作者簡(jiǎn)介

劉愛文，中國(guó)地震局地球物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，強(qiáng)震動(dòng)地震學(xué)研究室主任，中國(guó)地震學(xué)會(huì)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)主任委員、中國(guó)災(zāi)害防御協(xié)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)專業(yè)委員會(huì)理事。主要研究領(lǐng)域?yàn)樯€地震工程和工程地震學(xué)。參加了汶川地震、玉樹地震、尼泊爾地震等十多次的國(guó)內(nèi)外地震現(xiàn)場(chǎng)工程震害調(diào)查及科考工作。近年承擔(dān)了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、地震行業(yè)專項(xiàng)等科研項(xiàng)目多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇。

一、管道遭遇超剪切破裂地震

案例一 ：2001 年 11 月青海與西藏交界發(fā)生昆侖山 Ms8.1級(jí)地震。這次地震發(fā)震斷層為昆侖斷裂，是一條長(zhǎng)達(dá) 1000多千米的大型走滑斷層。地震造成的地表破裂達(dá)到 400km。

地震學(xué)家根據(jù)地震觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)發(fā)震斷層破裂速度最高達(dá)到5km/s（當(dāng)?shù)?Vs=3.5km/s），屬于超剪切破裂地震。根據(jù)野外地質(zhì)實(shí)地調(diào)查，受斷層破裂的擠壓沖擊（馬赫錐）效應(yīng)影響，地震造成地表斷層破裂跡線上多處地震擠壓鼓包，鼓包長(zhǎng) 5~30m，寬 1~15m，高 0.2~2m。

昆侖山地震沿著地表斷層破裂跡線出現(xiàn)的擠壓鼓包

如下圖所示，青海格爾木至西藏的輸油管道（格拉管道）在與斷層交會(huì)處，斷層位錯(cuò)造成 0.159m 口徑的嚴(yán)重管體斷裂式破壞，管道輸油功能喪失。幸運(yùn)的是，地震發(fā)生時(shí)為冬季管道停輸期間，否則還可能造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

格拉管道與昆侖山地震地表破裂帶交會(huì)示意圖

案例二 ：1999 年 8 月 17 日，土耳其西北部 Izmit 市西南 11km 處發(fā)生 Mw7.4 的強(qiáng)烈地震。North Anatolian 斷裂帶是此次地震的發(fā)震斷層，以右旋走滑為主。

根據(jù)震后調(diào)查，此次地震地表破裂帶的最大寬度為 51m，最大錯(cuò)距為 3.8m，走滑段上的最大垂直錯(cuò)距為 0.6m，破裂長(zhǎng)度近 200km。斷層附近的臺(tái)站 SKR 記錄到異常的 S 波—P 波到時(shí)差，學(xué)者們用超剪切破裂解釋了這一現(xiàn)象。

從儲(chǔ)水壩到自來水廠有一條口徑為 2.2m 的輸水鋼管穿越 North Anatolian 斷裂帶。通過測(cè)量管道與斷裂交會(huì)點(diǎn)附近，地震造成籬笆的相對(duì)位移，推斷斷層位錯(cuò)量在管道與斷層交會(huì)處為 3m 左右，管線與斷層的交角約為鈍角 125°。引起學(xué)者們關(guān)注的是，Izmit 地震造成了這條大口徑供水鋼管的3 處屈曲破壞。

土耳其Izmit地震造成2.2m口徑的供水管道屈曲破壞示意圖

如上圖所示，最嚴(yán)重的屈曲破壞發(fā)生在斷層交匯 A 處，其他兩處 B 和 C 在斷層的另外一側(cè)。這種現(xiàn)象是目前管道抗震設(shè)計(jì)采用的擬靜力方法（包括理論解和數(shù)值模擬）不能解釋的。按照擬靜力方法結(jié)果，埋地管道在斷層位錯(cuò)作用下最大應(yīng)變值應(yīng)該出現(xiàn)在斷層面附近一定距離處而非斷層面上。

案例三 ：2002 年 11 月 3 日在美國(guó)阿拉斯加 Denali 斷層發(fā)生 Mw7.9 地震，建于上世紀(jì) 70 年代的阿拉斯加輸油管道穿越此條斷層。經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡卣鸢踩栽u(píng)價(jià)，該條管道采用地表滑軌的敷設(shè)方式，設(shè)防的斷層位移量為 ：水平6.1m ；垂直 1.5m。根據(jù)震后 GPS 測(cè)地學(xué)的結(jié)果，在管道與斷層的交匯處斷層水平走滑位移 5.5~6m，垂直位移 1.5m。

即震后的實(shí)際斷層位錯(cuò)量在阿拉斯加輸油管道的設(shè)防斷層位移量?jī)?nèi)，如下兩圖所示，地震后管道在地面鋪設(shè)的滑軌上整體滑移，管道本體沒有發(fā)生破壞變形，但是多處滑軌支架發(fā)生了破壞。

阿拉斯加管道在Denali地震前（左）與地震后（右）對(duì)比圖

（管道穿越處的斷層位移5.5~6.0m）

阿拉斯加管道穿越Denali斷裂及其支架破壞

二、超剪切破裂地震****對(duì)跨斷層管道的影響

通常情況下斷層錯(cuò)動(dòng)的位移是管道抗震設(shè)計(jì)考慮的主要因素。但以上的這些震害實(shí)例引出了斷層破裂速度對(duì)管道的安全是否也有影響這個(gè)問題。

以阿拉斯加管道為例，探討斷層破裂速度為零和無窮大兩種極端情況。

假定 Denali 斷層破裂速度很小，接近于零值，即相當(dāng)于慢地震或者斷層慢滑移的情況，斷層的最大位移量設(shè)定達(dá)到 6m。根據(jù)震源破裂的數(shù)值模擬結(jié)果，除了斷層位錯(cuò)作用，斷層周圍的地震動(dòng)加速度峰值、速度峰值幾乎為零。

在這種情況下，阿拉斯加管道通過地面敷設(shè)的滑軌抗震措施，可以抵御該斷層位錯(cuò)量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架沒有振動(dòng)沖擊能量的破壞作用，也不會(huì)被破壞。

如果考慮另一種極端情況，斷層破裂速度和斷層位錯(cuò)都極快，即使在斷層位錯(cuò)量很?。ㄈ?0.6m）的情況下，阿拉斯加管道與滑軌支架也會(huì)出現(xiàn)破壞。

地震學(xué)家通過對(duì)臺(tái)站獲得的記錄進(jìn)行震源動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果表明 Denali 斷層從初始破裂點(diǎn)傳播 40km 左右后，破裂速度即達(dá)到了 5.6km/s，超過當(dāng)?shù)氐貧r石 3.5km/s 的剪切波波速（Dunham et al., 2004）。

在此次地震中，距Denali 斷層 3km 處的位于阿拉斯加輸油管道上、編號(hào)為PS10 的臺(tái)站獲得了此次地震的三分量加速度記錄。將該臺(tái)站加速度記錄轉(zhuǎn)換成速度時(shí)程后，可以看出在斷層平行方向（FP）存在一個(gè)明顯的單側(cè)速度大脈沖，峰值速度超過 1.5m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷層垂直方向（FN）的峰值速度。

阿拉斯加管道PS10臺(tái)站的速度時(shí)程以及震源動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

斷層平行方向的振動(dòng)強(qiáng)度大于斷層垂直方向的強(qiáng)度，這正是超剪切破裂地震馬赫錐效應(yīng)的特點(diǎn)。

而對(duì)于一般地震，由破裂方向性效應(yīng)引起的速度脈沖是斷層垂直方向大于斷層平行方向。

模擬結(jié)果還顯示，此次地震在斷層垂直方向有兩次速度峰值（上圖b），右邊的速度峰值是超剪切破裂（馬赫錐效應(yīng)）引起的，后面接著的（左邊）第二個(gè)速度脈沖是走滑型斷層破裂方向性效應(yīng)引起的，與是否為超剪切破裂無關(guān)。

由此可見，隨著斷層破裂傳播速度的提高，其對(duì)近斷層強(qiáng)震動(dòng)的影響顯著。但是其影響規(guī)律如何，則需要更多的觀測(cè)資料驗(yàn)證和更深入的研究。

三、超剪切破裂地震 | 對(duì)我國(guó)輸油氣管網(wǎng)安全的啟示

總結(jié)和反思這些超剪切破裂地震造成的管道震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，其破壞的原因是否只是超過設(shè)防的斷層位錯(cuò)量？

除了斷層的位錯(cuò)量，是否還有其他因素造成管道破壞？另外根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，亞剪切破裂地震中，管道—斷層交會(huì)點(diǎn)和管道的破壞點(diǎn)之間是有一定距離的，而超剪切破裂地震造成的破壞點(diǎn)都是發(fā)生在管道與斷層交會(huì)處。

那么相對(duì)于亞剪切破裂地震，超剪切破裂地震在發(fā)震斷層及其周圍引起的地面變形和強(qiáng)震動(dòng)場(chǎng)有什么不同？用什么來表征超剪切破裂的地震作用？這些都是針對(duì)超剪切破裂地震新的、亟須解決的科學(xué)問題。

我國(guó)正在建設(shè)新的格拉輸油氣管道，而我國(guó)是世界上地震斷層活動(dòng)強(qiáng)烈的國(guó)家之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)外地震地質(zhì)學(xué)研究，除了上文提到的昆侖斷裂，在我國(guó)大陸地區(qū)具備發(fā)生超剪切破裂地震條件的斷裂還有紅河斷裂、小江斷裂、阿爾金斷裂等著名的活動(dòng)斷裂。

這些斷裂均為大規(guī)模的活動(dòng)斷裂，綿延上千公里，加之工程選線會(huì)受到山脈、河谷走向等制約，使得長(zhǎng)距離的輸油氣管道工程無法避讓這些斷裂，存在未來遭受超剪切破裂地震破壞的高風(fēng)險(xiǎn)。

在我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范中，跨斷層的管道抗斷設(shè)防位移是指震后的斷層靜態(tài)永久位移，輸油氣管道遭受斷層位錯(cuò)作用被簡(jiǎn)化成一個(gè)靜力問題進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

另外管道的抗震動(dòng)驗(yàn)算與抗斷驗(yàn)算是分開進(jìn)行的，即地震動(dòng)和斷層位錯(cuò)引起的管道應(yīng)變各自計(jì)算，然后分別與管道的允許應(yīng)變進(jìn)行比較。

對(duì)于大多數(shù)地震，先是強(qiáng)震動(dòng)（剪切波）到達(dá)，等破裂傳播到達(dá)后才開始發(fā)生斷層兩盤相對(duì)位錯(cuò)，將強(qiáng)震動(dòng)與斷層位錯(cuò)對(duì)管道的影響分開進(jìn)行驗(yàn)算是合理可行的。

但超剪切破裂地震是斷層破裂先到，斷層位錯(cuò)與馬赫錐效應(yīng)引起的超強(qiáng)震動(dòng)同時(shí)疊加作用在管道上，從這個(gè)角度看，現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)抗震驗(yàn)算方法存在不安全的隱患，現(xiàn)行抗震驗(yàn)算方法對(duì)于超剪切破裂地震的使用范圍也值得深入思考。