曲江倒虹吸跨活动断裂抗错断设防参数研究
米健 沐红元
摘要：
跨活动断裂的建筑物极易发生错断破坏，抗错断设防是跨活动断裂建筑物设计的重点和难点问题。根据对我国西部地区走滑断裂引发的历史强震资料的分析，建立了震级与破裂长度、最大水平位移之间的拟合关系式，同时对曲江断裂未来百年内最大突发地震地表水平位移和垂直位移、变形带宽度以及蠕滑位移进行预测，并提出了曲江倒虹吸的抗错断设防参数建议值。结果表明：曲江断裂未来百年内最大突发地震地表水平位移量和垂直位移量分别为1.02 m和0.19 m，变形带宽度为300 m;未来百年内蠕滑水平位移和垂直位移分别为0.34～0.51m和0.06～0.10 m。研究结果对曲江倒虹吸跨曲江断裂抗错断设防参数取值具有参考价值。
关 键 词：
活动断裂; 抗错断设防; 震级; 地震破裂带; 位移; 曲江倒虹吸; 滇中引水工程
中图法分类号：
TV221
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.017
0 引 言
活动断裂[1]是指晚更新世以来有活动的断裂。全新活动断裂为在全新地质时期（10 000 a）内有过地震活动或近期正在活动，在今后100 a可能继续活动的断裂[2]。活动断裂易受大地构造力作用而产生错动，从而造成跨越活动断裂的建筑物发生灾难性的错断破坏，并造成巨大的经济损伤和人员伤亡。现行规范规定宜避开活动断裂带并建议合理避让距离，无法避开时，宜选择在活动断裂位移和断裂带宽度最小地段大角度穿越，并采取工程措施。随着我国西部大开发战略实施的不断深入，在我国西部强震区兴建的公路、铁路、油气管道以及引调水工程等线状工程中，常常不可避免地跨越活动断裂，受活动断裂错断运动影响，这些工程建筑物面临着严重的错断威胁。1952年美国加州克恩郡发生7.6级地震，穿越白狼断层破碎带的4座隧道均遭受到严重破坏[3];1995年日本阪神发生7.2级地震，穿越多条断层的六甲隧道破坏最为严重;2008年汶川地震中处于F3和F2断层之间的龙溪隧道以及通过F11-2断层的紫坪铺隧道破坏严重。因此，对工程建筑物跨越活动断裂的分布特征、活动特征等进行研究，提出曲江倒虹吸跨活动断裂的抗错断设防参数，是进行工程抗错断设计的基础，是保障工程安全运营的前提。
我国学者和专家对活动断裂进行了大量的定量研究[4]。1983～1987年，在邓起东的主持下对海源活动断裂进行了1∶5万活动断裂地质填图和晚第四纪断裂活动历史和滑动速率的综合研究;李起彤根据活动断裂的平均滑动速率和地震重复间隔以及下次大震逼近的时间进行活動断裂的活动度和危险度的判定;黄静宜根据历史地震的破裂参数情况，总结了地震破裂参数与震级的统计关系。对活动断裂不同方向和不同性质的位移量、变形量和滑动速率的研究有助于定量地评估活动断裂的地震对工程的危害程度。
本文结合现场调查、勘探成果以及历史地震资料，对我国西部地区历史强震的震级与地震破裂参数进行拟合，分析了曲江断裂震级上限及未来百年内最大突发地震的震级，并对断裂未来百年内最大突发地震地表水平位移和垂直位移、变形带宽度以及蠕滑位移进行预测;结合建筑物级别和工程设计使用年限，提出了曲江倒虹吸的抗错断设防参数建议值，可为曲江倒虹吸抗错断设计提供技术支撑。
1 工程概况
曲江倒虹吸位于滇中引水工程输水线路玉溪段，倒虹吸设计流量为20 m3/s，管径2.60 m，全长1 856.28 m，进、出口设计水位高程分别为1 652.36 m和1 642.96 m，中部曲江河床高程为1 402.10 m。沿线地层岩性为D3白云岩夹页岩及Zbdn白云岩（见图1～2）。倒虹吸在里程桩号75+375～75+530段跨越曲江断裂，交角60°，相交位置曲江断裂走向300°，倾向SE，倾角60°～70°，主断裂带宽约100 m，断裂带内构造岩主要为灰色角砾岩夹碎裂岩，构造岩带内剪切断面发育，多呈波状。
倒虹吸场地50 a超越概率10%的地震动参数为：地震动峰值加速度为0.358 g，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期0.50 s。
2 断裂活动特征及活动分级
（1） 断裂活动特征。曲江断裂北西起峨山县城以西的安居村，向南东经峨山县城、小街、高大、曲溪，至庙碑山以东，南东止于小江断裂带，全长约110 km。沿断裂带构造挤压强烈，发育宽达几十米至数百米的断层破碎带，最宽处破碎带达1 km，其中糜棱岩带达500～600 m。沿断裂现今地貌上主要表现为一条直线型沟槽状断裂谷，并发育峨山、小海洽、高大和曲溪4个断陷盆地，沿断裂断错水系、断错山谷、断层陡崖、断层陡坎等断错地貌十分发育（见图3）。
4 断裂百年最大突发地震位移参数预测
4.1 断裂震级上限预测
（1） 历史地震法。对于有发震记录的断裂，尤其是有多次强震记录的断裂，可根据其历史地震的震级确定其未来发震的震级上限，可将历史上记录的最大震级作为未来地震的震级上限，当历史震级的尾数为0.1～0.4时，按0.5记;当历史震级的尾数为0.6～0.9时，向上进位按整数记[31]。曲江断裂历史最大地震为1970年通海7.8级地震，其震级上限应为8.0级。
（2） 经验公式法。闻学泽等[32]认为，未来百年内的震级上限应是断裂全长在单一地震事件中全部破裂时所达到的震级，曲江断裂全长110 km，代入式（1）求解出震级为7.68级，其震级上限应为8.0级。
因此，曲江断裂的震级上限为8.0级。
4.2 百年最大突发地震震级预测
4.2.1 历史地震法
从曲江断裂带强震M-T图（见图6） 可知：曲江断裂带自1517年以来，共经历了3个地震活跃期与相应的平静期：第一活跃期自1517～1606年，活动时间为90 a，共记载有M≥5.0级地震4次，最强地震为1588年建水曲溪M≥7.0级地震;第一平静期自1607～1721年，115 a间无1次破坏性地震记载;第二活跃期自1722～1814年，活动时段为93 a，共记载有M≥5.0级地震2次，最强地震为1763年江川-通海间6.5级地震;第二平静期自1815～1886年，72 a间无1次破坏性地震记录;第三活跃期1887～1976年，活动时段为90 a，共发生2次7.0级以上强震，最大为通海7.8级地震。以上事实表明：曲江断裂的活跃期时段为90 a左右，有2个活跃期内发生7.0级以上地震，一个活跃期内发生6.5级地震，最近的一个活跃期的地震活动水平远高于前2个地震活跃期，由此推测，曲江断裂应处于地震活动相对平静的时段。
从上述2种方法的预测结果可知：曲江断裂未来百年内发生8.0级和7.5级地震的可能性很小，发生7.0级地震的可能性较大。因此，从断裂发震的震级概率分析，曲江断裂未来百年内最大突发地震的震级为7.0级，可按7.0级地震对曲江倒虹吸进行抗错断设防参数计算。
4.3 百年最大突发地震地表位移量预测
曲江断裂未来百年内最大突发地震震级为7.0级。由式（2）计算求解曲江断裂未来百年内最大水平位移量为1.02 m。
最大垂直位错量可由断裂擦线侧伏角计算。根据曲江断裂与现代构造应力方位关系分析和实际调查资料，断裂以水平位移为主，垂直位移分量较小，断裂擦线侧伏角多在20°左右，垂直位移按20°侧伏角进行计算，最大垂直位移量为0.19 m。
最大水平位移与最大垂直位移之比为5.4∶1.0，与1970年通海7.8级地震的同震位移比值相近。
4.4 最大突发地震地表变形带宽度预测
从表1的地震地表破裂带的现场观测资料来看：7.0级以上强震的地表破裂带一般为几米到几十米，最大宽度可达300～500 m，表明地震地表变形带宽度有限。对于工程设防而言，应考虑断裂带往往由多个分支断裂组成，且地震破裂及其影响带（含重力影响）应相对较大一些。曲江断裂的震级上限为8.0级，未来百年内最大突发地震震级为7.0级，参照表1中历史强震资料，可将曲江断裂地震破裂影响带宽度定为300 m。
5 断裂百年蠕滑位移量预测
中国地震局地质研究所向宏发等[34]对滇西北地区的活动断裂的黏滑与蠕滑运动做了深入的研究和讨论，得出滇西多数活动断层蠕滑量约占位错总量的2/3～1/3的初步认识。据此类比，对于以黏滑为主的断裂百年蠕滑位移设防建议值按占位移总量的1/3～1/2取值，对以蠕滑为主的断裂百年蠕滑位移设防建议值按占位移总量的1/2～2/3取值。曲江断裂为黏滑型活动断裂，百年蠕滑位移设防建议值按占位移总量的1/3～1/2取值，即百年蠕滑水平位移量和垂直位移量分别为0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。
6 抗错断设防参数确定
曲江倒虹吸为1级建筑物，设计使用年限为100 a，应按100 a进行抗错断设防，设防参数建议值详见表3。
7 结 论
（1） 曲江斷裂是一条全新世右旋走滑活动断裂，断裂全新活动分级为强烈，震级上限为8.0级，未来百年内最大突发地震的震级为7.0级。
（2） 曲江断裂未来百年内最大突发地震地表水平位移量和垂直位移量分别为1.02 m和0.19 m，变形带宽度为300 m，未来百年内蠕滑水平位移和垂直位移分别为0.34～0.51 m和0.06～0.10 m。
（3） 鉴于曲江倒虹吸跨越的曲江断裂规模大，次级断面多，地面调查很难查清跨越部位断裂地质学特征，对该活动断裂研究应采用动态跟踪的方法，贯穿设计和施工全过程，特别是在管槽开挖揭示出断裂带后进行详实的定量分析研究，从而确定抗错断的具体位置，并采取动态评估。
（4） 活动断裂的变形、突发地震等都难以准确预测，且破坏性极强。针对曲江倒虹吸建立安全预警系统十分必要，以便能及时发现问题和发出预警，及时采取相应措施排除险情，保证结构安全稳定运行。
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（编辑：刘 媛）
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