王運(yùn)生， 賀建先， 羅永紅， 郝子皓， 劉 勇， 張 磊

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059)

汶川、蘆山及魯?shù)榈卣鸷?，邊坡在地震作用下的?dòng)響應(yīng)規(guī)律和穩(wěn)定性成為巖土工程和地質(zhì)工程研究的熱點(diǎn).中國西部深切峽谷高陡斜坡地質(zhì)災(zāi)害的危害主要取決于斜坡的失穩(wěn)規(guī)模，滑坡或崩塌規(guī)模與失穩(wěn)巖土體面積及深度有關(guān).震后觀測(cè)及模擬研究揭示地形對(duì)地震波的放大效應(yīng)［1-4］，王存玉等進(jìn)行二灘拱壩物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在地震作用下巖質(zhì)邊坡對(duì)加速度存在豎直向和水平向的放大［5］;祁生文等學(xué)者系統(tǒng)地研究了不同類型邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律［6-7］.但仍存在這種放大涉及的深度有多大、斜坡體內(nèi)不同深度地震動(dòng)是如何響應(yīng)、不同深度潛在滑面地震動(dòng)參數(shù)如何選取等問題.目前僅依據(jù)國家地震動(dòng)峰值加速度圖提供的單一加速度值，或偏大，或偏小，難以滿足重大工程邊坡支護(hù)的要求.

在過去的數(shù)十年里，由于城市地下空間的開發(fā)，地震動(dòng)隨垂直埋深(水平地面)響應(yīng)規(guī)律有較深入研究.國外學(xué)者在20 世紀(jì)70 年代針對(duì)強(qiáng)震區(qū)海灣地區(qū)土質(zhì)地基不同埋深的加速度進(jìn)行了較系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)研究［8］.Sharma Sunil 等對(duì)132 例地下工程震害資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得出深度大于50 m 時(shí)破壞程度明顯減小，在300 m 以下沒有嚴(yán)重破壞的結(jié)論［9］.李天斌對(duì)5·12汶川大地震中遭受震害的隧道進(jìn)行分析后認(rèn)為，在硬質(zhì)巖隧道埋深大于50 m時(shí)震害程度為中等～輕微，埋深大于100 m 后隧道幾乎沒有震害或震害輕微［10］. 羅定倫等對(duì)隧道抗減震模型試驗(yàn)圍巖相似材料的研究表明，隧道洞口段是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)［11］. 申玉生等通過大型振動(dòng)臺(tái)對(duì)強(qiáng)震區(qū)山嶺隧道洞口段結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析［12］，鄭穎人等采用基于全動(dòng)力分析法對(duì)地震邊坡與隧道穩(wěn)定性分析［13］，蔣樹屏等通過有限元法計(jì)算8 種不同埋置深度條件下的山嶺隧道地震響應(yīng)［14］，這些研究無疑為強(qiáng)震區(qū)隧道進(jìn)出口段穩(wěn)定性研究提供了新的思路，但均未基于實(shí)際隧道地震波的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬，均一的材料難以模擬實(shí)際隧洞的真實(shí)情況.

2014 年11 月25 日23 時(shí)19 分康定發(fā)生Ms5.8級(jí)地震，震中坐標(biāo):北緯30.18°，東經(jīng)101.73°，震源深度16 km.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“西南地區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與預(yù)警區(qū)劃”，在瀘定縣冷竹關(guān)溝布設(shè)地震強(qiáng)震動(dòng)常觀剖面，此次地震觸發(fā)了剖面上的10 臺(tái)強(qiáng)震觀測(cè)儀. 本文以康定Ms5.8 級(jí)地震冷竹關(guān)斜坡地震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取1#、2#、6#-5 及7#-3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析斜坡沿高程變化的地形放大效應(yīng). 選取6#監(jiān)測(cè)平硐內(nèi)的5 臺(tái)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)研究自坡面水平方向向內(nèi)的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律.

1 監(jiān)測(cè)剖面概況

瀘定冷竹關(guān)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)剖面位于冷竹關(guān)溝兩岸，是大渡河右岸的一級(jí)支流.右岸布設(shè)1#和2#監(jiān)測(cè)平硐，左岸布設(shè)3#～7#監(jiān)測(cè)平硐，且1#～5#監(jiān)測(cè)平硐為現(xiàn)場(chǎng)施工開挖，而6#和7#則是引用了引水隧洞掘進(jìn)時(shí)的交通洞(洞內(nèi)無其它的震動(dòng)干擾源)，其分布見圖1，剖面見圖2.

圖1 冷竹關(guān)斜坡地震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面分布圖［4］Fig.1 Distribution of seismic monitoring sites at Lengzhuguan slope

圖2 冷竹關(guān)監(jiān)測(cè)剖面Fig.2 Lengzhuguan monitoring section

監(jiān)測(cè)點(diǎn)選用的儀器有日本應(yīng)用地震計(jì)測(cè)株式會(huì)所生產(chǎn)的E-catcher 地震監(jiān)測(cè)儀器和中國地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的G01NET-3 型結(jié)構(gòu)與斜坡地震動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)儀. 日本E-catcher 儀器基本參數(shù)為:靈敏度0. 1 V/(m/s2)(1 m/s2加速度產(chǎn)生0.1 V 電壓)，最大量程20 m/s2，三分量(包括兩水平和一豎直分量)，周波數(shù)范圍:DC ～20 Hz(-3 dB);G01NET-3 型儀器的參數(shù)為:輸入量程為-10 ～10 V，分辨率為0.005 V，動(dòng)態(tài)范圍≥10 dB.

康定Ms5.8 級(jí)地震觸發(fā)了冷竹關(guān)監(jiān)測(cè)剖面的1#、2#、6#(5 臺(tái))以及7#(3 臺(tái))監(jiān)測(cè)平硐內(nèi)10 臺(tái)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀器，較完整地記錄了冷竹關(guān)溝左、右兩岸斜坡的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，各監(jiān)測(cè)平硐信息見表1.選取1#、2#、6#-5 以及7#-3 四條強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究兩岸斜坡的地形放大效應(yīng).由于地震波自坡面向內(nèi)會(huì)出現(xiàn)衰減，選取距洞口水平距離相近的6#-5 和7#-3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以消除此干擾因素.

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)值Tab.1 Parameters of each monitoring site

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和基線校正后統(tǒng)計(jì)動(dòng)響應(yīng)參數(shù)見表2.由于3#平硐內(nèi)潮濕儀器靈敏度降低，未記錄到此次地震，距離冷竹關(guān)約7 km，位于大渡河谷底平硐的國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)康定姑咱站(坐標(biāo):東經(jīng)102.1°，北緯30.1°;海拔:1 407 m)，地震動(dòng)不受地形影響，且?guī)r性與冷竹關(guān)溝谷底3#洞一致.該站記錄到的峰值加速度(水平東西向:12.3 cm/s2，水平南北向:10.7 cm/s2，豎直向:8.6 cm/s2)可作為參考值.

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度放大系數(shù)Tab.2 Magnification factors of peak accelerations at monitoring sites

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及放大系數(shù)可以看出:(1)位于右岸凸出地形的1#及2#點(diǎn)較左岸渾厚山體放大系數(shù)大;(2)位于右岸凸出地形頂部的放大系數(shù)最大;(3)左岸渾厚山體斜坡隨坡高的增大，呈緩慢放大趨勢(shì).由于溝谷兩岸基巖巖性一致，巖體結(jié)構(gòu)也未見大的差異，故兩岸放大效應(yīng)差異主要受控于地形條件［4］.

2 斜坡內(nèi)不同水平深度地震動(dòng)響應(yīng)分析

2.1 峰值加速度變化特征

康定Ms5.8 級(jí)地震觸發(fā)了6#監(jiān)測(cè)平硐內(nèi)5 臺(tái)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀，為研究斜坡不同水平深度地震動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律提供了數(shù)據(jù)支撐，經(jīng)過濾波和基線校正后得到平硐內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度，見圖3.

圖3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度曲線Fig.3 Peak accelerations of each monitoring site

為了研究地震動(dòng)峰值加速度自坡面水平方向向內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，以洞口6#-1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值加速度為基準(zhǔn)，將洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)峰值加速度值與之相比，可得洞內(nèi)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于洞口的值比曲線，見圖4.

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度值比曲線Fig.4 Peak acceleration ratios of each monitoring site

對(duì)水平東西向和水平南北向以及水平向均值值比曲線進(jìn)行了線性式(1)和非線性式(2)擬合，擬合的結(jié)果參數(shù)見表3，表中還給出了擬合的相關(guān)系數(shù)R和殘差平方和RSS，若R2越接近于1 以及RSS 值越小，表示其擬合的效果越好.選取兩個(gè)水平方向的均值曲線作為分析對(duì)象，擬合后的結(jié)果曲線見圖5.

式中:x 表示洞內(nèi)至洞口的水平距離，m;y0和y1分別表示線性擬合和非線性擬合對(duì)應(yīng)于距離為x 的峰值加速度與洞口的值比;a0、b0為線性擬合參數(shù);a1、b1、c1為非線性擬合參數(shù).

表3 峰值加速度值比擬合參數(shù)Tab.3 Parameters of the fitting peak acceleration ratio curve

圖5 擬合衰減曲線Fig.5 Fitting decay curve

由圖5 得:(1)洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向峰值加速度與洞口值比自坡面水平方向向內(nèi)的變化趨勢(shì)是逐漸減小的，且峰值加速度在表層隨水平深度的下降幅度較大，在坡體內(nèi)部的變化較小，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性衰減規(guī)律.由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，洞深99 m 的6#-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度值比約為0.6.(2)擬合衰減曲線表明，在1 ～100 m 范圍內(nèi)線性擬合的決定系數(shù)R2更加接近于1，但其殘差平方和RSS 卻較非線性的大，計(jì)算得非線性擬合各值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值更為接近，故在1 ～100 m 的范圍內(nèi)非線性擬合較線性擬合合理.求7#平硐內(nèi)7#-3 和7#-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的衰減系數(shù)，并將7#-3 和7#-5 衰減系數(shù)作值比得非線性擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的誤差較小，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上也證實(shí)了在1 ～100 內(nèi)非線性擬合的合理性.由擬合方程知，隨著水平距離的增加，線性擬合公式在平距為216 m 左右時(shí)衰減系數(shù)趨近于0(與實(shí)際不符)，而非線性擬合越趨近于其極限值0.499 6，也說明了峰值加速度自坡面向內(nèi)非線性變化的規(guī)律.

楊國香等通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究表明，在坡體水平方向上，無論水平加速度還是豎直加速度越接近于坡表，加速度放大系數(shù)越大，在坡表達(dá)到最大，且這種增大的趨勢(shì)表現(xiàn)出了明顯的非線性特征［15］，本文研究成果與其吻合度較高，故從實(shí)測(cè)和物理模擬試驗(yàn)上共同揭示了邊坡自坡面向內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)逐漸衰減的規(guī)律.

2.2 加速度反應(yīng)譜特征

反應(yīng)譜是單質(zhì)點(diǎn)體系地震最大反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期之間的關(guān)系，其本質(zhì)上反應(yīng)的是地震動(dòng)特性［16］.根據(jù)《水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［17］，計(jì)算6#平硐內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向加速度在阻尼比為5%下標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜，見圖6.

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向加速度反應(yīng)譜Fig.6 Horizontal acceleration response spectrum of each monitoring site

總體上看，自坡面向內(nèi)隨著水平距離的加大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜動(dòng)力放大系數(shù)逐漸減小，且在表層隨深度的下降幅度較大，在內(nèi)部的變化較小.6#-1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)形狀較其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化大，曲線形態(tài)也沒表現(xiàn)得像其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)那么光滑，這可能與體波在坡體表面激發(fā)面波而形成的復(fù)雜地震波場(chǎng)有關(guān).各監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征周期基本集中在0.1 ～0.4 s，說明其能量主要集中在高頻部分.當(dāng)特征周期大于0.5 s 時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)反應(yīng)譜基本隨深度下降，當(dāng)周期大于1.5 s時(shí)各反應(yīng)譜逐漸接近.

2.3 傅里葉譜特征

傅里葉譜揭示地震動(dòng)頻譜特性，將時(shí)域變換到頻域，可以了解組成地震動(dòng)的各頻率分量的大小，及地震動(dòng)在各頻率內(nèi)能量的分布情況，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉振幅譜見圖7.

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傅里葉譜Fig.7 Fourier spectrum of each monitoring site

由圖7 可得，自坡面向內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傅里葉譜幅值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且傅里葉譜幅值在坡體表層的下降幅度較大，在內(nèi)部下降得較小.洞口6#-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅氏譜頻譜成分復(fù)雜，高頻段成分較多，各頻段的幅值也較其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)大、變化大，這與體波在坡體表面激發(fā)面波而形成的復(fù)雜地震波場(chǎng)有關(guān).各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅氏譜卓越頻率表現(xiàn)得不是很明顯，有的甚至出現(xiàn)多個(gè)卓越頻率，但都集中在5 ～15 Hz 頻率段，這也說明在同一高程距坡面不同深度(135 m內(nèi))各段對(duì)地震波的濾波作用基本相同，對(duì)地震波的放大頻率段基本一致.

綜上，斜坡同一高程不同水平深度(自坡內(nèi)向外)對(duì)地震波具有選擇放大作用，越靠近坡表放大作用越明顯.6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與谷底差約為110 m，姑咱參考點(diǎn)和6#-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值加速度接近，故冷竹關(guān)左岸中高山斜坡沿高程的放大效應(yīng)與自坡內(nèi)向外的放大效應(yīng)相當(dāng).

3 結(jié) 論

據(jù)冷竹關(guān)地震監(jiān)測(cè)剖面6#平硐捕捉到的康定Ms5.8 地震5 組強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)峰值加速度變化及加速度反應(yīng)譜變化等綜合分析，獲得如下結(jié)論:

(1)基于坡面水平方向向內(nèi)的峰值加速度變化曲線對(duì)水平向均值衰減曲線進(jìn)行了線性和非線性擬合，其擬合曲線分別為:y0= -0.004 61x +1，y1=0.499 6+0.536e-x/56.451(式中x 表示洞內(nèi)至洞口的水平距離，y0、y1表示洞內(nèi)加速度峰值與洞口的值比)，且非線性擬合更符合實(shí)際.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合曲線表明:坡體內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向峰值加速度和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與洞口峰值加速度值比呈現(xiàn)出自坡面水平方向向內(nèi)逐漸減小的趨勢(shì)，洞深99 m 處的加速度與洞口的比值約為0.6.從實(shí)測(cè)曲線可看出，峰值加速度在表層隨水平深度的下降幅度較大，隨著深度的加深降低幅度變小，呈現(xiàn)明顯的非線性變化特征.

(2)水平向標(biāo)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜也表明，自坡面向內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜動(dòng)力放大系數(shù)逐漸減小，加速度反應(yīng)譜在表層隨深度的下降幅度較大，在內(nèi)部的變化較小，其動(dòng)力放大系數(shù)β 值都小于3.5.傅里葉頻譜也揭示自坡面向內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)幅值逐漸減小，且傅里葉譜幅值在坡體表層的下降幅度較大，在內(nèi)部下降得較小;越靠近外側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜成分越復(fù)雜，洞口監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜成分最多.

斜坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)是相當(dāng)復(fù)雜的，不僅受場(chǎng)地地形條件、邊坡形態(tài)、高度、坡體巖體結(jié)構(gòu)特征的影響，也與地震震級(jí)大小、地震波類型、傳播途徑等因素相關(guān).本文的研究成果以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可與數(shù)值模擬、振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)等互補(bǔ)，為進(jìn)一步揭示斜坡在強(qiáng)震條件下的動(dòng)力響應(yīng)特征以及斜坡破壞機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐.

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