2022年青海門源地震引起的蘭新高鐵硫磺溝大橋地表同震位移研究

2022-09-29 03:00:00任葉飛王大任溫瑞智王宏偉

中國鐵道科學 2022年5期

關鍵詞：模型

劉也，任葉飛，王大任，溫瑞智，黃勇，王宏偉

（1.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080）

2022年1月8日1 時45 分（北京時間），中國青海省海北藏族自治州門源自治縣發生Mw為6.6級的地震，震源深度約為11.5 km［1］。截止至2022年1月17日，共記錄到余震總數584 個，其中最大余震Ms為4.9 級［2］。青海省門源縣、甘肅省民樂縣和山丹縣震感強烈，震中（37.828°N，101.290°E）10 km 范圍內人口稀疏未造成人員傷亡［3］。地震發生后，多家機構迅速開展應急響應工作，派出科學考察團隊進行地震應急科考，得到了大量珍貴的現場震害資料，為后續研究提供了堅實的基礎。門源地區地處河西走廊中段，是“一帶一路”建設的重要交通通道，也是諸多重大工程的必經之處，2014年開通運營的蘭新高速鐵路門源段在此次地震中遭受不同程度的破壞，尤其是位于震中附近的硫磺溝大橋及相鄰隧道破壞嚴重，地震造成隧道塌方、橋梁錯位，鐵軌扭曲變形，致使蘭新高鐵部分區段停運，短時間內難以恢復通車，造成的直接和間接經濟損失難以估量。

隨著國家戰略發展的需要，將有越來越多的鐵路橋梁等國家重大工程在西部地區建設，而西部地區地質構造復雜、斷層交錯、地震頻發，鐵路橋梁等國家重大工程不可避免地穿過地震易發區［4-6］。過往的數次大地震中，位于地震近場區的橋梁和鐵路震害十分突出，如唐山地震中灤河鐵路大橋12個橋墩發生傾倒，23 片梁墜入河中；汶川地震中廣岳鐵路、寶成鐵路和成灌鐵路受損嚴重。鐵路橋梁的破壞，除了造成工程損失外，也為救援工作增加了極大的難度［7］。因此，對地震易發區內的鐵路及橋梁建設應給予足夠的重視［8］。

如何有效地降低地震風險成為西部重大工程建設亟待解決的問題。此次地震的發生成了開展相關研究的重要契機，其中位于斷層附近的硫磺溝大橋發生嚴重破壞，引起了研究人員的廣泛關注。地震產生的地表位移場是解釋橋梁災變機理的重要輔助資料，現場調查結果通常只針對特定位置進行調查記錄，不同學科背景的研究者關注的重點也不盡相同，很難完全滿足工程研究的需要。1958年Steke?tee［9］首次將位錯理論引入地震學，隨后許多學者不斷對這一理論進行補充和發展［10-15］。Okada［16］在總結前人工作的基礎上，給出了計算均勻彈性半空間介質地表同震位移場的解析方法，可以計算斷層在地表任意位置產生的同震變形，成為位錯理論發展的一個里程碑。時至今日，作為經典的Okada彈性位錯理論已經廣泛應用于震后地表同震位移的計算，給出精細化的地表同震變形場為相關研究提供數據支撐。另一方面，地震發生后，各家研究機構或科研團隊通常依據不同的觀測數據給出不同的斷層滑動模型，多種模型的計算結果可為研究人員提供綜合的參考。

鑒于此，本文運用4 家權威機構發布的斷層滑動模型，基于Okada 提出的彈性半空間位錯理論，進行此次地震引起的蘭新高鐵沿線及硫磺溝大橋處的地表同震位移研究。

1 區域構造特征及地震災害

圖1 給出了此次地震區域的地質構造背景及地震烈度分布情況。

圖1 2022年門源地震區域的地質構造背景與地震烈度分布

此次地震發生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂的西端與托萊山斷裂的階區部位，此區域地質構造復雜。冷龍嶺斷裂沿著東祁連山山脈分水嶺分布，由多條長度不等的斷層呈左階斜列狀組合而成，斷裂西端與托萊山斷裂相連，斷裂長約120 km，總體走向N110°～115°E，晚第四紀時期主要表現為左旋走滑運動，局部兼具傾滑分量［17］。托萊山斷裂同樣以左旋走滑運動為主，由西向東滑動速率逐漸增大，至冷龍嶺斷裂地區滑動速率達到最大值［18-20］。震源機制解顯示此次地震為1 次左旋走滑地震，與托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的左旋走滑的運動相一致。托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂同屬于祁連-海原構造帶，該地區受青藏、戈壁-阿拉善、鄂爾多斯三大塊體強烈的相互擠壓作用，地質構造復雜且活動劇烈［21］，自1900年以來多次發生6 級以上地震，如1927年Ms為8.0 級的古浪地震、1928年Ms為6.0 級的古浪地震、1986年Ms為6.4級的門源地震以及2016年Ms為6.4級的門源地震。Gaudemer等［17］提出冷龍嶺斷裂所在區段是祁連海原斷裂帶的1個地震空區，該區構造變形與地震活動需要引起關注。Wang 等［22］認為冷龍嶺斷裂復雜的集合形態導致了該地震斷層滑移集中在較小區域，因此造成了較高水平的應力降，加劇了局部應力積累，增加了該區域地震災害風險。郭鵬等［23］指出祁連-海原斷裂帶處于長期且較為快速的應力積累狀態，具有高地震危險性。

中國地震局現場工作隊［24］通過災區震害調查，并結合地震區域的地質構造背景、儀器烈度分布、余震分布、震源機制、遙感影像等資料，確定此次地震的烈度分布，此次地震極震區烈度為Ⅸ度（9 度），等震線長軸總體呈北西西走向，長軸約200 km，短軸約153 km。其中青海省烈度在Ⅵ度（6度）及以上區域的面積約13 723 km2，甘肅省烈度在Ⅵ度（6 度）及以上區域的面積約9 694 km2。此次地震造成青海省3 個市州6 個區縣32 個鄉鎮，甘肅省3 個市6 個區縣29 個鄉鎮以及中牧山丹馬場、大黃山林場受災。由于極震區為無人區且震中附近人口較少，未有人員死亡信息。此次地震在地表產生了破裂帶，最大地表位錯約為3.1 m［25］。位于極震區的蘭新高鐵硫磺溝大橋段鐵路橋各橋墩處主梁發生嚴重移位，橋梁南部橋墩處主梁向東移動，北部橋墩處主梁向西移動、橋面發生變形。圖2 為硫磺溝大橋的震后鳥瞰圖，圖中1#橋墩和2#橋墩間橋面變形量最大，橋面上的鐵軌嚴重扭曲、局部鐵軌發生錯斷，位于大橋南部的大梁隧道發生坍塌。

圖2 2022年門源地震后硫磺溝大橋鳥瞰圖及橋墩編號

2 破裂面滑動分布

地震發生后，多家研究機構采用不同的反演方法和觀測數據得到此次門源地震的震源機制解和斷層滑動模型。

本文收集了美國地質調查局（USGS）［1］、長安大學李振洪團隊［26］、中國地震臺網中心［27］、和中科院青藏高原研究所王衛民團隊［28］提供的斷層滑動模型，本文分別采用模型1、模型2、模型3和模型4 代指上述各斷層滑動模型。模型1 由遠場地震波形反演結合合成孔徑雷達干涉（InSAR）技術反演得到，斷層沿走向和傾角方向均勻地分成27×12個子斷層，每個子斷層尺寸為2 km×2 km。子斷層最大滑移量4.52 m，主破裂深度約為2～8 km。模型2 由InSAR 數據反演得到，該模型假設此次地震發震斷層為走向不同的AB 和BC2 個分段，其中AB 分段沿走向和傾角方向均勻地分成10×16 個子斷層，BC 分段沿走向和傾角方向均勻地分成20×16 個子斷層，每個子斷層尺寸均為1 km×1 km，子斷層最大滑動量為3.51 m，出現在BC 分段深度約4 km 處，主破裂面深度0～10 km。模型3 基于近場全波形反演得到［26］，斷層沿走向和傾角方向均勻分成17×7 個子斷層，每個子斷層尺寸為2 km×2 km，子斷層最大滑動量3.2 m，主破裂面深度0～10 km。模型4由遠場P 波波形反演得到［28］，斷層沿走向和傾角方向均勻地分成13×7個子斷層，每個子斷層尺寸為2 km×2 km，子斷層最大滑移量3.16 m，該模型假設此次地震存在2個凹凸體，滑動分布較為離散，一部分破裂面集中在地下0～12 km 處，另一部分集中在4～17 km處。4 個模型的子斷層運動方向均表明此次地震接近純左旋走滑地震。表1給出了本文采用的各斷層滑動模型的主要參數。

表1 各斷層滑動模型的主要參數

由于反演方法和數據源的差異，各模型的各項參數間存在不同程度的差異。4 種模型的走向差異較小，均在102°～109°之間；傾角則存在一定的差異，模型1、模型2 和模型4 傾角較一致，最大差異不超過5°，而模型3 與其他3 個模型傾角差異較大，最大相差達16°。圖3 給出了各模型的斷層面滑動分布。

圖3 各模型斷層面滑動分布

4 個模型中模型1 的最大滑動量最大，模型2次之，模型3 和模型4 接近。但模型1 的破裂并未延伸至地表，除模型1 外，另外3 個模型破裂面上邊界均達到地表。另外，模型2 和模型3 的滑動集中區域（即凹凸體區）距離地表較近，模型4則距離地表相對較遠。

3 地表同震位移場

下面將運用4 種斷層滑動模型，基于Okada 彈性半空間位錯理論計算地震在地表處產生的同震位移場。

在各向同性的假設條件下，根據彈性半空間位錯理論，某一矩形幾何面發生滑移引發地表某點的動力響應所產生的位移，與破裂面的滑動量成正比。滑動量的走滑分量U1和傾滑分量U2在地表（x，y）處引起的水平分量與垂直分量的變形分別為

其中，

式中：λ 和μ 為Lamé 常數；δ 為斷層傾角；d 為斷層深度；m 和n 為斷層面上點的坐標；║為Chin?nery符號，定義如式（3）。

式中：L和W分別為斷層長度和寬度。

已知斷層滑動分布后，將地震滑動量分解為走滑分量和傾滑分量，通過式（1）和式（2），即可獲得地表同震位移場。

圖4 給出了依據4 種斷層滑動模型計算得到的此次地震水平方向地表同震位移場。由圖4 可見：運用4種模型計算得到的同震位移場均符合走滑地震所產生的位移場特征。震中東北和西南兩側向震中方向移動，東南和西北兩側向背離震中方向移動，發震斷層南側（上盤）整體向東移動，北側（下盤）整體向西移動，呈現出明顯的走滑運動機制；由于4個模型的凹凸體區所處深度不同，導致運用各模型計算得到的最大地表水平位移出現較大差異；運用凹凸體區最接近地表的模型3計算得到的最大地表位移最大，約1.54 m；模型2次之，約1.14 m；運用斷層滑動較為分散且距地表相對較遠的模型4 計算得到的最大水平位移也相對較小，約0.6 m；運用模型1 計算得到的最大地表位移最小，約0.41 m；運用模型3計算得到的斷層兩側地表最大位錯約3.0 m，與中國地震局地質研究所震后調查結果［25］（現場測得最大位錯量約為3.1 m）較為一致。

圖4 2022年門源地震水平方向同震位移場

4 蘭新高鐵同震位移

蘭新高鐵部分區段位于此次地震的極震區（IX 度）內（見圖1），破壞較為嚴重。圖5 給出運用4種斷層滑動模型計算得到的地震在蘭新高鐵沿線地表引起的同震位移。由圖5可見，此次地震使蘭新高鐵沿線地表在斷層兩側發生了相反方向的永久位移，越接近斷層線地震引起的永久位移則越大，并且在破裂面頂部的地表投影處引起明顯的位錯。從模型1的計算結果看，在蘭新高鐵沿線地震并未引起明顯的位錯，且引起的地表位移在所有模型中是最小的。從模型2 和模型3 的計算結果看，在硫磺溝大橋附近地震引起了較大的位錯，位錯分別約為2.54 和1.49 m。說明在模型2 和模型3 中，硫磺溝大橋附近恰好位于此次地震的上下盤交界處，與硫磺溝大橋附近震害最為嚴重的震后調查結果相一致。從模型4的計算結果看，地震引起的位錯出現在硫磺溝大橋南部約2.5 km 處，東西方向產生的位錯約1.15 m。此外，震后調查發現，蘭新高鐵沿線上距離硫磺溝大橋約10 km 的干柴灘大橋（位置見圖5）橋墩出現裂縫，在本文的計算結果中，運用4個模型計算得到的在干柴灘大橋處地震引起的東西方向地表位移約為0.11～0.21 m，南北方向地表位移約為0.14～0.28 m。

圖5 蘭新高鐵同震位移

震后調查顯示蘭新高鐵硫磺溝大橋及隧道是此次地震受災最嚴重的區域，在此次地震中引起了各方的關注。本文選取硫磺溝大橋為研究對象，該橋是8 跨32 m 雙線簡支箱梁橋，橋面寬12 m，總長272.77 m，連接祁連山隧道與大梁隧道，緊鄰此次地震的地表破裂帶。震后調查資料顯示，大橋的各橋墩主梁產生不同程度的橫向位移，南部向東移動，北部向西移動，如圖2所示。

與上文蘭新高鐵沿線的地表位移特征（見圖4）相同，整體上，依據凹凸體區較為接近地表的模型2 與模型3 計算得到的地震引起的地表位移相對較大，而運用凹凸體區距地表相對較遠的模型1與模型4 計算得到的地震引起的地表位移則相對較小。表2 和表3 分別給出由4 種斷層滑動模型計算得到的地震在橋墩處引起的沿橋梁走向的順橋向位移與垂直橋梁走向的橫橋向位移（表中正負按圖2指向）。

表2 地震在硫磺溝大橋橋墩處引起的橫橋向位移m

表3 地震在硫磺溝大橋橋墩處引起的縱橋向位移m

由模型1、模型3 和模型4 計算的結果可知，硫磺溝大橋地表整體向西偏北方向移動（橫橋向地表位移都為負值、順橋向都為正值），相鄰2 個橋墩之間的位移幅度出現微小差異，并未產生明顯位錯。相鄰兩橋墩間橫橋向位移差約為0.2～0.6 cm，縱橋向約為0.2～0.8 cm。由模型2 計算的結果可知，硫磺溝大橋位于上下盤交界，1#橋墩位于斷層上盤，地表產生向東位移，2#—7#橋墩位于地震的下盤，地表產生向西的位移，1#橋墩與2#橋墩間地表橫橋向產生1.46 m 的位錯，縱橋向產生0.37 m 的位錯。這與震后調查結果中，橋梁南部橋墩主梁向東移動、北部橋墩主梁向西移動，在1#橋墩與2#橋墩間橋面變形最大的結果相一致。需要注意，圖5 顯示采用模型2 和模型3 計算時地震在硫磺溝大橋附近引起了明顯的位錯，實際上采用模型3計算時，位錯未發生在大橋處，而是位于大橋南部的大梁隧道內，這也是導致隧道發生嚴重破壞的主要原因。

5 結論

（1）發震斷層南側（上盤）整體向東移動，北側（下盤）整體向西移動，呈現明顯出明顯的走滑機制。中國地震臺網提供的滑動模型在斷層兩側地表引起的最大位錯約3.0 m，與震后調查結果（3.1 m）較為一致。

（2）對于蘭新高鐵硫磺溝大橋處的同震位移求解，運用美國地質調查局和中國科學院青藏高原研究所模型都未計算出在該處有明顯的位錯，而運用中國地震臺網和長安大學模型的計算結果均表明硫磺溝大橋位于此次地震上下盤的交界處，地震在該位置引起較大的地表位錯，但地表最大位錯值及位置有較大區別，運用中國地震臺網模型得到的最大位錯約為2.54 m，位于該橋南側的大梁隧道中；運用長安大學模型得到的最大位錯約為1.49 m，發生在該橋南側橋墩處，與震后橋面的最大變形位置一致。

（3）此次地震中硫磺溝大橋及沿線鐵路除了受地表地震動作用外，地震引起的地表位錯對橋梁和鐵路等大跨度結構的影響不容忽視，突顯了重大工程跨斷層建設時對合理采取抗震措施的重要需求。