由近斷層強震記錄得到的斷層位錯過程對管道的影響分析

劉愛文 環文林 賀秋梅 張志中 李 琪

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

在近些年的幾次大地震中，例如，汶川地震和集集地震等，獲得了不少近斷層乃至斷層上的加速度強震記錄。這些近斷層加速度強震記錄對研究近斷層的地震動特征（如速度脈沖、方向性效應）、震源機制等具有重要的意義。通過對斷層附近的加速度記錄進行2次積分，并經過適當基線校正后得到斷層位錯時程，發現其位移峰值往往大于斷層的永久位移量。而目前埋地管道在斷層位錯下的反應分析方法一般直接輸入的是斷層的永久位移量。為了管道地震安全，研究了斷層位錯的時間過程可能對管道應變反應的影響。

首先收集整理了近斷層強震記錄。除了汶川地震所獲得的記錄，還收集了1992年美國Landers地震和1999年臺灣集集地震公開所發表的近斷層強震記錄。從這些斷層附近所獲得的加速度記錄進行校正后積分得到位移時程，這些近斷層所記錄的位移時程可以一定程度上反映斷層的位錯過程。

1992年的美國Landers MW7.3地震的發震斷裂屬于右旋走滑斷層。斷層引起的地表位移最大值6 m，平均值為3～4 m。在距離地表破裂約2 km處獲得了強震記錄。從所獲得的強震記錄，發現此次地震斷層破裂有明顯的速度脈沖現象。垂直于斷層的速度峰值為1.48 m/s，平行于斷層的速度峰值為1.25 m/s。斷層運動的持續時間在15 s左右。垂直于斷層方向的斷層最大位錯值在2.5 m左右，最后的永久位移值大約0.5 m。平行于斷層方向的斷層最大位錯值在3.1 m左右，最后的永久位移值大約2.6 m。1999年集集M7.3地震的發震斷裂屬于逆沖斷層。斷層引起的地表垂直位移最大達8 m。在此次地震中，斷層附近的多個強震臺站和GPS臺站獲得了近斷層記錄。鑒于近斷層加速度時程積分得到速度時程和位移時程普遍存在漂移現象，對這些加速度近斷層加速度記錄進行校正，并與附近的GPS臺站觀測結果比較，得到斷層位錯量隨時間的變化情況。

近斷層強震記錄分析結果表明，斷層的位錯速率與斷層的類型、發震機制等有關。地震時斷層位錯速度的最大值在1 m/s 至3 m/s左右，從開始到最后的永久位錯值，時間持續14 s左右。破裂開始時，斷層有一個很小的反向位錯（不一定很明顯），接著錯動到一個最大值，然后從最大值又回落到一個相對固定的值，即斷層運動所引起的地表永久位移。

以某輸氣管道通過小江斷裂為例進行殼有限元反應。該管道的管徑為1.016 m、壁厚0.021 m，管材為X70-HD2，管道與斷層的交角為86°。地震安全性評價工作得到斷層的垂直錯距0.6 m，水平錯距3.5 m。這2個方向合成得到的總斷層錯距Δ為3.552 m。基于上文斷層位錯過程的分析結果，這里假定在時間3 s時斷層的反向位錯設定為15%×Δ；在時間12 s時，斷層到達最大位錯，設定為Δ+15%×Δ；在時間14 s，斷層位錯回落到永久位移值Δ。

采用殼有限元模型，對該管道通過斷層進行“動力分析”（這里并不考慮阻尼比等動力參數）。直接輸入斷層的永久位移進行有限元分析（稱之為“靜力分析”），得到的最大軸向應變為 1.2%。值得注意的是：“靜力分析”的結果并不等于“動力分析”的最后結果，而是介于考慮了斷層位錯過程的有限元分析位錯最大時和永久位移的結果之間。

由于目前所獲得近斷層位移記錄還比較少，還難以統計出斷層位錯時程的一般規律。直接輸入斷層的永久位移進行管道的反應分析，其結果的可靠度可以基本上滿足管道通過斷層的抗震設計需要。