概率性地震滑坡危险性区划方法及其应用

未来地震的发生具有一定的随机性,以研究区遭受一定超越概率水平地震动作用所开展的滑坡危险性区划,忽视了部分潜在发生的地震的影响,是一种条件概率下的危险性区划。基于概率地震危险性分析及Newmark累积位移评估模型,以滑坡概率为危险性指标,提出一种考虑潜在地震影响的概率性地震滑坡危险性区划新方法,并可对震源机制、场地类型及地形高度的影响进行修正。以天水研究区为例,采用第五代地震动参数区划图的潜在震源区划分方案,结合研究区工程地质岩性分组及地形高程数据,对研究区未来50 a内地震滑坡危险性进行区划,结果表明地震滑坡中、高危险区主要集中于黄土覆盖或泥岩出露且斜坡坡度大于30°的地区,其中又以渭河及其支流藉河、牛头河两岸部分地区的地震滑坡危险性较高,对天水市区周边及陇海铁路线构成威胁。     

汶川地震滑坡分布规律与危险性评价

汶川地震诱发了数以万计的滑坡灾害,造成了巨大的财产损失与人员伤亡。本文基于地理信息系统、遥感、地质工程、统计学等理论,以汶川地震滑坡为研究对象,开展人机交互解译、信息自动提取、失稳机制分析、分布规律分析、危险性评价等方面的研究工作,取得了以下主要研究成果:(1)采用震后多源遥感影像人机交互解译,结合野外调查验证方法,圈定出48 000多处地震滑坡,总面积约为711.8km2。应用GIS技术,建立了汶川地震滑坡及相关地形、地质等空间数据库。(2)基于不同遥感影像,采用监督分类、非监督分类、决策树等多种方法,对北川县湔江流域部分地区进行地震滑坡信息的提取与对比分析。结果表明,采用SPOT5影像,基于最大似然法分类方法与坡度的决策树方法所得结果最理想。(3)对一些源区被地表破裂穿过的滑坡进行野外调查,在分析其与地表破裂空间关系的基础上,初步提出这些滑坡的触发原因不单是地震动作用,而是断裂错动与地震动2种外力的综合作用,且断裂错动的影响甚至高于地震动。(4)分析汶川地震滑坡强度–频率关系,分析结果表明:大光包滑坡与文家沟滑坡是汶川地震事件诱发的2个超大规模滑坡事件,除这2个滑坡及与其面积差小于0.1 km2的滑坡,汶川地震诱发的滑坡强频方程为y=-1.834 17x+12.369 1,其中,x为单体滑坡面积(m2)的常用对数值,y为滑坡面积大于该面积值的滑坡数量的常用对数值。统计滑坡空间分布与地震烈度、地震动加速度峰值PGA、岩性、地形等参数的关系,得出汶川地震滑坡易发因子内部级别。(5)分别采用确定性系数方法与证据权重方法,对汶川地震滑坡区域进行危险性评价,结果表明,证据权重方法略优于确定性系数方法。考虑了不同因子组合情况下的滑坡危险性,结果表明:地震烈度对地震滑坡的影响最大,而地形、地质、人类活动因素对地震滑坡危险性评价的影响较小。滑坡极高危险区与高危险区主要集中在一个沿发震断裂分布的带状区域内,表明地震滑坡受活动构造的控制作用强烈。(6)基于Logistic回归模型,分别对2组模型训练样本和不同百分比(100.0%,90.0%,80.0%,70.0%,60.0%,50.0%,40.0%,30.0%,20.0%,10.0%,5.0%,2.0%,1.0%,0.5%,0.2%,0.1%)训练样本开展地震滑坡的危险性评价。结果表明:2组模型训练样本的滑坡危险性评价结果较接近;对于不同百分比训练样本,当训练样本百分比大于等于10%,尤其是大于30%时,评价结果稳定;当训练样本百分比小于10%时,评价结果出现较大异常。(7)以北川县湔江流域部分地区作为研究区,采用人工神经网络模型,基于3组不同的滑坡训练样本、两类与单类评价样本、Logistic函数与Hyperbolic函数等12种方法进行地震滑坡危险性评价。结果表明,人工神经网络方法应用于汶川地震滑坡危险性评价的结果不理想。(8)基于3组不同的滑坡训练样本,采用两类支持向量机与单类支持向量机评价模型以及线性函数、多项式函数、径向基函数、S型函数4类计算函数等方法(共24种),对北川县湔江流域部分地区进行地震滑坡危险性评价。结果表明:基于500个最大滑坡的点数据训练样本的两类支持向量机模型与径向基函数结果的正确率最高;在地震滑坡危险性评价中,两类支持向量机比单类支持向量机更科学;在核函数的选择上,径向基函数最优。     

地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害评价方法

 基于莫尔–库仑破坏准则,通过引入地震动惯性力和地下水位系数,推导地震与降雨耦合作用下的滑坡安全系数计算公式。提出应用滑坡体物性、几何参数频度分析和蒙特卡罗模拟联合求算滑坡滑动概率的思路,建立综合坡度、土体类别、地震动强度和地下水位系数等因素的滑坡滑动概率理论判定矩阵。利用计算获得的特定研究区内不同强度地震动的重现概率,可将该矩阵转化为不同复发年限内实际地震发生条件下滑坡滑动概率的理论判定矩阵。依据2类理论判定矩阵,结合GIS技术、数字地质图和高精度DEM数据,即可实现地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害的概率性评价;以日本北九州市为例,给出应用该方法评价区域滑坡灾害的概率性预测结果。     

考虑垂直地震动的地震滑坡永久位移特征研究

大光包滑坡(12×10~8 m~3)是2008年汶川Ms8.0级地震触发的最大滑坡。地震记录表明,滑坡区不仅遭受了强烈水平地震动,而且受到与之几乎相等的垂直地震动。采用考虑垂直地震力的改进Newmark模型,开展滑面抗剪强度参数影响下滑坡地震永久位移响应研究。结果表明,垂直地震动显著增大了滑坡地震累积永久位移(最大增幅达903%),同时垂直地震动对永久位移(累积总量和累积速率)贡献受到滑面内摩擦角的显著影响(影响幅度达87.8%～90.7%),而受黏聚力影响较小(影响幅度仅为5%～27.4%);地震过程滑坡永久位移最大累积速率发生时刻和时长决定于地震能量集中释放时段,大光包滑坡区120s地震持时内,50%能量在30～50s内集中释放,由此推测大光包滑坡失稳可能在地震初期。研究所采用的改进Newmark法可用于评价垂直地震动对地震滑坡启动的贡献。     

新一代地震区划图的地震活动性模型

正新一代《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(以下简称为"五代图")是具有概率含义的地震区划图,编制中采用了概率地震危险性分析方法。任何地震危险性评价,都需要先了解工程场址周围地震活动水平,确定未来地震的强弱,然后结合地震所能产生的地震动强度,得到工程场址的地震危险性。然而,在目前科学认识水平下,地震的发生及地震动特性都具有一定不可预见性,难以给出确定性的预     

地震动强度参数与地铁车站结构动力响应指标分析

影响地铁车站动力响应的地震动强度参数有多种,研究地震动强度参数和结构地震响应指标的关联性对地下结构抗震设计具有重要的现实意义。为了研究近场地震动作用下适用于评价地铁地下车站的地震动强度参数,以大开地铁车站为原型,基于非线性时程分析结果,通过对22个地震动强度参数与结构地震响应指标进行双对数线性回归分析,从有效性、实用性和效益性对地震动强度参数与结构地震响应指标进行分析评价。研究结果表明:以地表峰值加速度PGA为代表的加速度型地震动参数以和加速度谱强度ASI为代表的谱相关型地震动参数更适合用于研究单层地铁车站结构,适合用于预测结构在地震作用下的动力响应;顶底板层间位移角、中柱底部剪力和中柱底部弯矩适合作为预测地铁地下结构的动力响应指标。     

基于离心振动台的堆积型滑坡加速度响应特征

 加速度响应规律是解释滑坡震害、合理确定地震影响系数的基础。为此,设计完成了50倍重力加速度条件下的堆积型滑坡离心振动台模型试验,用来研究堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。模型滑坡放置于600 mm×400 mm×500 mm(L×W×H)的刚性模型箱内,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,调整其幅值,研究不同强度地震动作用下堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。试验结果表明：坡面水平向和竖直向峰值加速度(PGA)放大系数随滑坡的高程增加而增大,趋于坡顶时,增速明显变大,具有明显的高程放大效应;地震动作用下坡面与坡体内部的加速度响应特征明显不同,具有坡面浅表放大效应;滑床岩体自下向上水平向加速度有放大趋势,但与滑坡浅表土体相比,放大倍数则明显减弱;坡顶附近存在显著的波型转换现象;随着输入地震波强度的增大,PGA放大系数总体上表现为递减趋势。所得到的成果初步揭示了堆积型滑坡的加速度响应特征,为解释滑坡震害、确定地震影响系数等提供较可靠的依据。     

2008年汶川地震导致的斜坡物质响应率及其空间分布规律分析

提出地震斜坡物质响应率(Response Rate of Seismic Slope Mass Movements,RRSSMM)的概念,然后基于汶川地震滑坡详细编录图,结合汶川地震导致的斜坡物质运动形式(滑坡)的“面积-体积”经验公式,对汶川地震导致的斜坡物质响应率及其空间分布规律开展研究,基于1 km2的正方形网格构建整个震区的地震斜坡物质响应率分布栅格图与等值线图,统计斜坡物质响应率大小与分布面积的关系,揭示地震斜坡物质响应率与分布面积之间的幂律关系。大光包滑坡(汶川地震触发的规模最大的滑坡)处的RRSSMM最大,达到47.9235 m。RRSSMM超过1m的区域主要分布在映秀-北川地表破裂南西段(映秀镇与北川县之间)对应的上盘区域,这一区域恰对应着逆冲分量为主的断裂上盘,这表明逆冲断裂对上盘区域发生滑坡的极强烈的控制作用。基于GIS技术与统计学理论,开展不同地震滑坡影响因子控制下的斜坡物质响应率空间分布规律分析,这些因子包括地形因子、地质因子与地震因子,分别为高程、坡度、坡向、斜坡曲率、斜坡坡位、与水系距离、岩性、与震中距离、与北川-映秀断裂距离、沿着北川-映秀断裂距离、地震动峰值加速度(PGA)与地震烈度。分析结果表明,RRSSMM 随着坡度、地震烈度、PGA的增加而增加;随着与震中距离、与北川-映秀断裂距离、与水系距离的增加而减少;最大的RRSSMM值高程范围为1600～1800 m;最大 RRSSMM值对应坡向为E方向;曲率越接近0,RRSSMM越小;坡位为中坡、下坡与谷底的 RRSSMM 值最高;砂岩、粉砂岩(Z),砂岩、粉砂岩、硅质岩、板岩(∈)这两类岩组是 RRSSMM 的高值岩性组合;沿着北川-映秀断裂的RRSSMM统计结果表明,逆冲运动习性的断裂比走滑习性的断裂对斜坡物质响应率具有更强烈的控制作用。该研究成果可为汶川地震区的河流与地貌演化、滑坡与泥石流研究等提供基础数据,也可指导其它地震触发的区域群体性滑坡事件的同类研究。     

路堤震害风险概率评价与管理研究

 路堤震害在破坏性地震中十分普遍,开展路堤震害风险概率评价并提出合理的震害风险管理方法对提高公路抗震能力和区域防灾减灾能力具有重要意义。进行路堤震害等级划分,选取路堤震害损伤参数,建立路堤震害等级与震害损伤参数的对应关系;以连霍高速公路西宝段K1125+470处路堤为例开展基于CPSHA的公路地震危险性评价,基于IDA和PSDA的路堤震害易损性评价以及基于危险性曲线的路堤震害风险概率评价;在明确路堤震害风险可接受度的基础上提出路堤震害风险管理方法,验证挡土墙对提高路堤抗震性能的积极作用。研究结果表明：连霍高速公路西宝段地震危险性评价结果比第四代地震区划图略高,这与目前渭河断陷盆地地震活跃的现实是一致的;PGA(PGA为地震动峰值加速度)达到0.6 g时,路堤超越严重损伤的概率为65.910%,达到0.8 g时,超越严重损伤的概率为99.995%,说明路堤震害易损性较高;路堤未来50 a超越严重损伤的风险概率为36.46%,发生基本完好和轻微损伤的风险概率为28.49%;以路堤未来50 a发生毁坏的风险概率40%为风险可接受度,路堤震害风险管理方法适用于新建路堤的抗震设计和已建路堤的抗震加固;未来50 a有挡土墙路堤超越严重损伤的风险概率比无挡土墙路堤低15.29%,发生基本完好和轻微损伤的风险概率比无挡土墙路堤高15.62%。     

基于日本滨海强震数据的不同震源类型的衰减关系比较

滨海区域多处于板块交界处,地震地质情况复杂,可能会受到不同震源类型地震的影响。为揭示滨海复杂板块区域不同震源类型地震的地震动衰减特征的差异,以日本东部复杂板块区域的四类典型地震——浅地壳地震、上地幔地震、俯冲带板缘地震和俯冲带板内地震为研究对象,基于上述各类地震中滨海场地记录到的951条地震记录,并考虑其场地条件,对各类地震动分别拟合建立地震动峰值加速度(PGA)和加速度反应谱参数的衰减关系。通过比较所建立模型与现有模型,并且分析不同类型震源衰减关系的差异,验证了建立的滨海复杂震源地震动衰减关系的合理性;与浅地壳地震相比,俯冲带板内地震和俯冲带板缘地震的PGA较大、衰减较快,上地幔地震的PGA较小、衰减较慢;对于衰减模型预测的加速度反应谱,在近场短周期,俯冲带板内地震最大,上地幔地震最小。研究结果揭示了滨海不同震源的地震动衰减关系的差异,可为此区域的地震危险性分析和抗震设防提供参考。     

地理信息系统/遥感技术支持下三峡库区青干河流域滑坡危险性评价

以统计模型为基础、地理信息系统作为工具的滑坡灾害评价模式已经得到普遍认可和使用,数字高程模型(DEM)、遥感影像、区域地质调查资料已经成为区域滑坡评价研究的因子数据源。选择三峡库区青干河流域顺向坡滑坡多发地段为研究区,在滑坡编目数据库基础上,通过:(1)数字高程模型获取高程、坡度、地形聚水能力因子;(2)遥感影像获取植被指数;(3)区域地质调查资料、数字高程模型计算斜坡类型定量因子TOBIA指数及获取岩石地层单元因子。采用二分类变量逻辑回归评价方法对上述6种因子建立滑坡危险性评价模型,开展地理信息系统/遥感技术支持下顺向坡滑坡危险性评价研究。研究结果表明,根据模型概率值分布和已知滑坡发育关系,可以将研究区划分为高危险区、中等危险区、低危险区3个等级,高危险区包含70%已知滑坡,中等危险区包含14%已知滑坡,评价结果和实际滑坡发育情况吻合,合理地反映区内滑坡灾害发育的总体特征。     

基于IDA的高面板堆石坝抗震性能评价

抗震性能分析能够有效估计结构在地震作用下的危险性,逐渐成为抗震安全性评价的重要方法,但由于结构的复杂性,该方法在面板堆石坝方面的应用还处于起步阶段。随着强震区大量高面板堆石坝的建设,这些高坝的安全性是必须要考虑的重大问题,因此对大坝进行抗震性能分析至关重要。增量动力分析(IDA)法作为一种抗震性能分析方法,能够全面、深入地分析在不同强度地震作用下结构性能的变化。将IDA法引入到高面板堆石坝安全评价领域,建立了高面板堆石坝地震破坏性能评价方法。根据场地条件选取了15条不同的强震动记录,以地震峰值加速度PGA为地震动参数,采用坝体地震震后变形、坝坡稳定性、面板防渗体安全为抗震性能评价指标,选取合适的性能参数,建议了高面板堆石坝各评价指标的破坏等级划分标准,通过大量非线性有限元计算,得到各性能参数的地震易损性曲线,分析了大坝在不同强度地震作用下发生破坏的概率,成果可为高面板堆石坝抗震性能设计和安全风险评估提供参考和依据。     

球节点刚度对单层柱面网壳地震响应影响随PGA变化的规律

已有研究发现单层柱面网壳焊接空心球节点刚度对结构的地震响应有一定影响,为了解此影响随PGA(地震动峰值加速度)变化的规律,对相同尺寸的单层柱面网壳精细化模型和常用模型进行了地震响应对比分析。其中精细化模型是按照空心球节点和钢管杆件的实际尺寸建立的壳单元模型;常用模型采用梁单元建模,不考虑球节点。改变PGA后,对比2种模型相同位置节点的位移时程曲线可以看到:随着PGA的增加,精细化模型与常用模型的节点位移响应差值越来越大;PGA超过结构的失稳临界值后,随着PGA的增加,加大精细化模型节点壁厚对提高结构抗失稳能力的作用越来越小。     

近场地震动作用下PC框架抗震性能影响因素

根据我国现行规范和规程设计三层两跨、六层两跨预应力混凝土(PC)框架各一榀,并在Open Sees中建立了其纤维单元分析模型。对该PC框架在近场脉冲型地震动和近场无脉冲型地震动作用下的抗震性能进行了分析,考察了脉冲效应、PGA、PGV/PGA、T_p/T对其响应的影响。结果表明:在近场脉冲型地震动作用下,PC框架所受损伤更为严重;结构响应与近场地震动PGA正相关,且PGA值相同时,PC框架在近场脉冲型地震动作用下的延性需求和基底剪力更大;PC框架所受损伤随PGV/PGA的增大经历了先增大(PGV/PGA≤0.1)、再减小(0.1PGV/PGA≤0.25)、最后再增大(PGV/PGA0.25)三个阶段;PC框架所受损伤随着T_p/T的增大经历了先增大(T_p/T≤2)、再减小(2T_p/T≤4.5)、最后趋于平稳(T_p/T4.5)三个阶段,且T_p/T=2时所受损伤最为严重。     

硬梁包水电站近坝库岸金蝉坡稳定性分析

硬梁包水电站地震地质背景复杂,闸址区50年超越概率10%,基岩水平地震动峰值加速度达260cm/s2。金蝉坡滑坡位于库区左岸,近坝约1.4km,水库蓄水后将淹没其坡脚,受库水消落及掏蚀等作用下,在水库蓄水和地震等工况下存在复活失稳可能,对大坝及其对岸移民安置点存在较大影响。本文对其稳定性进行了分析评价,并提出了工程治理措施建议。     

粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与地震动强度指标相关性研究

为了准确预测和分析粘滞阻尼减震结构的地震响应特性,需选用合适的地震动强度指标控制地震动的输入。本文建立了粘滞阻尼减震双线型SDOF体系的计算模型,选取了22条远场地震波,通过非线性时程分析计算了结构的地震响应,详细分析了粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与18种地震动强度指标的相关性,提出了计算结构的综合地震响应与地震动强度指标相关性的理论公式。研究表明,在0.1sT0.6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值加速度PGA相关性较高,建议选用地震动的峰值加速度PGA作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在T=0.6~2s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值速度PGV相关性较高,建议选用地震动的峰值速度PGV作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在2sT6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的第一周期谱速度Sa相关性较高,建议选用地震动的第一周期谱速度Sa作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标。     

硬梁包水电站近坝库岸金蝉坡稳定性分析

硬梁包水电站地震地质背景复杂,闸址区50年超越概率10%,基岩水平地震动峰值加速度达260cm/s2。金蝉坡滑坡位于库区左岸,近坝约1.4km,水库蓄水后将淹没其坡脚,受库水消落及掏蚀等作用下,在水库蓄水和地震等工况下存在复活失稳可能,对大坝及其对岸移民安置点存在较大影响。本文对其稳定性进行了分析评价,并提出了工程治理措施建议。     

近断层地震动对基础隔震结构地震反应的影响

采用Open Sees对基础隔震结构进行了不同类型地震动作用下的地震反应分析,研究了近断层脉冲型地震动及其特性对结构地震反应的影响,表明近断层脉冲型地震动对基础隔震结构的地震反应有较大影响,甚至可能造成支座由于水平变形较大而导致其破坏,使基础隔震结构的隔震效果有所降低;在罕遇地震作用下,结构的地震响应随近断层地震动的PGV/PGA和PGD/PGA的增大而明显增大,其中PGV/PGA和PGD/PGA对支座位移的影响最大。因而,在近断层区域进行基础隔震结构设计时,应重点考虑地震动的脉冲效应对结构地震反应的影响。     

考虑巨震的四级地震设防水平一致风险导向定义与决策分析

防止结构倒塌、保障生命安全是确定抗震设防标准的首要目标。抗震设防水准的决策应该从只考虑地震危险性的“一致危险”原则向考虑地震危险性区域差异和工程结构抗倒塌能力不确定性的“一致风险”原则过渡。新颁布的第五代地震动参数区划图已提出第四级设防水准“极罕遇地震”（或“巨震”）,但是现行抗震设计规范仍然采用三水准设防原则,抗震设计从当前的三水准设防原则向四水准设防原则转变已成为当前工程界迫切需要解决的问题,但是目前各国对巨震的定义还比较混乱。该文阐述四级地震设防水平决策的风险导向原理,提出确定风险导向地震设防水平的解析方法。针对我国大陆地区的地震环境和抗震设防情况,给出目标倒塌风险以及相应于巨震、大震和中震的目标条件倒塌概率的建议值。采用这些建议值以及地震危险性参数的简化确定方法,初步计算并得到了相应于四级地震设防水准的风险导向地震动参数PGA值。通过与我国现行抗震设计规范、最新版地震动参数区划图和我国学者对各级设防水准地震定义的PGA值进行对比分析,发现该文得到的巨震PGA值大于最新版地震动参数区划图定义的巨震PGA值,而小震、中震和大震的PGA值则小于我国现行抗震设计规范规定的PGA值。     

不同后续使用年限地震加速度(PGA)取值研究

现行的建筑抗震设计规范中,以"三个水准"来表达抗震设防目标,即"小震不坏,中震可修,大震不倒",对于现有建筑物的抗震鉴定和加固,要使加固后的建筑物在后续的使用年限中具有与原设计相同的概率水准,抗震鉴定和加固时就需要给出相应使用年限的"三个水准"设防目标的地震动加速度(PGA),作为地震作用的计算依据。本文依据极值Ⅲ型概率分布函数,给出不同使用年限下"三个水准"设防目标相对应的地震烈度,进而换算出相应的地震动加速度(PGA),最终给出后续使用30年和40年的"三个水准"设防目标的地震动加速度(PGA)与50年的地震动加速度(PGA)的比值,方便设计人员使用。