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近断层危害场三维数值模拟及其并行处理研究

程海英  
【摘要】: 活动断层是引起地震发生的根源。地震灾害是群灾之首。因地震的突发性和不可抗拒性,从而产生巨大危害。大量的震害资料表明,地震时沿断层线的破坏最为严重,人员伤亡也明显地大于断层两侧的其它区域。十五期间,国家投巨资在全国24个大中城市开展城市活断层探测与地震危害性评价工作。淄博市重点活动断裂(张店-仁河断裂)近断层危害场数值模拟属山东省地震局“十五”重点项目计划。 本文所完成的主要工作有: (一)首先搜集日本和我国台湾等地典型地震的研究资料,对典型地震活断层近断层危害性影响场进行初步分析;分析和比较近断层地震动的研究方法;总结了近断层强地震动特征,包括上盘效应、竖向效应、破裂方向性效应以及滑冲效应等等。 (二)在淄博市活断层探测和地震小区划研究的基础上,建立了淄博市重点活动断裂(张店-仁河断裂)地震危害性评价的地质-构造三维结构模型。在实际模拟时,根据隐伏断层位置、上断点埋深以及介质分层,共考虑了五个试验段,并针对每一个试验段不同倾角、不同倾向的情况分别建立了三维地质模型,包括大规模计算的地质模型在内总共十六个模型。特别是在模拟土的性质时采用了摩尔-库伦模型进行计算,与以往的仅仅采用弹性模型计算相比,更符合实际。 (三)采用显式拉格朗日有限差分法,通过对每一个试验段的不同倾角、不同倾向的七种模型施加不同的地震波荷载,得到了张店-仁河断裂近断层地震危害场的数值模拟结果,包括各种情况下的变形场、应力场、位移场和加速度场,数值模拟结果均以图形化的方式显示出来。由于显式拉格朗日有限差分法在求解运动基本方程过程中,不需要形成总刚度矩阵,而是在每一个时间步修正坐标,位移增量加到坐标上,使网格移动和材料变形,每一步本构公式是小应变,但在很多步之后等价于大应变公式。计算结果能表现出接触块体相互运动和变形的特征,并且由于不解总刚度方程,便于在计算机上实现,计算速度快,占用存储空间小。 (四)本论文给出了基于区域分解算法的一种有限元并行算法,先将偏微分方程求解区域划分为若干个子区域,然后在各个子区域并行求解。结合大型稀疏矩阵方程组的并行共轭梯度算法,编制了基于Linux操作系统,适用于PC集群的并行有限元计算程序,来对第四章所建立的地质模型进行计算模拟,得到了张店-仁河断裂近断层地震危害场的数值模拟结果,并行程序大大节省了计算时间,具有很好的加速比。由于有限元法更适用于空间变化复杂的介质,能够便利地处理自由表面,精确计算面波的传播,计算精度高。很适宜在分布式内存的PC集群上方便地进行并行计算,因此对于大规模模型可以提高计算速度,非常适用于大规模地球介质模型地震波动场数值计算。 (五)通过对有限差分与有限元模拟结果的分析检验,计算结果与近断层强地震动基本特征的吻合,较好的反映了近断层强地震动的盆地效应、方向性效应、上盘效应等基本特征,验证了我们模拟结果的合理性和方法的可信性,同时也证明了震源模型与传播介质模型建立和参数设置的合理性。本文的计算结果可以为防震减灾和工程设计提供指导和参考。 另外,模拟中还存在需要进一步改进和加强研究的地方。例如,需要在建立三维地震构造模型方面多做研究,地震构造模型的科学性如何,直接制约、影响到计算结果,其中任何一个参数的变动,将会导致产出结果变化。因此,地震地表变形带的预测是一项综合性很强的工作,需要不同的专业的科研人员的密切配合。但作者相信,这些都会随着资料的积累和研究的深入逐步得到解决,使近断层强地震动模拟更加完善。


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