地震动参数的确定是工程抗震与灾害防御的基础。影响一个地区的地震动特征的因素包括震源特性、传播介质及局部场地条件等(胡聿贤,2006)。在目前广泛采用的地震动参数确定方法——基于地震时空分布不均匀性的地震危险性综合概率法中(胡聿贤,1999),这些因素都是通过一定的模型简化或拟合关系来表达的。根据我国目前对于地震活动特征的研究进展和水平,对于某个研究区域来说,该区的震源特性、震级大小、震中距等是相对易于考虑的因素(俞言祥,汪素云,2006),这些因素在区域地震构造背景、区域地震活动性研究的基础上,通过地震区带与地震潜在震源区划分及相关地震活动性参数的确定,可以科学合理地进行考虑; 场地条件影响通过勘察工作及反应分析计算也能进行科学预测。由于区域地壳结构及地形地貌的差异及地下结构的不可见性,传播途径是地震动参数确定中的最不确定因素之一。在地震危险性概率分析方法中,对于地震波传播途径的表达是通过地震动衰减关系来体现的。

由于我国强地震动记录数量有限,还不能建立起各地地震动衰减关系模型,因此目前普遍采用转换方法得到的我国分区地震动衰减关系来确定地震动参数(汪素云等,2000; 俞言祥,汪素云,2004),即利用我国丰富的地震烈度等震线资料,确定我国分区地震烈度衰减关系,然后选择既有丰富的强震记录又有烈度衰减关系的美国西部地区作为参考区,转换得到相应的地震动衰减关系。随着各地区地震工作的深入,为尽可能体现区域地震动特征,这种转换方法也逐渐应用到小范围的区域中(俞言祥,汪素云,2004; 崔建文等,2006)。转换方法得到的衰减关系虽然可以近似代替本区地震动衰减关系,但对于重大工程和有一定强震记录的地区,仍要根据记录的地震动特征进行地震动衰减关系的对比研究和调整。

武都—罐子沟高速公路(以下简称武罐高速)是“国家高速公路网”——兰州至海口高速公路在甘肃省的重要组成路段,公路沿线处于青藏高原北部地震区的南北地震带内,地形及地质条件复杂,属于地震高烈度区和易发生地震地质灾害的区域。该区构造位置独特,积累了一定的强震记录,2008年汶川8.0级地震中,该区又积累了部分强震记录(孙崇绍,卢育霞,2010; 姚凯等,2009; 卢育霞等,2011)。因此,为合理给出抗震优化设计所需地震动参数,笔者在常规地震危险性分析的基础上,结合公路所处的陇南地区强地震记录峰值加速度及频谱特征,对公路沿线重点工程场地地震动参数进行了综合研究和确定,并结合地震危险性分析结果与区域地震动记录特征研究,给出了该项目工程场地具有地域特性的抗震设计地震动参数。

武罐高速公路位于甘肃省陇南市境内(图1),为扬子断块区的摩天岭台隆,区域150 km半径范围属于华北断块区的鄂尔多斯块体、秦祁昆断褶系的祁连山断褶带、秦岭断褶带及扬子断块区的摩天岭台隆、龙门山—大巴山台缘褶带、四川台坳和巴颜喀拉山断褶带的松潘甘孜褶带、后龙门山褶带。

工程场地区域范围新构造运动与地震活动强烈,区域内共发育11条大的活动断裂带(图1)。在这些活动断裂带上及断裂交汇部位,均发生过强烈地震,如公元前186年武都西M_S7.0地震、1654年天水南M_S8.0地震、1879年武都南M_S8.0地震、1986年四川松潘—平武两次M_S7.2地震、2008年汶川M_S8.0地震等。这些地震对武罐高速公路沿线工程场地的烈度影响均在Ⅷ度以上,局部达到Ⅸ度甚至Ⅹ度。

在地震区带上,研究区域主要涉及青藏高原地震区的龙门山地震带和六盘山—祁连山地震带,属于强烈地震活动区; 同时还涉及华南地震区的长江中游地震带的一部分,属于中强地震带。根据区域地震构造特征、地震活动特征、深部地球物理特征等,确定了在研究区域共有26个潜在震源区(图1)。经过反复对比验算,本工作选择俞言祥和汪素云(2006)转换得到的中国西部地震动衰减关系来进行工程场地地震危险性计算,得到了公路沿线及重点工程场地50年基准期不同超越概率水准下的基岩水平峰值加速度及基岩地震动反应谱。

图1 武罐高速公路构造位置及区域地震构造分布图
Fig.1 Tectonic position and regional seismic tectonic distribution of Wu-Guan freeway

地震危险性分析计算给出武罐高速公路沿线场地的基岩峰值加速度和基岩反应谱曲线,还可以给出各场地在不同超越概率水准下遭受相应地震影响的等效震级和等效距离。陇南地区具备山区的特点,场地土较坚硬,地震动的高频分量表现明显。对于一般场地,可按照《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)中地震动峰值加速度(中硬场地)与基岩场地地震动峰值加速度的对应关系对设计地震动参数进行调整。对于重要场地,除根据地形、场地条件进行峰值加速度和特征周期的计算与调整外,为体现本区地震动特征,本研究还根据等效震级和等效距离对照表3调整了特征周期,给出体现本区地域特性的设计地震动参数。

图2 2008年5月12日汶川MS8.0地震(a)和
1976年8月16日松潘—平武MS7.2地震(b)
在文县台的强震记录加速度反应谱(β谱)
Fig.2 Acceleration response spectrum(β-spectra)of Wenchuan MS8.0 earthquake on May 12,2008(a)and Songpan-Pingwu MS7.2 earthquake on Aug.16,1976(b)recorded in Wenxian Station

图3 2008年8月 5日青川MS6.1余震记录的
加速度反应谱曲线(β谱)
(a)姚渡强震台;(b)文县山脚处流动台
Fig.3 Acceleration response spectra(β-spectra)of Qingchuan MS6.1 aftershock on Aug.5,2008(a)Yaodu strong motion station;(b)temporary stations at the foot of Wenxian County

图4 文县附近流动台7次中强地震的β反应谱
Fig.4 β-response spectra of 7 moderate-strong earthquakes recorded by temporary stations at the foot of Wenxian County

表4 洛塘河双层高架桥地震动参数及模拟实验
用抗震设计地震动参数的调整
Tab.4 Ground motion parameters and the adjusting of ground motion parameters of anti-seismic design used in simulation experiment of Luotanghe double-deck viaduct

不同地区所处的大地构造环境与地震活动背景,决定了该区具有其特殊的地震动特征。根据分区地震动衰减关系计算得到的地震危险性分析结果还不能完全体现地震动的地域特性。

武罐高速公路所处甘肃陇南地区,山大沟深,地形对地震动的放大效应比较明显,因此对重要工程场地根据其地形位置进行地震动峰值加速度的放大调整是有必要的。

甘肃陇南地区地震动特征分析结果与工程场地地震危险性分析结果表明,两者之间在地震动特征上有一定差异,因此对于重大工程场地,需要根据本区强震记录特征分析,对危险性计算结果进行一定的调整,以获得适合本区特征的抗震设计地震动参数。

笔者提出的根据地震危险性计算结果得到的等效震级及地震震级与地震动记录频谱特征关系,对地震动参数进行一定的调整,是一种有益的尝试,试验证明是可行的,可作为其它有一定强震记录地区重大工程场地地震动参数确定的参考。