測(cè)、壩址區(qū)潛在地震變形分析預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行綜合研究的重要性和必要性，旨在探討建立一套較為系統(tǒng)的、安全可靠的重大水利水電工程地震安全性評(píng)估方法。 1．場(chǎng)址設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的合理確定是重大工程抗震安全分析的重要環(huán)節(jié)之一。本文論述了基于地震危險(xiǎn)性概率分析方法所得到的一致概率反應(yīng)譜所存在的問題和不足，

3、提出了以場(chǎng)地相應(yīng)設(shè)防概率水平的地震動(dòng)峰值加速度為前提，采用發(fā)生概率最大的原則和與潛在震源中主干斷裂相關(guān)連的原則確定場(chǎng)地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法。通過對(duì)比分析，建議根據(jù)實(shí)際情況采用俞言祥(2002)統(tǒng)計(jì)的美國(guó)西部地震動(dòng)衰減規(guī)律或編制第四代區(qū)劃圖所使用的我國(guó)西部地震動(dòng)衰減關(guān)系。以大崗山水電站為例，探討了設(shè)定地震的確定性方法，確定了與100年超越概率2％設(shè)防目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定地震以及場(chǎng)址反應(yīng)譜，給出了大崗山水電站設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入時(shí)程。實(shí)例分析表明，該

4、方法所確定的設(shè)計(jì)地震及場(chǎng)址反應(yīng)譜參數(shù)有一定的合理性，易于為工程設(shè)計(jì)人員所接受，并能滿足工程抗震設(shè)計(jì)需求。 2．強(qiáng)地震動(dòng)預(yù)測(cè)是地震工程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。一些特殊的或重大的工程還需要確定近場(chǎng)強(qiáng)地震動(dòng)參數(shù)，我國(guó)解決此問題一般采用經(jīng)驗(yàn)性方法，即借助地震烈度或地面運(yùn)動(dòng)的某些衰減關(guān)系推算未來的地震動(dòng)參數(shù)。近十年強(qiáng)震資料不斷增多，為地震工程研究提供了更新、更豐富的基本資料。同時(shí)，我國(guó)正在廣泛開展的活斷層探測(cè)與研究項(xiàng)目，使我們更清楚細(xì)致地了

5、解許多地區(qū)潛在活動(dòng)斷層的規(guī)模和幾何形狀、斷裂面上滑動(dòng)的空間分布以及場(chǎng)地相對(duì)于震源的空間關(guān)系等，這些信息將幫助我們運(yùn)用更精確的方法來預(yù)測(cè)強(qiáng)地震動(dòng)，特別是近場(chǎng)大震的地面運(yùn)動(dòng)情況。因此，近場(chǎng)強(qiáng)地震動(dòng)衰減研究的理論方法越來越得到重視。本文應(yīng)用隨機(jī)法模擬近場(chǎng)強(qiáng)地震動(dòng)，期望能夠滿足工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)重大工程和特殊工程采用地震動(dòng)加速度時(shí)程反應(yīng)的動(dòng)力分析要求。隨機(jī)方法模擬強(qiáng)地震動(dòng)主要有兩種模型：點(diǎn)源模型和有限斷層模型。點(diǎn)源模型將震源視為理想的“點(diǎn)”，由

6、點(diǎn)源產(chǎn)生一系列隨機(jī)波，通過震源譜和傳遞函數(shù)～起來表示場(chǎng)點(diǎn)處的地震動(dòng)。有限斷層模型將發(fā)震斷層按一定規(guī)則劃分為多個(gè)子斷層，每個(gè)子斷層看作一個(gè)點(diǎn)源，設(shè)定破裂的模式和破裂傳播的速度，可得出子源破裂的時(shí)間順序；根據(jù)子源與場(chǎng)址的幾何關(guān)系，可以計(jì)算每個(gè)子源對(duì)場(chǎng)址的影響，考慮每個(gè)子源的破裂傳播到達(dá)的延時(shí)，分別疊加各子源的加速度時(shí)程，可得出有限斷層破裂在場(chǎng)點(diǎn)處引起的地震動(dòng)。 文中首先對(duì)獲得強(qiáng)震記錄的肅南地震(Ms=5.7，1988年11月22日)

7、運(yùn)用點(diǎn)源模型和有限斷層模型兩種隨機(jī)方法模擬計(jì)算近場(chǎng)區(qū)強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)，并同肅南地震臺(tái)實(shí)際觀測(cè)記錄相比較，收到較好效果并強(qiáng)調(diào)強(qiáng)震近場(chǎng)地震動(dòng)預(yù)測(cè)考慮有限斷層更符合實(shí)際記錄；點(diǎn)源模型模擬中小地震(肅南，Ms=4.5，1988年12月19日)在中低頻段保持較好效果。 為了更進(jìn)一步研究有限斷層對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)分布特征的影響，分別選取對(duì)蘭州城市建設(shè)有重要影響的馬銜山北緣斷裂和對(duì)敦煌莫高窟有重要影響的三危山斷裂為對(duì)象，運(yùn)用有限斷層產(chǎn)生隨機(jī)地震動(dòng)的方法

8、，分析了馬銜山北緣斷裂和三危山斷裂近場(chǎng)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的分布特征。結(jié)果分析說明上盤效應(yīng)控制逆走滑斷層近場(chǎng)地震動(dòng)分布的近場(chǎng)特征可以經(jīng)有限斷層方法擬合得到。同時(shí)，模擬分析了不同性質(zhì)斷層、不同設(shè)定地震、不同破裂模式所產(chǎn)生的地震動(dòng)分布特征，建立了近場(chǎng)地震動(dòng)衰減關(guān)系。 為進(jìn)一步開拓該方法在工程應(yīng)用中的前景，以大崗山水電站為例，將此理論方法應(yīng)用于缺乏強(qiáng)震記錄地區(qū)的近場(chǎng)地震動(dòng)估計(jì)中，給出了大崗山水電站地震動(dòng)輸入時(shí)程，可供工程抗震設(shè)計(jì)參考使用。

9、 3．基于地震的斷層彈性位錯(cuò)理論，采用地震位移水平分布的拋物線模型，研究了三維有限元的方法在地震變形計(jì)算中的應(yīng)用，并以敦煌三危山斷裂為例進(jìn)行了實(shí)際計(jì)算，給出了不同設(shè)定地震5.5、6.0及6.5級(jí)三種情況斷層逆沖和水平走滑兩種活動(dòng)方式下地面地震位移和應(yīng)變值。 本文對(duì)重大工程活動(dòng)斷層避讓距離問題的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了分析，提出了基于活動(dòng)斷裂發(fā)震造成的地形變對(duì)水電工程的影響而計(jì)算確定避讓距離的原則和方法，合理考慮了斷層產(chǎn)狀、斷層活動(dòng)

10、方式、活動(dòng)強(qiáng)度、斷裂上下盤、工程性質(zhì)以及工程的具體設(shè)防要求等多種因素，對(duì)單一斷層不同發(fā)震特征下可能產(chǎn)生的地表最大形變作了模擬預(yù)測(cè)，給出了重大水利水電工程的避讓距離，為地震多發(fā)區(qū)壩址選擇提供參考依據(jù)。通過對(duì)發(fā)震斷裂逆斷、正斷和水平走滑三種不同活動(dòng)方式下的地表變形分析，探討了斷層不同活動(dòng)方式下的地震應(yīng)變與位移的分布規(guī)律及設(shè)定震級(jí)、斷層傾角對(duì)地震地表變形分布的影響。研究結(jié)果表明，斷層不同活動(dòng)方式下的地震地表變形分布有其自身的規(guī)律和特點(diǎn)，這些分

11、布特征可作為近活動(dòng)斷層建筑工程抗震設(shè)計(jì)或加固防護(hù)時(shí)參考。 以黃河黑山峽大柳樹壩址為例，探討了水電工程的抗斷問題，認(rèn)為大柳樹壩址如果建在距可能發(fā)生6.5～7.5級(jí)地震的長(zhǎng)110km的區(qū)域性發(fā)震斷裂F<,201> 約 1.5km 的地方是不適宜的。在未來遭遇強(qiáng)震襲擊時(shí)，大柳樹高壩可能會(huì)產(chǎn)生破壞性裂縫和庫(kù)區(qū)嚴(yán)重滲漏等問題。 4．歸納總結(jié)了目前關(guān)于余震的相關(guān)研究成果，分析研究了中國(guó)西部地區(qū)現(xiàn)代地震儀器出現(xiàn)以來的有明確震級(jí)的M<,

12、s>≥5.0級(jí)地震的余震資料，按一定的篩選原則，挑選出140組主、余震震級(jí)資料，通過回歸分析，給出了以大量樣本量為基礎(chǔ)的具有統(tǒng)計(jì)意義的主震震級(jí)與余震震級(jí)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，揭示了強(qiáng)余震的空間分布和時(shí)間分布特點(diǎn)，為研究工程結(jié)構(gòu)在主余震作用下的反應(yīng)特性和累積損傷效應(yīng)提供了參考依據(jù)，初步考慮了主余震作用下地震動(dòng)輸入問題。 5．探討了現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范存在的某些不足，闡明了場(chǎng)地條件和場(chǎng)地類別等因素對(duì)抗震設(shè)防參數(shù)的影響問題，提出了《水工建筑物抗震設(shè)