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)，我國水庫大壩建設(shè)的工程技術(shù)已有了長足的進(jìn)步。但是，對于自然地震災(zāi)害條件下工程安全的科學(xué)分析和評價(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)前形勢發(fā)展的需要。因此，對于重大水電工程而言，要確保高壩水庫長期安全運(yùn)行的目標(biāo)，科學(xué)評價(jià)場址的地震安全性，進(jìn)行合理的抗震設(shè)防尤為重要。 本文結(jié)合國內(nèi)外

2、最新研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢，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、壩址區(qū)潛在地震變形分析預(yù)測等方面進(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估方法。 1．場址設(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)連的原則確定場地相關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的方法。通過對比分析，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)相對應(yīng)的設(shè)定地震以及場址反應(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強(qiáng)地震動(dòng)參數(shù)，我國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)，我國正在廣泛開展的活斷層探測與研究項(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)的空間分布以及場地相對于震源的空間關(guān)系等，這些信息將幫助我們運(yùn)用更精確的方法來預(yù)測強(qiáng)地震動(dòng)，特別是近場大震的地面運(yùn)動(dòng)情況。因此，近場強(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)子源與場址的幾何關(guān)系，可以計(jì)算每個(gè)子源對場址的影響，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點(diǎn)處引起的地震動(dòng)。 文中首先對獲得強(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)算近場區(qū)強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)，并同肅南地震臺(tái)實(shí)際觀測記錄相比較，收到較好效果并強(qiáng)調(diào)強(qiáng)震近場地震動(dòng)預(yù)測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近場地震動(dòng)分布特征的影響，分別選取對蘭州城市建設(shè)有重要影響的馬銜山北緣斷裂和對敦煌莫高窟有重要影響的三危山斷裂為對象，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地震動(dòng)分布的近場特征可以經(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，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，闡明了場地條件和場地類別等因素對抗震設(shè)防參數(shù)的影響問題，提出了《水工建筑物抗震設(shè)