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        “抗大地震”與低超越概率水準(zhǔn)地震動(dòng)關(guān)系的討論1

        2013-11-26 06:46:56高孟潭
        震災(zāi)防御技術(shù) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:區(qū)劃圖烈度確定性

        陳 鯤 高孟潭

        (中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081)

        引言

        小地震由于釋放的能量有限,基本上不太可能成災(zāi),而大地震,特別是震級(jí)大于7.5級(jí)的地震已成為地震災(zāi)害的主要原因。中國(guó)位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓,地震斷裂帶十分發(fā)育。這樣的地質(zhì)環(huán)境造成我國(guó)大地震(震級(jí)大于7.5級(jí))分布廣、頻度高、活動(dòng)強(qiáng)、危害大(時(shí)振梁等,1973;馬宗晉等,1991;藺明河等,2006;張培震,2008)。

        《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306-2001)》(國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2001)是以概率性地震危險(xiǎn)性分析方法,采用單一超越概率(50年10%)的加速度值確定的(高孟潭等,2006)。同時(shí)我國(guó)現(xiàn)行的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306-2001)》(國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2001)、《建設(shè)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB J11-89)》(中華人民共和國(guó)建設(shè)部,1989)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2001)》(中華人民共和國(guó)建設(shè)部,2001)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2001)局部修訂》(中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等,2010)的抗震設(shè)防體系,是三水準(zhǔn)功能要求(即“小震不壞、中震可修、大震不倒”)和兩階段設(shè)計(jì)思想(即小震下的截面抗震驗(yàn)算和大震下的結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算)。一般建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)時(shí),是依據(jù)50年10%的地震動(dòng)參數(shù)值和加速度分區(qū)給定的地震影響系數(shù)最大值maxα來(lái)確定罕遇地震動(dòng)(50年超越概率2%)的設(shè)防值。

        罕遇與極罕遇地震并不是不可能發(fā)生,只是發(fā)生的概率相對(duì)較小。近 50年來(lái),破壞性地震中超過(guò)罕遇地震(大震)水平的特大地震多次發(fā)生(湯保新等,2011)。1966年邢臺(tái)地震,震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度,遭遇烈度X度;1975年海城地震,震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅵ度,遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ度;1976年唐山地震,震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅵ度,遭遇烈度X—Ⅺ度;2008年汶川地震,震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ—Ⅷ度,遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ;2010年4月青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震,震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度,遭遇烈度Ⅸ度。

        總結(jié)和反思汶川地震的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),本文以第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中北川-映秀潛在震源區(qū)為例,探討了大地震震中附近不同概率水準(zhǔn)的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果與大地震影響場(chǎng)給出的結(jié)果之間的關(guān)系,并對(duì)當(dāng)前抗震設(shè)防體系提出了初步的建議。

        1 大地震與罕遇、極罕遇地震作用

        本文所指“大地震”為震級(jí)大于等于 7.5級(jí)的地震。大地震作用是指震級(jí)大于等于 7.5級(jí)的確定性地震,通過(guò)地震動(dòng)衰減關(guān)系計(jì)算得到的地震動(dòng)參數(shù)影響場(chǎng)。而罕遇地震作用是指相應(yīng)于50年超越概率2%的地震動(dòng);極罕遇地震作用是指相應(yīng)于年超越概率10-4的地震動(dòng)1中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2013.中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿.,通過(guò)概率地震危險(xiǎn)性分析方法得到。在設(shè)計(jì)工程時(shí),希望了解工程使用壽命內(nèi)可能遭受的地震動(dòng)強(qiáng)弱以便做出設(shè)計(jì)決策,然而地震的發(fā)生和地震動(dòng)特征不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè),只能使用概率語(yǔ)言來(lái)描述地震的危險(xiǎn),這就是概率地震危險(xiǎn)性分析。概率性地震危險(xiǎn)性分析要求給出一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)將來(lái)遭遇到超過(guò)給定地震動(dòng)值的概率,或者稱超越概率,常用地震動(dòng)超越概率曲線表示(胡聿賢,2006)。超越概率可以用年超越概率P1年表示,也可以用T年內(nèi)超越概率PT表示,如太原和昆明的超越概率曲線如圖1所示。工程設(shè)計(jì)者從超越概率曲線中可以讀出不同風(fēng)險(xiǎn)水平下的設(shè)防地震動(dòng)參數(shù)值,如50年超越概率63%、10%、2%和年超越概率1×10-4。進(jìn)而可以根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)承受能力選擇合適的地震動(dòng)設(shè)防參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        圖1 超越概率曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of probability of exceedance curve

        從上述定義可以看出,它們既相互區(qū)別又相互聯(lián)系?!按蟮卣稹笔蔷哂写_定性的震級(jí)下限明確的地震事件。而罕遇與極罕遇地震作用是從概率的角度來(lái)定義地震動(dòng)的大小。從防震減災(zāi)工程防御的角度所涉及到的“大地震”也主要是指地震作用,通常所說(shuō)的“抗6級(jí)地震”是指建筑物能抗御6級(jí)地震的作用。因此從工程抗震角度說(shuō)“抗大地震”或“防大地震”與罕遇、極罕遇地震作用一樣,其定義的內(nèi)涵均是指地震作用。

        2 算例

        本文所指“大地震作用”是震級(jí)大于7.5級(jí)確定性的地震事件的地震動(dòng)。本文以龍門(mén)山地震帶中段的北川-映秀潛在震源區(qū)為例說(shuō)明二者之間的差異。分別以傳統(tǒng)的特定場(chǎng)點(diǎn)的地震危險(xiǎn)性分析方法,計(jì)算不同超越概率水平(50年超越概率 10%、2%以及年超越概率 1×10-4)的峰值加速度分布,與利用確定性線源的地震動(dòng)參數(shù)(PGA)影響場(chǎng)進(jìn)行比較,揭示兩者之間的關(guān)系。

        龍門(mén)山構(gòu)造帶中段發(fā)生過(guò)2008年5月12日8.0級(jí)地震,導(dǎo)致北川-映秀斷裂和彭縣-灌縣斷裂發(fā)生了同震地表破裂,破裂長(zhǎng)度達(dá) 220—240km,最大同震位錯(cuò)達(dá) 10m左右,因此該潛在震源區(qū)在第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中的震級(jí)上限確定為 8.0級(jí)。鑒于此本文概率性方法中使用的潛在震源區(qū)邊界及參數(shù)與汶川地震后中國(guó)地震局對(duì)第四代地震動(dòng)參數(shù)修改的1號(hào)修改單一致。確定性方法中地震的震級(jí)與該潛在震源區(qū)的震級(jí)上限一致,確定為8.0級(jí)。確定性方法使用線源發(fā)生模型,其發(fā)震斷層長(zhǎng)度利用 Wells等(1994)的關(guān)系得到,約為 200km。概率性和確定性方法所使用的地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系為汪素云等(2000)回歸得到的中國(guó)西部衰減關(guān)系,確定性方法使用的是中國(guó)西部長(zhǎng)軸方向的衰減關(guān)系。研究的區(qū)域范圍為東經(jīng)98.82°-109.2°,北緯27.2°-35.8°,如圖2所示。通過(guò)概率性地震危險(xiǎn)性分析方法計(jì)算 0.1°×0.1°均勻間隔的 8838個(gè)網(wǎng)格場(chǎng)點(diǎn)三個(gè)概率水準(zhǔn)(50年超越概率 10%、2%和年超越概率1×10-4)的地震動(dòng)參數(shù)值。然后進(jìn)行插值、等值線性化得到地震動(dòng)參數(shù)的空間分布,分別示于圖3a—c。確定性方法的結(jié)果是考慮確定性的震級(jí)大小以及各網(wǎng)格場(chǎng)點(diǎn)到線源的不同距離,利用加速度的衰減關(guān)系計(jì)算得到,其結(jié)果示于圖3d。

        圖2 地震危險(xiǎn)性分析的研究區(qū)域Fig.2 Study area for seismic risk analysis

        圖3 設(shè)防峰值加速度的結(jié)果(超越概率:a. 50年10%;b. 50年2%;c. 10000年1%;d. 確定性)(震級(jí)為8.0,線源長(zhǎng)度約200km)Fig. 3 The PGA contours predicted by the traditional seismic hazard analysis (probability of exceedance of a. 50 years, 10%; b. 50 years, 2%; c. 10000 years, 1%; and d. deterministic results with magnitude 8.0 and the length of line source about 200 km)

        3 分析與討論

        從圖3可以看出,隨著超越概率水平的減小,峰值加速度的值逐漸與確定性方法的結(jié)果接近。超越概率50年10%和2%的峰值加速度設(shè)防最大值分別為150gal和350gal以上,而確定性分析得到的峰值加速度最大值為650gal以上。超越概率50年10%的峰值加速度設(shè)防值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于確定性分析得到的結(jié)果,即使當(dāng)超越概率水平為50年2%時(shí),概率性的設(shè)防峰值加速度也遠(yuǎn)低于確定性分析得到的結(jié)果。并且超越概率50年10%和2%的峰值加速度設(shè)防值中50gal以上的區(qū)域面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于確定性分析得到的結(jié)果。年超越概率1×10-4的水平,概率性方法的50gal以上的區(qū)域面積和空間展布大致與確定性分析得到的結(jié)果相當(dāng),但是在震中附近,或者說(shuō)潛在震源區(qū)內(nèi)部其數(shù)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于確定性分析得到的參數(shù)值。

        因此,在抗震設(shè)防體系中應(yīng)考慮多個(gè)概率水準(zhǔn)的地震作用,包括罕遇或者極罕遇或更低概率水準(zhǔn)的大地震作用。否則如果像汶川地震一樣的大地震發(fā)生,就會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失??傮w上說(shuō),“防大地震作用”就是在建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)時(shí)考慮低超越概率風(fēng)險(xiǎn)水平的地震動(dòng)影響。

        4 結(jié)論

        本文以龍門(mén)山地震帶北川-映秀潛在震源區(qū)為例,利用概率性方法計(jì)算了不同超越概率水平的地震動(dòng)參數(shù)值,并與確定性方法的結(jié)果進(jìn)行了比較,得到了以下認(rèn)識(shí):

        (1)抗震設(shè)防體系中應(yīng)當(dāng)考慮極罕遇地震作用?!胺来蟮卣鹱饔谩睉?yīng)該考慮極低超越概率風(fēng)險(xiǎn)水平的地震動(dòng)。包括采取規(guī)避措施、合理的建筑選型和針對(duì)罕遇、極罕遇地震作用的抗震設(shè)計(jì)。

        (2)在編制相關(guān)規(guī)劃中,如社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、國(guó)土利用規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)規(guī)劃時(shí),應(yīng)該考慮極罕遇地震動(dòng)的影響。并且地震應(yīng)急救援重要保障措施也應(yīng)該考慮極罕遇地震動(dòng)的影響,同時(shí)設(shè)防工程應(yīng)該考慮活動(dòng)斷層的避讓。

        高孟潭,盧壽德,2006.關(guān)于下一代區(qū)劃圖編制原則與關(guān)鍵技術(shù)的初步探討.震災(zāi)防御技術(shù),1(1):1—6.

        國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2001.中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306-2001).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

        胡聿賢,2006.工程地震學(xué).地震出版社:北京.

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