由近断层强震记录得到的断层位错过程对管道的影响分析

刘爱文 环文林 贺秋梅 张志中 李 琪

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

在近些年的几次大地震中，例如，汶川地震和集集地震等，获得了不少近断层乃至断层上的加速度强震记录。这些近断层加速度强震记录对研究近断层的地震动特征（如速度脉冲、方向性效应）、震源机制等具有重要的意义。通过对断层附近的加速度记录进行2次积分，并经过适当基线校正后得到断层位错时程，发现其位移峰值往往大于断层的永久位移量。而目前埋地管道在断层位错下的反应分析方法一般直接输入的是断层的永久位移量。为了管道地震安全，研究了断层位错的时间过程可能对管道应变反应的影响。

首先收集整理了近断层强震记录。除了汶川地震所获得的记录，还收集了1992年美国Landers地震和1999年台湾集集地震公开所发表的近断层强震记录。从这些断层附近所获得的加速度记录进行校正后积分得到位移时程，这些近断层所记录的位移时程可以一定程度上反映断层的位错过程。

1992年的美国Landers MW7.3地震的发震断裂属于右旋走滑断层。断层引起的地表位移最大值6 m，平均值为3～4 m。在距离地表破裂约2 km处获得了强震记录。从所获得的强震记录，发现此次地震断层破裂有明显的速度脉冲现象。垂直于断层的速度峰值为1.48 m/s，平行于断层的速度峰值为1.25 m/s。断层运动的持续时间在15 s左右。垂直于断层方向的断层最大位错值在2.5 m左右，最后的永久位移值大约0.5 m。平行于断层方向的断层最大位错值在3.1 m左右，最后的永久位移值大约2.6 m。1999年集集M7.3地震的发震断裂属于逆冲断层。断层引起的地表垂直位移最大达8 m。在此次地震中，断层附近的多个强震台站和GPS台站获得了近断层记录。鉴于近断层加速度时程积分得到速度时程和位移时程普遍存在漂移现象，对这些加速度近断层加速度记录进行校正，并与附近的GPS台站观测结果比较，得到断层位错量随时间的变化情况。

近断层强震记录分析结果表明，断层的位错速率与断层的类型、发震机制等有关。地震时断层位错速度的最大值在1 m/s 至3 m/s左右，从开始到最后的永久位错值，时间持续14 s左右。破裂开始时，断层有一个很小的反向位错（不一定很明显），接着错动到一个最大值，然后从最大值又回落到一个相对固定的值，即断层运动所引起的地表永久位移。

以某输气管道通过小江断裂为例进行壳有限元反应。该管道的管径为1.016 m、壁厚0.021 m，管材为X70-HD2，管道与断层的交角为86°。地震安全性评价工作得到断层的垂直错距0.6 m，水平错距3.5 m。这2个方向合成得到的总断层错距Δ为3.552 m。基于上文断层位错过程的分析结果，这里假定在时间3 s时断层的反向位错设定为15%×Δ；在时间12 s时，断层到达最大位错，设定为Δ+15%×Δ；在时间14 s，断层位错回落到永久位移值Δ。

采用壳有限元模型，对该管道通过断层进行“动力分析”（这里并不考虑阻尼比等动力参数）。直接输入断层的永久位移进行有限元分析（称之为“静力分析”），得到的最大轴向应变为 1.2%。值得注意的是：“静力分析”的结果并不等于“动力分析”的最后结果，而是介于考虑了断层位错过程的有限元分析位错最大时和永久位移的结果之间。

由于目前所获得近断层位移记录还比较少，还难以统计出断层位错时程的一般规律。直接输入断层的永久位移进行管道的反应分析，其结果的可靠度可以基本上满足管道通过断层的抗震设计需要。