具有地域特性的設計地震動參數確定——以武罐高速公路為例*

趙澤賢，王愛國，孫崇紹

(1.中國地震局地震預測研究所蘭州基地，甘肅蘭州，730000;2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州，730000)

具有地域特性的設計地震動參數確定
——以武罐高速公路為例*

趙澤賢1，2，王愛國1，2，孫崇紹2

(1.中國地震局地震預測研究所蘭州基地，甘肅蘭州，730000;2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州，730000)

分析了甘肅隴南武罐高速公路所處隴南地區強震動記錄的地形效應及頻譜特征，研究了在地震危險性概率計算中地震動地域特性的簡化與抽象過程，應用地震動記錄地形效應及地域頻譜特征對重大工程地震危險性計算結果進行調整，從而給出具有地域特性的設計地震動參數。結果表明:地震危險性概率分析計算結果與地域地震動特征分析結果之間有一定差異，根據地震動特征分析結果，對危險性計算結果中動力放大系數βmax和特征周期T進行一定的調整，以給出適合本區特征的抗震設計地震動參數。

設計地震動參數;地域特性;反應譜;特征周期;武罐高速公路

0 引言

地震動參數的確定是工程抗震與災害防御的基礎。影響一個地區的地震動特征的因素包括震源特性、傳播介質及局部場地條件等 (胡聿賢，2006)。在目前廣泛采用的地震動參數確定方法——基于地震時空分布不均勻性的地震危險性綜合概率法中 (胡聿賢，1999)，這些因素都是通過一定的模型簡化或擬合關系來表達的。根據我國目前對于地震活動特征的研究進展和水平，對于某個研究區域來說，該區的震源特性、震級大小、震中距等是相對易于考慮的因素 (俞言祥，汪素云，2006)，這些因素在區域地震構造背景、區域地震活動性研究的基礎上，通過地震區帶與地震潛在震源區劃分及相關地震活動性參數的確定，可以科學合理地進行考慮;場地條件影響通過勘察工作及反應分析計算也能進行科學預測。由于區域地殼結構及地形地貌的差異及地下結構的不可見性，傳播途徑是地震動參數確定中的最不確定因素之一。在地震危險性概率分析方法中，對于地震波傳播途徑的表達是通過地震動衰減關系來體現的。

由于我國強地震動記錄數量有限，還不能建立起各地地震動衰減關系模型，因此目前普遍采用轉換方法得到的我國分區地震動衰減關系來確定地震動參數 (汪素云等，2000;俞言祥，汪素云，2004)，即利用我國豐富的地震烈度等震線資料，確定我國分區地震烈度衰減關系，然后選擇既有豐富的強震記錄又有烈度衰減關系的美國西部地區作為參考區，轉換得到相應的地震動衰減關系。隨著各地區地震工作的深入，為盡可能體現區域地震動特征，這種轉換方法也逐漸應用到小范圍的區域中 (俞言祥，汪素云，2004;崔建文等，2006)。轉換方法得到的衰減關系雖然可以近似代替本區地震動衰減關系，但對于重大工程和有一定強震記錄的地區，仍要根據記錄的地震動特征進行地震動衰減關系的對比研究和調整。

武都—罐子溝高速公路 (以下簡稱武罐高速)是“國家高速公路網”——蘭州至海口高速公路在甘肅省的重要組成路段，公路沿線處于青藏高原北部地震區的南北地震帶內，地形及地質條件復雜，屬于地震高烈度區和易發生地震地質災害的區域。該區構造位置獨特，積累了一定的強震記錄，2008年汶川8.0級地震中，該區又積累了部分強震記錄 (孫崇紹，盧育霞，2010;姚凱等，2009;盧育霞等，2011)。因此，為合理給出抗震優化設計所需地震動參數，筆者在常規地震危險性分析的基礎上，結合公路所處的隴南地區強地震記錄峰值加速度及頻譜特征，對公路沿線重點工程場地地震動參數進行了綜合研究和確定，并結合地震危險性分析結果與區域地震動記錄特征研究，給出了該項目工程場地具有地域特性的抗震設計地震動參數。

1 工程場地地震構造背景及地震危險性分析

武罐高速公路位于甘肅省隴南市境內 (圖1)，為揚子斷塊區的摩天嶺臺隆，區域150 km半徑范圍屬于華北斷塊區的鄂爾多斯塊體、秦祁昆斷褶系的祁連山斷褶帶、秦嶺斷褶帶及揚子斷塊區的摩天嶺臺隆、龍門山—大巴山臺緣褶帶、四川臺坳和巴顏喀拉山斷褶帶的松潘甘孜褶帶、后龍門山褶帶。

工程場地區域范圍新構造運動與地震活動強烈，區域內共發育11條大的活動斷裂帶 (圖1)。在這些活動斷裂帶上及斷裂交匯部位，均發生過強烈地震，如公元前186年武都西MS7.0地震、1654年天水南MS8.0地震、1879年武都南MS8.0地震、1986年四川松潘—平武兩次MS7.2地震、2008年汶川MS8.0地震等。這些地震對武罐高速公路沿線工程場地的烈度影響均在Ⅷ度以上，局部達到Ⅸ度甚至Ⅹ度。

圖1 武罐高速公路構造位置及區域地震構造分布圖Fig.1 Tectonic position and regional seismic tectonic distribution of Wu-Guan freeway

在地震區帶上，研究區域主要涉及青藏高原地震區的龍門山地震帶和六盤山—祁連山地震帶，屬于強烈地震活動區;同時還涉及華南地震區的長江中游地震帶的一部分，屬于中強地震帶。根據區域地震構造特征、地震活動特征、深部地球物理特征等，確定了在研究區域共有26個潛在震源區 (圖1)。經過反復對比驗算，本工作選擇俞言祥和汪素云 (2006)轉換得到的中國西部地震動衰減關系來進行工程場地地震危險性計算，得到了公路沿線及重點工程場地50年基準期不同超越概率水準下的基巖水平峰值加速度及基巖地震動反應譜。

2 隴南地區強地震動記錄及特征分析

武罐高速公路所處甘肅隴南地區是甘肅強震多發區之一，也是我國進行強地震動記錄研究的重點區域之一。1986年四川松潘—平武兩次MS7.2地震時，隴南文縣遭受到了Ⅶ度強的波及。該次地震之前，中國地震局蘭州地震研究所曾在文縣中學架設臨時強震臺，用I型強震儀記錄到兩次松潘—平武主震強震的加速度記錄，成為當時我國記錄到的加速度值最大的強震記錄。

在2008年汶川MS8.0地震前，隴南地區建成了文縣、武都、宕昌、沙灣、舟曲、岷縣、臨潭等強震觀測臺站，并配備了先進的觀測儀器。汶川地震時，上述各臺都獲得了主震記錄。汶川地震后，蘭州地震研究所在靠近震中的地區架設了15個流動強震觀測臺，記錄了自架設之日起截至2008年9月，共記錄M≥4.0的余震35次。

2.1 地形與地震動峰值加速度的關系研究

大震作用下地形對烈度的影響已被歷次地震的震害分布所證明。姚凱等 (2009)及盧育霞等 (2011)分析了隴南文縣不同強震臺同時記錄到的汶川地震余震記錄，結果均表明地形起伏對于觀測點的峰值加速度影響明顯，山頂加速度被明顯放大。

為研究地形對地震動放大效應的定量影響，本研究在姚凱等 (2009)、盧育霞等 (2011)研究基礎上，選取文縣上城臺地3個不同地形位置的強震臺 (G:山腳、B:半山腰、I:山頂)所記錄到的峰值加速度大于或接近10 Gal，能較好反映地形高差影響的7次較強的余震記錄作為分析資料(表1)。

由于峰值加速度的分布很復雜，最大和次大的加速度值以及總體的加速度的分布往往沒有一定的規律可循，峰值加速度具有偶然性，不能從整體上反映地震動的強度，為此計算了水平向震動加速度的均方值 (RMS):

式中，X(i)為每一離散點的加速度值;N為離散點總數。

在計算地震動的均方值時，首先對各臺站的記錄進行零線校正;對于同一個地震事件，需要確定統一的取值段持時，我們采用了整個記錄的主要部分作為計算長度，均方值比值計算結果列入表1。

表1 各次強余震不同高度流動臺站所記錄的地震加速度均方值的比值Tab.1 Ratio of mean square values of the seismic acceleration records of several strong aftershocks recorded by temporary stations of different height

由表1可見，7次強余震加速度都隨局部地形的高度增加而增大，反映了局部地形的放大作用。特別是在半山腰和山腳之間，2個流動臺的高差達33 m，余震加速度都隨局部地形的高度放大更為明顯。水平向地震動的放大倍數可達1.30～1.76倍;山腳和山頂間高差為42 m，水平向地震動均方值的放大倍數達1.77～2.85倍。換算成宏觀烈度，局部地形高差在50 m左右時，烈度幾乎可提高一度。

汶川8.0級地震以后，隴南地區大量的宏觀震害調查結果都明顯反映了局部地形高度的放大作用。考慮到這一點，甘肅省建設廳在編制《甘肅省隴南、甘南災區恢復重建建筑抗震技術規程》時，規定了調整系數 (表2)。

表2 地震影響系數最大值隨地形高度的調整系數Tab.2 Adjusting coefficients of maximum earthquake affecting coefficient in different terrain height

本研究所用的流動臺站的數據取自孤突的山梁，除地形的高差外，還有孤突山梁的影響，所以比單純地形高差的影響大。流動臺的記錄沒有取得高差大于50 m的實際資料。更多歷史地震的震害調查表明，地震動的強度不是隨高差的增大而無休止地放大。表2中的數據是為了增加孤突地形高處民居的安全度而制定的，反映了地形放大的總體趨勢。本文所引用的幾次強余震的記錄表明，表2中規定的標準是可行的。

武灌高速公路采用了大量高架橋和隧洞，雖然隧洞洞身多位于基巖山體內，但隧道洞口多位于山體山腰一定高度部位，此種結構對地震會產生一定的放大作用，因此，對于基巖隧洞洞口，可參照表1來考慮地形對地震動的放大作用。

2.2 地震震級對反應譜特征周期的影響

特征周期是反應譜的重要參數，對工程抗震設計意義重大。現在越來越多的研究表明，根據抗震設計規范 (GB50011－2010)計算得到的特征周期小于實際場地情況的統計平均值 (吳建，高孟潭，2004)。徐揚 (2000)通過理論分析初步討論了潛在震源區震級上限對基巖加速度反應譜特征周期的影響。為了進一步說明地震震級對基巖反應譜特征周期的影響，筆者對主震及部分余震地震動記錄的頻譜特性進行分析，以研究本區地震動特征周期與地震震級之間的關系。

通過對比分析2008年汶川MS8.0地震和1976年松潘—平武MS7.2地震在文縣臺的強震記錄加速度反應譜 (圖2)可以看出，地震動的頻譜成分隨地震震級的增大，其長周期分量迅速增加。兩次地震強震記錄臺的位置相距不遠，臺址均為基巖場地。2008年汶川地震的震中距為249 km(從地震的始破裂點映秀計起)，1976年松潘—平武地震的震中距為65 km，基本位于同一條線上，傳播路徑相近。因此，兩次地震反應譜具有可比性。由圖2可以看出，汶川MS8.0級地震加速度反應譜的“特征周期”接近1 s，而松潘—平武MS7.2地震的“特征周期”只有0.3 s左右。

由于震級的差異，余震與主震頻譜成分之間有較大的差別。2008年8月5日青川MS6.1強余震的反應譜如圖3所示，其中姚渡流動臺的震中距為6.0 km，處于極震區內，記錄到的峰值加速度達370 Gal;文縣流動臺震中距為79 km，處于山腳下，記到的峰值加速度僅為33 Gal，已屬于“遠場”的范圍。對比可以看到，對于6級左右的中強震，其反應譜的“特征周期”在0.3 s左右，與震中距的關系不大。

圖4是文縣流動臺記到的7次震級在4.3～6.4之間中強震 (汶川地震的余震)的反應譜。從圖中可以看到，除了1次地震以外 (圖4中紫色線，該次地震為6.1級，震中距94 km)，其余6次地震的反應譜“特征周期”都在0.3 s左右。

從以上反應譜的對比分析不難看出，反應譜的形狀特別是其“特征周期”與地震震級有密切的關系。7級以上的大震和7級以下的中強震之間的反應譜的形狀有很大的差別。對隴南地區一般的中硬土場地來說，7級以上的地震其反應譜的“特征周期”可達0.5～0.7 s以上，而7級以下的中強地震，“特征周期”僅在0.3～0.4 s之間。據汶川地震主震和強余震的強震觀測，隴南地區的地面運動反應譜應與地震震級聯系起來，特別是7級以上的大震，其反應譜的長周期分量增長非常快。觀測的結果沒有覆蓋全部震級，但特征周期隨震級增大有明顯的增大趨勢很明顯。

由于受觀測資料的限制，在實際應用中，可采用汶川MS8.0地震及其強余震的觀測結果，把反應譜的“特征周期”放長一些。建議采用表3中的數值對安全性評價中計算得到的反應譜做適當的調整。

表3 隴南地區反應譜特征周期調整建議取值Tab.3 Suggested value according to adjusting characteristic period of response spectrum in Longnan area

3 設計地震動參數的調整

地震危險性分析計算給出武罐高速公路沿線場地的基巖峰值加速度和基巖反應譜曲線，還可以給出各場地在不同超越概率水準下遭受相應地震影響的等效震級和等效距離。隴南地區具備山區的特點，場地土較堅硬，地震動的高頻分量表現明顯。對于一般場地，可按照《中國地震動參數區劃圖》(GB18306－2001)中地震動峰值加速度 (中硬場地)與基巖場地地震動峰值加速度的對應關系對設計地震動參數進行調整。對于重要場地，除根據地形、場地條件進行峰值加速度和特征周期的計算與調整外，為體現本區地震動特征，本研究還根據等效震級和等效距離對照表3調整了特征周期，給出體現本區地域特性的設計地震動參數。

圖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)在文縣臺的強震記錄加速度反應譜 (β譜)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

筆者以武罐高速洛塘河雙層高架橋工程場地為例，給出了場地反應分析計算后的地震動參數與調整后的地震動參數對比 (表4)。洛塘河雙層高架橋沿洛塘河西岸展布，地層主要為第四系河床 (漫灘)沖積卵石漂石以及下古生界碧口群砂質板巖、變砂巖夾千枚巖，其中第四系河床 (漫灘)沖積卵石漂石最大厚度7.5 m。根據地震危險性計算得到的基巖反應譜，進行人造地震動擬合;然后根據鉆孔剖面，選取合理的計算模型，得到該工程場地地表反應譜曲線。根據計算結果確定的地震動參數如表4中“調整前”所示，可以看出，特征周期相對較小，與該區強震記錄頻譜特征有一定差異，因此，根據等效震級對特征周期進行了調整，如表4“調整后”所示，并以此作為模擬實驗用的抗震設計地震動參數。

圖3 2008年8月5日青川MS6.1余震記錄的加速度反應譜曲線 (β譜)(a)姚渡強震臺;(b)文縣山腳處流動臺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

圖4 文縣附近流動臺7次中強地震的β反應譜Fig.4 β-response spectra of 7 moderate-strong earthquakes recorded by temporary stations at the foot of Wenxian County

表4 洛塘河雙層高架橋地震動參數及模擬實驗用抗震設計地震動參數的調整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

4 結論

不同地區所處的大地構造環境與地震活動背景，決定了該區具有其特殊的地震動特征。根據分區地震動衰減關系計算得到的地震危險性分析結果還不能完全體現地震動的地域特性。

武罐高速公路所處甘肅隴南地區，山大溝深，地形對地震動的放大效應比較明顯，因此對重要工程場地根據其地形位置進行地震動峰值加速度的放大調整是有必要的。

甘肅隴南地區地震動特征分析結果與工程場地地震危險性分析結果表明，兩者之間在地震動特征上有一定差異，因此對于重大工程場地，需要根據本區強震記錄特征分析，對危險性計算結果進行一定的調整，以獲得適合本區特征的抗震設計地震動參數。

筆者提出的根據地震危險性計算結果得到的等效震級及地震震級與地震動記錄頻譜特征關系，對地震動參數進行一定的調整，是一種有益的嘗試，試驗證明是可行的，可作為其它有一定強震記錄地區重大工程場地地震動參數確定的參考。

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Defining on Design Ground Motion Parameters with Regional Characteristics——A Case Study of Wu-Guan Freeway

ZHAO Ze-xian1，2，WANG Ai-guo1，2，SUN Chong-shao2
(1.Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction，CEA，Lanzhou 730000，Gansu，China)
(2.Lanzhou Seismological Institute，CEA，Lanzhou 730000，Gansu，China)

We analyzed the topographic effects and frequency spectrum characteristics of strong motion recordings in Longnan region where Wu-Guan freeway located and studied the simplifying and abstract process to regional characteristics of ground motion in seismic risk probability calculation.Applying the topographic effects and frequency spectrum characteristics of strong motion recordings to adjust the calculation results of seismic risk probability for major engineering，we obtained the design ground motion parameters with regional characteristics.The results show that there are certain differences between the calculation results of seismic risk analysis and the analysis results of regional seismic characteristics.Basing on ground motion characteristics，we adjusted the power amplification coefficient βmaxand characteristic period T in the calculation results of seismic risk analysis to give the seismic design ground motion parameters which was fit for the study region.

design ground motion parameters;regional characteristics;response spectrum;characteristic period;Wu-Guan freeway

P315.9

A

1000－0666(2012)03－0367－07

2012－05－31.

交通部西部交通建設科技項目《武罐高速公路抗震優化設計及災害防治技術研究》與中國地震局地震預測所基本科研業務專項《甘肅古浪和四川汶川兩次8級大震構造區對比研究》聯合資助.