薄建杰，郝 凱，郭建立，趙曉云，高云峰，王 繼

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.中國地震災(zāi)害防御中心，北京 100029；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

我國是歷史上遭受地震破壞和地震災(zāi)難較多的國家之一，僅1900年至20世紀(jì)末，中國遭受7～7.9級地震99次，8級以上地震9次[1-2]。20世紀(jì)，全球因地震死亡的人數(shù)近120萬，我國近60萬，約占1/2。除人員傷亡外，地震引起的破壞也是驚人的。例如1812年新疆尼勒克東8級地震，新疆地震局于1983-1984年對這次大震遺跡進(jìn)行實(shí)地考察，已查清該次大震造成長100余公里，寬60余公里的地震形變帶。該帶由地震斷層、地震滑坡以及地震塌陷所組成，最大垂直位錯達(dá)14 m，右旋水平位移最大達(dá)4 m。在極震區(qū)地震滑坡面積達(dá)數(shù)平方公里，滑坡后緣陡坎高達(dá)4米多。

我國油氣管線長度從2000年的4萬千米增加到現(xiàn)在的10萬千米，已初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⒏采w全國、連通海外的油氣管網(wǎng)格局[3]。這對緩解我國能源供需矛盾，保障能源穩(wěn)定供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)安全具有重大作用，同時(shí)還可帶動天然氣工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)多元化。如何做好長輸油氣管道地震安全性評價(jià)，減輕地震造成的災(zāi)害，是地震工作者的職責(zé)所在。

1 新疆某輸油氣管道地震安全性評價(jià)的必要性

1.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求

我國將油氣輸送管道抗震技術(shù)納入現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB50470—2017)(以下簡稱《規(guī)范》)強(qiáng)制要求執(zhí)行。《規(guī)范》規(guī)定管道線路工程抗震設(shè)計(jì)所采用的對應(yīng)于50年超越概率10%、5%或2%的設(shè)計(jì)地震動峰值加速度、峰值速度、反應(yīng)譜特征周期、地震動時(shí)間過程曲線等參數(shù)。

管道工程設(shè)防參數(shù)根據(jù)管道區(qū)段所屬位置不同而不同。根據(jù)所處地理位置的不同可分為一般區(qū)段、重要區(qū)段和危險(xiǎn)地段三類。重要區(qū)段指水域大中型穿跨越段、輸氣干線管道經(jīng)過的四級地區(qū)以及輸油干線管道經(jīng)過的人口密集區(qū)；一般區(qū)段指除重要區(qū)段以外的油氣輸送管道區(qū)段；危險(xiǎn)地段指活動斷層及地震時(shí)可能發(fā)生地裂、滑坡、崩塌、嚴(yán)重液化、地陷等地段[4](見《規(guī)范》2.1術(shù)語)。

一般區(qū)段管道抗震設(shè)計(jì)采用的地震動參數(shù)，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306的規(guī)定，已進(jìn)行地震安全性評價(jià)工作的，應(yīng)按審定的50年超越概率10%的地震動參數(shù)結(jié)果進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[4](見《規(guī)范》4.1.1)；重要區(qū)段管道抗震設(shè)計(jì)采用的地震動參數(shù)，應(yīng)按地震安全性評價(jià)或經(jīng)專門研究審定后的文件確定，采用50年超越概率5%的地震動參數(shù)結(jié)果進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，其中大型跨越及埋深小于30 m的大型穿越管道，應(yīng)按50年超越概率2%的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[4](見《規(guī)范》4.1.2)。

對危險(xiǎn)地段的抗震措施有更加嚴(yán)格的規(guī)定。如，油氣輸送管道通過全新世斷層或位于其附近時(shí)，應(yīng)分析斷層對管道工程的影響，并符合下列要求：

管道通過地震動峰值加速度為0.10 g～0.30 g的地區(qū)，且管底至基巖厚度大于或等于60 m時(shí)；管道通過地震動峰值加速度大于0.30 g以上地區(qū)，且管底至基巖土層厚度大于或等于90 m時(shí)，可不分析斷層潛在地表錯斷的影響[5](見《規(guī)范》4.2.2第1款)。

不符合本條第1款規(guī)定的情況時(shí)，應(yīng)確定下列內(nèi)容和參數(shù)：

(1) 斷層的性質(zhì)和產(chǎn)狀、最新活動年代、滑動速率、破裂帶的寬度和長度。

(2) 斷層與管道交匯的位置和交角，或斷層與管道的距離。

(3) 斷層覆蓋土層厚度以及斷層兩側(cè)和破裂帶的土體粘聚力內(nèi)摩擦角和平均剪切波速。

(4) 斷層在地表引起的最大同震水平和豎向位錯量[5](見《規(guī)范》4.2.2第2款)。

工程勘察及場地劃分對可能引起的地震地質(zhì)災(zāi)害提出明確要求。例如第5.1.3規(guī)定：當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣却笥诨虻扔?.10 g，場地分布初步判定有可能液化土層時(shí)，應(yīng)再進(jìn)一步判別[5]。

《規(guī)范》對油氣管道通過活動斷層采用的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)范，但尚未考慮管道分段所處具體位置的不同地質(zhì)環(huán)境背景、與管線相交的活動斷層的抗斷評價(jià)和可能存在的地震地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)對于輸油氣管道等生命線工程只能提供一般區(qū)段管道抗震設(shè)計(jì)的地震動參數(shù)，對于重要區(qū)段和危險(xiǎn)地段的設(shè)防參數(shù)都由工程場地地震安全性評價(jià)來提供。因此，地震安全性評價(jià)應(yīng)該給出的結(jié)果有：管道沿線三個概率的抗震設(shè)防參數(shù)；與管線相交的活動斷層的抗斷評價(jià)；相關(guān)的地震地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)。

1.2 工程建設(shè)所處地震環(huán)境的需求

“某煤制氣外輸管道工程”供應(yīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、山東、湖北、湖南、江西、浙江、福建、廣東、廣西等13省、自治區(qū)。包括1條干線、6條支干線，線路總長8 372 km。干線的起點(diǎn)是新疆木壘首站，終點(diǎn)為廣東省韶關(guān)末站，包含21個站場。在新疆境內(nèi)管道全長約1 200 km，有2條支線和7個帶加壓裝置的站場，分別是伊犁—木壘的伊犁支干線和準(zhǔn)東—木壘的準(zhǔn)東支干線。

新疆是我國地震活動較強(qiáng)的地區(qū)之一，管道附近歷史上發(fā)生過多次強(qiáng)震，與多條活動斷裂相交。區(qū)域范圍(新疆)內(nèi)共記錄到M≥4.7地震253次，其中8級地震1次,7～7.9級地震5次，6～6.9級地震22次，5～5.9級地震125次，4.7～4.9級地震100次[1-2]。7級地震或6.5級以上地震都有可能產(chǎn)生地表破裂，需要開展現(xiàn)場歷史地震烈度調(diào)查或資料收集工作。按照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306的區(qū)劃結(jié)果，絕大部分管線穿越地震動峰值加速度0.10 g以上的地區(qū)。

區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育眾多第四紀(jì)以來活動的斷裂，主要?dú)w屬于天山及其南北邊緣斷裂帶、阿爾泰山隆起區(qū)斷裂帶和西準(zhǔn)噶爾山地拱形隆起區(qū)斷裂帶。區(qū)域內(nèi)有第四紀(jì)以來活動的斷裂80條，斷裂走向與山體走向具有很好的一致性，主要有近東西向、北西和北東向斷裂(見圖1)。其中，全新世(Q4)活動斷裂的有36條，晚更新世(Q3)活動斷裂有37條，早中更新(Q1～2)斷裂有7條。通過收集資料和野外調(diào)查，確定與管道相交且存在抗斷問題的活動斷裂有10條。為完成以上輸油氣管線的抗震設(shè)防工作，需要開展地震安評工作?！兜卣鸢苍u報(bào)告》要提供更加詳細(xì)的三個概率水準(zhǔn)的地震區(qū)劃值作為設(shè)防參數(shù)；活動斷層和未來強(qiáng)震可能發(fā)生的準(zhǔn)確位置等，作為采取避讓及加固等工程抗震技術(shù)；站場未來可能遭受的地震地質(zhì)災(zāi)害以及預(yù)防措施等。

圖1 1812年新疆尼勒克東8級地震等震線及地震地質(zhì)災(zāi)害破壞分布圖[6]Fig.1 Isoseismic line and geological damage distribution map of the 1812 Nilekedong MS8 earthquake in Xinjiang[6]

2 新疆某輸油氣管道地震安全性評價(jià)

2.1 歷史地震災(zāi)害調(diào)查

歷史地震災(zāi)害調(diào)查以1812年新疆尼勒克東8級地震為例。這次大震在徐松所著《西域水道記》中寫道，“兗造哈、胡吉爾臺、齊木庫爾圖山裂四處，長二十里至六十里，寬五、六里不等，深十余丈至二十丈，平地涌出高阜。房屋傾倒。壓死放牧官兵39人，官府家奴8人，伐木工人及犯人11人，共計(jì)58人。牲畜5 300余匹。”1983～1984年新疆地震局對這次大震遺跡進(jìn)行了實(shí)地考察，現(xiàn)已查清該次大震造成長100余公里，寬60余公里的地震形變帶。該帶由地震斷層、地震滑坡以及地震塌陷所組成。地震斷層最大的垂直位錯達(dá)14 m，右旋水平位移最大達(dá)4 m。在極震區(qū)地震滑坡面積達(dá)數(shù)平方公里，滑坡后緣陡坎高達(dá)4米多。

對管線的影響主要是高烈度和地震地質(zhì)災(zāi)害。例如伊犁干線的西段，影響烈度Ⅷ～Ⅸ度，從烏蘇至伊寧除了精河?xùn)|一段約60 km為Ⅷ度區(qū)外，其余地段長約210 km為Ⅸ度區(qū)，伊寧首站的影響烈度也為Ⅸ度區(qū)。除此之外，部分管線位于地震地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，例如在精河?xùn)|部分地段發(fā)生了山崩等地質(zhì)災(zāi)害，在伊寧首站及附近發(fā)生了山崩和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此，管線在以上地段施工時(shí)，要適當(dāng)提高設(shè)防烈度和防范地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(見圖2)。

圖2 1812年尼勒克東8級地震形成的地表破裂照片(鏡向W)Fig.2 Surface rupture photographs (mirror W) of the Nilekedong MS8 earthquake in 1812

2.2 地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查分析

區(qū)域內(nèi)有第四紀(jì)以來活動的斷裂80條，全新世(Q4)以來的有60條，晚更新世(Q3)以來的有34條，早中更新(Q1～2)以來的有6條。以1812年尼勒克東8級地震的發(fā)震斷裂“喀什河斷裂”為例，開展斷層調(diào)查工作。首先進(jìn)行斷裂分段，進(jìn)一步判斷最新活動年代。

該斷裂在大地構(gòu)造分區(qū)上為Ⅱ級構(gòu)造單元博羅科努褶皺帶與伊犁地塊的界線，向西延入哈薩克斯坦境內(nèi)。斷裂境內(nèi)長度大于340 km，總體走向285°，斷裂面N傾，傾角65°～85°，為右行逆沖性質(zhì)。該斷裂可分三段。西段分布在伊犁盆地北緣，又稱伊犁盆地北緣斷裂，控制伊犁盆地的形成、發(fā)展，斷裂走向290°左右。在西段蘆草溝上游，斷裂測年最新活動距今1.88±0.018萬年。在果子溝一帶，斷層錯斷了晚更新世漂礫層和黃土層。綜合判斷西段為晚更新世活動斷裂；中段分布在尼勒克-養(yǎng)鹿場一帶，走向276°，由多條斷裂組成，分布在寬約10 km范圍內(nèi)，多數(shù)為右旋逆沖斷裂。在中段，該斷裂曾發(fā)生過1812年8級地震，形成長約65 km的地震斷裂。這些斷裂多發(fā)育在黃土中，由一系列走滑正斷裂、正斷裂和逆斷裂組成，在塞益德麥布拉克以東出露最為典型(見圖3)。此次地震的最大水平右旋錯距為4 m，垂直斷距為15 m。

圖3 伊寧首站工程場地及鉆孔分布圖Fig.3 Distribution of engineering site and boreholes in Yining first station

綜上所述，喀什河斷裂各段的活動性并不完全一致，具有分段性。該斷裂的中東段喀什河斷裂，在1812年曾發(fā)生過8級大地震，并形成長達(dá)65 km的地震地表形變帶，顯然是全新世活動斷裂。近場區(qū)所在的西段伊犁盆地北緣斷裂，是一條晚更新世以來有明顯活動的斷裂，管道與該段相交，交角65°，建議設(shè)防。

2.3 活動斷裂的抗斷分析評價(jià)

活動斷裂對輸油氣管道可能產(chǎn)生的危害主要包括兩方面：一是斷裂直接穿經(jīng)管道，產(chǎn)生同震地表位錯，使管道斷錯或變形；二是強(qiáng)震在管道工程場地產(chǎn)生強(qiáng)地面振動，對管道及其建、構(gòu)筑物產(chǎn)生的振動毀壞或引發(fā)次生災(zāi)害。

通過收集資料和野外調(diào)查，確定與管道相交且存在抗斷問題的活動斷裂有10條(1)中國地震災(zāi)害防御中心.某煤制氣外輸管道項(xiàng)目工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告，2013.。其中，全新世活動斷裂5條，晚更新世活動斷裂5條。以喀什河斷裂為例，給出抗斷評價(jià)參數(shù)(見第4頁表1)，提供工程抗斷使用。

2.4 地震地質(zhì)災(zāi)害分析評價(jià)

管道在新疆部分共有加壓站場7個，分別為：伊寧首站、木壘首站、準(zhǔn)東首站、庫車首站、七角井注入壓氣站、哈密分輸壓氣站、石燕壓氣站。以伊寧首站為例進(jìn)行站場的地震地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)。

伊寧首站工程場地內(nèi)布設(shè)地震鉆孔2個(ZK1、ZK2)，深度分別為26.8 m、100.0 m，土層主要為粉土、角礫、碎石，大致可分為3個土層，表層有約2.9 m左右厚度的粉土，其下為角礫、粉土、碎石的交替出現(xiàn)。工作中，對2個鉆孔開展了橫波測試，測試點(diǎn)間距1 m，計(jì)算兩孔土層等效剪切波速分別為308 m/s、344 m/s，場地類別為Ⅱ類。

表1 管道新疆段穿越喀什河斷裂基本參數(shù)及抗斷評價(jià)Table 1 Basic parameters and fracture resistance evaluation of pipeline crossing Kashi river fault in Xinjiang section

該工程場地內(nèi)不存在活動斷裂、陡峭巖石山體、軟弱土層，不存在斷裂地震地表破裂、崩塌、開裂、滑坡和軟土震陷等地震地質(zhì)災(zāi)害。場地20 m以淺無可液化砂質(zhì)土層，因此，可不考慮砂土液化的地震地質(zhì)災(zāi)害。場地位于山前坡地，應(yīng)根據(jù)場地平整情況，注意土體邊坡失穩(wěn)等地震地質(zhì)災(zāi)害問題。

2.5 抗震設(shè)防參數(shù)確定

依據(jù)地震動參數(shù)區(qū)劃圖的地震活動性參數(shù)和方法(2)全國地震區(qū)劃圖編制地震活動性參數(shù)確定工作組.中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖地震活動性參數(shù)確定報(bào)告，2011.，計(jì)算管道(干線新疆段、伊犁支干線、南疆支干線和準(zhǔn)東支干線)沿線50年超越概率10%、5%和2%地震動參數(shù)及7個站場的50年超越概率63%、10%和2%的地震動參數(shù)(見表2)。場地豎向歸準(zhǔn)化地震動反應(yīng)譜可取水平向規(guī)準(zhǔn)譜的2/3。

3 長輸油氣管道的地震災(zāi)害防治

3.1 地震災(zāi)害對管道的危害

地震災(zāi)害對埋地管道主要有三種破壞方式，即地震波的傳播效應(yīng)、永久地面變形和次生災(zāi)害[6]。

(1) 地震波的傳播效應(yīng)。

地震波的傳播效應(yīng)是指地震發(fā)生時(shí)地震波在土壤中傳播引起土壤變形，使埋在其中的管道產(chǎn)生過大的變形而造成一定的損壞。這種土壤變形不是永久變形，土壤也未失去整體性和連續(xù)性。好的鋼質(zhì)輸油氣管道一般能經(jīng)受住地震波的考驗(yàn)。地震波效應(yīng)對焊接良好的鋼質(zhì)管道破壞較小。

表2 站場規(guī)準(zhǔn)化場地地震動反應(yīng)譜的參數(shù)Table 2 Parameters of ground motion response spectrum for station site standardization

(2) 永久地面變形。

永久地面變形主要是斷層錯動引起的地表開裂或砂土液化引起的側(cè)向位移、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。永久地面變形可發(fā)生在地震中，也可能發(fā)生在地震后。斷層錯動所致的永久地面位移可能高達(dá)數(shù)十米，管道一般難以抵御這種永久地面位移。永久地面變形是造成管道破壞的最主要因素，包括斷層錯動、砂土液化、滑坡三種主要形式。

(3) 次生災(zāi)害。

次生災(zāi)害包括地震引發(fā)的洪水、火災(zāi)等，也會對管道造成嚴(yán)重破壞。

以上三種地震災(zāi)害，永久地面變形是造成管道失效的主要形式。

3.2 成功防治斷層錯動對管道造成災(zāi)害的實(shí)例

2002年11月3日，阿拉斯加菲爾班克斯發(fā)生7.9級地震，震中的Denali走滑斷層產(chǎn)生水平位移約5 m，豎直位移0.76 m，使從地面架空穿過該斷層的阿拉斯加管道受壓，但管道系統(tǒng)僅受到輕微損壞。經(jīng)過研究，管道在40 min后停輸，成功避免強(qiáng)地震災(zāi)害，歸功于阿拉斯加管道在穿越斷層處采用VSM(立式支撐架)支撐管道，并做了特殊的抗震設(shè)計(jì)，使管道在該處能抗御8.5級地震，對應(yīng)的水平位移約6 m，豎直移動1.5 m[7]。

4 結(jié)語

長距離的輸氣管道是重要的生命線工程，其特點(diǎn)是跨度大，一般會穿越重要的活動斷裂。我國是地震多發(fā)國家，境內(nèi)分布有上千條不同規(guī)模的活斷層。管道的設(shè)計(jì)階段，在應(yīng)對地震波和永久地面變形時(shí)，可采取柔性接口和柔性材料吸收場地應(yīng)變，用強(qiáng)度高的材料抵抗外力，建造均勻穩(wěn)固的地基埋設(shè)管道等措施，減少震時(shí)損失?？茖W(xué)規(guī)劃選址、設(shè)計(jì)和施工，一定會減輕地震災(zāi)害，保障我國能源大動脈的暢通。