由近斷層強(qiáng)震記錄得到的斷層位錯(cuò)過(guò)程對(duì)管道的影響分析

劉愛文 環(huán)文林 賀秋梅 張志中 李 琪

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

在近些年的幾次大地震中，例如，汶川地震和集集地震等，獲得了不少近斷層乃至斷層上的加速度強(qiáng)震記錄。這些近斷層加速度強(qiáng)震記錄對(duì)研究近斷層的地震動(dòng)特征（如速度脈沖、方向性效應(yīng)）、震源機(jī)制等具有重要的意義。通過(guò)對(duì)斷層附近的加速度記錄進(jìn)行2次積分，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)基線校正后得到斷層位錯(cuò)時(shí)程，發(fā)現(xiàn)其位移峰值往往大于斷層的永久位移量。而目前埋地管道在斷層位錯(cuò)下的反應(yīng)分析方法一般直接輸入的是斷層的永久位移量。為了管道地震安全，研究了斷層位錯(cuò)的時(shí)間過(guò)程可能對(duì)管道應(yīng)變反應(yīng)的影響。

首先收集整理了近斷層強(qiáng)震記錄。除了汶川地震所獲得的記錄，還收集了1992年美國(guó)Landers地震和1999年臺(tái)灣集集地震公開所發(fā)表的近斷層強(qiáng)震記錄。從這些斷層附近所獲得的加速度記錄進(jìn)行校正后積分得到位移時(shí)程，這些近斷層所記錄的位移時(shí)程可以一定程度上反映斷層的位錯(cuò)過(guò)程。

1992年的美國(guó)Landers MW7.3地震的發(fā)震斷裂屬于右旋走滑斷層。斷層引起的地表位移最大值6 m，平均值為3～4 m。在距離地表破裂約2 km處獲得了強(qiáng)震記錄。從所獲得的強(qiáng)震記錄，發(fā)現(xiàn)此次地震斷層破裂有明顯的速度脈沖現(xiàn)象。垂直于斷層的速度峰值為1.48 m/s，平行于斷層的速度峰值為1.25 m/s。斷層運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間在15 s左右。垂直于斷層方向的斷層最大位錯(cuò)值在2.5 m左右，最后的永久位移值大約0.5 m。平行于斷層方向的斷層最大位錯(cuò)值在3.1 m左右，最后的永久位移值大約2.6 m。1999年集集M7.3地震的發(fā)震斷裂屬于逆沖斷層。斷層引起的地表垂直位移最大達(dá)8 m。在此次地震中，斷層附近的多個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站和GPS臺(tái)站獲得了近斷層記錄。鑒于近斷層加速度時(shí)程積分得到速度時(shí)程和位移時(shí)程普遍存在漂移現(xiàn)象，對(duì)這些加速度近斷層加速度記錄進(jìn)行校正，并與附近的GPS臺(tái)站觀測(cè)結(jié)果比較，得到斷層位錯(cuò)量隨時(shí)間的變化情況。

近斷層強(qiáng)震記錄分析結(jié)果表明，斷層的位錯(cuò)速率與斷層的類型、發(fā)震機(jī)制等有關(guān)。地震時(shí)斷層位錯(cuò)速度的最大值在1 m/s 至3 m/s左右，從開始到最后的永久位錯(cuò)值，時(shí)間持續(xù)14 s左右。破裂開始時(shí)，斷層有一個(gè)很小的反向位錯(cuò)（不一定很明顯），接著錯(cuò)動(dòng)到一個(gè)最大值，然后從最大值又回落到一個(gè)相對(duì)固定的值，即斷層運(yùn)動(dòng)所引起的地表永久位移。

以某輸氣管道通過(guò)小江斷裂為例進(jìn)行殼有限元反應(yīng)。該管道的管徑為1.016 m、壁厚0.021 m，管材為X70-HD2，管道與斷層的交角為86°。地震安全性評(píng)價(jià)工作得到斷層的垂直錯(cuò)距0.6 m，水平錯(cuò)距3.5 m。這2個(gè)方向合成得到的總斷層錯(cuò)距Δ為3.552 m。基于上文斷層位錯(cuò)過(guò)程的分析結(jié)果，這里假定在時(shí)間3 s時(shí)斷層的反向位錯(cuò)設(shè)定為15%×Δ；在時(shí)間12 s時(shí)，斷層到達(dá)最大位錯(cuò)，設(shè)定為Δ+15%×Δ；在時(shí)間14 s，斷層位錯(cuò)回落到永久位移值Δ。

采用殼有限元模型，對(duì)該管道通過(guò)斷層進(jìn)行“動(dòng)力分析”（這里并不考慮阻尼比等動(dòng)力參數(shù)）。直接輸入斷層的永久位移進(jìn)行有限元分析（稱之為“靜力分析”），得到的最大軸向應(yīng)變?yōu)?1.2%。值得注意的是：“靜力分析”的結(jié)果并不等于“動(dòng)力分析”的最后結(jié)果，而是介于考慮了斷層位錯(cuò)過(guò)程的有限元分析位錯(cuò)最大時(shí)和永久位移的結(jié)果之間。

由于目前所獲得近斷層位移記錄還比較少，還難以統(tǒng)計(jì)出斷層位錯(cuò)時(shí)程的一般規(guī)律。直接輸入斷層的永久位移進(jìn)行管道的反應(yīng)分析，其結(jié)果的可靠度可以基本上滿足管道通過(guò)斷層的抗震設(shè)計(jì)需要。