米健 沐紅元

摘要：

跨活動(dòng)斷裂的建筑物極易發(fā)生錯(cuò)斷破壞，抗錯(cuò)斷設(shè)防是跨活動(dòng)斷裂建筑物設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)對(duì)我國(guó)西部地區(qū)走滑斷裂引發(fā)的歷史強(qiáng)震資料的分析，建立了震級(jí)與破裂長(zhǎng)度、最大水平位移之間的擬合關(guān)系式，同時(shí)對(duì)曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移和垂直位移、變形帶寬度以及蠕滑位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出了曲江倒虹吸的抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)建議值。結(jié)果表明：曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移量和垂直位移量分別為1.02 m和0.19 m，變形帶寬度為300 m;未來(lái)百年內(nèi)蠕滑水平位移和垂直位移分別為0.34～0.51m和0.06～0.10 m。研究結(jié)果對(duì)曲江倒虹吸跨曲江斷裂抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)取值具有參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：

活動(dòng)斷裂; 抗錯(cuò)斷設(shè)防; 震級(jí); 地震破裂帶; 位移; 曲江倒虹吸; 滇中引水工程

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV221

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.017

0 引 言

活動(dòng)斷裂[1]是指晚更新世以來(lái)有活動(dòng)的斷裂。全新活動(dòng)斷裂為在全新地質(zhì)時(shí)期（10 000 a）內(nèi)有過(guò)地震活動(dòng)或近期正在活動(dòng)，在今后100 a可能繼續(xù)活動(dòng)的斷裂[2]?；顒?dòng)斷裂易受大地構(gòu)造力作用而產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，從而造成跨越活動(dòng)斷裂的建筑物發(fā)生災(zāi)難性的錯(cuò)斷破壞，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損傷和人員傷亡?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定宜避開(kāi)活動(dòng)斷裂帶并建議合理避讓距離，無(wú)法避開(kāi)時(shí)，宜選擇在活動(dòng)斷裂位移和斷裂帶寬度最小地段大角度穿越，并采取工程措施。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的不斷深入，在我國(guó)西部強(qiáng)震區(qū)興建的公路、鐵路、油氣管道以及引調(diào)水工程等線狀工程中，常常不可避免地跨越活動(dòng)斷裂，受活動(dòng)斷裂錯(cuò)斷運(yùn)動(dòng)影響，這些工程建筑物面臨著嚴(yán)重的錯(cuò)斷威脅。1952年美國(guó)加州克恩郡發(fā)生7.6級(jí)地震，穿越白狼斷層破碎帶的4座隧道均遭受到嚴(yán)重破壞[3];1995年日本阪神發(fā)生7.2級(jí)地震，穿越多條斷層的六甲隧道破壞最為嚴(yán)重;2008年汶川地震中處于F3和F2斷層之間的龍溪隧道以及通過(guò)F11-2斷層的紫坪鋪隧道破壞嚴(yán)重。因此，對(duì)工程建筑物跨越活動(dòng)斷裂的分布特征、活動(dòng)特征等進(jìn)行研究，提出曲江倒虹吸跨活動(dòng)斷裂的抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)，是進(jìn)行工程抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是保障工程安全運(yùn)營(yíng)的前提。

我國(guó)學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)活動(dòng)斷裂進(jìn)行了大量的定量研究[4]。1983～1987年，在鄧起東的主持下對(duì)海源活動(dòng)斷裂進(jìn)行了1∶5萬(wàn)活動(dòng)斷裂地質(zhì)填圖和晚第四紀(jì)斷裂活動(dòng)歷史和滑動(dòng)速率的綜合研究;李起彤根據(jù)活動(dòng)斷裂的平均滑動(dòng)速率和地震重復(fù)間隔以及下次大震逼近的時(shí)間進(jìn)行活動(dòng)斷裂的活動(dòng)度和危險(xiǎn)度的判定;黃靜宜根據(jù)歷史地震的破裂參數(shù)情況，總結(jié)了地震破裂參數(shù)與震級(jí)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。對(duì)活動(dòng)斷裂不同方向和不同性質(zhì)的位移量、變形量和滑動(dòng)速率的研究有助于定量地評(píng)估活動(dòng)斷裂的地震對(duì)工程的危害程度。

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探成果以及歷史地震資料，對(duì)我國(guó)西部地區(qū)歷史強(qiáng)震的震級(jí)與地震破裂參數(shù)進(jìn)行擬合，分析了曲江斷裂震級(jí)上限及未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級(jí)，并對(duì)斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移和垂直位移、變形帶寬度以及蠕滑位移進(jìn)行預(yù)測(cè);結(jié)合建筑物級(jí)別和工程設(shè)計(jì)使用年限，提出了曲江倒虹吸的抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)建議值，可為曲江倒虹吸抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

曲江倒虹吸位于滇中引水工程輸水線路玉溪段，倒虹吸設(shè)計(jì)流量為20 m3/s，管徑2.60 m，全長(zhǎng)1 856.28 m，進(jìn)、出口設(shè)計(jì)水位高程分別為1 652.36 m和1 642.96 m，中部曲江河床高程為1 402.10 m。沿線地層巖性為D3白云巖夾頁(yè)巖及Zbdn白云巖（見(jiàn)圖1～2）。倒虹吸在里程樁號(hào)75+375～75+530段跨越曲江斷裂，交角60°，相交位置曲江斷裂走向300°，傾向SE，傾角60°～70°，主斷裂帶寬約100 m，斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖主要為灰色角礫巖夾碎裂巖，構(gòu)造巖帶內(nèi)剪切斷面發(fā)育，多呈波狀。

倒虹吸場(chǎng)地50 a超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)為：地震動(dòng)峰值加速度為0.358 g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.50 s。

2 斷裂活動(dòng)特征及活動(dòng)分級(jí)

（1） 斷裂活動(dòng)特征。曲江斷裂北西起峨山縣城以西的安居村，向南東經(jīng)峨山縣城、小街、高大、曲溪，至廟碑山以東，南東止于小江斷裂帶，全長(zhǎng)約110 km。沿?cái)嗔褞?gòu)造擠壓強(qiáng)烈，發(fā)育寬達(dá)幾十米至數(shù)百米的斷層破碎帶，最寬處破碎帶達(dá)1 km，其中糜棱巖帶達(dá)500～600 m。沿?cái)嗔熏F(xiàn)今地貌上主要表現(xiàn)為一條直線型溝槽狀斷裂谷，并發(fā)育峨山、小海洽、高大和曲溪4個(gè)斷陷盆地，沿?cái)嗔褦噱e(cuò)水系、斷錯(cuò)山谷、斷層陡崖、斷層陡坎等斷錯(cuò)地貌十分發(fā)育（見(jiàn)圖3）。

4 斷裂百年最大突發(fā)地震位移參數(shù)預(yù)測(cè)

4.1 斷裂震級(jí)上限預(yù)測(cè)

（1） 歷史地震法。對(duì)于有發(fā)震記錄的斷裂，尤其是有多次強(qiáng)震記錄的斷裂，可根據(jù)其歷史地震的震級(jí)確定其未來(lái)發(fā)震的震級(jí)上限，可將歷史上記錄的最大震級(jí)作為未來(lái)地震的震級(jí)上限，當(dāng)歷史震級(jí)的尾數(shù)為0.1～0.4時(shí)，按0.5記;當(dāng)歷史震級(jí)的尾數(shù)為0.6～0.9時(shí)，向上進(jìn)位按整數(shù)記[31]。曲江斷裂歷史最大地震為1970年通海7.8級(jí)地震，其震級(jí)上限應(yīng)為8.0級(jí)。

（2） 經(jīng)驗(yàn)公式法。聞學(xué)澤等[32]認(rèn)為，未來(lái)百年內(nèi)的震級(jí)上限應(yīng)是斷裂全長(zhǎng)在單一地震事件中全部破裂時(shí)所達(dá)到的震級(jí)，曲江斷裂全長(zhǎng)110 km，代入式（1）求解出震級(jí)為7.68級(jí)，其震級(jí)上限應(yīng)為8.0級(jí)。

因此，曲江斷裂的震級(jí)上限為8.0級(jí)。

4.2 百年最大突發(fā)地震震級(jí)預(yù)測(cè)

4.2.1 歷史地震法

從曲江斷裂帶強(qiáng)震M-T圖（見(jiàn)圖6） 可知：曲江斷裂帶自1517年以來(lái)，共經(jīng)歷了3個(gè)地震活躍期與相應(yīng)的平靜期：第一活躍期自1517～1606年，活動(dòng)時(shí)間為90 a，共記載有M≥5.0級(jí)地震4次，最強(qiáng)地震為1588年建水曲溪M≥7.0級(jí)地震;第一平靜期自1607～1721年，115 a間無(wú)1次破壞性地震記載;第二活躍期自1722～1814年，活動(dòng)時(shí)段為93 a，共記載有M≥5.0級(jí)地震2次，最強(qiáng)地震為1763年江川-通海間6.5級(jí)地震;第二平靜期自1815～1886年，72 a間無(wú)1次破壞性地震記錄;第三活躍期1887～1976年，活動(dòng)時(shí)段為90 a，共發(fā)生2次7.0級(jí)以上強(qiáng)震，最大為通海7.8級(jí)地震。以上事實(shí)表明：曲江斷裂的活躍期時(shí)段為90 a左右，有2個(gè)活躍期內(nèi)發(fā)生7.0級(jí)以上地震，一個(gè)活躍期內(nèi)發(fā)生6.5級(jí)地震，最近的一個(gè)活躍期的地震活動(dòng)水平遠(yuǎn)高于前2個(gè)地震活躍期，由此推測(cè)，曲江斷裂應(yīng)處于地震活動(dòng)相對(duì)平靜的時(shí)段。

從上述2種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果可知：曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)發(fā)生8.0級(jí)和7.5級(jí)地震的可能性很小，發(fā)生7.0級(jí)地震的可能性較大。因此，從斷裂發(fā)震的震級(jí)概率分析，曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級(jí)為7.0級(jí)，可按7.0級(jí)地震對(duì)曲江倒虹吸進(jìn)行抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)計(jì)算。

4.3 百年最大突發(fā)地震地表位移量預(yù)測(cè)

曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震震級(jí)為7.0級(jí)。由式（2）計(jì)算求解曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大水平位移量為1.02 m。

最大垂直位錯(cuò)量可由斷裂擦線側(cè)伏角計(jì)算。根據(jù)曲江斷裂與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力方位關(guān)系分析和實(shí)際調(diào)查資料，斷裂以水平位移為主，垂直位移分量較小，斷裂擦線側(cè)伏角多在20°左右，垂直位移按20°側(cè)伏角進(jìn)行計(jì)算，最大垂直位移量為0.19 m。

最大水平位移與最大垂直位移之比為5.4∶1.0，與1970年通海7.8級(jí)地震的同震位移比值相近。

4.4 最大突發(fā)地震地表變形帶寬度預(yù)測(cè)

從表1的地震地表破裂帶的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料來(lái)看：7.0級(jí)以上強(qiáng)震的地表破裂帶一般為幾米到幾十米，最大寬度可達(dá)300～500 m，表明地震地表變形帶寬度有限。對(duì)于工程設(shè)防而言，應(yīng)考慮斷裂帶往往由多個(gè)分支斷裂組成，且地震破裂及其影響帶（含重力影響）應(yīng)相對(duì)較大一些。曲江斷裂的震級(jí)上限為8.0級(jí)，未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震震級(jí)為7.0級(jí)，參照表1中歷史強(qiáng)震資料，可將曲江斷裂地震破裂影響帶寬度定為300 m。

5 斷裂百年蠕滑位移量預(yù)測(cè)

中國(guó)地震局地質(zhì)研究所向宏發(fā)等[34]對(duì)滇西北地區(qū)的活動(dòng)斷裂的黏滑與蠕滑運(yùn)動(dòng)做了深入的研究和討論，得出滇西多數(shù)活動(dòng)斷層蠕滑量約占位錯(cuò)總量的2/3～1/3的初步認(rèn)識(shí)。據(jù)此類(lèi)比，對(duì)于以黏滑為主的斷裂百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/3～1/2取值，對(duì)以蠕滑為主的斷裂百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/2～2/3取值。曲江斷裂為黏滑型活動(dòng)斷裂，百年蠕滑位移設(shè)防建議值按占位移總量的1/3～1/2取值，即百年蠕滑水平位移量和垂直位移量分別為0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。

6 抗錯(cuò)斷設(shè)防參數(shù)確定

曲江倒虹吸為1級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)使用年限為100 a，應(yīng)按100 a進(jìn)行抗錯(cuò)斷設(shè)防，設(shè)防參數(shù)建議值詳見(jiàn)表3。

7 結(jié) 論

（1） 曲江斷裂是一條全新世右旋走滑活動(dòng)斷裂，斷裂全新活動(dòng)分級(jí)為強(qiáng)烈，震級(jí)上限為8.0級(jí)，未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震的震級(jí)為7.0級(jí)。

（2） 曲江斷裂未來(lái)百年內(nèi)最大突發(fā)地震地表水平位移量和垂直位移量分別為1.02 m和0.19 m，變形帶寬度為300 m，未來(lái)百年內(nèi)蠕滑水平位移和垂直位移分別為0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。

（3） 鑒于曲江倒虹吸跨越的曲江斷裂規(guī)模大，次級(jí)斷面多，地面調(diào)查很難查清跨越部位斷裂地質(zhì)學(xué)特征，對(duì)該活動(dòng)斷裂研究應(yīng)采用動(dòng)態(tài)跟蹤的方法，貫穿設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程，特別是在管槽開(kāi)挖揭示出斷裂帶后進(jìn)行詳實(shí)的定量分析研究，從而確定抗錯(cuò)斷的具體位置，并采取動(dòng)態(tài)評(píng)估。

（4） 活動(dòng)斷裂的變形、突發(fā)地震等都難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，且破壞性極強(qiáng)。針對(duì)曲江倒虹吸建立安全預(yù)警系統(tǒng)十分必要，以便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和發(fā)出預(yù)警，及時(shí)采取相應(yīng)措施排除險(xiǎn)情，保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家能源局.水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性勘察規(guī)程：NB/T35098-2017[S].北京：中國(guó)電力出版社，2018.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范（2009版）：GB50021-2001[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 趙穎，趙亞哥白，離恩棟，等.通過(guò)活斷層區(qū)地鐵隧道損傷分析[J].建筑科技學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，32（6）：82-91.

[4] 黃鑫.新疆地區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育特征及其對(duì)公路工程的危害[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[5] 周瑞琪，皇甫崗，韓源.曲江斷裂斷面結(jié)構(gòu)及地震地質(zhì)意義[J].地震研究，1995，18 （1）：68-74.

[6] 荊振杰，劉鳳香，張井飛，等.曲江斷裂南東段全新世滑動(dòng)速率[J].世界地質(zhì)，2016，35（3）：778-784.

[7] 俞維賢，王彬，劉玉權(quán)，等.曲江斷裂及其周邊地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直形變特征[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2004，24（1）：85-89.

[8] 徐錫偉，聞學(xué)澤，鄭榮章，等.川滇地區(qū)活動(dòng)塊體最新構(gòu)造變動(dòng)樣式及其動(dòng)力來(lái)源[J].中國(guó)科學(xué)，2003（33）：151-162.

[9] 王洋，張波，侯建軍，等.曲江斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)特征及滑動(dòng)速率分析[J].地震地質(zhì)，2015，37（4）：1177-1192.

[10] 韓慕康，柴天俊，李兆祥.云南通海震區(qū)的構(gòu)造地貌特征[J].地理學(xué)報(bào)，1983，38（1）：41-54.

[11] 國(guó)家地震局地震測(cè)量隊(duì).1970年云南省通海地震的地形變形特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，1975，18（4）：240-245.

[12] 張四昌，劉百箎.1970年通海地震的震地質(zhì)特征[J].地質(zhì)科技，1978（4）：323-335.

[13] 張俊昌.曲江斷裂的新活動(dòng)與通海地震[J].地震研究，1979（1）：38-43.

[14] 張淑蓉.1970年1月5日通海地震序列特征[J].地震研究，1980（2）：11-18.

[15] 楊主恩，胡碧茹，楊繼武.紅河和曲江斷裂帶斷層泥的特征及其地震地質(zhì)意義[J].地震地質(zhì)，1985，7（1）：25-32.

[16] 侯康明.1927年古浪8級(jí)大震地表破裂特征及形成機(jī)制[J].地震地質(zhì)，1998，20（1）：19-26.

[17] 柏美祥，向志勇，羅福忠，等.富蘊(yùn)地震斷裂帶的若干定量特征[J].內(nèi)陸地震，2000，14（2）：116-127.

[18] 韓同林.西藏當(dāng)雄-崩錯(cuò)一帶1951-1952年地震形變帶的初步考察[J].地震地質(zhì)，1983，5（4）：1-11.

[19] 陳睿，李坪.小江西支斷裂的滑動(dòng)速率與強(qiáng)震重復(fù)周期[J].地震地質(zhì)，1988，10（2）：1-13.

[20] 張四昌，王紹晉，刁桂苓，等.1974年永善-大關(guān)地震序列的破裂特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，1994，37（增1）：170-176.

[21] 秦保燕，榮代潞，李啟成.龍陵大震震型及有關(guān)問(wèn)題討論[J].西北地震學(xué)報(bào)，1993，15（4）：23-29.

[22] 李丹寧，徐彥.反投影遠(yuǎn)震P波記錄法在1996年麗江7.0級(jí)地震破裂過(guò)程中的運(yùn)用[J].地震研究，2012，35（2）：177-183.

[23] 錢(qián)洪，唐榮昌，張成貴，等.道孚地震地裂縫特征與震區(qū)的斷層運(yùn)動(dòng)[J].地震研究，1984，7（1）：53-60.

[24] 唐榮昌，文德華，鄧天崗，等.1973年?duì)t霍7.9級(jí)地震的地裂縫特征及地震成因的初步探討[J].地球物理學(xué)報(bào)，1976，19（1）：18-27.

[25] 安艷芬.鮮水河斷裂帶地震破裂段落的邊界特征研究[D].北京：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，2010.

[26] 趙穎.通過(guò)活斷層區(qū)地鐵隧道地震反應(yīng)分析[D].哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2014.

[27] 孫鑫喆，徐錫偉，陳立春，等.2010年玉樹(shù)地震地表破裂帶典型破裂樣式及其構(gòu)造意義[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（1）：155-170.

[28] 徐錫偉，陳文彬，于貴華，等.2001年11月14日昆侖山庫(kù)賽湖地震（MS8.1） 地表破裂帶的基本特征[J].地震地質(zhì)，2002，24（1）：1-13.

[29] 傅征祥，劉桂萍，陳棋福.青藏高原北緣海原-古浪-昌馬大地震間相互作用的動(dòng)力學(xué)分析[J].地震地質(zhì)，2001，23（1）：35-42.

[30] 戴華光.1947年青海達(dá)日7 3/4級(jí)地震[J].西北地震學(xué)報(bào)，1983，5（3）：71-77.

[31] 黃靜宜.強(qiáng)震地表破裂評(píng)估方法研究[D].哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2016.

[32] 聞學(xué)澤，賈晉康.寶雞-彭縣、天水-寶輪地區(qū)全新世斷裂最大發(fā)震能力與未來(lái)百年最大位移量評(píng)估[J].四川地震，1996（1）：31-45.

[33] 郭書(shū)太，劉振謙，高劍鋒，等.蘭州-成都輸油管道沿線斷裂的活動(dòng)特性[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002，10（增）：62-71.

[34] 向宏發(fā)，虢順民，張晚霞，等.中國(guó)大陸區(qū)一些主要活動(dòng)斷裂滑移方式的地質(zhì)位錯(cuò)與地震位錯(cuò)對(duì)比研究[J].中國(guó)地震，1995，11（3）：195-203.

（編輯：劉 媛）