尾礦庫工程場地的地震安全性評價

郝

（1.遼寧大學環(huán)境學院，遼寧沈陽110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽110013）

尾礦庫作為礦山的三大控制性工程之一，以往設計壩高一般在60 m以下，服務年限較短，無需進行場地的地震安全性評價。但隨著老尾礦庫陸續(xù)達到庫容標準，加高擴容項目越來越多，許多尾礦庫加高后成為一、二等大型高壩尾礦庫，屬于可能引發(fā)嚴重地質(zhì)災害的重大工程。根據(jù)《工程場地地震安全性評價》［1］的要求，應進行地震安全性評價，確定抗震設防要求。

據(jù)此，以某大型尾礦庫加高擴容項目為例，開展工程場地的地震安全性評價，為抗震設計提供可靠依據(jù)，建立的分析方法也為類似尾礦庫提供借鑒和參考。

該尾礦庫位于山東省招遠市，場地屬低山丘陵地貌單元，基巖為花崗巖。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》［2］，場地的地震動峰值加速度0.10g、反應譜特征周期0.45 s。初期壩由碎石堆積而成，外坡比約為1∶1.8；尾礦堆積壩坡比1∶4.0，壩面設縱、橫向排水溝及橫向排滲管。尾礦在壩前均勻堆放，以增強壩體穩(wěn)定性?，F(xiàn)狀尾礦壩頂面長約650 m、總壩高77.82 m；加高后頂面長約1 100 m、總壩高137.82 m，總庫容約5 136萬m3，屬二等庫，基本結(jié)構(gòu)周期0.9～1.8 s。

1 區(qū)域地震及斷裂活動性評價

1.1 區(qū)域地震活動性

尾礦庫場地處于華北斷塊區(qū)東部。對場地地震危險性有影響的主要活動斷裂帶有NNE向郯廬斷裂帶、NW向渤?！嗔褞?、南黃海內(nèi)多條NE向斷裂以及魯東斷塊內(nèi)的斷裂構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)共記錄M≥4.7級地震41次，地震活動受NNE向郯廬斷裂帶和幾條NW向活動斷裂帶的控制，歷史上在斷裂交匯部位及其附近曾發(fā)生多次強震。據(jù)統(tǒng)計，郯廬地震帶內(nèi)發(fā)生8.5級地震1次，7～7.9級地震6次，6～6.9級地震13次，其中1668年郯城8.5級地震是中國東部最大一次地震。地震帶內(nèi)的微震活動也較活躍，1970年以來M≤3.0級地震也顯示沿郯廬斷裂帶密集分布。

從統(tǒng)計結(jié)果看，區(qū)域現(xiàn)代地震平均震源深度約為15 km，優(yōu)勢深度范圍分布在6～30km內(nèi)，震源深度30 km以內(nèi)的約占96.75%，均為淺源地震。構(gòu)造應力場主壓應力為NEE向，在70°～80°；主拉應力為NNW向，在340°～350°；力的作用方向近水平，仰角低于30°。

1.2 工程場地斷裂活動性

工程場地所遭受過的最大影響烈度為Ⅶ度（1668年郯城地震），其他地震的影響烈度小于等于Ⅵ度。郯廬斷裂帶控制著7級及以上地震的發(fā)生，其他斷裂帶具有中強地震的可能，場地的地震危險主要來自于郯廬斷裂帶的中、強地震活動，區(qū)域未來100 a地震活動處于活躍期的水平，存在7級左右地震的可能。

查閱工程場地附近1∶50 000地質(zhì)圖，破頭青斷裂在工程場地北部通過，該斷裂為前第四紀斷裂，距工程場地最近約1.6 km。根據(jù)《山東省地震構(gòu)造圖、山東省新構(gòu)造圖及說明書》［3］和《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》［4］的有關(guān)規(guī)定，分析該斷裂不會對工程場地穩(wěn)定性造成影響。

2 場地地震動參數(shù)確定

2.1 地震帶活動性參數(shù)確定

2.1.1 震級上限Muz和起算震級M0的確定

Muz有2條確定原則［5］：① 歷史資料足夠長時，可采用區(qū)域內(nèi)發(fā)生過的最大地震強度；②若屬于同一個大地震活動區(qū)，則采用構(gòu)造類比外推。據(jù)此，依據(jù)地震帶震級上限Muz等于帶內(nèi)各潛在震源區(qū)的震級上限（Mu）最大值，即Muz=（Mu）max，得到郯廬地震帶Muz=8.5。

M0與震源深度、類型和應力環(huán)境等有關(guān)。本區(qū)范圍內(nèi)地震屬淺源地震，一些4級地震也會產(chǎn)生一定程度的破壞，因此將起算震級M0定為4.0級。地震帶參數(shù)中震源深度取為15 km。

2.1.2 地震帶b值和v4的確定

采用《全國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》［2］中確定各地震帶b值和v4的方法?？紤]郯廬地震帶1500年后M≥5.0級的地震記錄才基本完整，1970年后的4級以上地震記錄較全，1477年和1829年是2個地震活動相對密集期的開始，對b值和v4進行調(diào)整，方法為：①4級以上地震年發(fā)生率應大致相當1970年以來地震活動水平；②5級以上地震年發(fā)生率應不低估1477年、1829年以來地震活動水平；③較大震級發(fā)生率應重點考慮1500年以來地震活動情況。經(jīng)調(diào)整，確定郯廬地震區(qū)地震活動性參數(shù)為b=0.85，v4=4.0。圖1為累計地震年平均發(fā)生率—震級關(guān)系擬合曲線。

2.2 潛在震源區(qū)活動性參數(shù)確定

將地震帶的Mj分成7個震級檔：4.0～4.9、5.0～5.4、5.5～5.9、6.0～6.4、6.5～6.9、7.0～7.4、≥7.5 。6.0級以下潛在震源區(qū)，主要考慮小震空間分布密度，據(jù)地震實際平均發(fā)生率對不同活動水平地區(qū)作不等權(quán)分配；6.5級以上潛在震源區(qū)，主要考慮：①以往區(qū)劃工作結(jié)果，②大陸長期地震活動的構(gòu)造背景，③具備發(fā)生7級以上地震的構(gòu)造上空段，④潛在震源區(qū)可靠程度。

我國大陸地震發(fā)生通常與一組共軛斷裂相關(guān)［6］，且烈度等震線多呈橢圓形，其長軸沿其中一個主破裂方向展布，地震烈度在長軸和短軸方向衰減特征不同。主破裂方向（衰減長軸方向）的概率分布可根據(jù)對區(qū)域地震構(gòu)造和歷史地震的統(tǒng)計分析得到。本區(qū)域內(nèi)斷裂活動以走滑為主，各潛在震源區(qū)長軸大多與各潛在震源區(qū)構(gòu)造走向一致。對具有共軛斷層的潛在震源區(qū)，依照2個方向發(fā)生可能性的大小，給予不同概率值。據(jù)此，建立場地主要潛在震源區(qū)的主破裂方向與空間分布函數(shù)見表1，其中θ是指破裂的構(gòu)造走向與正東方向間的夾角，P表示概率。

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2.3 地震動衰減關(guān)系確定

在此，采用俞言祥等建立的中國東部地區(qū)水平向基巖加速度反應譜衰減關(guān)系［7］，基巖地震動水平向加速度峰值和反應譜衰減關(guān)系為

本衰減關(guān)系曾在多個華北地區(qū)的場地地震安全性評價及地震小區(qū)劃工作中得到應用，實踐證明該衰減關(guān)系是適合本地區(qū)的。衰減關(guān)系周期取到6 s，可滿足本次評價的需求。

3 地震危險性概率分析

式中，A為加速度峰值或反應譜值；M為震級；R為震中距；c1～c6為回歸系數(shù)。

計算潛在震源區(qū)對場地的基巖地震加速度峰值貢獻概率，結(jié)果見表2。

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可見，對場地影響較大的為154、134、147、103號潛源，受近場中強震、遠場大震影響?？紤]工程場地50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%，計算對應的基巖地震加速度峰值Amax分別為101.4、132.6、224.6、272.6 cm/s2和反應譜（阻尼比為5%）。圖2為場地基巖地震加速度峰值危險性曲線，圖3為基巖地震加速度反應譜。

4 設計地震動參數(shù)確定

4.1 設計地震反應譜形式

參考《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》［4］、《構(gòu)筑物抗震設計規(guī)范》［8］及重要工程反應譜確定原則，工程場地設計地震動反應譜取如下形式：

式中，Sa（T）為周期T時的反應譜值，cm/s2；T為反應譜周期，s；T0、Tg為反應譜拐點周期，s；Amax為地震動峰值加速度，cm/s2；βm為放大倍數(shù)譜最大值；C為衰減系數(shù)。

4.2 場地地震反應計算與設計地震動參數(shù)

依據(jù)式（2），將土層加速度反應譜進行相應的數(shù)值擬合，初步確定其T0、Tg、βm和C值，得到設計地震加速度反應譜。本工程場地的覆蓋層很薄，可據(jù)場地基巖地震動反應譜直接確定出設計反應譜［9］。參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》［2］中有關(guān)設計反應譜參數(shù)的取值原則：采用計算和平臺值除以2.5的值進行比較后再確定最終的地震動參數(shù)方法，并考慮安全性與經(jīng)濟性雙重因素，對部分放大倍數(shù)和衰減系數(shù)等設計參數(shù)稍作修正。

圖4中的淡色折線即為最終得到的設計反應譜，地表設計地震動參數(shù)見表3。

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4.3 場地地表設計地震動時程的確定

4.3.1 地震動參數(shù)持續(xù)時間及衰減系數(shù)確定

根據(jù)表3確定地震動持續(xù)時間及衰減系數(shù)，見表4。

4.3.2 地震動時程曲線確定

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根據(jù)圖4的場地50 a和100 a不同超越概率地震加速度反應譜、表3的設計地震動參數(shù)及表4的地震動持續(xù)時間及衰減系數(shù)，以阻尼比5%分別合成工程場地50 a超越概率10%、5%，100 a超越概率2%、1%的設計地表地震動時程如圖5。

5 結(jié) 論

針對某大型尾礦庫加高擴容工程開展場地的地震安全性評價，主要結(jié)論如下：

（1）工程場地處于華北斷塊區(qū)的膠遼斷塊內(nèi)，地震活動主要受北北東向郯廬斷裂帶和幾條北西向活動斷裂帶的控制，活動斷裂交匯處是地震多發(fā)處；破頭青斷裂在工程場地北部通過，距場地最近約1.6 km，不會對場地穩(wěn)定性造成影響。

（2）震級上限Mu取值為8.5；地震帶的起算震級M0定為4.0級。地震帶參數(shù)中震源深度取為15 km；地震帶b值定為0.85，v4定為4.0；確定了潛在震源區(qū)的主破裂方向與空間分布函數(shù)（表1），給出基巖地震動水平峰值加速度和反應譜衰減關(guān)系。

（3）確定了潛在震源區(qū)對場地基巖地震加速度峰值的貢獻概率，得到了50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%時的基巖地震動峰值加速度（表3）；建立了50 a和100 a各超越概率的場地地表地震加速度反應譜及設計譜圖4，確定了場地設計地震動反應譜方程式。

（4）經(jīng)擬合基巖譜，得到工程場地阻尼比為5%的50 a超越概率10%和5%、100 a超越概率2%和1%時場地的設計地震動參數(shù)，合成了相應的設計地表地震動時程曲線。

（5）提供的地震動參數(shù)和時程曲線是針對大壩底部地面位置，由于鞭梢效應存在，地震動參數(shù)會受到地形影響而有所變化，因此壩肩處（兩邊山體）的地震動參數(shù)需參考相關(guān)規(guī)范進行系數(shù)調(diào)整。