土层结构对油气管线工程地震动峰值加速度区划图的影响研究①

孙　译, 石玉成, 卢育霞1,, 马林伟1,, 任　栋

(1.中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 3.中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002)



土层结构对油气管线工程地震动峰值加速度区划图的影响研究①

孙译1,2,3, 石玉成2, 卢育霞1,2, 马林伟1,2, 任栋2

(1.中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 3.中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002)

摘要:油气管线工程是生命线工程的重要组成部分，工程跨度通常超越几十甚至几千公里，从而导致横穿地区覆盖层中土层结构存在明显差异，对地震动峰值加速度(PGA)产生较大影响，进而影响区划结果。本文采用分区拟合放大系数的方法，对华北平原地区某大型管线进行研究，给出研究区不同土层结构条件下场地放大系数KS-基岩PGA拟合函数结果，得到沿线附近10 km范围内的PGA区划图结果，并与第四代和第五代中国地震动参数区划图提出的场地系数公式的计算结果进行比较。三种计算方法的结果表明，研究区内50年超越概率10%条件下实际场地放大系数为1.30～1.45，50年超越概率5%条件下实际场地放大系数为1.15～1.30，均高于我国第四代和第五代区划图对场地系数的建议值。50年超越概率10%下的PGA区划图结果显示，局部区域在第四代和第五代地震动参数区划图场地系数的结果中位于0.15g或0.20g区，由于KS的提高,其实际计算结果会提升为0.20g或0.25g分区，这说明场地系数对峰值加速度区划图结果具有较大影响。

关键词:油气管线工程； 土层结构; 场地放大系数； 地震动峰值加速度

0引言

地表处局部场地条件(如地形地貌、土层结构、土动力学参数等)对地震峰值加速度具有较大影响[1]。大量强震观测资料也证实了这点，如墨西哥地震中软弱土层处记录得到的地震动峰值是基岩处的1.5～4倍[2]。

近年来，国内专家学者关于覆盖层厚度和土层结构对地震动参数影响的研究取得了丰硕的成果。薄景山等[3-4]利用我国大量工程场地钻孔资料，分析研究了覆盖层厚度、软土层埋深与厚度等对场地地表加速度峰值和特征周期的影响。石玉成等[5-6]对黄土土层结构对地震动参数的影响进行研究,指出黄土塬上较塬下反应谱存在较大差异，峰值向长周期方向移动。李小军等[7]对 188个场地进行统计分析，得出四类场地反应谱的特性，并给出四类场地条件下的地震动峰值加速度放大系数的参考范围。卢育霞等[8]采用横波勘探和地脉动测试方法，将甘肃省陇南台和岷县台场地获取的测试结果与汶川地震记录进行频谱特征对比，得出场地波速结构对地震动频谱有控制作用。陈永新等[9]利用日本强震观测网KiK-net中的基岩台站和场地台站获取的强震记录，通过频谱分析，得出III类场地覆土层较基岩对地震动具有明显影响。

油气管线工程属柔性结构，具有一定的抗变形能力，使用寿命一般为30～50年。一旦遭受破坏，会对周围地区造成严重的化学污染，危害人民的生命健康。地震中地表土液化导致的地表大变形，会对管线工程产生巨大的破坏作用[10]。目前为满足管线工程抗震设计需要，我国制定了管线工程抗震设计规范——《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB 50470-2008)[11]，其适用范围为：地震动峰值加速度≥0.05g且≤0.40g地区的陆上钢质油气输送管道线路工程的新建、扩建和改建工程的抗震勘察设计施工及验收。规范提出管线工程采用50年超越概率5%的概率水准，抗震设计要求高于一般性建筑物，需提供50年超越概率10%和5%概率水准下的场地地震动参数区划图。

关于地形地貌对地震动的影响已有相关研究[12]，本文以华北平原地区某大型输气管线工程为研究对象，主要研究土层结构对地震动的影响，研究区为Ⅲ类场地条件，覆盖层厚，土层结构复杂且具有明显的横向分段特征。本文拟利用分区拟合场地系数——基岩峰值加速度的函数关系的方法，计算场地峰值加速度区划图;分别采用实际拟合放大系数、第四代和第五代区划图提出的场地系数公式计算峰值加速度区划图，并对三种方法的计算结果进行比较。

1研究区背景资料

该工程为中原至开封输气管道工程北段,起点为榆济管道南乐分输站，终点为黄河北大堤，中间设濮阳分输站，途径4处穿越工程(图1)。输气管线规格为D711，设计压力8.0 MPa，全长92.1 km。

1.1研究区钻孔剪切波速资料及土层结构

钻孔布置包括主要场点的12个主控钻孔和沿线的9个辅助钻孔(图2)。6处主要场地为中开首站、濮阳分输站、濮范高速穿越、晋中南铁路穿越、濮台铁路及工业大道穿越和金堤河穿越。每处布置2个钻孔，深度为90.0～99.0 m，并进行剪切波速测试。测试结果显示，覆盖层厚度为80.0～83.0 m，等效剪切波速为190.0～220.0 m/s，场地类别为Ⅲ类场地。覆盖层内土层主要由耕土、杂填土、粉质黏土、粉土及粉细砂五类土组成。以覆盖层土层结构为参考标准，针对不同厚度中粉土、粉质黏土和砂土的比重(图3)，将研究区划分为三个分区：第1分区为中开首站—濮范高速穿越；第2分区为濮阳分输站—晋中南铁路穿越；第3分区为濮台铁路—终点。其中，1分区覆盖层的中层粉土、粉质黏土和砂土比重均匀，而底层主要由粉质黏土组成；2分区覆盖层的上层土类成分丰富，中层由粉质黏土组成，比重大于60%，而底层主要是粉土，比重大于80%； 3分区覆盖层上层组成不同于1、2分区，中层和底层主要由粉土、粉质黏土和砂土组成。

图1　输气管工程平面位置图Fig.1　Plane of the gas transmission pipeline project

图2　研究区钻孔布置及场地单元分区Fig.2　Boreholes layout and site division in the study area

2场地放大系数结果

2.1第四代与第五代区划图场地系数比较

第四代地震动参数区划图[13]提供了适用于一般中硬场地(Ⅱ类)条件下的基岩与地表地震动峰值加速度的转换比例关系[式(1)]，其场地系数值建议在1.00～1.25。该式仅适用于Ⅱ类场地条件，未给出其他场地类型条件下的转换比例关系。

ahs=ks·as

(1)

其中:

图3　12个主控钻孔覆盖层土层组成Fig.3　Soil layer structure of the overburden in the 12 main control boreholes

式中:ahs为一般场地(Ⅱ类场地)地震动峰值加速度;ar为基岩地震动峰值加速度;ks为转换系数。

第五代地震动参数区划图在第四代的基础上做了很多重要的改变[14],其一是将原先的四类场地划分变更为五类；其二就是考虑了不同场地类型对地震动峰值加速度的影响效应。各类场地条件下地震动峰值加速度amax是以Ⅱ类场地基本地震动amaxⅡ为基准乘以相应的调整系数Fa得到[式(2)],调整系数由表1中各分档值分段线性插值确定。

amax=Fa·amaxⅡ　　　(2)

2.2实际计算场地系数KS-基岩PGA拟合结果

通过对场地内主要钻孔土层进行一维土层反应分析计算，对场地设计反应谱结果进行统计分析，得到3个分区内50年超越概率10%和5%概率水准下的场地放大系数KS与基岩地震动加速度峰值的函数拟合结果，并与第四代和第五代地震动参数区划图采用的方法结果进行对比(图4、图5)。

结果显示,对于该研究区三种土 层结构分区,在50年超越概率10%的概率水准下，实际放大系数KS取值在1.35～1.45间，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代区划图结果(1.12～1.20)，但第五代区划图的场地系数已接近实际计算结果。在50年超越概率5%的概率水准下，实际放大系数KS取值在1.15～1.30间，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代区划图结果(1.10～1.14)。研究区50年超越概率10%和5%概率水准下，基岩峰值加速度对应0.15g和0.20g，实际放大系数KS的中值为1.375和1.225。

图4　研究区50年超越概率10%条件下场地放大系数KS拟合结果Fig.4　Fitted lines of amplification coefficient KS for 10% exceedance probability in 50 years of the research area

图5　研究区50年超越概率5%条件下场地放大系数KS拟合结果Fig.5　Fitted lines of amplification coefficient KS for 5% exceedance probability in 50 years of the research area

3地震动峰值加速度PGA区划结果

利用实际计算场地系数以及第四代和第五代中国地震参数区划图建议的场地放大系数，对研究区地震动峰值加速度进行区划研究。以0.05经纬度为空间控制点，基于场地系数转换公式，将地震危险性分析计算得到的基岩处峰值加速度进行转换,得到地表地震动峰值加速度。利用ArcGIS软件的空间分析功能和克里金差值，最终得出研究区内50年超越概率10%和5%的峰值加速度区划图(图6、图7)。

结果表明，在50年超越概率10%的PGA区划图中，局部区域在第四代和第五代中国地震动区划图方法结果中应位于0.15g区和0.20g区，但由于实际放大系数KS的提高，其实际计算结果提高为0.20g区和0.25g区，并且差异范围较大。而对于50年超越概率5%的PGA区划图，虽然局部区域经实际计算结果由0.20g区和0.25g区提高为0.25g区和0.30g区，但由于放大系数KS随基岩峰值加速度提高而变化的速率较小，即拟合直线的斜率较小，因此结果差异性小于50年超越概率10%的PGA区划图。

图6　工程线路沿线50年超越概率10%地震动峰值加速度区划图Fig.6　The seismic zonation map of PGA for 10% exceedance probability in 50 years of the researching area

图7　工程线路沿线50年超越概率5%地震动峰值加速度区划图Fig.7　The seismic zonation map of PGA for 5% exceedance probability in 50 years of the researching area

4结论与讨论

本文以华北地区某大型管线工程为研究对象，研究区为Ⅲ类场地，覆盖层厚度为80.0～83.0 m，主要由耕土、杂填土、粉质黏土、粉土和粉细砂组成，并且土层结构组成在水平方向具有差异性,从而导致场地放大系数具有空间差异性。本文采用分区拟合场地系数-基岩PGA的函数关系，较精细地给出了局部地区的峰值加速度区划图结果,并将实际计算结果和用第四代和第五代中国地震动区划图提出的场地系数公式的计算结果进行比较,得出如下结论：

(1) 在研究区为Ⅲ类场地的条件下， 50年超越概率10%的实际场地放大系数KS取值为1.30～1.45，均高于第五代(1.20～1.35)和第四代(1.12～1.20)区划图结果； 50年超越概率5%下的实际场地放大系数KS为1.15～1.30，略高于第五代(1.13～1.18)和第四代(1.10～1.14)区划图结果。但第五代区划图放大系数KS取值明显高于第四代区划图，更接近实际计算值。

(2) 50年超越概率10%的PGA区划图表明，由于实际场地放大系数的提高，局部区域的计算结果由0.15g和0.20g区提高为0.20g和0.25g区，且结果差异范围较大；50年超越概率5%的PGA区划图表明，局部区域由0.20g和0.25g区提高为0.25g和0.30g区，但差异范围较小，原因可能为放大系数KS随基岩峰值加速度提高而变化的速率较小。

考虑到油气管线工程具有大跨度的工程特点，在进行地震动参数区划工作时，要充分考虑场地类型、土层结构、地形地貌等场地条件对地震动参数的影响。本文可为复杂土层结构下长距离管线工程地震动参数区划工作提供参考。

致谢：感谢中国地震局地球物探中心的工作人员为该项研究提供了工程背景资料及钻孔测试数据等，在此表示衷心的感谢！

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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

中图分类号:P315.9;TE973.99

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)02-0219-07

作者简介:孙译(1985-),男,硕士研究生,工程师,主要从事岩土地震工程方面的研究工作。E-mail:sy47-010@163.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(41374099,51248005)；中国地震局地震预测研究所基本科研业务费项目(2015IESLZ05)

收稿日期:①2015-10-19