尾矿库工程场地的地震安全性评价

郝

（1.辽宁大学环境学院，辽宁沈阳110036；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳110013）

尾矿库作为矿山的三大控制性工程之一，以往设计坝高一般在60 m以下，服务年限较短，无需进行场地的地震安全性评价。但随着老尾矿库陆续达到库容标准，加高扩容项目越来越多，许多尾矿库加高后成为一、二等大型高坝尾矿库，属于可能引发严重地质灾害的重大工程。根据《工程场地地震安全性评价》［1］的要求，应进行地震安全性评价，确定抗震设防要求。

据此，以某大型尾矿库加高扩容项目为例，开展工程场地的地震安全性评价，为抗震设计提供可靠依据，建立的分析方法也为类似尾矿库提供借鉴和参考。

该尾矿库位于山东省招远市，场地属低山丘陵地貌单元，基岩为花岗岩。据《中国地震动参数区划图》［2］，场地的地震动峰值加速度0.10g、反应谱特征周期0.45 s。初期坝由碎石堆积而成，外坡比约为1∶1.8；尾矿堆积坝坡比1∶4.0，坝面设纵、横向排水沟及横向排渗管。尾矿在坝前均匀堆放，以增强坝体稳定性。现状尾矿坝顶面长约650 m、总坝高77.82 m；加高后顶面长约1 100 m、总坝高137.82 m，总库容约5 136万m3，属二等库，基本结构周期0.9～1.8 s。

1 区域地震及断裂活动性评价

1.1 区域地震活动性

尾矿库场地处于华北断块区东部。对场地地震危险性有影响的主要活动断裂带有NNE向郯庐断裂带、NW向渤海—威海断裂带、南黄海内多条NE向断裂以及鲁东断块内的断裂构造。区域内共记录M≥4.7级地震41次，地震活动受NNE向郯庐断裂带和几条NW向活动断裂带的控制，历史上在断裂交汇部位及其附近曾发生多次强震。据统计，郯庐地震带内发生8.5级地震1次，7～7.9级地震6次，6～6.9级地震13次，其中1668年郯城8.5级地震是中国东部最大一次地震。地震带内的微震活动也较活跃，1970年以来M≤3.0级地震也显示沿郯庐断裂带密集分布。

从统计结果看，区域现代地震平均震源深度约为15 km，优势深度范围分布在6～30km内，震源深度30 km以内的约占96.75%，均为浅源地震。构造应力场主压应力为NEE向，在70°～80°；主拉应力为NNW向，在340°～350°；力的作用方向近水平，仰角低于30°。

1.2 工程场地断裂活动性

工程场地所遭受过的最大影响烈度为Ⅶ度（1668年郯城地震），其他地震的影响烈度小于等于Ⅵ度。郯庐断裂带控制着7级及以上地震的发生，其他断裂带具有中强地震的可能，场地的地震危险主要来自于郯庐断裂带的中、强地震活动，区域未来100 a地震活动处于活跃期的水平，存在7级左右地震的可能。

查阅工程场地附近1∶50 000地质图，破头青断裂在工程场地北部通过，该断裂为前第四纪断裂，距工程场地最近约1.6 km。根据《山东省地震构造图、山东省新构造图及说明书》［3］和《水电工程水工建筑物抗震设计规范》［4］的有关规定，分析该断裂不会对工程场地稳定性造成影响。

2 场地地震动参数确定

2.1 地震带活动性参数确定

2.1.1 震级上限Muz和起算震级M0的确定

Muz有2条确定原则［5］：① 历史资料足够长时，可采用区域内发生过的最大地震强度；②若属于同一个大地震活动区，则采用构造类比外推。据此，依据地震带震级上限Muz等于带内各潜在震源区的震级上限（Mu）最大值，即Muz=（Mu）max，得到郯庐地震带Muz=8.5。

M0与震源深度、类型和应力环境等有关。本区范围内地震属浅源地震，一些4级地震也会产生一定程度的破坏，因此将起算震级M0定为4.0级。地震带参数中震源深度取为15 km。

2.1.2 地震带b值和v4的确定

采用《全国地震动参数区划图》［2］中确定各地震带b值和v4的方法。考虑郯庐地震带1500年后M≥5.0级的地震记录才基本完整，1970年后的4级以上地震记录较全，1477年和1829年是2个地震活动相对密集期的开始，对b值和v4进行调整，方法为：①4级以上地震年发生率应大致相当1970年以来地震活动水平；②5级以上地震年发生率应不低估1477年、1829年以来地震活动水平；③较大震级发生率应重点考虑1500年以来地震活动情况。经调整，确定郯庐地震区地震活动性参数为b=0.85，v4=4.0。图1为累计地震年平均发生率—震级关系拟合曲线。

2.2 潜在震源区活动性参数确定

将地震带的Mj分成7个震级档：4.0～4.9、5.0～5.4、5.5～5.9、6.0～6.4、6.5～6.9、7.0～7.4、≥7.5 。6.0级以下潜在震源区，主要考虑小震空间分布密度，据地震实际平均发生率对不同活动水平地区作不等权分配；6.5级以上潜在震源区，主要考虑：①以往区划工作结果，②大陆长期地震活动的构造背景，③具备发生7级以上地震的构造上空段，④潜在震源区可靠程度。

我国大陆地震发生通常与一组共轭断裂相关［6］，且烈度等震线多呈椭圆形，其长轴沿其中一个主破裂方向展布，地震烈度在长轴和短轴方向衰减特征不同。主破裂方向（衰减长轴方向）的概率分布可根据对区域地震构造和历史地震的统计分析得到。本区域内断裂活动以走滑为主，各潜在震源区长轴大多与各潜在震源区构造走向一致。对具有共轭断层的潜在震源区，依照2个方向发生可能性的大小，给予不同概率值。据此，建立场地主要潜在震源区的主破裂方向与空间分布函数见表1，其中θ是指破裂的构造走向与正东方向间的夹角，P表示概率。

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2.3 地震动衰减关系确定

在此，采用俞言祥等建立的中国东部地区水平向基岩加速度反应谱衰减关系［7］，基岩地震动水平向加速度峰值和反应谱衰减关系为

本衰减关系曾在多个华北地区的场地地震安全性评价及地震小区划工作中得到应用，实践证明该衰减关系是适合本地区的。衰减关系周期取到6 s，可满足本次评价的需求。

3 地震危险性概率分析

式中，A为加速度峰值或反应谱值；M为震级；R为震中距；c1～c6为回归系数。

计算潜在震源区对场地的基岩地震加速度峰值贡献概率，结果见表2。

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可见，对场地影响较大的为154、134、147、103号潜源，受近场中强震、远场大震影响。考虑工程场地50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%，计算对应的基岩地震加速度峰值Amax分别为101.4、132.6、224.6、272.6 cm/s2和反应谱（阻尼比为5%）。图2为场地基岩地震加速度峰值危险性曲线，图3为基岩地震加速度反应谱。

4 设计地震动参数确定

4.1 设计地震反应谱形式

参考《水电工程水工建筑物抗震设计规范》［4］、《构筑物抗震设计规范》［8］及重要工程反应谱确定原则，工程场地设计地震动反应谱取如下形式：

式中，Sa（T）为周期T时的反应谱值，cm/s2；T为反应谱周期，s；T0、Tg为反应谱拐点周期，s；Amax为地震动峰值加速度，cm/s2；βm为放大倍数谱最大值；C为衰减系数。

4.2 场地地震反应计算与设计地震动参数

依据式（2），将土层加速度反应谱进行相应的数值拟合，初步确定其T0、Tg、βm和C值，得到设计地震加速度反应谱。本工程场地的覆盖层很薄，可据场地基岩地震动反应谱直接确定出设计反应谱［9］。参考《中国地震动参数区划图》［2］中有关设计反应谱参数的取值原则：采用计算和平台值除以2.5的值进行比较后再确定最终的地震动参数方法，并考虑安全性与经济性双重因素，对部分放大倍数和衰减系数等设计参数稍作修正。

图4中的淡色折线即为最终得到的设计反应谱，地表设计地震动参数见表3。

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4.3 场地地表设计地震动时程的确定

4.3.1 地震动参数持续时间及衰减系数确定

根据表3确定地震动持续时间及衰减系数，见表4。

4.3.2 地震动时程曲线确定

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根据图4的场地50 a和100 a不同超越概率地震加速度反应谱、表3的设计地震动参数及表4的地震动持续时间及衰减系数，以阻尼比5%分别合成工程场地50 a超越概率10%、5%，100 a超越概率2%、1%的设计地表地震动时程如图5。

5 结 论

针对某大型尾矿库加高扩容工程开展场地的地震安全性评价，主要结论如下：

（1）工程场地处于华北断块区的胶辽断块内，地震活动主要受北北东向郯庐断裂带和几条北西向活动断裂带的控制，活动断裂交汇处是地震多发处；破头青断裂在工程场地北部通过，距场地最近约1.6 km，不会对场地稳定性造成影响。

（2）震级上限Mu取值为8.5；地震带的起算震级M0定为4.0级。地震带参数中震源深度取为15 km；地震带b值定为0.85，v4定为4.0；确定了潜在震源区的主破裂方向与空间分布函数（表1），给出基岩地震动水平峰值加速度和反应谱衰减关系。

（3）确定了潜在震源区对场地基岩地震加速度峰值的贡献概率，得到了50 a超越概率10%和5%，100 a超越概率2%和1%时的基岩地震动峰值加速度（表3）；建立了50 a和100 a各超越概率的场地地表地震加速度反应谱及设计谱图4，确定了场地设计地震动反应谱方程式。

（4）经拟合基岩谱，得到工程场地阻尼比为5%的50 a超越概率10%和5%、100 a超越概率2%和1%时场地的设计地震动参数，合成了相应的设计地表地震动时程曲线。

（5）提供的地震动参数和时程曲线是针对大坝底部地面位置，由于鞭梢效应存在，地震动参数会受到地形影响而有所变化，因此坝肩处（两边山体）的地震动参数需参考相关规范进行系数调整。