乌东德水电站设定地震及场地相关设计反应谱研究

周华 刘科 王占军 曹去修

摘要：乌东德水电站坝址地震地质条件复杂、基本烈度高、防震抗震问题突出。为合理评价乌东德大坝等抗震设防类别为甲类的重要建筑物抗震安全性能，采用了概率法和确定性方法相结合的设定地震方法，结合工程场地地震安全性评价给定的输入参数、衰减关系和设计地震动加速度值，依据发生概率最大的原则和潜在震源中主要发震构造，确定了设定地震的震级和震中距，同时选用美国NGA中的AS08反应谱衰减关系，得到了与场地地震地质条件相关的加速度反应谱。结果表明：场地相关设计反应谱能真实反映坝址工程地震地质条件，其作为大坝抗震分析的依据是合适的。

关键词：设定地震;场地相关设计反应谱;衰减关系;地震危险性分析;乌东德水电站

中图法分类号：TV642文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.007

文章编号：1006 - 0081（2021）08 - 0033 - 06

0引 言

我国大型水利水电工程多数位于高山峡谷中，坝址地震烈度一般较高，合理的地震动输入是大坝抗震安全评价的重要前提。现行NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》规定：一般工程的水平向和竖向设计反应谱应采用标准设计反应谱，但对进行专门的场地地震安全性评价的抗震设防类别为甲类的工程，其设计反应谱应按规定采用场地相关设计反应谱。目前，已有一些学者针对高坝大库开展过地震动输入研究：李红军等[1]研究了基于设定地震的场地相关反应谱以及一致概率反应谱确定的动参数下，240 m高长河坝高心墙堆石坝的动力反应特征;黄熠辉等[2]研究了杨房沟水电站155 m高混凝土双曲拱坝在场地相关设计反应谱以及人工地震动时程条件下的抗震安全性能。但总体而言，开展专门地震动输入研究的工程数量不多，可供参考借鉴的工程经验较少。

乌东德水电站作为金沙江水电开发中的重要梯级，地处干热河谷，高温低湿，河谷深切、河床狭窄、岸坡陡峻、坝址河床覆盖深厚、构造剧烈、地质条件复杂，地震基本烈度为Ⅶ度，工程技术难度大。枢纽主体建筑物混凝土双曲拱坝最大坝高270 m，厚高比仅0.19，为目前世界上最薄的300 m级特高拱坝。乌东德拱坝属于需要开展专门地震安全性评价且抗震设防类别为甲类的重要建筑物。根据现行抗震设计规范要求，大坝抗震安全评价分析时，其设计反应谱应采用基于概率法和确定性方法相结合的设定地震方法所确定的场地相关反应谱。

本文在系统总结乌东德水电站工程场地地震安全性评价意见的基础上，依据国内现行抗震设计规范和相关科研机构最新研究进展，开展乌东德水电站设定地震及场地相关设计反应谱研究，可为大坝等抗震设防类别为甲类的重要建筑物抗震安全评价提供分析依据。

1 工程场地地震安全性评价

1.1 地震动参数和基本烈度

根据2015年4月云南省地震工程勘察院编制的《金沙江乌东德水电站工程场地地震安全性评价报告》[3]和中国地震局中震安评〔2015〕62号批复文件，乌东德工程场址地震基本烈度为Ⅶ度，坝址不同超越概率水平的基岩水平向峰值加速度见表1。

查询GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》附图，乌东德水电站坝址区50 a超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

1.2 区域地震活动性分析

金沙江乌东德水电站坝址区在区域大地构造单元划分上位于扬子准地台的滇东台褶带（[3] ）西侧。在新构造运动分区上，属盐源-攀枝花掀斜隆起区的会理-玉溪掀斜差异凸起区。断块差异运动强烈，近南北向、北西向主体断裂带晚第四纪以来活动强烈，受其控制形成串珠状断陷盆地和现代湖盆，使断裂两侧块体产生了明显的差异运动和水平滑移。区内历史上发生过一系强震（表2），最大地震为1833年嵩明8.0级地震和1733年8月2日东川紫牛坡7.8级地震。历史地震对乌东德坝区产生的最大影響烈度估计为Ⅶ度。因此，工程场地的强震危险性主要来自南北向展布的小江断裂带。

1.3 近场区地震活动性分析

乌东德水电站近场范围内新构造运动以大面积间歇性掀斜隆升和断块差异运动为主。由于区内较强烈的隆升运动造成深切河谷并以基岩裸露的高山峡谷地貌为特征。近场区断裂构造十分发育，纵横交错，主要以南北向和北东向断裂为主，并切割了近东西向的断裂，形成网格状构造型式。近场区内共有10条断裂，这些断裂的规模不大，其最新活动时代均为早至中更新世，并无晚更新世以来活动断裂。近场区自公元1893年有地震记录以来，历史强震稀少，共有3次破坏性地震记载（表3）。对工程场地影响最大的是1947年6月7日四川会东5.5级地震，最大影响为Ⅵ度。这3次地震分别位于马鹿塘断裂（F10）和德干断裂带（F2）附近。

1.4 主要发震断裂及潜在震源区划分

《金沙江乌东德水电站工程场地地震安全性评价报告》在区域内共划分出26个潜在震源区（图1），其中震级上限Mu=8.0级潜源5个，Mu=7.5级潜源3个，Mu=7.0级潜源9个，Mu=6.5级潜源6个，Mu=6.0级潜源3个。对工程场地影响最大的潜在震源区是第2号东川8.0级潜源，其次是包围坝址的第1号富民6.5级潜源。

1.5 主要地震活动性参数

在全国地震区带划分上，研究区绝大部分位于青藏地震区的鲜水河-滇东地震带（V3-2）内，只有东边一小部分属于华南地震区的右江地震带（V4-2）。安全性评价报告给出的各地震统计区地震活动性参数见表4，对场址地震危险性贡献较大的潜在震源区均属于鲜水河-滇东地震带。

1.6 地震动衰减关系

在基岩地震动衰减模型中，考虑到加速度峰值和反应谱的高频成份在大震级和近场饱和特征，基岩水平加速度峰值和反应谱的衰减关系为

式中：Y代表加速度峰值或反应谱值，单位为cm/s2;M为震级;R为震中距，单位为km;C1，C2，C3，C4，C5，C6为回归系数，σ为lgY的标准差。

安全性评价报告中，选用中国地震局地球物理研究所拟合的地震动衰减关系（表5），该衰减关系已在云南地区多个重大项目中使用。

1.7地震危险性综合概率分析

根据之前确定的研究区域的地震统计区与潜在震源区、地震活动性参数及地震动衰减关系，采用地震危险性分析程序包，计算得到主要潜源对场地概率贡献百分比（表6）。

计算结果表明：对工程场地起主要作用的潜在震源区是No（2）东川、No（1）富民和场址所在的No（1）号背景源。对场地50 a超越概率63%和10%的贡献主要来自于场地所在的富民6.5级潜源、6.0级背景源以及场地以东约30 km的东川8.0级潜在震源区。随着概率水平的降低，中等距离处的东川8.0级潜源的贡献不断加大，至100a超越概率1%时，东川8.0级潜源的贡献以增强至73%，成为对场地的主要影响源。场地所在的6.5级潜源，随概率水平降低，对场地的影响一直保持在25%的中等水平。场地所在的6.0级背景源，随概率水平降低，对场地的影响逐渐减弱，至100a超越概率1%的时已降至3.8%。这些结果与场地处于中等距离高震级潜源、近场中等震级潜源和中等背景源的地震环境是相匹配的。

2 设定地震及场地设计反应谱研究方法

按照水电水利规划设计总院“关于印发《〈水电工程水工建筑物抗震设计规范〉（NB 35047-2015）设定地震确定场地相关设计反应谱补充说明》的通知（水电规水工〔2017〕53号）”的相关要求以及陈厚群[4-5]等最新研究成果，工程场地相关反应谱的主要研究内容和步骤为：①基于概率地震危险性分析方法和指定的概率水准（如100a超越概率2%和100a超越概率1%），得到与之对应的不确定性校正前后的地震动峰值加速度值。②选取对场址给定峰值加速度值贡献最大的潜在震源作为设定地震可能发生的区域。③遵循发生概率最大的原则，确定发生概率最大的震级及其在潜源中所处的空间位置，确定设定地震的震级M和震中距Repi。④已知设定地震的震级和震中距后，选取合适的反应谱衰减关系求得与场地地震地质条件相关的加速度反应谱，并按峰值加速度值进行规一化。鉴于目前缺乏直接根据中国强震记录统计回归的反应谱衰减关系，目前在中国重大水电工程的抗震研究中均采用了美国NGA中的AS08反应谱衰减关系[6]。

工程场地相关反应谱确定流程见图2。

3 乌东德工程场地相关设计反应谱

3.1 确定设定地震

由表6中各主要潜在震源区对工程场地地震危险性贡献的比例可知，对乌东德坝址地震危险性的100 a超越概率2%和1%贡献最大的均为No（2）东川8.0级潜在震源区，贡献的比例可达到66.9%和73.1%，其次为坝址所在的No（1）富民6.5级潜在震源区，贡献的比例分别为21.1%和19.3%。依据设定地震的确定原则，宜选取概率贡献最大的潜在震源区作为设定地震的发震区域，但考虑到No（1）富民6.5级潜在震源区的贡献可达到20%左右，故对于乌东德坝址，同时选取No（1）富民和No（2）东川潜在震源区作进一步研究。

No（2）东川8.0级潜在震源区的主要断裂为小江断裂北段和中段。小江断裂的断裂活动表现为强烈的左旋走滑运动，为西南乃至中国大陆上一条著名强震带，小江断裂北段和中段为全新世活动断裂。No（1）富民6.5级潜在震源区内分布的主要断裂为北北东向的德干断裂带（F2）和近东西向的落雪-通安断裂（F5），德干断裂带（F2）是近场区内的主要断裂，该断裂带在中更新世有过明显活动，晚更新世活动迹象不明显，具有发生6.0级左右地震的潜在危险。另外坝址区5 km范围内还分布有热水塘断层（F6）和马鹿塘断裂（F10）。这4条断层均为中更新世断裂，不具备发生6.0级以上强震的构造条件。考虑到No（1）富民6.5级潜在震源区距坝址最近且将坝址包于其中，从保证工程安全的角度出发，No（1）富民6.5级潜在震源区也作为设定地震的发震区域考虑。

综上，同时选取对工程小概率设防概率水准（100 a超越概率2%和100 a超越概率1%）有贡献的潜在震源区，即No（1）富民和No（2）东川潜在震源区作为设定地震可能发生的区域。遵循发生概率最大原则，根据确定设定地震的主要步骤，得到乌东德水电站坝址设定地震的震级M和震中距Repi见表7。

3.2 确定场地相关设计反应谱

将对应不同潜源和不同超越概率的设定地震的震级和震中距代入到AS08衰减关系中，并对得到的加速度谱按照峰值地面加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）进行归一化处理，即可得到乌东德坝址在不同概率水准的放大系数谱β（T）（图3）。图3中绘制了该放大系数谱与新老规范标准谱的比较情况，DL 5073-2000標准谱的参数为（反应谱最大值βmax=2.5，特征周期Tg=0.2s，下降段衰减指数γ=0.9），NB 35047-2015标准谱的参数为βmax=2.5，Tg=0.3s，γ=0.6，NB 35047-2015标准谱（Tg不调整）的参数为βmax=2.5，Tg=0.2s，γ=0.6。乌东德坝址在GB 18306-2015《中国地震动反应谱特征周期区划图》中位于0.45s区，根据NB 35047-2015中表5.3.5特征周期调整表，乌东德坝址标准反应谱的特征周期调整为0.3 s。

从图3可以看出：在乌东德拱坝基频（约0.4 s周期）附近，基于No（2）东川潜源确定的设定地震的放大系数谱高于基于No（1）富民潜源确定的设定地震谱。因此，从保证工程安全的角度出发，选取基于No（2）东川潜源得到的设定地震反应谱作为乌东德拱坝坝址的场地相关设计反应谱。

将b（T）谱值乘以地震危险性概率计算，不确定校正后相应概率水准的地震动峰值加速度在100a超越概率1%时为340.6 gal（3.406 m/s2），100 a超越概率2%时为280.4 gal（2.804 m/s2），得到乌东德坝址设定地震加速度反应谱Sa（T）（图4）。图中绘制了该加速度反应谱与NB 35047-2015规范谱、基于安全性评价一致概率谱对比情况，可以看出，在大约小于1.3 s的周期范围内，基于安全性评价的一致概率谱均高于设定地震谱。按照现行抗震规范相关规定，推荐采用基于设定地震法确定的场地相关反应谱及其据此生成的人工模拟地震波作为大坝抗震设计的依据。

4 结 论

本文根据现行NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》的规定，结合云南省地震工程勘察院提交的《金沙江乌东德水电站工程场地地震安全性评价报告》中给出的相应于设计地震和校核地震（最大可信地震）的基岩水平向峰值加速度和安全性评价报告等相关原始资料，进行了坝址区基于设定地震的场地相关设计反应谱研究工作，主要成果和结论如下：

（1）根据安全性评价报告中地震危险性分析成果，本文选取概率贡献最大的No（2）东川潜在震源区以及概率贡献次大、距坝址最近的No（1）富民6.5级潜在震源区作为设定地震的发震区域，并确定了坝址设定地震的震级和震中距。

（2）采用美国NGA中的AS08衰减关系，根据设定地震的震级和震中距，确定了相应的归一化场地相关设计反应谱。结合乌东德拱坝基频情况，从保证工程安全的角度出发，选取设定地震放大系数谱较高的No（2）东川潜源地震反应谱作为乌东德拱坝坝址的场地相关设计反应谱，推荐其作为大坝抗震设计的依据。

参考文献：

[1] 李红军，朱凯斌，赵剑明，等. 基于设定地震场地相关反应谱的高土石坝抗震安全评价[J]. 岩土工程学报，2019，41（5）：934-941.

[2] 黄熠辉，徐建军，殷亮，等. 基于新抗震规范的杨房沟高拱坝抗震安全分析与评价[J]. 水力发电，2019，45（4）：52-55，83.

[3] 云南省地震工程勘察院. 金沙江乌东德水电站工程场地地震安全性评价报告[R]. 昆明：云南省地震工程勘察院，2015.

[4] 陈厚群，李敏，石玉成. 基于设定地震的重大工程场地设计反应谱的确定方法[J]. 水利学报，2005，36（12）：1399-1404.

[5] 张翠然，陈厚群，李德玉，等. 基于设定地震確定重大水电工程场地相关设计反应谱[J]. 水电与抽水蓄能，2018，4（2）：56-61.

[6] ABRAHAMSON N A，SILVA W J.Summary of the Abrahamson and Silva NGA groundmotion relations[J]. Earthquake Spectra，2008，24（1）：67-97.

（编辑：江 文）