郝

（1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽(yáng)110013）

尾礦庫(kù)作為礦山的三大控制性工程之一，以往設(shè)計(jì)壩高一般在60 m以下，服務(wù)年限較短，無(wú)需進(jìn)行場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)。但隨著老尾礦庫(kù)陸續(xù)達(dá)到庫(kù)容標(biāo)準(zhǔn)，加高擴(kuò)容項(xiàng)目越來(lái)越多，許多尾礦庫(kù)加高后成為一、二等大型高壩尾礦庫(kù)，屬于可能引發(fā)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的重大工程。根據(jù)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》［1］的要求，應(yīng)進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)，確定抗震設(shè)防要求。

據(jù)此，以某大型尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容項(xiàng)目為例，開展工程場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)，為抗震設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，建立的分析方法也為類似尾礦庫(kù)提供借鑒和參考。

該尾礦庫(kù)位于山東省招遠(yuǎn)市，場(chǎng)地屬低山丘陵地貌單元，基巖為花崗巖。據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》［2］，場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度0.10g、反應(yīng)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(shè)縱、橫向排水溝及橫向排滲管。尾礦在壩前均勻堆放，以增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性?，F(xiàn)狀尾礦壩頂面長(zhǎng)約650 m、總壩高77.82 m；加高后頂面長(zhǎng)約1 100 m、總壩高137.82 m，總庫(kù)容約5 136萬(wàn)m3，屬二等庫(kù)，基本結(jié)構(gòu)周期0.9～1.8 s。

1 區(qū)域地震及斷裂活動(dòng)性評(píng)價(jià)

1.1 區(qū)域地震活動(dòng)性

尾礦庫(kù)場(chǎng)地處于華北斷塊區(qū)東部。對(duì)場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性有影響的主要活動(dòng)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(jí)地震41次，地震活動(dòng)受NNE向郯廬斷裂帶和幾條NW向活動(dòng)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(qiáng)震。據(jù)統(tǒng)計(jì)，郯廬地震帶內(nèi)發(fā)生8.5級(jí)地震1次，7～7.9級(jí)地震6次，6～6.9級(jí)地震13次，其中1668年郯城8.5級(jí)地震是中國(guó)東部最大一次地震。地震帶內(nèi)的微震活動(dòng)也較活躍，1970年以來(lái)M≤3.0級(jí)地震也顯示沿郯廬斷裂帶密集分布。

從統(tǒng)計(jì)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(shì)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(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力為NEE向，在70°～80°；主拉應(yīng)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(chǎng)地?cái)嗔鸦顒?dòng)性

工程場(chǎng)地所遭受過(guò)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(jí)及以上地震的發(fā)生，其他斷裂帶具有中強(qiáng)地震的可能，場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)主要來(lái)自于郯廬斷裂帶的中、強(qiáng)地震活動(dòng)，區(qū)域未來(lái)100 a地震活動(dòng)處于活躍期的水平，存在7級(jí)左右地震的可能。

查閱工程場(chǎng)地附近1∶50 000地質(zhì)圖，破頭青斷裂在工程場(chǎng)地北部通過(guò)，該斷裂為前第四紀(jì)斷裂，距工程場(chǎng)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(shuō)明書》［3］和《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］的有關(guān)規(guī)定，分析該斷裂不會(huì)對(duì)工程場(chǎng)地穩(wěn)定性造成影響。

2 場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)確定

2.1 地震帶活動(dòng)性參數(shù)確定

2.1.1 震級(jí)上限Muz和起算震級(jí)M0的確定

Muz有2條確定原則［5］：① 歷史資料足夠長(zhǎng)時(shí)，可采用區(qū)域內(nèi)發(fā)生過(guò)的最大地震強(qiáng)度；②若屬于同一個(gè)大地震活動(dòng)區(qū)，則采用構(gòu)造類比外推。據(jù)此，依據(jù)地震帶震級(jí)上限Muz等于帶內(nèi)各潛在震源區(qū)的震級(jí)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(yīng)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(jí)地震也會(huì)產(chǎn)生一定程度的破壞，因此將起算震級(jí)M0定為4.0級(jí)。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(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》［2］中確定各地震帶b值和v4的方法。考慮郯廬地震帶1500年后M≥5.0級(jí)的地震記錄才基本完整，1970年后的4級(jí)以上地震記錄較全，1477年和1829年是2個(gè)地震活動(dòng)相對(duì)密集期的開始，對(duì)b值和v4進(jìn)行調(diào)整，方法為：①4級(jí)以上地震年發(fā)生率應(yīng)大致相當(dāng)1970年以來(lái)地震活動(dòng)水平；②5級(jí)以上地震年發(fā)生率應(yīng)不低估1477年、1829年以來(lái)地震活動(dòng)水平；③較大震級(jí)發(fā)生率應(yīng)重點(diǎn)考慮1500年以來(lái)地震活動(dòng)情況。經(jīng)調(diào)整，確定郯廬地震區(qū)地震活動(dòng)性參數(shù)為b=0.85，v4=4.0。圖1為累計(jì)地震年平均發(fā)生率—震級(jí)關(guān)系擬合曲線。

2.2 潛在震源區(qū)活動(dòng)性參數(shù)確定

將地震帶的Mj分成7個(gè)震級(jí)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(jí)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(shí)際平均發(fā)生率對(duì)不同活動(dòng)水平地區(qū)作不等權(quán)分配；6.5級(jí)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(zhǎng)期地震活動(dòng)的構(gòu)造背景，③具備發(fā)生7級(jí)以上地震的構(gòu)造上空段，④潛在震源區(qū)可靠程度。

我國(guó)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(zhǎng)軸沿其中一個(gè)主破裂方向展布，地震烈度在長(zhǎng)軸和短軸方向衰減特征不同。主破裂方向（衰減長(zhǎng)軸方向）的概率分布可根據(jù)對(duì)區(qū)域地震構(gòu)造和歷史地震的統(tǒng)計(jì)分析得到。本區(qū)域內(nèi)斷裂活動(dòng)以走滑為主，各潛在震源區(qū)長(zhǎng)軸大多與各潛在震源區(qū)構(gòu)造走向一致。對(duì)具有共軛斷層的潛在震源區(qū)，依照2個(gè)方向發(fā)生可能性的大小，給予不同概率值。據(jù)此，建立場(chǎng)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(dòng)衰減關(guān)系確定

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

本衰減關(guān)系曾在多個(gè)華北地區(qū)的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)及地震小區(qū)劃工作中得到應(yīng)用，實(shí)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(píng)價(jià)的需求。

3 地震危險(xiǎn)性概率分析

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

計(jì)算潛在震源區(qū)對(duì)場(chǎng)地的基巖地震加速度峰值貢獻(xiàn)概率，結(jié)果見表2。

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可見，對(duì)場(chǎng)地影響較大的為154、134、147、103號(hào)潛源，受近場(chǎng)中強(qiáng)震、遠(yuǎn)場(chǎng)大震影響?？紤]工程場(chǎng)地50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%，計(jì)算對(duì)應(yīng)的基巖地震加速度峰值A(chǔ)max分別為101.4、132.6、224.6、272.6 cm/s2和反應(yīng)譜（阻尼比為5%）。圖2為場(chǎng)地基巖地震加速度峰值危險(xiǎn)性曲線，圖3為基巖地震加速度反應(yīng)譜。

4 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定

4.1 設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜形式

參考《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］、《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］及重要工程反應(yīng)譜確定原則，工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜取如下形式：

式中，Sa（T）為周期T時(shí)的反應(yīng)譜值，cm/s2；T為反應(yīng)譜周期，s；T0、Tg為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期，s；Amax為地震動(dòng)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(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算與設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

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

圖4中的淡色折線即為最終得到的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)見表3。

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4.3 場(chǎng)地地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程的確定

4.3.1 地震動(dòng)參數(shù)持續(xù)時(shí)間及衰減系數(shù)確定

根據(jù)表3確定地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間及衰減系數(shù)，見表4。

4.3.2 地震動(dòng)時(shí)程曲線確定

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根據(jù)圖4的場(chǎng)地50 a和100 a不同超越概率地震加速度反應(yīng)譜、表3的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及表4的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間及衰減系數(shù)，以阻尼比5%分別合成工程場(chǎng)地50 a超越概率10%、5%，100 a超越概率2%、1%的設(shè)計(jì)地表地震動(dòng)時(shí)程如圖5。

5 結(jié) 論

針對(duì)某大型尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容工程開展場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：

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

（2）震級(jí)上限Mu取值為8.5；地震帶的起算震級(jí)M0定為4.0級(jí)。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(dòng)水平峰值加速度和反應(yīng)譜衰減關(guān)系。

（3）確定了潛在震源區(qū)對(duì)場(chǎng)地基巖地震加速度峰值的貢獻(xiàn)概率，得到了50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%時(shí)的基巖地震動(dòng)峰值加速度（表3）；建立了50 a和100 a各超越概率的場(chǎng)地地表地震加速度反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)譜圖4，確定了場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜方程式。

（4）經(jīng)擬合基巖譜，得到工程場(chǎng)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(shí)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，合成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)地表地震動(dòng)時(shí)程曲線。

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