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新消息丨《城市与减灾》| 刘爱文：超剪切破裂地震对跨断层管道的破坏与启示（二）

来源：科普中国

作者简介

刘爱文，中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，强震动地震学研究室主任，中国地震学会强震动观测技术与应用专业委员会主任委员、中国灾害防御协会风险专业委员会理事。主要研究领域为生命线地震工程和工程地震学。参加了汶川地震、玉树地震、尼泊尔地震等十多次的国内外地震现场工程震害调查及科考工作。近年承担了科技部、国家自然科学基金、地震行业专项等科研项目多项。发表学术论文数十篇。

一、管道遭遇超剪切破裂地震


(资料图片仅供参考)

案例一 ：2001 年 11 月青海与西藏交界发生昆仑山 Ms8.1级地震。这次地震发震断层为昆仑断裂，是一条长达 1000多千米的大型走滑断层。地震造成的地表破裂达到 400km。

地震学家根据地震观测资料发现发震断层破裂速度最高达到5km/s（当地 Vs=3.5km/s），属于超剪切破裂地震。根据野外地质实地调查，受断层破裂的挤压冲击（马赫锥）效应影响，地震造成地表断层破裂迹线上多处地震挤压鼓包，鼓包长 5~30m，宽 1~15m，高 0.2~2m。

昆仑山地震沿着地表断层破裂迹线出现的挤压鼓包

如下图所示，青海格尔木至西藏的输油管道（格拉管道）在与断层交会处，断层位错造成 0.159m 口径的严重管体断裂式破坏，管道输油功能丧失。幸运的是，地震发生时为冬季管道停输期间，否则还可能造成严重的次生灾害。

格拉管道与昆仑山地震地表破裂带交会示意图

案例二 ：1999 年 8 月 17 日，土耳其西北部 Izmit 市西南 11km 处发生 Mw7.4 的强烈地震。North Anatolian 断裂带是此次地震的发震断层，以右旋走滑为主。

根据震后调查，此次地震地表破裂带的最大宽度为 51m，最大错距为 3.8m，走滑段上的最大垂直错距为 0.6m，破裂长度近 200km。断层附近的台站 SKR 记录到异常的 S 波—P 波到时差，学者们用超剪切破裂解释了这一现象。

从储水坝到自来水厂有一条口径为 2.2m 的输水钢管穿越 North Anatolian 断裂带。通过测量管道与断裂交会点附近，地震造成篱笆的相对位移，推断断层位错量在管道与断层交会处为 3m 左右，管线与断层的交角约为钝角 125°。引起学者们关注的是，Izmit 地震造成了这条大口径供水钢管的3 处屈曲破坏。

土耳其Izmit地震造成2.2m口径的供水管道屈曲破坏示意图

如上图所示，最严重的屈曲破坏发生在断层交汇 A 处，其他两处 B 和 C 在断层的另外一侧。这种现象是目前管道抗震设计采用的拟静力方法（包括理论解和数值模拟）不能解释的。按照拟静力方法结果，埋地管道在断层位错作用下最大应变值应该出现在断层面附近一定距离处而非断层面上。

案例三 ：2002 年 11 月 3 日在美国阿拉斯加 Denali 断层发生 Mw7.9 地震，建于上世纪 70 年代的阿拉斯加输油管道穿越此条断层。经过科学严谨的地震安全性评价，该条管道采用地表滑轨的敷设方式，设防的断层位移量为 ：水平6.1m ；垂直 1.5m。根据震后 GPS 测地学的结果，在管道与断层的交汇处断层水平走滑位移 5.5~6m，垂直位移 1.5m。

即震后的实际断层位错量在阿拉斯加输油管道的设防断层位移量内，如下两图所示，地震后管道在地面铺设的滑轨上整体滑移，管道本体没有发生破坏变形，但是多处滑轨支架发生了破坏。

阿拉斯加管道在Denali地震前（左）与地震后（右）对比图

（管道穿越处的断层位移5.5~6.0m）

阿拉斯加管道穿越Denali断裂及其支架破坏

二、超剪切破裂地震****对跨断层管道的影响

通常情况下断层错动的位移是管道抗震设计考虑的主要因素。但以上的这些震害实例引出了断层破裂速度对管道的安全是否也有影响这个问题。

以阿拉斯加管道为例，探讨断层破裂速度为零和无穷大两种极端情况。

假定 Denali 断层破裂速度很小，接近于零值，即相当于慢地震或者断层慢滑移的情况，断层的最大位移量设定达到 6m。根据震源破裂的数值模拟结果，除了断层位错作用，断层周围的地震动加速度峰值、速度峰值几乎为零。

在这种情况下，阿拉斯加管道通过地面敷设的滑轨抗震措施，可以抵御该断层位错量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架没有振动冲击能量的破坏作用，也不会被破坏。

如果考虑另一种极端情况，断层破裂速度和断层位错都极快，即使在断层位错量很小（如 0.6m）的情况下，阿拉斯加管道与滑轨支架也会出现破坏。

地震学家通过对台站获得的记录进行震源动力学模拟，结果表明 Denali 断层从初始破裂点传播 40km 左右后，破裂速度即达到了 5.6km/s，超过当地地壳岩石 3.5km/s 的剪切波波速（Dunham et al., 2004）。

在此次地震中，距Denali 断层 3km 处的位于阿拉斯加输油管道上、编号为PS10 的台站获得了此次地震的三分量加速度记录。将该台站加速度记录转换成速度时程后，可以看出在断层平行方向（FP）存在一个明显的单侧速度大脉冲，峰值速度超过 1.5m/s，远远大于断层垂直方向（FN）的峰值速度。

阿拉斯加管道PS10台站的速度时程以及震源动力学模拟结果

断层平行方向的振动强度大于断层垂直方向的强度，这正是超剪切破裂地震马赫锥效应的特点。

而对于一般地震，由破裂方向性效应引起的速度脉冲是断层垂直方向大于断层平行方向。

模拟结果还显示，此次地震在断层垂直方向有两次速度峰值（上图b），右边的速度峰值是超剪切破裂（马赫锥效应）引起的，后面接着的（左边）第二个速度脉冲是走滑型断层破裂方向性效应引起的，与是否为超剪切破裂无关。

由此可见，随着断层破裂传播速度的提高，其对近断层强震动的影响显著。但是其影响规律如何，则需要更多的观测资料验证和更深入的研究。

三、超剪切破裂地震 |对我国输油气管网安全的启示

总结和反思这些超剪切破裂地震造成的管道震害经验教训，其破坏的原因是否只是超过设防的断层位错量？

除了断层的位错量，是否还有其他因素造成管道破坏？另外根据地震现场的调查，亚剪切破裂地震中，管道—断层交会点和管道的破坏点之间是有一定距离的，而超剪切破裂地震造成的破坏点都是发生在管道与断层交会处。

那么相对于亚剪切破裂地震，超剪切破裂地震在发震断层及其周围引起的地面变形和强震动场有什么不同？用什么来表征超剪切破裂的地震作用？这些都是针对超剪切破裂地震新的、亟须解决的科学问题。

我国正在建设新的格拉输油气管道，而我国是世界上地震断层活动强烈的国家之一。根据国内外地震地质学研究，除了上文提到的昆仑断裂，在我国大陆地区具备发生超剪切破裂地震条件的断裂还有红河断裂、小江断裂、阿尔金断裂等著名的活动断裂。

这些断裂均为大规模的活动断裂，绵延上千公里，加之工程选线会受到山脉、河谷走向等制约，使得长距离的输油气管道工程无法避让这些断裂，存在未来遭受超剪切破裂地震破坏的高风险。

在我国现行抗震规范中，跨断层的管道抗断设防位移是指震后的断层静态永久位移，输油气管道遭受断层位错作用被简化成一个静力问题进行抗震验算。

另外管道的抗震动验算与抗断验算是分开进行的，即地震动和断层位错引起的管道应变各自计算，然后分别与管道的允许应变进行比较。

对于大多数地震，先是强震动（剪切波）到达，等破裂传播到达后才开始发生断层两盘相对位错，将强震动与断层位错对管道的影响分开进行验算是合理可行的。

但超剪切破裂地震是断层破裂先到，断层位错与马赫锥效应引起的超强震动同时叠加作用在管道上，从这个角度看，现行的国标抗震验算方法存在不安全的隐患，现行抗震验算方法对于超剪切破裂地震的使用范围也值得深入思考。

关键词： 剪切破裂 阿拉斯加 破裂速度

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