CN116609823B - 考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，属于危险性评估技术领域。所述方法包括以下步骤：S1：确定潜在震源区的活动性参数；S2：选择研究区域的地震动衰减关系；S3：计算边坡坡向对应的脉冲地震动概率P；S4：计算地震动强度参数超越概率，以此获得超越概率曲线；S5：获得固定超越概率下的地震动强度参数IM_s；S6：计算临界加速度a_c；S7：建立考虑断层性质和地震动特性的地震边坡永久位移模型；S8：计算研究区域的地震边坡永久位移D_N；S9：建立地震滑坡概率‑永久位移模型；S10：计算研究区域D_N对应的地震滑坡概率值，以此判断研究区域发生滑坡的危险性。本发明能够更准确的判断研究区域的地震滑坡危险性。

Description

考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法

技术领域

本发明涉及地震滑坡危险性评价技术领域，特别涉及一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法。

背景技术

地震通常伴随着严重的滑坡灾害，地震诱发的滑坡往往会造成巨大的财产损失和人员伤亡。近年来，在土地管理和灾害预防中，常采用地震滑坡危险性评价方法来评价地震滑坡的危险性。所述地震滑坡危险性评价方法通常是指综合考虑边坡特性如高程、坡度、地质构造、岩土体强度和地震特性如震源、发震断层、地震动强度参数等，采用一些计算方法进行危险性评价，根据评价结果可划分地震滑坡的极高危险区、高危险区、中危险区及低危险区。

目前，常见的地震滑坡危险性评价方法分为统计方法、数据分析法和基于力学模型法。其中，统计分析法可用于计算各影响因子的权重，和其他两类方法相比较为简便，数据分析法常被用做历史地震滑坡反演，操作简便高效，但这两类方法都是基于已有历史地震滑坡数据，因此会受到滑坡样本的限制，用于地震滑坡预测较难。由于基于力学模型方法采用的永久位移模型为全世界范围内的地震动记录计算而建立的，并考虑了边坡的力学特性，因此其可用于地震滑坡震前预测、震后评估等。

当前针对基于力学模型的地震滑坡危险性评价的研究方法较多，但大多研究忽略了断层性质和地震动特性对地震边坡带来的影响，而这会影响评价结果的准确性。因此，亟需一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，通过考虑断层和地震动特性，提高危险性评价结果的准确性。

本发明的技术方案如下：

一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，包括以下步骤：

S1：确定潜在震源区的活动性参数，所述活动性参数包括地震年平均发生率ν、表示区域内不同大小地震频数的比例关系b、起算震级M₀、地震带震级上限M_u；

S2：选择研究区域的地震动衰减关系；

S3：计算脉冲地震动概率PP，结合边坡坡向计算边坡坡向对应的脉冲地震动概率P；

S4：结合步骤S1-S3获取的信息，计算考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率，以此获得地震动强度参数超越概率曲线；

S5：根据所述地震动强度参数超越概率曲线，获得固定超越概率下的地震动强度参数IM_s；

S6：计算临界加速度a_c；

S7：建立考虑断层性质和地震动特性的地震边坡永久位移模型；

S8：根据所述地震边坡永久位移模型，结合所述地震动强度参数IM_s和所述临界加速度a_c，计算研究区域的地震边坡永久位移D_N；

S9：基于历史地震滑坡数据和位移值建立地震滑坡概率-永久位移模型；

S10：根据所述地震滑坡概率-永久位移模型，计算研究区域地震边坡永久位移D_N对应的地震滑坡概率值，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性。

作为优选，步骤S1中，确定潜在震源区的活动性参数时，根据研究区域的历史地震、微震活动、活动断层、大地构造以及地质构造进行确定。

作为优选，步骤S3中，所述脉冲地震动概率PP通过下式进行计算：

式中：e为自然底数，无量纲；R为场点至断层的垂直距离，km；s为从震中沿断层走向方向到场点的破裂长度，km；θ为断层面与震中到到场点连线路径之间的方位角，°；d为从震源沿断层向上到场点的破裂宽度，km；φ为断层面与震源到场点连线路径之间的夹角，°；

所述边坡坡向对应的脉冲地震动概率P通过下式进行计算：

P(走滑断层)＝min[0.67,0.67-0.0041·(77.5-η)] (3)

P(非走滑断层)＝min[0.53,0.53-0.0041·(70.2-η)] (4)

式中：η为边坡坡向，°。

作为优选，步骤S4中，所述考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率通过下式进行计算：

P_nopulse＝1-P_pulse(7)

式中：ν_IM(x)为给定地震动参数IM的年超越概率；ν_i为地震年平均发生率；P(IM＞x|M,R,Z)为距离R发生M级地震时，IM超过特定值x的条件概率；f_i(M,R,Z)为特定断层i的某次震级为M、距离为R、震源到场地的几何参数为Z的地震的联合概率密度函数；P_pulse为脉冲地震动概率；P_nopulse为非脉冲地震动概率。

作为优选，条件概率P(IM＞x|M,R,Z,pulse)通过下式进行计算：

式中：Φ为标准正态累积分布函数；m_lnIM,pulse和s_lnIM,pulse分别为脉冲地震动的平均值和标准偏差；

条件概率P(IM＞x|M,R,Z,nopulse)通过下式进行计算：

式中：m_lnIM,nopulse和s_lnIM,nopulse分别为非脉冲地震动的平均值和标准偏差。

作为优选，所述平均值和标准偏差分别通过下式进行计算：

m_lnIM,pulse＝m_lnAf+m_lnIM,gmm (10)

s_lnIM,pulse＝s_lnIM,gmm (11)

m_lnIM,nopulse＝m_lnIM,gmm (12)

s_lnIM,nopulse＝s_lnIM,gmm (13)

式中：m_lnAf为常数，无量纲；m_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度均值；s_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度标准偏差。

作为优选，步骤S6中，所述临界加速度a_c通过下式进行计算：

a_c＝(F_S-1)·g·sinα (14)

式中：F_S为安全系数，无量纲；g为重力加速度，m/s²；α为坡度，°；c为粘聚力，kPa；γ为岩土体重度，kN/m³；t为潜在滑体厚度，m；为内摩擦角，°；m为饱和厚度与总厚度之比，无量纲；γ_w为水的重度，kN/m³。

作为优选，步骤S7中，所述地震边坡永久位移模型为：

式中：PGA为地震动峰值加速度，g；PGV为地震动峰值速度，cm/s；I_a为阿里亚斯强度，m/s。

作为优选，步骤S9中，所述地震滑坡概率-永久位移模型为：

式中：P_L为地震滑坡概率，％。

作为优选，步骤S10中，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性时：所述地震滑坡概率值越大，发生滑坡的危险性越高。

本发明的有益效果是：

本发明通过建立考虑断层性质和地震动方向性对边坡位移影响的地震边坡永久位移模型，其能够跟准确的预测获得地震边坡永久位移，将其应用于概率性地震滑坡危险性评价中，能够提高区域地震滑坡危险性判断的准确度，为近(跨)断层区域的边坡防灾减灾工作提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法的流程示意图；

图2为场点与断层、震源、震中几何关系示意图；其中，图2(a)为走滑断层的示意图，图2(b)为非走滑断层的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如图1所示，本发明提供一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，包括以下步骤：

S1：确定潜在震源区的活动性参数，所述活动性参数包括地震年平均发生率ν、表示区域内不同大小地震频数的比例关系b、起算震级M₀、地震带震级上限M_u。

在一个具体的实施例中，确定潜在震源区的活动性参数时，根据研究区域的历史地震、微震活动、活动断层、大地构造以及地质构造进行确定。需要说明的是，活动性参数的确定为现有技术，具体确定方法在此不再赘述。

S2：选择研究区域的地震动衰减关系。

在一个具体的实施例中，基于已有研究建立的多种地震动衰减关系IM_s＝f(M,R…)(这些衰减关系是通过选取各种地震动记录和场地条件等建立的)，根据研究区域的特点，在已建立的地震动衰减关系中选择适用于所述研究区域的地震动衰减关系，如采取的地震动记录来源与所述研究区域历史地震相同、场地条件相似等。

S3：计算脉冲地震动概率PP，结合边坡坡向计算边坡坡向对应的脉冲地震动概率P。

计算所述计算脉冲地震动概率PP时，根据断层性质和场地与震源、震中、断层之间的几何关系进行计算，走滑断层和非走滑断层的场点与断层、震源、震中的几何关系如图2所示。

在一个具体的实施例中，所述脉冲地震动概率PP通过下式进行计算：

式中：e为自然底数，无量纲；R为场点至断层的垂直距离，km；s为从震中沿断层走向方向到场点的破裂长度，km；θ为断层面与震中到到场点连线路径之间的方位角，°；d为从震源沿断层向上到场点的破裂宽度，km；φ为断层面与震源到场点连线路径之间的夹角，°；

所述边坡坡向对应的脉冲地震动概率P通过下式进行计算：

P(走滑断层)＝min[0.67,0.67-0.0041·(77.5-η)] (3)

P(非走滑断层)＝min[0.53,0.53-0.0041·(70.2-η)] (4)

式中：η为边坡坡向，°。

S4：结合步骤S1-S3获取的信息，计算考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率，以此获得地震动强度参数超越概率曲线。

在一个具体的实施例中，所述考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率通过下式进行计算：

P_nopulse＝1-P_pulse (7)

式中：ν_IM(x)为给定地震动参数IM的年超越概率；ν_i为地震年平均发生率；P(IM＞x|M,R,Z)为距离R发生M级地震时，IM超过特定值x的条件概率；f_i(M,R,Z)为特定断层i的某次震级为M、距离为R、震源到场地的几何参数为Z的地震的联合概率密度函数；P_pulse为脉冲地震动概率；P_nopulse为非脉冲地震动概率。

需要说明的是，所述震源到场地的几何参数可表征场地和震源、断层之间几何关系的参数，如公式(1)和公式(2)中的距离、长度、宽度、角度等。

可选地，条件概率P(IM＞x|M,R,Z,pulse)通过下式进行计算：

式中：Φ为标准正态累积分布函数；m_lnIM,pulse和s_lnIM,pulse分别为脉冲地震动的平均值和标准偏差；

条件概率P(IM＞x|M,R,Z,nopulse)通过下式进行计算：

式中：m_lnIM,nopulse和s_lnIM,nopulse分别为非脉冲地震动的平均值和标准偏差。

可选地，所述平均值和标准偏差分别通过下式进行计算：

m_lnIM,pulse＝m_lnAf+m_lnIM,gmm (10)

s_lnIM,pulse＝s_lnIM,gmm (11)

m_lnIM,nopulse＝m_lnIM,gmm (12)

s_lnIM,nopulse＝s_lnIM,gmm (13)

式中：m_lnAf为常数，无量纲；m_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度均值；s_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度标准偏差。

上式中，下标中的Af表示脉冲地震动产生的放大因子，下标中的lnIM,gmm是基于步骤S2选择的地震动衰减关系根据震级M和距离R等计算出的地震动强度参数IM_s(包括地震动峰值加速度PGA、地震动峰值速度PGV和阿里亚斯强度Ia等)，所述传统地震动模型为现有技术，具体模型在此不再赘述。

在一个具体的实施例中，所述μ_lnAf取值为0.058。

S5：根据所述地震动强度参数超越概率曲线，获得固定超越概率下的地震动强度参数IM_s。

在一个具体的实施例中，中震50年超越概率为10％，即475年一遇；大震50年超越概率为2％，即2475年一遇。

S6：计算临界加速度a_c。

在一个具体的实施例中，计算所述临界加速度a_c时，先根据研究区域的地质图、岩土体物理参数及高程数据，得到区域粘聚力c，内摩擦角及坡度α分布图，然后通过下式进行计算所述临界加速度a_c：

a_c＝(F_S-1)·g·sinα (14)

式中：F_S为安全系数，无量纲；g为重力加速度，m/s²；α为坡度，°；c为粘聚力，kPa；γ为岩土体重度，kN/m³；t为潜在滑体厚度，m；为内摩擦角，°；m为饱和厚度与总厚度之比，无量纲；γ_w为水的重度，kN/m³。

S7：建立考虑断层性质和地震动特性的地震边坡永久位移模型。

建立考虑断层性质和地震动特性的地震边坡永久位移模型时，具体包括以下子步骤：先建立模型D_N＝f(a_c,IM_s)，然后利用该模型计算多条地震动在多个方向的位移值，以此分析地震动方向性和永久位移之间的关系，根据不同地震动方向对永久位移的影响程度，选择位移建立所述考虑断层性质和地震动方向性的地震边坡永久位移模型。

在一个具体的实施例中，利用模型D_N＝f(a_c,IM_s)计算了2233条地震动在60个方向的共计613620个位移值，以此建立获得的所述地震边坡永久位移模型为：

走滑：

非走滑：

式中：PGA为地震动峰值加速度，g；PGV为地震动峰值速度，cm/s；I_a为阿里亚斯强度，m/s。

在上述实施例中，公式(16)的R²＝0.768，公式(17)的R²＝0.777。

S8：根据所述地震边坡永久位移模型，结合所述地震动强度参数IM_s和所述临界加速度a_c，计算研究区域的地震边坡永久位移D_N。

S9：基于历史地震滑坡数据和位移值建立地震滑坡概率-永久位移模型。

在一个具体的实施例中，所述地震滑坡概率-永久位移模型为：

式中：P_L为地震滑坡概率，％。

S10：根据所述地震滑坡概率-永久位移模型，计算研究区域地震边坡永久位移D_N对应的地震滑坡概率值，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性。

在一个具体的实施例中，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性时：将地震滑坡概率值分为四个等级，极高危险性、高危险性、中危险性及低危险性，所述地震滑坡概率值越大，发生滑坡的危险性越高。

综上所述，本发明能够更加准确地评价概率性地震的滑坡危险性。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定潜在震源区的活动性参数，所述活动性参数包括地震年平均发生率ν、表示区域内不同大小地震频数的比例关系b、起算震级M₀、地震带震级上限M_u；

S2：选择研究区域的地震动衰减关系；

S3：计算脉冲地震动概率PP，结合边坡坡向计算边坡坡向对应的脉冲地震动概率P；

S4：结合步骤S1-S3获取的信息，计算考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率，以此获得地震动强度参数超越概率曲线；

所述考虑断层性质和地震动特性的地震动强度参数超越概率通过下式进行计算：

式中：ν_IM(x)为给定地震动参数IM的年超越概率；ν_i为地震年平均发生率；

P(IM＞x|M,R,Z)为距离R发生M级地震时，IM超过特定值x的条件概率；f_i(M,R,Z)为特定断层i的某次震级为M、距离为R、震源到场地的几何参数为Z的地震的联合概率密度函数；P_pulse为脉冲地震动概率；P_nopulse为非脉冲地震动概率；

S5：根据所述地震动强度参数超越概率曲线，获得固定超越概率下的地震动强度参数IM_s；

S6：计算临界加速度a_c；

S7：建立考虑断层性质和地震动特性的地震边坡永久位移模型；

S8：根据所述地震边坡永久位移模型，结合所述地震动强度参数IM_s和所述临界加速度a_c，计算研究区域的地震边坡永久位移D_N；

S9：基于历史地震滑坡数据和位移值建立地震滑坡概率-永久位移模型；

S10：根据所述地震滑坡概率-永久位移模型，计算研究区域地震边坡永久位移D_N对应的地震滑坡概率值，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性。

2.根据权利要求1的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S1中，确定潜在震源区的活动性参数时，根据研究区域的历史地震、微震活动、活动断层、大地构造以及地质构造进行确定。

3.根据权利要求1的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S3中，所述脉冲地震动概率PP通过下式进行计算：

式中：e为自然底数，无量纲；R为场点至断层的垂直距离，km；s为从震中沿断层走向方向到场点的破裂长度，km；θ为断层面与震中到到场点连线路径之间的方位角，°；d为从震源沿断层向上到场点的破裂宽度，km；φ为断层面与震源到场点连线路径之间的夹角，°；

所述边坡坡向对应的脉冲地震动概率P通过下式进行计算：

P(走滑断层)＝min[0.67,0.67-0.0041·(77.5-η)] (3)

P(非走滑断层)＝min[0.53,0.53-0.0041·(70.2-η)] (4)

式中：η为边坡坡向，°。

4.根据权利要求1的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，条件概率P(IM＞x|M,R,Z,pulse)通过下式进行计算：

式中：Φ为标准正态累积分布函数；m_lnIM,pulse和s_lnIM,pulse分别为脉冲地震动的平均值和标准偏差；

条件概率P(IM＞x|M,R,Z,nopulse)通过下式进行计算：

式中：m_lnIM,nopulse和s_lnIM,nopulse分别为非脉冲地震动的平均值和标准偏差。

5.根据权利要求4的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，所述平均值和标准偏差分别通过下式进行计算：

m_lnIM,pulse＝m_lnAf+m_lnIM,gmm (10)

s_lnIM,pulse＝s_lnIM,gmm (11)

m_lnIM,nopulse＝m_lnIM,gmm (12)

s_lnIM,nopulse＝s_lnIM,gmm (13)

式中：m_lnAf为常数，无量纲；m_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度均值；s_lnIM,gmm为采用传统地震动模型计算的地震动强度标准偏差。

6.根据权利要求1的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S6中，所述临界加速度a_c通过下式进行计算：

a_c＝(F_S-1)·g·sinα (14)

式中：F_S为安全系数，无量纲；g为重力加速度，m/s²；α为坡度，°；c为粘聚力，kPa；γ为岩土体重度，kN/m³；t为潜在滑体厚度，m；为内摩擦角，°；m为饱和厚度与总厚度之比，无量纲；γ_w为水的重度，kN/m³。

7.根据权利要求1-6中任意一项的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S7中，所述地震边坡永久位移模型为：

式中：PGA为地震动峰值加速度，g；PGV为地震动峰值速度，cm/s；I_a为阿里亚斯强度，m/s。

8.根据权利要求1-6中任意一项的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S9中，所述地震滑坡概率-永久位移模型为：

式中：P_L为地震滑坡概率，％。

9.根据权利要求1的考虑断层和地震动特性的概率性地震滑坡危险性评价方法，其特征在于，步骤S10中，根据所述地震滑坡概率值判断研究区域发生滑坡的危险性时：所述地震滑坡概率值越大，发生滑坡的危险性越高。