溪洛渡拱坝设定地震相关反应

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引言:我国高坝工程多位于地震烈度高的西南地区，抗震安全问题是影响大坝安全的关键问题之一[1]。高坝地震安全性评价包含确定场址地震动参数，地震动输入时程合成[2-4]，建立高坝动力分析模型[5-7]和采用合理评价准则评估地震安全性[8-11]等方面。目前抗震研究多关注地震动输入对高坝结构的影响[12,13]，并且已经开始关注地震物理背景，如震源、传播路径和局部场地条件地震动的影响[14-19]，但对工程抗震地震动参数的研究还比较薄弱[20,21]。设计反应谱是最为重要的地震动参数指标。由于概率性地震危险性分析（PSHA）方法给出的一致概率反应谱的峰值区过宽特征谱值过大，因此难以应用于高坝抗震工程实践。为了得到与工程设防等级相匹配并考虑工程场地条件的反应谱用于抗震设计，有学者提出了设定地震的概念[22-24]。2015年国家能源局发布了《水电工程水工建筑物抗震规范NB35047-2015》（简称新抗震规范），要求“抗震设防类别为甲类的工程，其设计反应谱应采用场地相关设计反应谱”[25]。研究人员基于新抗震规范开展了高坝水电站地震动输入研究，张翠然等[26]提出了确定设定地震及场地相关反应谱的方法；贺春晖,席航[27]系统论述了水电工程动力分析模型的地震动输入方法；李红军等[28]以长河坝高心墙堆石坝为例，分析了根据设定地震得到的地震动参数对应的高土石坝的动力响应结果，并与一致概率反应谱结果进行了对比；周华等[29]开展了乌东德水电站设定地震及场地相关设计反应谱的研究。溪洛渡水电枢纽是国家“西电东送”骨干工程，主体工程已于2015年完建，顺利实现蓄水到600m正常蓄水位的目标。溪洛渡水电站坝高达到300米级（285.5m）、库容巨大（126.7亿m3），设计地震烈度高达9度[30]。2008年5.12汶川地震以后，溪洛渡坝址地震设防峰值加速度提高，设计地震（对应超越概率2%100年）的峰值加速度为0.355g；校核地震（对应超越概率为100年1%）的峰值加速度0.423g。为进一步开展基于真实动力工作性态的溪洛渡拱坝抗震研究，复核大坝的抗震安全性，本文根据新抗震规范要求对溪洛渡水电站设定地震进行研究，并据此生成相应反应谱用于抗震设计，为同类工程抗震安全评价提供借鉴参考。

1设定地震及场地相关反应谱计算方法

根据抗震规范中要求，设定地震及场地相关设计反应谱的确定原则以及计算流程如图1所示，并阐述如下1.1设定地震确定原则与计算步骤水工建筑物抗震设计的设定地震是指基于工程场地地震安全性评价结果，在对场址地震危险性贡献最大的潜在震源中，发生概率最大的震级和震中距对应的地震[31]。其确定原则与计算步骤主要包括以下三方面[26]。

（1）设定地震的场址地震动峰值加速度。将工程场地地震安全评价结果给出的对应于地震设防水平的峰值加速度值（未经不确定性校正），作为设定地震在场址产生的地震动峰值加速度。不确定性校正是指在确定场址地震动参数时，考虑地震动衰减关系的不确定性。

（2）设定地震的发生区域。由于重大工程的设计地震动都是小概率事件，因此将对给定工程场地地震危险性贡献最大的潜源确定为设定地震的发震区域。因此，新抗震规范中的设定地震发生在选定潜源范围内。

（3）设定地震的震级与震中距。在选定潜源范围和发生地震的可能震级范围内，根据给定的地震动衰减关系，可能得到多个满足前提条件的情景地震，这些情景地震的震级和震中距各不相同，并且它们对应的发生概率也不同。这里采用概率最大原则，选择发生概率最大的地震作为设定地震。在选定的潜在震源中发生大于给定峰值加速度的地震的概率根据发震震级的概率分布及其在该潜源中的空间概率分布确定。首先，根据地震统计区内地震活动的截断Gutenberg-Richter震级分布规律，得到任一震级档的震级概率分布。其次，由地震活动性在不同潜源间不均匀分布，而在潜源内地震活动均匀分布的假定，确定潜源中某一震级档的空间概率分布。最后将这两种概率相乘得到潜源内发生该震级档的地震在场点产生大于给定峰值加速度的地震动的概率。需要说明的是，采用经验地震动衰减关系确定场点地震动参数时，对于给定地震震级M和地震动参数a，根据选定的地震动衰减关系，可以得到与地震动参数a对应的椭圆，如图2(a)所示。此时，如果考虑地震动不确定性，则场点地震动参数（对数形式）服从均值为A，标准差为δ的正态分布，其大于给定地震动参数a的概率为正态分布中大于该值的累计面积。如图2(b)所示，当场点R1位于椭圆内时，则场点地震动参数大于给定地震动参数a的概率为P1。而当场点R2位于椭圆外时该概率为P2；如果不考虑地震动不确定性，场点地震动参数如图2(c)所示，当场点位于椭圆内时场点地震动参数大于给定地震动参数a的概率为1，而当场点位于椭圆外时该概率为0。在计算设定地震的概率时采用图2(c)中的方法得到场点地震动参数大于等于给定地震动参数的概率。

1.2反应谱计算

设定地震放大系数谱选择美国下一代衰减关系(NGA)中的AS08衰减关系确定[32]。AS08衰减关系包括震源参数（震级MW、断层破裂面宽度W、断层倾角δ、断层类型SOF、断层破裂距地表面深度ZTOR），传播路径参数（断层到场点距离，上盘效应修正项FHW），场地条件参数（地表30米平均剪切波速VS30、波速为1.0km/s的深度Z1.0）等多个参数。其中，断层到场点距离（fault-to-sitedistances）指的是断层到场点的三维空间距离，如断层投影距（RJB）、断层破裂面到场点的距离（RRUP）、断层地表线到场点的垂直距离（RX）等3种距离，如图3所示。为了使用AS08衰减关系，需要根据设定地震的震级和震中距建立三维虚拟断面，得到上述各个参数。本文根据张效亮等[33]的成果，建立虚拟三维有限断层破裂面，进而得到了虚拟三维有限断层破裂面参数，直接用于AS08地震动反应谱衰减关系计算。

2基本计算资料

2.1潜在震源区划分

《金沙江溪洛渡水电站工程场地地震安全性评价》（以下简称地震安评报告）工作潜在震源区划分，是在《中国地震动参数区划图GB18306-2001》的基础上，结合溪洛渡区域断层构造和近场区地震地质调查的成果，并参考新一代区划图的最新研究成果，对部分潜在震源区作了适当修改和补充。工作区内划分的潜在震源区如图4所示，设定地震的发震构造如图5所示。对溪洛渡水电站坝址工程场地地震危险性贡献较大的潜在震源区是永善7.5级和马边7.0级潜在震源。根据地震安评报告，50年超越概率10%时，马边潜源对概率水准的贡献为7%，永善潜源的贡献为93%；在100年超越概率2%，马边潜源对概率水准的贡献为0%，永善潜源的贡献为100%。因此对溪洛渡水电站坝址工程场地地震危险性贡献潜在震源区主要是永善7.5级潜在震源，反映了该潜在震源断裂的地震活动对工程场地地震危险性影响占据主导地位。根据地震安评报告成果，溪洛渡场址地震动峰值加速度超越概率小于等于100年2%时，永善潜源对该峰值加速度的贡献为100%，也就是说对于新抗震规范要求的100年2%和100年1%超越概率，其它潜源对场址的地震动峰值加速度没有贡献，不需要考虑。因此，本文中将设定地震的可能发生区域限定为永善潜源。

2.2地震活动性参数

根据地震安评报告，工作区域内主要涉及青藏高原地震区的鲜水河—滇东地震带、华南地震区的长江中游地震带和龙门山地震带。长江中游地震统计区震级上限为7.0，对本场址地震危险性贡献很小，鲜水河地震统计区和龙门山地震统计区的震级上限都是Muz＝8.0，而起算震级M0取4级。溪洛渡坝区所处的区域地震带（即地震统计区）为鲜水河—滇东地震带。地震安评报告给出的鲜水河—滇东地震统计区的b值为0.85，4.0级以上地震的年平均发生率V4为32。

2.3地震动衰减关系系数

溪洛渡地震安评报告地震动衰减关系采用了考虑长、短轴的椭圆衰减模型[35]logY＝C1＋C2M＋C3M2＋C4log（R＋C5exp(