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創作區名稱: 地震工程

摘要:
地震工程
主編:
孫一鴻
編輯群:
林伯勳  財團法人地工技術研究發展基金會  
[ 前往相關討論區 ]

目錄:
 ◆ 第四章 設計地震的決定

◆ 第四章 設計地震的決定
  4.1  目的
      ·決定大壩及相關附屬設施之耐震設計基準(MCEDBEOBE)      
      ·
決定控制設計之活動斷層      
      ·
決定地震規模
      ·決定設計加速度      
      ·
決定設計反應譜      
      ·
製作設計分析用合成地震歷時
 

   4.2  國內設計地震之要求

      ·規範

         1.『經濟部水庫安全評估地質與地震評估規範』(草案)
         2.『經濟部蓄水水庫安全評估規範』(草案)
           
·大壩之最大設計地動(MaximumDesignGroundMotion,MDGM)應按水庫之重要性分級:
             
1. I級水庫:採用最大可能地動(MaximumCredibleGroundMotion,MCGM)之壩址尖峰地表加速度值。
             
2.II級水庫:採用最大可能地動(MCGM)至設計基準地動(DesignBasisGroundMotion,DBGM)間之壩址尖峰地表加速度值。
             3.III
級水庫:採用設計基準地動(DBGM)至運轉基準地動(OperationalBasisGroundMotion,OBGM)間之壩址尖峰地表
                                   加速度。
          
·MCGMDBGM、與OBGM之定義:
            
1.地震(Earthquake)與地動(GroundMotion)的差異。
            
2.最大可能地動(MCGM):由控制斷層之最大可能地震規模(MaximumCredibleEarthquake,MCE)或該斷層50,000
                迴歸期之地震規模決定配合斷層距離與適當衰減公式推估之地表最大加速度。
            
3.設計基準地動(MDBGM):根據機率式地震危害度結果,相對於迴歸期為100年之地動值。
            
4.運轉基準地動(OBGM):根據機率式地震危害度結果,相對於迴歸期為25年之地動值。
               
水庫之分級由水庫之大小及災害潛勢決定如下:


大小等級

蓄水量,S(106m3)

條件

壩高,H(m)

小型

S<1

H < 15

中型

1 < S < 5

15 < H < 60

大型

S > 5

H > 60

 

災害潛勢等級

淹沒區人口,

P (千人)

淹沒之以開發土地面積,A(km2)

輕度

P < 1

A < 1

中度

1 < P < 10

1 < A < 10

重度

P > 10

A > 10

 

水庫大小等級

災害潛勢等級

水庫分級

大型
中型
小型

重度

I
I
II

大型
中型
小型

中度

I

II

III

大型
中型
小型

輕度

II

III

III

 

         國外規範:
            1.美國(USBRUSCOEFERCNRCUSCOLD)、日本、英國、加拿大、澳洲、與國際大壩協會(ICOLD)
            2.水庫分級
            3.設計地震:
               ·大型水庫或重要水庫-使用MCEOBE設計
               ·MCE下大壩容許局部受損,但蓄水庫不會產生無法控制的洩水情況。
               
·OBE下大壩及相關附屬設備不能受損且必須能立即操作。
               
·OBE係以100年生命周期內可能發生的地震,其迴歸期一般訂於150年至200年。
               
·較不重要且危害度較低之水庫可考慮以OBE設計。
         
4.最小地震:考慮盲斷層所訂定之浮動震源或隨機震源,規模66.5位於壩址正下方,震源深度由壩址附近地殼與
                                地震記錄決定,一般可考慮
5公里深。
        
5.水庫誘發地震:5~6億立方公尺以上之大型水庫、壩高100公尺以上、斷層構造、大地應力處在張力狀態、近期地
                                        震活動較平靜。
        
6.討論:
              ·DBGM、OBGM設計水庫是有否恰當(迴歸期100年與25)。 (點選可至<線上論壇>)  
              
·建築技術規則設計地震回歸期為475年(點選可至<線上論壇>)  
   
      
4.3  斷層的認定標準
            
·活斷層的定義莫衷一是:
               
1.最近一次的活動有從最短的數百年來、至常用的全新世以來(100,000)、到更久的第四紀。
               
2.但都有共同之處:·近期錯動(recentoffset)

                                                  ·再現(recurrence)或再活動之可能性
               
3.Bonilla(1975)-在最近的過去(recentpast)曾活動過,於不久將來(nearfuture)仍有可能活動的斷層。
               
4.日本斷層協會-自第四紀以來曾發生過移動,且推估沿此破裂面將來仍有可能再活動的斷層。
               
5.Trifonov,1985-過去10,000年以來發生錯動的斷層。
               
6.Trifonov&Machette,1993『世界主要斷層活動分佈圖編列計畫』-100,000(全新世或更新世晚期)發生錯動之斷層。
                  (因有些地區很難將全新世或更新世晚期的地層作區分)
            
·經濟部水庫安全評估地質與地震評估規範』(草案)對活斷層的認定標準:
            
符合下述條件之一或以上之應被認定為活動斷層:
               
1.過去35,000年內曾有一次或一次以上之地表或接近地表之錯動;或於過去500,000年內曾重複發生前述錯動之斷層。
               
2.由儀器量測到、且具足夠定位精度之地震活動有直接關聯之斷層。
               
3.與符合(1)(2)之斷層有構造上關聯,且可合理推測彼此有互動關係之斷層。
               
4.不符合上述所有條件之斷層即為非活動斷層。
            
·經濟部中央地質調查所『台灣活動斷層概論』(含五十萬分之一台灣活斷層分佈圖說明書)對活斷層的認定標準:
               
(1)第一類活動斷層(全新世活動斷層)
                     
·全新世(10,000年內)曾發生錯移之斷層
                     
·錯移(或潛移)現代結構物之斷層
                     
·與地震相伴之斷層(地震斷層)
                     
·錯移現代沖積層之斷層
                     
·地形監測證實具有活動性之斷層
               
(2)第二類活動斷層(更新世晚期活動斷層)
                     
·過去十萬年以來曾發生錯移之斷層
                     
·錯移階地堆積物或台地堆積物之斷層
                   
l國外活斷層之認定標準:
               
整理如圖4-1所示,圖中各單位說明如下:
                     USNRC:美國原子能委員會
                     USBR:美國墾務局
                     USCOE:美國陸軍工兵團
                     CaliforniaDSOD:美國加州大壩安全管理委員會
                     CaliforniaAP-Act:美國加州斷層兩側限建規範
                   

 

4-1美國工程界與地質界對活斷層之不同定義

      l討論:(線上論壇)
         1.國內水庫管理單位之活斷層認定標準根據美國核能委員會(NRC),與一般壩工設計界之規範比較,略嫌保守。  
         2.國內水庫管理單位之活斷層認定標準,與經濟部中央地調所之認定標準不同。        
      
4.4  台灣地區震源劃分
             
4.4.1  地體構造分區
                        
台灣地區之地體構造主要是受歐亞板塊與菲律賓海板塊間相互作用影響。在台灣北部,菲律賓海板塊俯衝潛入
               歐亞板塊下方,形成琉球島弧;在台灣東部,菲律賓海板塊與歐亞板塊相互擠壓,同時向北滑動,台東縱谷為二板塊
               之交界處;在台灣南部,歐亞板塊俯衝潛人菲律賓海板塊之下面。
                        
台灣地區可依上述之地殼運動所形成之不同構造,分為四個地體構造區,如圖4-2
                           1.西部平原及山麓區(A)
                           2.中央山脈區(B)
                           3.東部區(C)
                           4.板塊隱沒區或深層地震區(D)



                                                   
                                                                              4-2台灣地質分區圖
            
               
四個分區中AB兩區位於歐亞大陸板塊上,C區屬菲律賓海板塊,D區則位於菲律賓海板塊隱沒至歐亞大陸板塊下地區。
         由過去地震記錄,
ABC三區之地震大部份為淺層地震,震源深度多小於30公里,反之,D區則多為中至深層地震。
      
         ·西部平原及山麓區(A)A區以屈尺斷層及潮洲斷層與B區為界,地層均為中新世以後之沈積岩,岩性以砂岩、頁岩、
          泥岩及沖積層為主。此區構造上為造山帶中之褶皺衝斷帶,目前活斷層及災害性地震仍多。
         
·中央山脈區(B)B區介於台東縱谷斷層與屈尺、潮州斷層之間,為台灣之脊樑地區,地形陡峻。岩性有第三紀板岩、
          千枚岩、變質砂岩與先第三紀之片岩、花岡岩、大理岩,變質火成岩等。此區構造上為造山帶中之變質岩核心,目前屬
          於地震較平靜之地區。
         
·東部地區(C):指台東縱谷斷層以東之海岸山脈及外海地區,包括沖繩海槽、琉球島弧、呂宋島弧及其以東之海洋板塊,
          其地殼組成及地體構造背景與台灣本島截然不同,且因地殼變動激烈,地震極為頻繁,故劃分為一區。
         ·板塊隱沒區(D):本區指菲律賓海板塊向北隱沒於歐亞大陸板塊之部分。由於隱沒板塊時有中至深層地震發生,且地震
          特性與淺層地震不盡相同,故單獨劃分為一區。
         
·每一地殼構造區之最大可能地震(MCE)可根據地震構造區內發生之最大歷史地震加一增量(通常為0.1個地震規模)而定,
          或由能量累積法
(EnergyAccumulationMethod)決定。

      ·
討論:(線上論壇)
         1.台北發生的地震應控制高雄(譬如說:美濃大壩)的耐震設計是否合理?

         2.壩址與區域震源之衰減距離如何訂,以中興顧問社南化水庫原設計為例。

         3.SeismicTectonicProvince的源由-美國東部無地表斷層,無法確定斷層位置,因此假定地震可能在根據地殼地質條件劃分的震源區的任何一點發生。此源自美國核能委員會(NRC)之規範。
         4.美國西部斷層位置較確定,震源模式則不採用SeismicTectonicProvinceModel,而係根據斷層震源模式(FaultModel)。
         5.台灣則介於兩者之間,歷史上之大地震均可與已知之活斷層相關,例如:1999年的規模7.3的集集地震與車籠埔斷層;1946年規模6.1的新化地震與新化斷層;1951年規模7以上的台東縱谷地震系列與池上、玉里斷層;1935年規模7.1的新竹-台中烈震與獅潭、神卓山斷層;與1906年規模7.1的梅山地震與梅山斷層。其他主要震災地震包括:1904年規模6.1的斗六地震;1916年規模6.2到6.8的南投地震系列;1941年規模7.1的中埔地震:甚至包括最近兩年發生的1998年瑞里地震與1999年嘉義地震,均無法確定的指認出肇因的斷層係何斷層。

      
4.4.2  根據地震監測資料劃分之區域震源
         ·常用於機率式地震危害度分析
         
·多用於代表東部隱沒型震源(SubductionZone)
         
·一般多分為淺層震源與深層震源兩大類(35公里為界)
         
·震源劃分方式因人而異,無一定論。
         
·震源之劃分多根據地震記錄,大都不特別考慮地殼構造之影響
         
·範例(摘自國家地震中心報告)
         
·淺層地震震央分佈圖(4-3)
         
·深層地震震央分佈圖(4-4)
         
·淺層地震震源劃分(4-5)
         
·淺層地震震源劃分(4-6)

    圖4-3台灣地區自1900年至1999年地震規模ML≧4.5之震央分佈圖(淺層地震)
    圖4-4 台灣地區自1900年至1999年地震規模ML4.5之震央分佈圖(深層地震)

                                                   淺層地震震源分區圖(圖4-5)

                                                      深層地震震源分區圖(圖4-6)

      4.4.3   斷層震源
                  l  多用於確定式地震危害度分析(Deterministic Seismic Hazard Analysis)
                  l  斷層圖出版單位:
                 
                                            
        圖4-7 中央地質調查所活斷層圖

                  註:地調所將於民國八十九年十二月出版集集地震後的新版活動斷層圖。政府並規劃於未來5年內進行
                           
15億新台幣之斷層調查工作。 
               
            l   中央大學應用地質研究所(4-8)
            
l   中央研究院地球科學研究所

            l   國家地震中心(僅車籠埔斷層位置)
        


               
                                                      圖4-8 中央大學斷層圖

         4.4.4   浮動(隨機)震源 
                      l  代表盲斷層之影響
                      
l   地震規模6~6.5
                     
l   震源深度:約5公里
                     
l   最小地震要求
                     
l   對弱震區影響較大
                      
l   範例:
                           
美國加州大壩安全管理單位(Division of Safety of Dams)對加州大壩之最小地震要求為:地震規模6.5
                           震央與場址之距離為
8英哩,強震歷時(Bracketed duration)18秒,此地震對應的設計反應譜如圖4-9所示。


      
                                                                                                                                             圖4-9 加州最小地震要求

               4.4.5   討論:  (線上論壇)
                     ·  那麼我們如何評審顧問公司的設計地震是否合理?
                     
·  南化加高案例: 原始設計概念(Seismic Tectonic Province)推估之規模? 交通大學所提之斷層震源模式推估之規模?
                     
·  隨機震源如何納入考量
                     ·  結論

        
4.5   震源地震規模的訂定
              4.5.1   累積能源法
                              
假設在一個區域總能量的累積與釋放率維持定值,而且觀察的期間長到可以平均掉短期波動。則由
                         
MakropoulosBurton提出利用地殼應變能累積釋放圖可推估求得規模上限mu。地震能量與地震規模
                        僅須以一合理之公式轉換即可。以此法估算各地震分區之
mu值及其能量累積釋放圖如圖4-10所示。將
                        應變能累積曲線之前後兩端點連線即得平均能量累積率與釋放率,再將此連線平移到變能累積曲線之
                        最外側使能將前述曲線完全包含於內,即可據以估算地殼應變能最大累積量,而規模上限亦可經由轉換
                        求得。




                                                                  圖4-10 淺層震區之地殼應變能累積釋放圖 

         4.5.2     歷史地震記錄統計結果
                           
以歷史地震記錄為樣本空間,以Gumble之極值統計分析法(Extreme Value Theory)分別求的得各地體構造
                     內地震規模相對應於地震再現期及其發生機率之相關曲線,如圖
4-11所示。USBR建議震源的規模應取該震源
                     相對於再現期
50,000年之規模,過去在台灣的設計都取歷史最大地震加一0.1之規模增量而得。


                                                                                                            圖4-11 地體構造區最大地震之極端機率

 

            4.5.3     斷層震源之斷層特性法 
                           ·  前提:詳細的地質調查、確定斷層位置
                           ·  選壩址前具關鍵性之前置作業:耗時、費錢、辛苦、無人感激亦不會出名。
                         斷層的特特徵有那些:
                           
·  破裂形式:正斷層、逆斷層、平移斷層、複合式斷層
                           
·  斷層地表破裂面積
                           
·  地表錯動量
                           
·  斷層破裂面的面積(須知破裂深度或破裂面寬度)
 
                        
我們從建民水庫在集集地震後暫停的審思?
                           
1.  我們事前的調查做的得夠不夠?
                           
2.   車籠埔斷層是不是當時的控制斷層?
                           
3.  是否考慮車籠埔斷層產生的伴隨錯動?撕裂斷層?
                           
4.   車籠埔斷層的當初的設計規模是否訂定為7.3
                           
5.        集集地震對大壩的耐震設計在那些方面產生負面或不利的影響?
                           
6.        這些那些方面產生負面或不利的影響在事前應否該考慮到?
                           
7.        當初的設計考量是否周全?
                           
8.        集集地震後的在勘查是適當而且必須的。   
                           
9.        集集地震的發生對建民水庫的興建應是正面的,應為該地震的發生減少了當初設計上對許多問題的疑慮。

 

             4.6    斷層特性與地震規模之關係

 

4-12Housner and Jennings (1982)所提出斷層長度與地震規模的關係,為早期發展且廣為工程界接受之經驗圖表。該圖中關係現在規模6.5處有一轉折點的原因是地震規模在6.5以下破裂面多為圓形,地震規模在6.5以上的地震破裂面大都已延伸至地表,因此破裂長度將大於受限的破裂寬度。此圖的地震規模在6.5以下時為芮氏地震規模(ML),地震規模在6.5以上之地震因芮氏地震規模漸趨飽和不在適用,因此建議採用表面波地震規模(MS)

集集地震破裂長度在90~100公里左右,地震震規模芮氏地震規模(ML)7.3,表面波地震規模(MS)7.6,顯示該圖之適用性。

 

圖4-12 斷層破裂長度與地震規模之關係(Housner and Jennings, 1982 )

 

4.6.2           蔡主權(1987)

 

     蔡主權(1987)曾統計台灣地區的地震與斷層長度關係得到以下的結果,並圖示於圖4-13。該圖為目前台灣地區最常使用的斷層長度與斷層規模經驗式。


L = exp (1.006 ML - 3.232)

其中:         ML 為地震規模
                 L
為斷層破裂長度(km)
       
統計之標準差sln(L) = 0.422





4.6.3           東方國際(EIE) (1984)

 

L (公里) = exp (1.375 ML - 5.823)

 

            此法曾用於早期台電核能二廠之耐震設計。

 

4.6.4           Bonilla et al., (1984)

 

MS = 6.04 + 0.704 log L

 

其中:      L 單位為公里;

                              MS為地震規模,適用於5.5 < MS < 8.0

                              上式之統計標準差為0.3

 

4.6.5           Bolt (1993)

 

MS = 6.10 + 0.70 log L

其中:      L 單位為公里;

                              MS為地震規模

 

4.6.6           Well and Coppersmith (1994)

 

Wells and Coppersmith (1994)統計全球的地震記錄,為近期以來研究過程最嚴謹,使用資料最完整的研究成果。其結果整理於下表及圖4-14。使用該表可根據斷層型式、破裂長度、破裂面積、或錯動量推估地震規模。


 

斷層類型

參數

次數

經驗公式

s (Mw)

經驗公式

slog(L,A, or D)

平移斷層

破裂長度Llm

43

Mw =5.16+1.l2 log L

0.28

log L=0.74 Mw -3.55

0.23

逆斷層

19

Mw=5.00+1.22 log L

0.28

log L = 0.63 Mw -2.86

0.20

正斷層

15

Mw =4.86+1.32 log L

0.34

log L = 0.50 Mw -2.01

0.21

全部

77

Mw = 5.08+1.l6 log L

0.28

log L = 0.69 Mw -3.22

0.22

平移斷層

破裂面積Akm2

83

Mw=3.98+ 1.02 log A

0.23

log A = 0.90 Mw 3.42

0.22

逆斷層

43

Mw =4.33+0.90 log A

0.25

Log A = 0.98 Mw -3.99

0.26

正斷層

22

Mw =3.93+1.02 log A

0.25

Log A = 0.82 Mw -2.87

0.22

全部

148

Mw =4.07+0.98 log A

0.24

Log A = 0.91 Mw -3.49

0.24

平移斷層

地表錯動量Dm

43

Mw =6.81+0.78 log D

0.29

Log D= 1.03 Mw -7.03

0.34

逆斷層

21

Mw = 6.52+0.44 log D

0.52

1og D=0.29 Mw - 1.84

0.42

正斷層

16

Mw =6.61+0.71 log D

0.34

Log D = 0.89 Mw -5.90

0.38

全部

80

Mw=6.69+0.74 log D     

0.40

Log D = 0.82 Mw -5.46

0.42

 





4.7              衰減公式

 

·           衰減公式定義地震時強地動參數隨距離衰減的關係

·           範例:圖4-15,加州大壩管理委員會接受唯一之衰減公式(Seed and Idriss, 1982)

·           注意事項:

1.        衰減公式所使用的地震規模定義

2.        衰減公式所使用的距離定義(震央距、震源距、斷層最短距離、斷層水平最短距離)

3.        適用斷層類型

4.        適用地層材料類型(硬盤、軟盤、岩盤、沖積層)

5.        取平均值或平均值加一標準差

6.        迴歸所使用之資料庫(台灣、世界、有無包含集集、瑞里、嘉義、南澳等地震)

                                             圖4-15 強震衰減公式(Seed and Idriss, 1982)

·           討論:

1.        近斷層時,地震規模的飽和現象。

2.        位於逆衝斷層上盤應使用如何定義的斷層距離。

4.7.1           加速度衰減公式

 

l           蔡主權(1987) - 4-16

l           羅俊雄(1997) - 4-17

l           李錫堤(1999) - 集集地震前發表(美濃水庫設計地震分析),圖4-16中所指之『本研究』。以及下一節中所討論反應譜衰減時所用之圖4-24

l           羅俊雄(1999) - 集集地震前發表,含1993年至1996年台灣地區7個強震記錄資料(地震規模5.16.2),震源深度(3.825公里),共523筆水平平均分地表最大加速度(PGA)迴歸而得。

 

l           羅俊雄(2000) - 1993年至1999年台灣地區15個強震記錄資料(地震規模5.07.3),震源深度(325公里),共2186筆水平平均地表最大加速度(PGA)及反應譜迴歸而得,衰減公式所使用之方程式與羅俊雄(1999)一致,為a1~a5之參數,調整如圖4-18 C1~C5之所示。

 

l           集集地震300於組地震記錄顯示,車籠埔逆衝斷層所造成的強地動衰減,與美西地區平移斷層造成的強地動衰減所相當類似。

l         隱沒區所使用的衰減公式與地表斷層不同,應使用由隱沒區強震記錄迴歸所得之衰減公式。台灣東部地區,板塊隱沒區之震源(地震二),所用的衰減公式係根據環太平洋地板塊隱沒區之地震資料庫(包括:阿拉斯加;智利;卡斯迪雅;日本;墨西哥;秘魯;以及所羅門群島)迴歸所得(Youngs, et al., 1997),適用於岩盤面之經驗式如下:

lnamax = 0.2418 + 1.414M-2.552 lnR+1.7818e0.55M+0.00607H

sln Amax = 1.45 - 0.1M                                

其中,       amax 為最大加速度,單位為g

                       R 為距離斷層最短距離,單位為公里

               H 為深度,單位為公里

                   sln Amax為衰減公式之統計標準差



                                             圖4-16 台灣地區強震衰減公式比較(地震規模7)


                                                      圖4-17 台灣地區硬盤面強震衰減公式(羅俊雄,1997)



                                          圖4-18a 台灣地區強震衰減公式(羅俊雄,2000)



                                                圖4-18b 台灣地區強震衰減公式(羅俊雄,2000)



4.7.2           設計加速度的檢核

 

l           使用包含集集地震資料的衰減公式。

l           將衰減公式以圖表表現。

l           Seed and Idriss (1982) 衰減公式檢核。

 


4.8             
設計反應譜

 

設計反應譜的求得一般由以下幾種方法:

·           由設計地震加速度與正規劃反應譜求得

·           根據Newmark法製作三向圖(Tripartite)

·           使用與加速度衰減相似的反應譜衰減公式

 

4.8.1           根據正規化反應譜製作設計反應譜

 

正規化反應譜與地層特性相關

l           國外地盤分類:

l           岩盤、硬層、深層顆粒性土層、軟盤面

l           各類地盤之正規化反應譜特性

l           平均之正規化反應譜,與平均值加一標準差之正規化反應譜

l           範例:圖4-19(Seed, Ugas, Lysmer, 1976)

      4-20(UBC建築技術規則)

 

l           國內地盤分類:

l           硬盤面、沖積層、台北市

l           範例:圖4-21為國內硬盤面之正規化反應譜(國家地震中心為原子能委員會所制訂) -- 缺點:高頻部分過於保守。

 

製作方式:

1.        決定設計加速度

2.        決定壩址地盤分類

3.        決定反應地盤特性的正規化反應譜

4.        根據設計加速度成比例調整正規化反應譜製做設計反應譜



圖4-19 符合場址特性的正規劃反應譜(Seed, Ugas, Lysmer, 1976)
圖4-20 符合場址特性的正規劃反應譜(UBC建築技術規則)

圖4-21 台灣地區硬盤面正規劃平均值加一標準差反應譜(84th Percentile Spectral Shape)

 

4.8.2           根據Newmark法製作設計反應譜(美國核能委員會於1960年代發展之方法)

 

製作方式:

1.        決定設計加速度(amax)決定壩址地盤分類

2.        根據設計加速度決定壩址地盤特性,求取地表最大速度(Vmax)與地表最大位移(Dmax)

·           統計出:(Vmax) / (amax)

·           統計出:(Dmax) / (amax)

·           統計出:(Dmax) * (amax) / (Vmax)2

·           統計出:(amax) 放大到反應譜最大加速度(Samax)的放大倍率

·           統計出:(Vmax) 放大到反應譜最大速度(Svmax)的放大倍率

·           統計出:(Dmax) 放大到反應譜最大位移(Sdmax)的放大倍率

3.        在不同頻率區間由根據amaxSamaxSvmaxSdmax決定設計反應譜。

 

 

 

 

 

 

 

討論:

1.        各類地盤的Vmax / amax

 

地盤條件

Vmax / amax

岩盤

55 cm/sec/g

淺層硬質土(厚度小於60公尺)

110 cm/sec/g

深層硬質土(厚度大於60公尺)

135 cm/sec/g

台灣地區大壩案例

南化水庫原設計案例(中興顧問社,1988)

87 cm/sec/g

美濃水庫設計地震(中央大學,1999)

79 cm/sec/g

 

2.        各類地盤的Dmax / amax [Newmark, Blume, and Kapur, 1973]

 

地盤條件

Vmax / amax

岩盤

30 cm /g

 沖積層

90 cm/g

台灣地區大壩案例

南化水庫原設計案例(中興顧問社,1988)

47 cm /g

美濃水庫設計地震(中央大學,1999)

24 cm/g

美濃水庫設計地震(中央大學,1999)

79.3 cm/sec/g

 

3.        (Dmax * amax) / (Vmax)2

 

建議單位

(Dmax * amax) / (Vmax)2

Newmark (1965)

5 ~ 15

Newmark, Blume, and Kapur, 1973

6

 Sadigh (1985)

5

距離震央越近

越大

距離震央越遠

越接近1

台灣地區大壩案例

南化水庫原設計案例(中興顧問社,1988)

6.1

美濃水庫設計地震(中央大學,1999)

3.7

 

4.        (Samax) (Svmax) (Sdmax)的放大倍率(5% 阻尼)

 

建議單位

Mean

Mean + 1SD

Newmark (1975) - Samax / amax

2.5

--

Newmark (1975) - Svmax / vmax

2.1

--

Newmark (1975) - Sdmax / dmax

1.8

--

Newmark and Hall - Samax / amax

2.12

2.71

Newmark and Hall - Svmax / vmax

1.65

2.30

Newmark and Hall - Sdmax / dma x

1.39

2.01

南化水庫原設計案例 - Samax / amax

1.90

2.79

南化水庫原設計案例 - Svmax / vmax

1.60

2.36

南化水庫原設計案例 - Sdmax / dmax

1.47

2.16

美濃水庫設計地震 - Samax / amax

2.17

3.06

美濃水庫設計地震 - Svmax / vmax

1.29

2.03

美濃水庫設計地震 - Sdmax / dmax

1.88

2.67

 

範例:

1.        4-22示範設計反應譜製作範例

2.        4-23南化水庫原設計案例,缺失在那裡?影響何種結構?

 

 


圖4-22 設計反應譜製作實例(Newmark Procedure)
 
圖4-23南化水庫原設計反應譜

4.8.3           使用反應譜衰減公式

 

·           台灣地區反應譜衰減公式至集集地震後方有足夠之資料發展

·           較嚴謹的反應譜衰減公式目前已發表的為,國家地震中心為內政部營建研究所製做的『考慮區域進斷層效應及均不危害度之設計地震力需求』,研究案編號:MOIS 891016-2。出版日期:中華民國898月。

·           國家地震中心預計近期將在為此反應譜衰減公式在做更新。

·           中央大學蔡義本院長亦再進行相關衰減公式之研發。

·           中央大學李錫堤老師曾為美濃水庫進行類似反應譜衰減公式之推導,其結果整理於圖4-24,其中包含水平與垂直向的反應譜衰減公式參數,但其所使用的資料庫未包含集集地震之資料。

 
圖4-24a 中央大學推導之水平反應譜衰減公式(美濃水庫設計地震報告)
圖4-24b 中央大學推導之垂直反應譜衰減公式(美濃水庫設計地震報告)

4.8.4           美國加州大壩安全管理委員會對設計地震之要求

 

l           決定可能影響壩址之斷層

l           根據地質證據決定每一斷層可能產生之最大規模地震(Maximum Credible Earthquake, or MCE)

l           地表最大加速度由MCE與距斷層最短距離,經由適當的衰減公式求得平均加速度(mean PGA

l           mean PGA 乘平均值加一個標準差之正規化反應即得設計地震反應譜

 

4.8.5           設計反應譜的審核

 

·           周期為0之反應譜設計加速度,與設計地表加速度是否一致?

·           設計反應譜最大反應加速度與地表最大速度之比值是否適當?

·           設計反應譜最大反應加速度平台位置是否符合地層條件?

·           設計反應譜在1秒周期的反應加速度是否與地表最大加速度相近甚至略大?

·           設計反應譜是否介於Seed 推薦之平均與平均加一標準差正規化反應譜之間?

·           設計反應譜與由國家地震中心開發之衰減公式或正規化反應譜比較,在大壩自然周期附近是否有保守性?

·           設計反應譜與美西發表之反應譜衰減公式推算之經驗反應譜是否有一致性?

·           設計反應譜在各頻率是否都超越最小地震要求?

 

·           範例:

1.        南化水庫(4-25) - 新舊反應譜之比較,影響在那裡?

2.        天花湖水庫(4-26) - 缺失在那裡?缺失的導因在那裡?影響在那裡?

 
圖4-25南化水庫新舊反應譜之比較
 

4.9              地震危害度分析

 

·           目的:根據壩區附近的眾多震源,決定設計加速度

·           方法:定值法與機率法

 

4.9.1        定值法地震危害度分析(Deterministic Seismic Hazard Analysis)

 

一般高風險性的結構(例如:大型蓄水庫與核能發電廠),在選址與設計階段都會進行地震危害度分析,而所用的方法不論在國內或國外進行地震危害度分析時大都以定值法為主。定值法的精神在於其保守性以及其簡單容易明瞭的原理。基本上定值法在壩址附近的斷層活動性確定後,保守的假設每一斷層在結構物的設計年限中一定會發生至少一次全面破裂(產生最大可能規模,亦即MCE)的地震,然後根據各活動斷層可能產生的最大規模地震(MCE)與距離壩址距離,計算各活動斷層可能在壩址造成的地表最大加速度,再由其中選取最大的地表最大加速度為設計加速度。

 

確定式地震危害度分析之精神:

·           斷層二分法:活斷層、死斷層

·           所有活斷層在大壩的生命周期(通常為100)內「一定」發生地震

·           活斷層只會產生最大可能規模地震(MCE),不會產生小規模地震釋放能量

 

一般以定值法為做地震危害度分析的步驟如下:

1.        調查區域與壩址附近之地質

2.        調查活動斷層之活動性並確定活動斷層之位置

3.        訂出各活斷層所能產生的最大可能地震規模(MCE)

4.        訂出各活斷層與壩址的距離

5.        選用適當衰減公式

6.        推算各活斷層產生之MCE在壩址可能造成之地表最大加速度

7.        選取各活斷層造成之地表最大加速度中最大者為設計加速度,而導致該設計加速度的斷層則為控制斷層。

 

·           範例:(寶山第二水庫)

 

 

 

 各震源可能在壩址造成之最大地表加速度

斷層名稱

斷層類型

斷層分級

長度

地震規模

斷層距離

地表加速度(g

km

ML

km

地震中心

中央大學

大坪地斷層(註1

高角度逆斷層

第二類

11

5.6 ~ 6.0

3

0.50~0.44

0.37~0.43

新城斷層

逆斷層

第二類

28

6.5 ~ 6.75

5.5

0.44~0.48

0.41~0.37

竹東斷層

逆斷層

存疑性

(2)

獅潭斷層+神桌山斷層

逆斷層

第一類

7.1(註3

9.5

0.41

0.34

宜蘭板塊隱沒區

塊隱型

板塊活動

8.2

40

0.20 (4)

1本斷層為竹東斷層構造所隔,震坡傳遞亦會受竹東斷層之干擾,對寶二水庫之影響低。

2因係存疑性斷層,所以不予考慮。

3:地震規模根據歷史記錄。

4Youngs, et al., 1997

 

4.9.2        機率式地震危害度分析(Probabilistic Seismic Hazard Analysis)

 

為進一步瞭解以定值法(Deterministic Approach)所求之地震加速度設計值的保守性,並與國際間土石壩一般常用的風險標準比較,以及為求取迴歸期為100年之設計基準地震(Design Base Ground Motion),與迴歸期為25年之運轉基準地震(Ooperation Base Ground Motion),需進行機率式地震危害度分析。

機率式地震危害度分析法(Probabilistic Seismic Hazard Analysis)同時考慮了可能地震及其發生機率,震源可能位置及震度衰減特性。地震危害度分析乃在建立工址某一地震參數 (地表最大加速度,地表最大速度,地表最大位移,反應譜等)的年超越機率曲線,亦即危害度曲線(hazard curve)。機率式地震危害度分析是一個複雜的機率分析過程。一般工程上最常用的為平穩態Poisson模式配合斷層斷裂模式進。其主要的步驟為:

1.          地震資料蒐集與震源分區:震源分區需配合地質構造之考量。

2.          地震發生特性參數分析:主要包括描述各震源規模與年發生機率Gutenberg-Richter關係式之a, b參數,最小及最大地震規模m0mu之決定。並配合地震分區計算震源之地震平均年發生率。

3.          震度衰減律迴歸分析:震度(可為最大加速度或頻譜…等)衰減率對地震危害度分析分析結果影響極大,須審慎選擇及分析其常係數。

4.          進行危害度分析:由以上資料建立輸入檔,執行機率式地震危害度分析。

 

範例:圖4-27
圖4-27 南化水庫機率是地震危害度分析範例

 

討論:  (線上論壇)

         ·  定值法與機率法之間的關係
         ·  對於低迴歸期加速度的影響

 

4.10         合成地震之製作

 

·           合理地震歷時之特性與特徵(4-28)

·           強震歷時與地震規模之關係(4-29)

·           合成地震之製作原理

·           頻率域

·           時間域

 

·           合成地震之製作技巧

·           不再使用SIMQKE

·           慎選初始歷時

·           使用較新的合成地震製作程式

 

·           範例:

·           SIMQKE製作之合成地震歷時(4-30)

·           RSPMATCH製作之合成地震歷時(4-31)

 
圖4-28地震歷時之特性與特徵
圖4-29 強震歷時與地震規模之關係
圖4-30 SIMQKE製作之合成地震歷時
圖4-31 RSPMATCH製作之合成地震歷時範例
 

 

4.11         台灣地區蓄水庫設計地震整理


4-32 (摘自中央大學美濃水庫設計地震報告) 
 
圖4-32台灣地區蓄水庫設計地震整理(摘自中央大學美濃水庫設計地震報告)


 
編輯: 財團法人地工技術研究發展基金會  版次: 21  最後更新時間: 2008/10/1 下午 02:41:46 

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