《城市與減災》| 劉愛文：超剪切破裂地震對跨斷層管道的破壞與啟示（二）

作者簡介

劉愛文，中國地震局地球物理研究所研究員，博士生導師，強震動地震學研究室主任，中國地震學會強震動觀測技術與應用專業(yè)委員會主任委員、中國災害防御協(xié)會風險專業(yè)委員會理事。主要研究領域為生命線地震工程和工程地震學。參加了汶川地震、玉樹地震、尼泊爾地震等十多次的國內外地震現(xiàn)場工程震害調查及科考工作。近年承擔了科技部、國家自然科學基金、地震行業(yè)專項等科研項目多項。發(fā)表學術論文數(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級地震。這次地震發(fā)震斷層為昆侖斷裂，是一條長達 1000多千米的大型走滑斷層。地震造成的地表破裂達到 400km。

地震學家根據(jù)地震觀測資料發(fā)現(xiàn)發(fā)震斷層破裂速度最高達到5km/s（當?shù)?Vs=3.5km/s），屬于超剪切破裂地震。根據(jù)野外地質實地調查，受斷層破裂的擠壓沖擊（馬赫錐）效應影響，地震造成地表斷層破裂跡線上多處地震擠壓鼓包，鼓包長 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）在與斷層交會處，斷層位錯造成 0.159m 口徑的嚴重管體斷裂式破壞，管道輸油功能喪失。幸運的是，地震發(fā)生時為冬季管道停輸期間，否則還可能造成嚴重的次生災害。

格拉管道與昆侖山地震地表破裂帶交會示意圖

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)震后調查，此次地震地表破裂帶的最大寬度為 51m，最大錯距為 3.8m，走滑段上的最大垂直錯距為 0.6m，破裂長度近 200km。斷層附近的臺站 SKR 記錄到異常的 S 波—P 波到時差，學者們用超剪切破裂解釋了這一現(xiàn)象。

從儲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。通過測量管道與斷裂交會點附近，地震造成籬笆的相對位移，推斷斷層位錯量在管道與斷層交會處為 3m 左右，管線與斷層的交角約為鈍角 125°。引起學者們關注的是，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。這種現(xiàn)象是目前管道抗震設計采用的擬靜力方法（包括理論解和數(shù)值模擬）不能解釋的。按照擬靜力方法結果，埋地管道在斷層位錯作用下最大應變值應該出現(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 日在美國阿拉斯加 Denali 斷層發(fā)生 Mw7.9 地震，建于上世紀 70 年代的阿拉斯加輸油管道穿越此條斷層。經過科學嚴謹?shù)牡卣鸢踩栽u價，該條管道采用地表滑軌的敷設方式，設防的斷層位移量為 ：水平6.1m ；垂直 1.5m。根據(jù)震后 GPS 測地學的結果，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。

即震后的實際斷層位錯量在阿拉斯加輸油管道的設防斷層位移量內，如下兩圖所示，地震后管道在地面鋪設的滑軌上整體滑移，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****對跨斷層管道的影響

通常情況下斷層錯動的位移是管道抗震設計考慮的主要因素。但以上的這些震害實例引出了斷層破裂速度對管道的安全是否也有影響這個問題。

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，即相當于慢地震或者斷層慢滑移的情況，斷層的最大位移量設定達到 6m。根據(jù)震源破裂的數(shù)值模擬結果，除了斷層位錯作用，斷層周圍的地震動加速度峰值、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的滑軌抗震措施，可以抵御該斷層位錯量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架沒有振動沖擊能量的破壞作用，也不會被破壞。

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

地震學家通過對臺站獲得的記錄進行震源動力學模擬，結果表明 Denali 斷層從初始破裂點傳播 40km 左右后，破裂速度即達到了 5.6km/s，超過當?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、編號為PS10 的臺站獲得了此次地震的三分量加速度記錄。將該臺站加速度記錄轉換成速度時程后，可以看出在斷層平行方向（FP）存在一個明顯的單側速度大脈沖，峰值速度超過 1.5m/s，遠遠大于斷層垂直方向（FN）的峰值速度。

阿拉斯加管道PS10臺站的速度時程以及震源動力學模擬結果

斷層平行方向的振動強度大于斷層垂直方向的強度，這正是超剪切破裂地震馬赫錐效應的特點。

而對于一般地震，由破裂方向性效應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）引起的，后面接著的（左邊）第二個速度脈沖是走滑型斷層破裂方向性效應引起的，與是否為超剪切破裂無關。

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

三、超剪切破裂地震 | 對我國輸油氣管網安全的啟示

總結和反思這些超剪切破裂地震造成的管道震害經驗教訓，其破壞的原因是否只是超過設防的斷層位錯量？

除了斷層的位錯量，是否還有其他因素造成管道破壞？另外根據(jù)地震現(xiàn)場的調查，亞剪切破裂地震中，管道—斷層交會點和管道的破壞點之間是有一定距離的，而超剪切破裂地震造成的破壞點都是發(fā)生在管道與斷層交會處。

那么相對于亞剪切破裂地震，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震動場有什么不同？用什么來表征超剪切破裂的地震作用？這些都是針對超剪切破裂地震新的、亟須解決的科學問題。

我國正在建設新的格拉輸油氣管道，而我國是世界上地震斷層活動強烈的國家之一。根據(jù)國內外地震地質學研究，除了上文提到的昆侖斷裂，在我國大陸地區(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斷裂。

這些斷裂均為大規(guī)模的活動斷裂，綿延上千公里，加之工程選線會受到山脈、河谷走向等制約，使得長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險。

在我國現(xiàn)行抗震規(guī)范中，跨斷層的管道抗斷設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作用被簡化成一個靜力問題進行抗震驗算。

另外管道的抗震動驗算與抗斷驗算是分開進行的，即地震動和斷層位錯引起的管道應變各自計算，然后分別與管道的允許應變進行比較。

對于大多數(shù)地震，先是強震動（剪切波）到達，等破裂傳播到達后才開始發(fā)生斷層兩盤相對位錯，將強震動與斷層位錯對管道的影響分開進行驗算是合理可行的。

但超剪切破裂地震是斷層破裂先到，斷層位錯與馬赫錐效應引起的超強震動同時疊加作用在管道上，從這個角度看，現(xiàn)行的國標抗震驗算方法存在不安全的隱患，現(xiàn)行抗震驗算方法對于超剪切破裂地震的使用范圍也值得深入思考。