1.7　PGA与EPA的影响因素分析

重大工程场地的峰值加速度通常依据地震危险性分析结果来确定,在概率地震危险性分析中,衰减关系的选取、年超越概率的大小以及场点与潜源的位置关系等因素对计算结果都有一定的影响,改变其中的任一因素,计算结果都会发生明显变化。为了探讨上述诸因素对工程场点PGA、EPA以及PGA/EPA影响的显著程度,这里采用概率地震危险性分析方法,通过对不同影响因素对应的PGA、EPA及PGA/EPA计算结果的分析,来探讨各种影响因素对PGA、EPA及PGA/EPA的影响规律。

概率地震危险性计算采用地震局编制的概率地震危险性分析软件,其中地震区带和潜在震源区的划分以及相应的地震带和潜源参数、地震活动性参数直接引用第四代地震动参数区划图编制过程中所采用的综合方案。场点与潜源的位置关系见图1.11。

1.7.1　衰减关系式的影响

由于我国缺乏足够的强震记录资料直接进行衰减关系式的推求,目前在工程实用中,通常直接采用基于美国西部基岩强震记录资料的衰减关系式或通过转换得到的衰减关系式。这里选用了5组衰减关系式进行比较分析,其中前4组均为由美国西部基岩强震记录资料统计得到的衰减式,第5组为由霍俊荣美国西部基岩烈度和PGA及反应谱衰减式与锦屏研究区烈度衰减式转换得到的衰减关系式。

(1)霍俊荣Ⅱ型单随机变量的水平分量衰减关系式[25][见式(1.13)]。

(2)《地震安全性评价技术教程》[34]中推荐的霍俊荣Ⅲ型多随机变量的水平分量衰减关系式:

(3)霍俊荣[25]Ⅲ型单随机变量的水平分量衰减式:

(4)Abrahamson美国西部基岩水平分量峰值加速度衰减关系式[35]:

式中:rrup为最小断层距(km),PGA的C4=5.6,EPA的C4=5.1,σ=0.240。

(5)国家地震局地质研究所在“四川雅砻江锦屏水电站地震安全性评价报告”中用的水平分量衰减式[36]:

为了突出衰减关系式的影响,计算时以A场点为例,其他参数不变,对应5组衰减关系式的计算结果见图1.12、图1.13和表1.11、表1.12。

从计算结果来看,依据不同衰减式计算得到的PGA、EPA差异明显,说明衰减关系式的选取对PGA、EPA计算结果有显著影响。其中5组衰减式中,由式(1.13)计算得到的PGA值明显偏大,在10组年超越概率下,一致表现为最大;衰减关系式(1.18)和(1.19)的计算结果偏小,其中当年超越概率P≥0.004时,对应衰减关系式(1.18)的PGA值最小;当年超越概率P<0.004时,则由衰减关系式(1.19)计算得到的PGA值最小。从表1.12来看,相同年超越概率下,不同衰减式计算得到的最大PGA值为最小PGA值的1.24～1.72倍,最大EPA值为最小EPA值的1.54～2.42倍;最大PGA、最小PGA与平均值的相对误差比最大EPA、最小EPA与平均值的相对误差小。PGA的最大相对误差达32.56%,而EPA的最大相对误差达42.04%。

随年超越概率的变化不同衰减关系式计算结果的比例将发生变化,当年超越概率P≥0.02时,由衰减式(1.13)计算得到的EPA值最大,由式(1.18)计算得到的EPA值最小;当P<0.02时,由衰减式(1.16)计算得到的EPA值最大,由式(1.17)计算得到的EPA值最小。

不同衰减关系式计算得到的PGA/EPA存在显著差异,5组衰减关系式对应10个年超越概率下的PGA/EPA值在0.83～2.02变化。式(1.17)、式(1.18)的计算结果对应10个年超越概率一致表现为PGA>EPA。式(1.13)在年超越概率P≥0.01时表现为PGA<EPA;在P<0.01时则表现为PGA>EPA。式(1.16)则在P≥0.08和P≤0.0004时表现为PGA<EPA,在0.0004<P<0.08则表现为PGA>EPA。式(1.19)则仅当P≤0.0002时才表现为PGA<EPA,其余概率下均表现为PGA>EPA。由此可见,年超越概率的大小对PGA/EPA的影响也很大。

衰减关系式的选用对PGA、EPA及PGA/EPA值的影响显著,如果场地所在区内缺乏足够的强震记录用于衰减关系式的推求时,建议选用多组衰减关系式分别进行计算分析,然后取所有结果的加权平均值作为最终的计算结果,并进行不确定性分析,以减小因衰减关系式的选用而引入的误差。

1.7.2　年超越概率和潜源分布等的影响

为了便于比较不同年超越概率、潜源分布等对PGA/EPA的影响,在采用相同的计算方法、计算参数以及同一组衰减关系式的基础上,对研究区内6个场点进行了概率地震危险性计算分析。其中衰减关系采用霍俊荣Ⅲ型多随机变量衰减关系式,其中水平分量衰减式见式(1.16),竖向分量的PGA、EPA衰减关系式如下[25]:

6个场点对应不同年超越概率下的水平和竖向PGA/EPA值分别见表1.13,各主要贡献潜在震源对场点的贡献量见表1.14和表1.15,对应的年超越概率曲线见图1.14,PGA/EPA随年超越概率的变化曲线见图1.15。

1.7.2.1　年超越概率的影响

从表1.13及图1.14、图1.15不难看出,年超越概率对PGA/EPA有较大影响,且年超越概率对不同地震分量PGA/EPA的影响程度也不同。对于水平分量,年超越概率大时,PGA/EPA主要受年超越概率的影响,表现为PGA/EPA<1.0,如研究区内6个场点在P>0.008时一致表现为PGA/EPA<1.0;随年超越概率的减小,不同场点的PGA/EPA可能大于、等于或小于1.0。其中D场点在所考虑的10个年超越概率下均表现为PGA/EPA<1.0;其他场点则在某段年超越概率下表现为PGA/EPA>1.0,如B场点在P≤0.004,A场点在0.0006≤P≤0.004间,C场点在0.002≤P≤0.004间,E场点和F场点则在P≤0.001时;而在其他年超越概率下则表现为PGA/EPA<1.0。

当年超越概率大(P≥0.02)时,竖向分量PGA/EPA>1.0;随年超越概率的减小,不同场点PGA/EPA也发生变化,其中A场点在0.008≤P≤0.01间、B场点在0.004≤P≤0.01间、C场点在0.008<P≤0.01间、D场点在P≤0.01、E场点在0.0006≤P≤0.01间表现为PGA/EPA<1.0,其余年超越概率下表现为PGA/EPA>1.0;F场点则在所考虑的10个年超越概率(P)下均表现为PGA/EPA>1.0。

1.7.2.2　场点周围潜源分布形式的影响

场点周围潜在震源的分布形式及潜源震级上限的大小对PGA/EPA有明显影响。如D场点位于震级上限为6.5的6号潜源内,场点的地震动主要来自于6号潜源和远场震级上限为8.0的5号潜源,远场地震动低频成分丰富,因而表现为PGA/EPA<1.0。

F场点位于13号中强潜在震源区内,近中场无大震级上限的潜源而在远场存在大震级上限的8号潜源,在年超越概率大时,场点的地震动由近场小震和远场大震引起,表现为PGA/EPA<1.0,随着年超越概率的减小,由于距离的影响,远场8号潜源对场点的贡献逐渐减小,当P小到一定程度时8号潜源对F场点没贡献,此时F场点主要受13号潜源的影响,表现为PGA/EPA>1.0。

A场点、B场点、C场点本身就位于大震级上限的潜源内,且场点周围密集大震级上限的1号、2号、3号、4号、5号潜源,当年超越概率较大时,场点的贡献主要来自于近场小震和中远场大震,因此表现为PGA/EPA<1.0。随年超越概率的减小,能对场点产生影响的地震的震级和距离也在变化,震级增加的同时有效距离在减小,场点将主要受到近场中强震的影响,表现为PGA/EPA>1.0;当年超越概率减小到一定值时,场点的主要受大震级上限的近场地震的影响,如对A场点贡献量最大的潜源将由1号潜源转为2号潜源;B场点则受1号、3号、4号潜源共同影响;C场点也将受2号、3号、4号、5号潜源的共同影响,因而又表现为EPA/PGA>1.0。

E场点位于Mu≤6.5的潜源内,且潜源周围存在大震级上限的8号潜源,当P大时,E场点主要受11号潜源的小震和8号潜源的中强震影响,表现为EPA/PGA>1.0。随着年超越概率P的减小,E场点的贡献量将主要来自于8号潜源,因而又表现为PGA/EPA>1.0。

综上所述,场点周围潜源的分布形式及潜源震级上限的大小对场点的PGA、EPA及PGA/EPA有影响,若场点的贡献量主要来自于近场小震和远场大震的影响,则表现为PGA/EPA<1.0;若场点的贡献量主要来自于近场大震的影响,则PGA/EPA>1.0。为了减少PGA、EPA计算结果的误差,建议地震危险性分析时采用多方案分析方法,即采用多套地震区带、潜源的划分方案及参数确定方案单独分析,通过逻辑树法进行不确定分析后来确定最终的参数值。