2024年5月24日发(作者：元芮波)
文彦君
,2009 ,
延怀盆地官厅水库大坝设定地震的地震动模拟
,
中国地震
,25
(
1
)
,54
～
61
。
延怀盆地官厅水库大坝设定
地震的地震动模拟
文彦君
宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室
,
陕西省宝鸡市高新大道
1
号
721013
摘要 国内外相关研究表明
,
三维有限差分方法模拟地震动具有较高的准确性和可行性 。
结合相关理论与方法
,
利用延怀盆地地壳波速和密度模型
,
对延怀盆地官厅水库大坝设定地震
的地震动进行了模拟 。结果表明
,
模拟结果与用经验公式法所得结果吻合较好
,
得到的地震动
速度时间序列 、峰值速度等参数对大坝的结构抗震分析具有一定价值 。
关键词
:
延怀盆地 官厅水库大坝 设定地震 地震动模拟
[
文章编号
] 1001
2
4683
(
2009
)
01
2
054
2
08
[
中图分类号
] P315
[
文献标识码
] A
0
引言
地震波理论表明
,
可对地震动进行三维有限差分模拟 。计算机技术的迅猛发展
,
为地震
动三维有限差分模拟的实现提供了条件 。目前
,
通过对多个盆地的地震动进行三维有限差
分模拟
,
已经取得了一些成果
(
Olsen et al . ,1996 ; Satoh et al . ,2001 ;
高孟潭等
,2002 ; Wang et
al . ,2006
)
。
一般认为
,
三维有限差分方法适于模拟长周期地震动
,
这对于自振周期较长的大型工程
尤为重要
,
对于研究盆地对地震动的放大效应也具有一定意义
(
高孟潭等
,2002 ;Wang et al . ,
2006
)
。本文对延怀盆地设定地震的地震动进行了三维有限差分模拟
,
并对官厅水库大坝所
受影响进行了分析 。
1
有限差分地震动模拟理论与方法
1
1
1
地震波传播的有限差分算法及网格的使用
地震波在弹性介质中的传播满足相应的弹性动力学方程 。地震学中波传播的解析方程
包括弹性动力学微分方程及其他弹性力学方程 。
Madariaga
在研究断层破裂动力学模型时
,
最早引入有限差分方法
(
Ewald ,2001
)
。
Virieux
(
1986
)
将这一方法扩展到地震波传播领域
,
并
[
收稿日期
] 2008
2
10
2
14 ; [
修定日期
] 2009
2
01
2
05
。
[
项目类别
]
陕西省重点实验室项目
(
08J Z04
)
;
宝鸡文理学院重点科研项目
(
ZK0796
)
;
陕西省自然地理学重点学科基
金项目 。
[
作者简介
]
文彦君
,
男
,
生于
1978
年
,
硕士
,
讲师
,
主要从事区域地震危险性及灾害地质方面的研究 。
E
2
mail :wenyanjun2003 @163 . com
用交错网格提高了计算精度 。
利用地震波传播中的质点动力学微分方程和弹性力学本构方程
,
可导出地震波传播的
三维有限差分方程 。由于有限差分方法所计算的变量在空间上是离散的
,
因此需要对介质
进行网格划分
,
并将弹性参数 、速度及应力等变量定义在相应的网格节点上 。考虑差分方程
的插值过程
,
地震动三维有限差分模拟的算法一般采用交错网格
(
Grave ,1996 ; Ewald ,2001
)
。
1
1
2
模拟中的震源参数
有限差分算法
,
描述了用速度2应力的形式模拟地震波在三维弹性介质中的传播过程 。
而模拟中震源的作用是通过在震源位置上加入地震矩作为地震大小的度量
,
并将其按照相
应的震源机制解分解到相应的各个分量上 。用震源时间函数表示地震矩的释放过程
,
将地
震矩各分量分解到相应时点上
,
并进一步将震源地震矩转化成差分网格中震源节点处的应
力增量
,
这样就将震源参数纳入了模型之中
(
Ewald ,2001
)
。
1
1
3
三维有限差分方法的可行性
Frankel
等
(
1992
)
及
Olsen
等
(
2000
)
对一些地震的地震动进行了模拟
,
并将模拟的结果与
地震台站的观测结果进行了对比 。结果表明
,
在选取适当的震源参数
,
并建立准确的地壳波
速结构模型的前提下
,
在地震图 、峰值速度及弹性振动能量等方面
,
模拟结果与观测数据比
较吻合 。这说明三维有限差分方法模拟地震动具有一定的准确性 、可行性 。 对于历史地震
来说
,
由于缺少地震记录
,
因此可参考的只有据历史资料调查得到的宏观
烈度 。
Wang
等
(
2006
)
对
1720
年沙城地震的地震动进行了三维有限差分模拟
,
计算出了地
震烈度分布
,
并与历史资料调查得到的地震烈度
(
蔡华昌等
,1994
)
进行了对比分析 。结果表
明
,
有限差分模拟得到的极震区及
8
度区的方向与范围与历史地震研究的结果基本相同 。
前人的研究表明
,
用三维有限差分方法模拟地震动
,
不仅可提供峰值速度 、峰值加速度 、
强地震动持时及地震烈度等参数
,
同时还可提供地震动的速度2时间序列等 。对于距离震源
相对较近的场点
,
三维有限差分方法模拟的地震动结果准确性较高
,
具有实际的参考价值 。
2
官厅水库场地的地震动模拟
2
1
1
模拟区块的地球物理模型
2
1
1
1
1
速度结构
前人通过人工地震测深及地震转换波等方法的研究表明
,
延怀盆地的地壳上地幔速度
结构可分为如下几层
:
(
1
)
地壳近地表的新生代松散沉积层 。一般取
V
S
= 1
1
0km
Π
s ,
结合该地区的波速比资料
(
张从珍等
,1999
)
,
取
V
P
= 1
1
7km
Π
s
。高文学等
(
1993
)
曾研究过该层下界面埋深 。模拟时直
接将文献中的界面等深线图数字化
,
作为模拟参数纳入有限差分程序 。
(
2
)
第二层为上地壳上部的中 、新元古代2古生代2中生代的沉积盖层 。一般厚度为
8
～
10km ,
纵波速度
V
P
为
5
1
70
～
6
1
00km
Π
s
。该层下界面埋深数据仍然采用高文学等
(1993)
的界
面构造图
,
进行数字化处理 。根据刘启元等人对延怀盆地横波速度结构的研究
,
取
V
S
为
3
1
2
～
3
1
4km
Π
s
(
刘启元等
,1997
)
。
(3)
第三层为上地壳下部的脆性结晶基底 。该层下界面埋深为
14
～
18km , V
P
为
6
1
20
～
2024年5月24日发(作者：元芮波)
文彦君
,2009 ,
延怀盆地官厅水库大坝设定地震的地震动模拟
,
中国地震
,25
(
1
)
,54
～
61
。
延怀盆地官厅水库大坝设定
地震的地震动模拟
文彦君
宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室
,
陕西省宝鸡市高新大道
1
号
721013
摘要 国内外相关研究表明
,
三维有限差分方法模拟地震动具有较高的准确性和可行性 。
结合相关理论与方法
,
利用延怀盆地地壳波速和密度模型
,
对延怀盆地官厅水库大坝设定地震
的地震动进行了模拟 。结果表明
,
模拟结果与用经验公式法所得结果吻合较好
,
得到的地震动
速度时间序列 、峰值速度等参数对大坝的结构抗震分析具有一定价值 。
关键词
:
延怀盆地 官厅水库大坝 设定地震 地震动模拟
[
文章编号
] 1001
2
4683
(
2009
)
01
2
054
2
08
[
中图分类号
] P315
[
文献标识码
] A
0
引言
地震波理论表明
,
可对地震动进行三维有限差分模拟 。计算机技术的迅猛发展
,
为地震
动三维有限差分模拟的实现提供了条件 。目前
,
通过对多个盆地的地震动进行三维有限差
分模拟
,
已经取得了一些成果
(
Olsen et al . ,1996 ; Satoh et al . ,2001 ;
高孟潭等
,2002 ; Wang et
al . ,2006
)
。
一般认为
,
三维有限差分方法适于模拟长周期地震动
,
这对于自振周期较长的大型工程
尤为重要
,
对于研究盆地对地震动的放大效应也具有一定意义
(
高孟潭等
,2002 ;Wang et al . ,
2006
)
。本文对延怀盆地设定地震的地震动进行了三维有限差分模拟
,
并对官厅水库大坝所
受影响进行了分析 。
1
有限差分地震动模拟理论与方法
1
1
1
地震波传播的有限差分算法及网格的使用
地震波在弹性介质中的传播满足相应的弹性动力学方程 。地震学中波传播的解析方程
包括弹性动力学微分方程及其他弹性力学方程 。
Madariaga
在研究断层破裂动力学模型时
,
最早引入有限差分方法
(
Ewald ,2001
)
。
Virieux
(
1986
)
将这一方法扩展到地震波传播领域
,
并
[
收稿日期
] 2008
2
10
2
14 ; [
修定日期
] 2009
2
01
2
05
。
[
项目类别
]
陕西省重点实验室项目
(
08J Z04
)
;
宝鸡文理学院重点科研项目
(
ZK0796
)
;
陕西省自然地理学重点学科基
金项目 。
[
作者简介
]
文彦君
,
男
,
生于
1978
年
,
硕士
,
讲师
,
主要从事区域地震危险性及灾害地质方面的研究 。
E
2
mail :wenyanjun2003 @163 . com
用交错网格提高了计算精度 。
利用地震波传播中的质点动力学微分方程和弹性力学本构方程
,
可导出地震波传播的
三维有限差分方程 。由于有限差分方法所计算的变量在空间上是离散的
,
因此需要对介质
进行网格划分
,
并将弹性参数 、速度及应力等变量定义在相应的网格节点上 。考虑差分方程
的插值过程
,
地震动三维有限差分模拟的算法一般采用交错网格
(
Grave ,1996 ; Ewald ,2001
)
。
1
1
2
模拟中的震源参数
有限差分算法
,
描述了用速度2应力的形式模拟地震波在三维弹性介质中的传播过程 。
而模拟中震源的作用是通过在震源位置上加入地震矩作为地震大小的度量
,
并将其按照相
应的震源机制解分解到相应的各个分量上 。用震源时间函数表示地震矩的释放过程
,
将地
震矩各分量分解到相应时点上
,
并进一步将震源地震矩转化成差分网格中震源节点处的应
力增量
,
这样就将震源参数纳入了模型之中
(
Ewald ,2001
)
。
1
1
3
三维有限差分方法的可行性
Frankel
等
(
1992
)
及
Olsen
等
(
2000
)
对一些地震的地震动进行了模拟
,
并将模拟的结果与
地震台站的观测结果进行了对比 。结果表明
,
在选取适当的震源参数
,
并建立准确的地壳波
速结构模型的前提下
,
在地震图 、峰值速度及弹性振动能量等方面
,
模拟结果与观测数据比
较吻合 。这说明三维有限差分方法模拟地震动具有一定的准确性 、可行性 。 对于历史地震
来说
,
由于缺少地震记录
,
因此可参考的只有据历史资料调查得到的宏观
烈度 。
Wang
等
(
2006
)
对
1720
年沙城地震的地震动进行了三维有限差分模拟
,
计算出了地
震烈度分布
,
并与历史资料调查得到的地震烈度
(
蔡华昌等
,1994
)
进行了对比分析 。结果表
明
,
有限差分模拟得到的极震区及
8
度区的方向与范围与历史地震研究的结果基本相同 。
前人的研究表明
,
用三维有限差分方法模拟地震动
,
不仅可提供峰值速度 、峰值加速度 、
强地震动持时及地震烈度等参数
,
同时还可提供地震动的速度2时间序列等 。对于距离震源
相对较近的场点
,
三维有限差分方法模拟的地震动结果准确性较高
,
具有实际的参考价值 。
2
官厅水库场地的地震动模拟
2
1
1
模拟区块的地球物理模型
2
1
1
1
1
速度结构
前人通过人工地震测深及地震转换波等方法的研究表明
,
延怀盆地的地壳上地幔速度
结构可分为如下几层
:
(
1
)
地壳近地表的新生代松散沉积层 。一般取
V
S
= 1
1
0km
Π
s ,
结合该地区的波速比资料
(
张从珍等
,1999
)
,
取
V
P
= 1
1
7km
Π
s
。高文学等
(
1993
)
曾研究过该层下界面埋深 。模拟时直
接将文献中的界面等深线图数字化
,
作为模拟参数纳入有限差分程序 。
(
2
)
第二层为上地壳上部的中 、新元古代2古生代2中生代的沉积盖层 。一般厚度为
8
～
10km ,
纵波速度
V
P
为
5
1
70
～
6
1
00km
Π
s
。该层下界面埋深数据仍然采用高文学等
(1993)
的界
面构造图
,
进行数字化处理 。根据刘启元等人对延怀盆地横波速度结构的研究
,
取
V
S
为
3
1
2
～
3
1
4km
Π
s
(
刘启元等
,1997
)
。
(3)
第三层为上地壳下部的脆性结晶基底 。该层下界面埋深为
14
～
18km , V
P
为
6
1
20
～