溪洛渡拱壩設定地震相關反應

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引言:我國高壩工程多位于地震烈度高的西南地區，抗震安全問題是影響大壩安全的關鍵問題之一[1]。高壩地震安全性評價包含確定場址地震動參數，地震動輸入時程合成[2-4]，建立高壩動力分析模型[5-7]和采用合理評價準則評估地震安全性[8-11]等方面。目前抗震研究多關注地震動輸入對高壩結構的影響[12,13]，并且已經開始關注地震物理背景，如震源、傳播路徑和局部場地條件地震動的影響[14-19]，但對工程抗震地震動參數的研究還比較薄弱[20,21]。設計反應譜是最為重要的地震動參數指標。由于概率性地震危險性分析（PSHA）方法給出的一致概率反應譜的峰值區過寬特征譜值過大，因此難以應用于高壩抗震工程實踐。為了得到與工程設防等級相匹配并考慮工程場地條件的反應譜用于抗震設計，有學者提出了設定地震的概念[22-24]。2015年國家能源局發布了《水電工程水工建筑物抗震規范NB35047-2015》（簡稱新抗震規范），要求“抗震設防類別為甲類的工程，其設計反應譜應采用場地相關設計反應譜”[25]。研究人員基于新抗震規范開展了高壩水電站地震動輸入研究，張翠然等[26]提出了確定設定地震及場地相關反應譜的方法；賀春暉,席航[27]系統論述了水電工程動力分析模型的地震動輸入方法；李紅軍等[28]以長河壩高心墻堆石壩為例，分析了根據設定地震得到的地震動參數對應的高土石壩的動力響應結果，并與一致概率反應譜結果進行了對比；周華等[29]開展了烏東德水電站設定地震及場地相關設計反應譜的研究。溪洛渡水電樞紐是國家“西電東送”骨干工程，主體工程已于2015年完建，順利實現蓄水到600m正常蓄水位的目標。溪洛渡水電站壩高達到300米級（285.5m）、庫容巨大（126.7億m3），設計地震烈度高達9度[30]。2008年5.12汶川地震以后，溪洛渡壩址地震設防峰值加速度提高，設計地震（對應超越概率2%100年）的峰值加速度為0.355g；校核地震（對應超越概率為100年1%）的峰值加速度0.423g。為進一步開展基于真實動力工作性態的溪洛渡拱壩抗震研究，復核大壩的抗震安全性，本文根據新抗震規范要求對溪洛渡水電站設定地震進行研究，并據此生成相應反應譜用于抗震設計，為同類工程抗震安全評價提供借鑒參考。

1設定地震及場地相關反應譜計算方法

根據抗震規范中要求，設定地震及場地相關設計反應譜的確定原則以及計算流程如圖1所示，并闡述如下1.1設定地震確定原則與計算步驟水工建筑物抗震設計的設定地震是指基于工程場地地震安全性評價結果，在對場址地震危險性貢獻最大的潛在震源中，發生概率最大的震級和震中距對應的地震[31]。其確定原則與計算步驟主要包括以下三方面[26]。

（1）設定地震的場址地震動峰值加速度。將工程場地地震安全評價結果給出的對應于地震設防水平的峰值加速度值（未經不確定性校正），作為設定地震在場址產生的地震動峰值加速度。不確定性校正是指在確定場址地震動參數時，考慮地震動衰減關系的不確定性。

（2）設定地震的發生區域。由于重大工程的設計地震動都是小概率事件，因此將對給定工程場地地震危險性貢獻最大的潛源確定為設定地震的發震區域。因此，新抗震規范中的設定地震發生在選定潛源范圍內。

（3）設定地震的震級與震中距。在選定潛源范圍和發生地震的可能震級范圍內，根據給定的地震動衰減關系，可能得到多個滿足前提條件的情景地震，這些情景地震的震級和震中距各不相同，并且它們對應的發生概率也不同。這里采用概率最大原則，選擇發生概率最大的地震作為設定地震。在選定的潛在震源中發生大于給定峰值加速度的地震的概率根據發震震級的概率分布及其在該潛源中的空間概率分布確定。首先，根據地震統計區內地震活動的截斷Gutenberg-Richter震級分布規律，得到任一震級檔的震級概率分布。其次，由地震活動性在不同潛源間不均勻分布，而在潛源內地震活動均勻分布的假定，確定潛源中某一震級檔的空間概率分布。最后將這兩種概率相乘得到潛源內發生該震級檔的地震在場點產生大于給定峰值加速度的地震動的概率。需要說明的是，采用經驗地震動衰減關系確定場點地震動參數時，對于給定地震震級M和地震動參數a，根據選定的地震動衰減關系，可以得到與地震動參數a對應的橢圓，如圖2(a)所示。此時，如果考慮地震動不確定性，則場點地震動參數（對數形式）服從均值為A，標準差為δ的正態分布，其大于給定地震動參數a的概率為正態分布中大于該值的累計面積。如圖2(b)所示，當場點R1位于橢圓內時，則場點地震動參數大于給定地震動參數a的概率為P1。而當場點R2位于橢圓外時該概率為P2；如果不考慮地震動不確定性，場點地震動參數如圖2(c)所示，當場點位于橢圓內時場點地震動參數大于給定地震動參數a的概率為1，而當場點位于橢圓外時該概率為0。在計算設定地震的概率時采用圖2(c)中的方法得到場點地震動參數大于等于給定地震動參數的概率。

1.2反應譜計算

設定地震放大系數譜選擇美國下一代衰減關系(NGA)中的AS08衰減關系確定[32]。AS08衰減關系包括震源參數（震級MW、斷層破裂面寬度W、斷層傾角δ、斷層類型SOF、斷層破裂距地表面深度ZTOR），傳播路徑參數（斷層到場點距離，上盤效應修正項FHW），場地條件參數（地表30米平均剪切波速VS30、波速為1.0km/s的深度Z1.0）等多個參數。其中，斷層到場點距離（fault-to-sitedistances）指的是斷層到場點的三維空間距離，如斷層投影距（RJB）、斷層破裂面到場點的距離（RRUP）、斷層地表線到場點的垂直距離（RX）等3種距離，如圖3所示。為了使用AS08衰減關系，需要根據設定地震的震級和震中距建立三維虛擬斷面，得到上述各個參數。本文根據張效亮等[33]的成果，建立虛擬三維有限斷層破裂面，進而得到了虛擬三維有限斷層破裂面參數，直接用于AS08地震動反應譜衰減關系計算。

2基本計算資料

2.1潛在震源區劃分

《金沙江溪洛渡水電站工程場地地震安全性評價》（以下簡稱地震安評報告）工作潛在震源區劃分，是在《中國地震動參數區劃圖GB18306-2001》的基礎上，結合溪洛渡區域斷層構造和近場區地震地質調查的成果，并參考新一代區劃圖的最新研究成果，對部分潛在震源區作了適當修改和補充。工作區內劃分的潛在震源區如圖4所示，設定地震的發震構造如圖5所示。對溪洛渡水電站壩址工程場地地震危險性貢獻較大的潛在震源區是永善7.5級和馬邊7.0級潛在震源。根據地震安評報告，50年超越概率10%時，馬邊潛源對概率水準的貢獻為7%，永善潛源的貢獻為93%；在100年超越概率2%，馬邊潛源對概率水準的貢獻為0%，永善潛源的貢獻為100%。因此對溪洛渡水電站壩址工程場地地震危險性貢獻潛在震源區主要是永善7.5級潛在震源，反映了該潛在震源斷裂的地震活動對工程場地地震危險性影響占據主導地位。根據地震安評報告成果，溪洛渡場址地震動峰值加速度超越概率小于等于100年2%時，永善潛源對該峰值加速度的貢獻為100%，也就是說對于新抗震規范要求的100年2%和100年1%超越概率，其它潛源對場址的地震動峰值加速度沒有貢獻，不需要考慮。因此，本文中將設定地震的可能發生區域限定為永善潛源。

2.2地震活動性參數

根據地震安評報告，工作區域內主要涉及青藏高原地震區的鮮水河—滇東地震帶、華南地震區的長江中游地震帶和龍門山地震帶。長江中游地震統計區震級上限為7.0，對本場址地震危險性貢獻很小，鮮水河地震統計區和龍門山地震統計區的震級上限都是Muz＝8.0，而起算震級M0取4級。溪洛渡壩區所處的區域地震帶（即地震統計區）為鮮水河—滇東地震帶。地震安評報告給出的鮮水河—滇東地震統計區的b值為0.85，4.0級以上地震的年平均發生率V4為32。

2.3地震動衰減關系系數

溪洛渡地震安評報告地震動衰減關系采用了考慮長、短軸的橢圓衰減模型[35]logY＝C1＋C2M＋C3M2＋C4log（R＋C5exp(