Сейсмические воздействия на ГТС. Природа землетрясений и их характеристики

Более 13% территории бывшего Советского Союза подвержены воздействиям сильных землетрясений (7 баллов и более). В пределах бывшего Советского Союза выделяют 12 сейсмически опасных зон: Прикарпатье, Крым, Кавказ, Туркмения, Средняя Азия, Алтай и Сая­ны, Прибайкалье, Верхоянская зона, Чукотка, Дальний Восток, Сахалин, Камчатка и Курилы. В районах с 7-9 - балльной сей­смичностью ведется гражданское, промышленное и гидротехниче­ское строительство. Ряд гидроузлов проектируется, строится и возведено в районах высокой сейсмичности: Нурекский и Рогунский на р. Вахш, Токтогульский и Курпсайский на р. Нарын, Йнгурский, Чиркейский, Андижанский и др.

Создание гидротехнических сооружений, надежно работающих в условиях сейсмических воздействий, требует: во-первых, прогно­зирования максимально возможной силы землетрясения для дан­ного района строительства, характерных параметров сейсмического воздействия; во-вторых, учета сейсмического воздействия при про­ектировании сооружений с обеспечением их устойчивости и проч­ности и недопущением прорыва напорного фронта гидроузла.

Различают несколько видов землетрясений: тектонические (происходящие вследствие деформирования пластов земной ко­ры - сбросов, сдвигов, надвигов или разрывных нарушений), вул­канические, обвальные (нередко из-за проявлений карста), «воз­бужденные» или «плотинные» (проявляющиеся в процессе перво­начального наполнения и периодических колебаниях уровня во­дохранилища).

Наибольшей силой обладают тектонические землетрясения. Неравномерность движений в верхней мантии вызывает неравно­мерность движений и в земной коре. Если деформации нараста­ют достаточно быстро и напряжения в земной коре не успевают релаксировать, то при величинах этих напряжений, превышаю­щих прочность пород, происходит разрыв, сдвиг и др., сопровож­дающиеся выделением упругой энергии, накопленной в деформи­рованных пластах земли. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил трения и сцепления и на разрушение пород, а другая часть, обычно преобладающая, проявляется в виде энергии коле­баний окружающей упругой среды.

Плоскость, вдоль которой произошел разрыв или сдвиг, на­зывают плоскостью разрыва, а область вокруг разрыва, где про­изошло разрушение пород и высвобождение энергии, называют очагом землетрясения (или гипоцентром). Участок земной поверх­ности над гипоцентром называют эпицентром.

В целях прогноза проявления сейсмической активности изу­чается механизм землетрясения, причины возникновения землетря­сений (возможные модели очага землетрясения), геологическое и тектоническое строение района. На основе этих данных прибли­женно рассчитывают параметры возможного сейсмического воздей­ствия в этом районе. По глубинам очагов землетрясений разли­чают: нормальные - при глубинах очага до 50 км, промежуточ­ные - 70-300 км и глубокие землетрясения - 300-700 км. Раз­меры очагов оцениваются величинами от нескольких до сотен километров.

Рис. 5.1 Прохождение в твердом теле продольных и поперечных волн: а - продольные волны; б – поперечные

При землетрясении в пространство, окружающее очаг, уходят упругие волны - колебательные смещения и деформации упругой среды. При сейсмическом воздействии возникают и распространя­ются волны сжатия и растяжения - продольные волны, волны сдвига - поперечные волны, продольно-поперечные поверхностные волны или волны Рэлея (рис. 5.1). Эти волны имеют различные скорости распространения и четко выделяются на инструменталь­ных записях сейсмических колебаний. Продольные волны имеют скорость распространения колебаний (или ср)

 где   Е - модуль   упругости;    - плотность   среды   (породы),   где распространяются колебания;  - коэффициент Пуассона среды.

Скорость распространения поперечных волн (или ) выра­жается следующим соотношением:

где G - модуль сдвига. Для коэффициента Пуассона  = 0,25 можно вычислить соотношение между скоростями продольных и поперечных волн

                (5.3)

Скорость распространения поверхностных волн (Рэлея) составляет примерно .

Основной характеристикой очага является величина энергии, излучаемой в окружающую среду, а также спектральный состав колебаний (распределение максимальных смещений или энергии по различным частотам колебаний). Энергия возбужденных оча­гом упругих, волн связана с изменением (уменьшением) потенци­альной упругой энергии среды вследствие разрыва сплошности и смещения краев разрыва.

Преобладающую часть энергии несут поперечные волны. Энергию обычно обозначают Дж, а показатель степени К называют энергетическим классом землетрясения. Другой наиболее часто употребляемой характеристикой землетрясений является магнитуда - М, введенная в сейсмологию Ч. Рихтером и являющаяся условным показателем сейсмической энергии очага. Найдены эмпирические зависимости между М, Е и К. Например, Е=11,4+1,5 М.

Для характеристики масштабов учитываемых в сейсмологии эффектов приводится табл. 5.1, где даны размеры очагов земле­трясений (по Ю. В. Ризниченко). В таблице приняты обозначе­ния: R - радиус сферы, примерно оконтуривающей очаг, км; l - возможная длина разрыва в очаге (очаг может иметь форму эл­липсоида или др.), км; D- смещение двух воображаемых плоско­стей, проходящих через очаг, м.

Таблица  5.1

Величины энергетического класса К, магнитуды М и глубина очага H являются основными показателями возможного (прогно­зируемого) сейсмического воздействия для выбранного района строительства.

Интенсивность проявления землетрясений на поверхности зем­ли оценивается по специальной шкале. В СССР используется 12-балльная шкала ИФЗ АН СССР и аналогичная ей шкала МSК-64 (С. В. Медведев - СССР, В. Шпонхойер -ГДР, В. Карник - ЧССР). По этим шкалам оценивают повреждения зданий и сооружений, поведение и ощущения людей, а также соответст­вующие природные явления (обвалы и оползни, изменение дебита источников воды, трещины в грунте и др.), которые наблюдаются при землетрясении. Повреждения зданий обычно наблюдаются при землетрясениях свыше 7 баллов. В районах с 7-9 - балльной сей­смичностью строительство ведут с соблюдением специальных норм и правил. Балльность обычно обозначается J. Величины магниту­ды М, глубина очага Н связаны с балльностью сложной зависи­мостью, которая иллюстрируется табл. 5.2. Помимо описательных признаков в шкале МSК-64 приведены количественные характе­ристики колебаний почвы при землетрясениях, которые могут быть использованы в расчетах сооружений при выборе аналого­вых или синтезируемых на ЭВМ акселерограмм землетрясений либо при других способах детального описания возможного дви­жения почвы. Эти характеристики для 7-9- балльных районов приводятся в табл. 5.3. В табл. 5.3 приведены максимальные ве­личины ускорений почвы, записанные акселерометрами и от­носящиеся к периодам колебаний почвы 0,1-0,5 с, скорости, от­носящиеся к периодам 0,5-2,0 с, и смещения - для сейсмографа, представляющего собой маятник с периодом собственных колеба­ний 0,25 с и логарифмическим декрементом 0,5.

Таблица   5.2

 Таблица  5.3

 Одна из записей землетрясения приводится на рис. 5.2. Это

 Рис. 5.2 Акселерограмма  землетрясения  в    Сан-Фернандо 9 февраля   1971 г., записанная на сейсмической станции вблизи плотины Пакойма (США):
а - горизонтальная компоновка колебаний по направлению     юг - 74° - запад;             гце    параметры, б - вертикальная компонента;     в - горизонтальная    компонента   по направлению   юг - 16° - запад

акселерограмма землетрясения Сан-Фернандо 9 февраля 1971 г., полученная на сейсмической станции у плотины Пакойма (США).

Такие записи могут вообще рассматриваться как нестационарный случайный процесс. Записи ускорений колебаний почвы - акселе­рограммы могут быть испо­льзованы в расчетах сооружений, если они получены в сходных (с прогнозируемы­ми) сейсмических условиях. Эти записи называют анало­говыми акселерограммами. Основные параметры анало­говых акселерограмм определяют    в  соответствии  сосходной геологией по имеющимся   эмпирическим зависимостям для  ,   как функциям от  J, М, H, где  - преобладающий период колебаний, с; - длительность наиболее интенсивных колебаний, с, и другие параметры.