随机有限断层法模拟中强地震近场地震动的研究及应用

摘要

核工程是对地震安全性要求极高的工程,在其工程场地地震危险性评价工作中,弥散地震地震动估计往往对厂址设计基准地震动具有关键性影响。然而,弥散地震不是由特定构造引起的,因此,评定其地震影响时会遇到较大困难。常规方法是采用适当的衰减关系来计算工程场地震级5.0和5.5的弥散地震在距离厂址5 km处的地震动参数。本文针对核电厂地震危险性评价需求,探讨弥散地震评价的新方法,即通过随机有限断层法来模拟中强地震近场地震动参数。通过参数敏感性分析技术筛选了对拟合结果有决定性影响的关键模型参数;研究并改善了有限断层模型拟合中强地震模型应力降参数的方法,并基于多个国家和地区中强地震近场加速度记录估算了应力降参数值;此外,通过建立中强地震类属模型来模拟特定震级-距离的地震动,从而对经验统计方法进行补充和验证。(1)详细研究了模拟地震动时程的随机有限断层法以及近年来对该方法的改进,改进后的随机有限断层法适合模拟中强地震。(2)对随机有限断层法模拟中强地震近场强震动的参数影响情况进行了分析。将随机有限断层法应用于中强地震时,由于震源信息的准确性较差从而使模型参数具有较大的不确定性。为此,本文首先比较了不同场地方位角中强地震近场地震动的时程和平均拟加速度反应谱(PSA),并定量分析了模型主要参数对中强地震近场地震动模拟结果的参数敏感性。结果表明:不同场地方位角的中强地震近场PSA在短周期部分差别较大;应力降是模型最重要的参数,它对反应谱短周期部分影响最大;几何扩散系数对PSA的整体影响也较为明显。将随机有限断层方法应用到工程安全性评价工作时,应当重点关注对反应谱短周期部分影响较大的应力降和该区域的几何扩散系数,同时要调查该区域优势场地方位角的分布,从而更合理地控制中强地震近场强震动的模拟。(3)开展了中强地震模型应力降参数值的估算。基于美国小头骨山(Little Skull Mountain)MW5.6地震两个近场台站记录的地震动模拟,详细研究并改善了采用随机有限断层法拟合中强地震地震动拟加速度反应谱(PSA)来确定应力降参数值的方法。结果表明:采用不同频段反应谱残差和计算得到的应力降值差别较大,确定中强地震应力降较为合适的反应谱频段是中高频,采用该频段确定的应力降参数值模拟的反应谱和峰值加速度与实际记录较为符合。基于该方法并根据美国西部、日本、意大利以及汶川等国家和地区的浅源中强地震近场加速度时程记录,估算了相应的模型子断层应力降参数值。结果表明:各个国家和地区计算得到的中强地震随机有限断层模型应力降参数具有地区差异性;模拟的峰值加速度大致上正确反映了实际记录PGA的衰减规律,并且模拟结果在近场随距离的衰减较快,这可能与计算所使用的中强地震高频成分丰富有关。(4)针对中强地震震源及路径参数难以准确确定的情况,提出了通过建立随机有限断层类属模型参数来考虑随机不确定性,从而进行中强地震近场地震动模拟的方法,即在考虑区域特定参数、选择具有代表性的震源参数的同时,考虑关键参数随机不确定性,开展大量模拟计算。完成了对核电厂工程弥散地震地震动参数评价的工程应用分析。对模拟PGA的统计结果表明:考虑核电厂弥散地震时,MS5.0地震震中距5 km处0.15g的峰值加速度是合适的;MS5.5地震震中距5 km处0.2g的峰值加速度是合适的;MS6.0地震震中距5 km处0.3g的峰值加速度是合适的。该结果为现有弥散地震地震动评价提供了验证信息。模拟PSA统计结果与衰减关系PSA的比较表明,模拟的平均PSA大致上是保守的,可以作为随机有限断层法模拟结果的推荐反应谱。