孫　譯, 石玉成, 盧育霞1,, 馬林偉1,, 任　棟

(1.中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

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土層結(jié)構(gòu)對油氣管線工程地震動峰值加速度區(qū)劃圖的影響研究①

孫譯1,2,3, 石玉成2, 盧育霞1,2, 馬林偉1,2, 任棟2

(1.中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

摘要:油氣管線工程是生命線工程的重要組成部分，工程跨度通常超越幾十甚至幾千公里，從而導(dǎo)致橫穿地區(qū)覆蓋層中土層結(jié)構(gòu)存在明顯差異，對地震動峰值加速度(PGA)產(chǎn)生較大影響，進而影響區(qū)劃結(jié)果。本文采用分區(qū)擬合放大系數(shù)的方法，對華北平原地區(qū)某大型管線進行研究，給出研究區(qū)不同土層結(jié)構(gòu)條件下場地放大系數(shù)KS-基巖PGA擬合函數(shù)結(jié)果，得到沿線附近10 km范圍內(nèi)的PGA區(qū)劃圖結(jié)果，并與第四代和第五代中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖提出的場地系數(shù)公式的計算結(jié)果進行比較。三種計算方法的結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)50年超越概率10%條件下實際場地放大系數(shù)為1.30～1.45，50年超越概率5%條件下實際場地放大系數(shù)為1.15～1.30，均高于我國第四代和第五代區(qū)劃圖對場地系數(shù)的建議值。50年超越概率10%下的PGA區(qū)劃圖結(jié)果顯示，局部區(qū)域在第四代和第五代地震動參數(shù)區(qū)劃圖場地系數(shù)的結(jié)果中位于0.15g或0.20g區(qū)，由于KS的提高,其實際計算結(jié)果會提升為0.20g或0.25g分區(qū)，這說明場地系數(shù)對峰值加速度區(qū)劃圖結(jié)果具有較大影響。

關(guān)鍵詞:油氣管線工程； 土層結(jié)構(gòu); 場地放大系數(shù)； 地震動峰值加速度

0引言

地表處局部場地條件(如地形地貌、土層結(jié)構(gòu)、土動力學(xué)參數(shù)等)對地震峰值加速度具有較大影響[1]。大量強震觀測資料也證實了這點，如墨西哥地震中軟弱土層處記錄得到的地震動峰值是基巖處的1.5～4倍[2]。

近年來，國內(nèi)專家學(xué)者關(guān)于覆蓋層厚度和土層結(jié)構(gòu)對地震動參數(shù)影響的研究取得了豐碩的成果。薄景山等[3-4]利用我國大量工程場地鉆孔資料，分析研究了覆蓋層厚度、軟土層埋深與厚度等對場地地表加速度峰值和特征周期的影響。石玉成等[5-6]對黃土土層結(jié)構(gòu)對地震動參數(shù)的影響進行研究,指出黃土塬上較塬下反應(yīng)譜存在較大差異，峰值向長周期方向移動。李小軍等[7]對 188個場地進行統(tǒng)計分析，得出四類場地反應(yīng)譜的特性，并給出四類場地條件下的地震動峰值加速度放大系數(shù)的參考范圍。盧育霞等[8]采用橫波勘探和地脈動測試方法，將甘肅省隴南臺和岷縣臺場地獲取的測試結(jié)果與汶川地震記錄進行頻譜特征對比，得出場地波速結(jié)構(gòu)對地震動頻譜有控制作用。陳永新等[9]利用日本強震觀測網(wǎng)KiK-net中的基巖臺站和場地臺站獲取的強震記錄，通過頻譜分析，得出III類場地覆土層較基巖對地震動具有明顯影響。

油氣管線工程屬柔性結(jié)構(gòu)，具有一定的抗變形能力，使用壽命一般為30～50年。一旦遭受破壞，會對周圍地區(qū)造成嚴重的化學(xué)污染，危害人民的生命健康。地震中地表土液化導(dǎo)致的地表大變形，會對管線工程產(chǎn)生巨大的破壞作用[10]。目前為滿足管線工程抗震設(shè)計需要，我國制定了管線工程抗震設(shè)計規(guī)范——《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB 50470-2008)[11]，其適用范圍為：地震動峰值加速度≥0.05g且≤0.40g地區(qū)的陸上鋼質(zhì)油氣輸送管道線路工程的新建、擴建和改建工程的抗震勘察設(shè)計施工及驗收。規(guī)范提出管線工程采用50年超越概率5%的概率水準(zhǔn)，抗震設(shè)計要求高于一般性建筑物，需提供50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下的場地地震動參數(shù)區(qū)劃圖。

關(guān)于地形地貌對地震動的影響已有相關(guān)研究[12]，本文以華北平原地區(qū)某大型輸氣管線工程為研究對象，主要研究土層結(jié)構(gòu)對地震動的影響，研究區(qū)為Ⅲ類場地條件，覆蓋層厚，土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有明顯的橫向分段特征。本文擬利用分區(qū)擬合場地系數(shù)——基巖峰值加速度的函數(shù)關(guān)系的方法，計算場地峰值加速度區(qū)劃圖;分別采用實際擬合放大系數(shù)、第四代和第五代區(qū)劃圖提出的場地系數(shù)公式計算峰值加速度區(qū)劃圖，并對三種方法的計算結(jié)果進行比較。

1研究區(qū)背景資料

該工程為中原至開封輸氣管道工程北段,起點為榆濟管道南樂分輸站，終點為黃河北大堤，中間設(shè)濮陽分輸站，途徑4處穿越工程(圖1)。輸氣管線規(guī)格為D711，設(shè)計壓力8.0 MPa，全長92.1 km。

1.1研究區(qū)鉆孔剪切波速資料及土層結(jié)構(gòu)

鉆孔布置包括主要場點的12個主控鉆孔和沿線的9個輔助鉆孔(圖2)。6處主要場地為中開首站、濮陽分輸站、濮范高速穿越、晉中南鐵路穿越、濮臺鐵路及工業(yè)大道穿越和金堤河穿越。每處布置2個鉆孔，深度為90.0～99.0 m，并進行剪切波速測試。測試結(jié)果顯示，覆蓋層厚度為80.0～83.0 m，等效剪切波速為190.0～220.0 m/s，場地類別為Ⅲ類場地。覆蓋層內(nèi)土層主要由耕土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉細砂五類土組成。以覆蓋層土層結(jié)構(gòu)為參考標(biāo)準(zhǔn)，針對不同厚度中粉土、粉質(zhì)黏土和砂土的比重(圖3)，將研究區(qū)劃分為三個分區(qū)：第1分區(qū)為中開首站—濮范高速穿越；第2分區(qū)為濮陽分輸站—晉中南鐵路穿越；第3分區(qū)為濮臺鐵路—終點。其中，1分區(qū)覆蓋層的中層粉土、粉質(zhì)黏土和砂土比重均勻，而底層主要由粉質(zhì)黏土組成；2分區(qū)覆蓋層的上層土類成分豐富，中層由粉質(zhì)黏土組成，比重大于60%，而底層主要是粉土，比重大于80%； 3分區(qū)覆蓋層上層組成不同于1、2分區(qū)，中層和底層主要由粉土、粉質(zhì)黏土和砂土組成。

圖1　輸氣管工程平面位置圖Fig.1　Plane of the gas transmission pipeline project

圖2　研究區(qū)鉆孔布置及場地單元分區(qū)Fig.2　Boreholes layout and site division in the study area

2場地放大系數(shù)結(jié)果

2.1第四代與第五代區(qū)劃圖場地系數(shù)比較

第四代地震動參數(shù)區(qū)劃圖[13]提供了適用于一般中硬場地(Ⅱ類)條件下的基巖與地表地震動峰值加速度的轉(zhuǎn)換比例關(guān)系[式(1)]，其場地系數(shù)值建議在1.00～1.25。該式僅適用于Ⅱ類場地條件，未給出其他場地類型條件下的轉(zhuǎn)換比例關(guān)系。

ahs=ks·as

(1)

其中:

圖3　12個主控鉆孔覆蓋層土層組成Fig.3　Soil layer structure of the overburden in the 12 main control boreholes

式中:ahs為一般場地(Ⅱ類場地)地震動峰值加速度;ar為基巖地震動峰值加速度;ks為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

第五代地震動參數(shù)區(qū)劃圖在第四代的基礎(chǔ)上做了很多重要的改變[14],其一是將原先的四類場地劃分變更為五類；其二就是考慮了不同場地類型對地震動峰值加速度的影響效應(yīng)。各類場地條件下地震動峰值加速度amax是以Ⅱ類場地基本地震動amaxⅡ為基準(zhǔn)乘以相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)Fa得到[式(2)],調(diào)整系數(shù)由表1中各分檔值分段線性插值確定。

amax=Fa·amaxⅡ　　　(2)

2.2實際計算場地系數(shù)KS-基巖PGA擬合結(jié)果

通過對場地內(nèi)主要鉆孔土層進行一維土層反應(yīng)分析計算，對場地設(shè)計反應(yīng)譜結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到3個分區(qū)內(nèi)50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下的場地放大系數(shù)KS與基巖地震動加速度峰值的函數(shù)擬合結(jié)果，并與第四代和第五代地震動參數(shù)區(qū)劃圖采用的方法結(jié)果進行對比(圖4、圖5)。

結(jié)果顯示,對于該研究區(qū)三種土 層結(jié)構(gòu)分區(qū),在50年超越概率10%的概率水準(zhǔn)下，實際放大系數(shù)KS取值在1.35～1.45間，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代區(qū)劃圖結(jié)果(1.12～1.20)，但第五代區(qū)劃圖的場地系數(shù)已接近實際計算結(jié)果。在50年超越概率5%的概率水準(zhǔn)下，實際放大系數(shù)KS取值在1.15～1.30間，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代區(qū)劃圖結(jié)果(1.10～1.14)。研究區(qū)50年超越概率10%和5%概率水準(zhǔn)下，基巖峰值加速度對應(yīng)0.15g和0.20g，實際放大系數(shù)KS的中值為1.375和1.225。

圖4　研究區(qū)50年超越概率10%條件下場地放大系數(shù)KS擬合結(jié)果Fig.4　Fitted lines of amplification coefficient KS for 10% exceedance probability in 50 years of the research area

圖5　研究區(qū)50年超越概率5%條件下場地放大系數(shù)KS擬合結(jié)果Fig.5　Fitted lines of amplification coefficient KS for 5% exceedance probability in 50 years of the research area

3地震動峰值加速度PGA區(qū)劃結(jié)果

利用實際計算場地系數(shù)以及第四代和第五代中國地震參數(shù)區(qū)劃圖建議的場地放大系數(shù)，對研究區(qū)地震動峰值加速度進行區(qū)劃研究。以0.05經(jīng)緯度為空間控制點，基于場地系數(shù)轉(zhuǎn)換公式，將地震危險性分析計算得到的基巖處峰值加速度進行轉(zhuǎn)換,得到地表地震動峰值加速度。利用ArcGIS軟件的空間分析功能和克里金差值，最終得出研究區(qū)內(nèi)50年超越概率10%和5%的峰值加速度區(qū)劃圖(圖6、圖7)。

結(jié)果表明，在50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖中，局部區(qū)域在第四代和第五代中國地震動區(qū)劃圖方法結(jié)果中應(yīng)位于0.15g區(qū)和0.20g區(qū)，但由于實際放大系數(shù)KS的提高，其實際計算結(jié)果提高為0.20g區(qū)和0.25g區(qū)，并且差異范圍較大。而對于50年超越概率5%的PGA區(qū)劃圖，雖然局部區(qū)域經(jīng)實際計算結(jié)果由0.20g區(qū)和0.25g區(qū)提高為0.25g區(qū)和0.30g區(qū)，但由于放大系數(shù)KS隨基巖峰值加速度提高而變化的速率較小，即擬合直線的斜率較小，因此結(jié)果差異性小于50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖。

圖6　工程線路沿線50年超越概率10%地震動峰值加速度區(qū)劃圖Fig.6　The seismic zonation map of PGA for 10% exceedance probability in 50 years of the researching area

圖7　工程線路沿線50年超越概率5%地震動峰值加速度區(qū)劃圖Fig.7　The seismic zonation map of PGA for 5% exceedance probability in 50 years of the researching area

4結(jié)論與討論

本文以華北地區(qū)某大型管線工程為研究對象，研究區(qū)為Ⅲ類場地，覆蓋層厚度為80.0～83.0 m，主要由耕土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉細砂組成，并且土層結(jié)構(gòu)組成在水平方向具有差異性,從而導(dǎo)致場地放大系數(shù)具有空間差異性。本文采用分區(qū)擬合場地系數(shù)-基巖PGA的函數(shù)關(guān)系，較精細地給出了局部地區(qū)的峰值加速度區(qū)劃圖結(jié)果,并將實際計算結(jié)果和用第四代和第五代中國地震動區(qū)劃圖提出的場地系數(shù)公式的計算結(jié)果進行比較,得出如下結(jié)論：

(1) 在研究區(qū)為Ⅲ類場地的條件下， 50年超越概率10%的實際場地放大系數(shù)KS取值為1.30～1.45，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代(1.12～1.20)區(qū)劃圖結(jié)果； 50年超越概率5%下的實際場地放大系數(shù)KS為1.15～1.30，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代(1.10～1.14)區(qū)劃圖結(jié)果。但第五代區(qū)劃圖放大系數(shù)KS取值明顯高于第四代區(qū)劃圖，更接近實際計算值。

(2) 50年超越概率10%的PGA區(qū)劃圖表明，由于實際場地放大系數(shù)的提高，局部區(qū)域的計算結(jié)果由0.15g和0.20g區(qū)提高為0.20g和0.25g區(qū)，且結(jié)果差異范圍較大；50年超越概率5%的PGA區(qū)劃圖表明，局部區(qū)域由0.20g和0.25g區(qū)提高為0.25g和0.30g區(qū)，但差異范圍較小，原因可能為放大系數(shù)KS隨基巖峰值加速度提高而變化的速率較小。

考慮到油氣管線工程具有大跨度的工程特點，在進行地震動參數(shù)區(qū)劃工作時，要充分考慮場地類型、土層結(jié)構(gòu)、地形地貌等場地條件對地震動參數(shù)的影響。本文可為復(fù)雜土層結(jié)構(gòu)下長距離管線工程地震動參數(shù)區(qū)劃工作提供參考。

致謝：感謝中國地震局地球物探中心的工作人員為該項研究提供了工程背景資料及鉆孔測試數(shù)據(jù)等，在此表示衷心的感謝！

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Influence of Soil Layer Structure on Seismic Peak Ground Acceleration Zonation Maps of Oil and Gas Pipeline Project

SUN Yi1,2,3, SHI Yu-cheng2, LU Yu-xia1,2, MA Lin-wei1,2, REN Dong2

(1.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;2.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;3.GeophysicalExplorationCenter,CEA,Zhengzhou450002,Henan,China)

Abstract:Oil and gas pipelines are vital aspects of infrastructure projects and may span tens or even thousands of kilometers.These spans may involve different soil structures that may become overburdened and thus considerably affect the seismic peak ground acceleration (PGA) and PGA zonation map. In this study,based on the site amplification coefficient,we examine a gas pipeline project in the North China plain. We estimate the fitting functions of the site amplification coefficient (KS) and PGA of rocks in different soil layer constructions and obtain a PGA zonation map for the adjacent 10 km area.We then compare our results with those given by the 4thand 5thseismic ground motion parameter zonation maps of China.The results show that the practical amplification coefficient KS lies between 1.30 and 1.45 for 10% probability of exceedance in 50 years,and the amplification coefficient KS lies between 1.15 and 1.30 for 5% probability of exceedance in 50 years.They are both relatively larger than the values suggested by the 4thand 5thzonation maps.The PGA zonation map with 10% probability of exceedance in 50 years shows that local regions belonging to 0.15g or 0.20g zones in the 4thand 5thzonation maps of China become 0.20g or 0.25g zones,which demonstrates that the amplification coefficient KS may significantly influence PGA zonation map classifications.

Key words:oil and gas pipeline project; soil layer structure; site amplification coefficient; seismic peak ground acceleration

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0219

中圖分類號:P315.9;TE973.99

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)02-0219-07

作者簡介:孫譯(1985-),男,碩士研究生,工程師,主要從事巖土地震工程方面的研究工作。E-mail:sy47-010@163.com。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(41374099,51248005)；中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費項目(2015IESLZ05)

收稿日期:①2015-10-19