劉　勇，王運(yùn)生，唐　起，陳怡西

(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，成都　610059)

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復(fù)雜斜坡動力響應(yīng)特征分析

劉勇，王運(yùn)生，唐起，陳怡西

(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，成都610059)

深切谷坡淺表部卸荷裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，致使淺表層成為非連續(xù)介質(zhì)，出現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)差異，地震動響應(yīng)由此變得復(fù)雜。通過對青川東山斜坡地震動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合適用于分析巖質(zhì)邊坡運(yùn)動過程的非連續(xù)變形分析(DDA)方法對青川東山斜坡動力響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了震中距、高程、震級、地形以及“丁”字形山體等因素對地震波峰值加速度(PGA)放大的影響。結(jié)果表明：垂直山脊方向以及高程較高時的地震波峰值加速度放大倍數(shù)較大，可達(dá)6.12倍；在地形突出部位，地震波亦能得到一定程度的放大，放大倍數(shù)可達(dá)3.3倍；在“丁”字形山脊結(jié)合部位，PGA放大倍數(shù)會出現(xiàn)一定程度的減小。

邊坡工程；動力響應(yīng)；放大系數(shù)；DDA；峰值加速度；突起率

1　研究背景

地震是人類面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，不僅其本身能產(chǎn)生巨大的破壞作用，由其誘發(fā)的次生災(zāi)害給人類帶來的破壞往往更大。在多山地區(qū)，由地震誘發(fā)的次生災(zāi)害中，邊坡失穩(wěn)造成的破壞最為嚴(yán)重，歷史上由于地震導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失的事件數(shù)以千計(jì)。如何減少地震給人類帶來的破壞已成為全球性的社會問題。

目前很多學(xué)者已經(jīng)做出了大量的研究并取得了很大的成就。2008年黃潤秋等[1]在對汶川震后災(zāi)害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，地震作用下導(dǎo)致嚴(yán)重失穩(wěn)的斜坡主要集中在具有特殊地形地貌的區(qū)域，斜坡失穩(wěn)與地震波傳播過程中的地形放大效應(yīng)有關(guān)。地震波傳播過程中的地形放大現(xiàn)象首先被國外研究者證明，其中大部分研究都是針對山脊地形放大[2-4]，Rogers等[5]也通過計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)對參考點(diǎn)的放大系數(shù)來分析了不同地形的放大現(xiàn)象。2013年廬山地震后，黃潤秋等[6]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震作用下陡峭的山坡頂部及斜坡突出部位最易失穩(wěn)。瀘定冷竹關(guān)斜坡地震動監(jiān)測數(shù)據(jù)也揭示了位于右岸單薄山脊上的地震波放大比位于左岸的高山斜坡更為明顯[7]。強(qiáng)震作用下斜坡失穩(wěn)過程與地震波的地形放大關(guān)系密切，但其具體影響特征目前尚不完全清楚，仍需進(jìn)一步研究。

文中根據(jù)在青川東山斜坡布置的地震動監(jiān)測點(diǎn)所監(jiān)測到的2次典型地震波數(shù)據(jù)分析了青川東山復(fù)雜斜坡的地震動響應(yīng)特征。

2　東山監(jiān)測斜坡及監(jiān)測儀器布置

青川東山監(jiān)測斜坡位于四川盆地北部邊緣，處于龍門山造山帶與秦嶺造山帶的交匯部位，位于喬莊河左岸(圖1)，是一個南北走向的大山體，山體西側(cè)向外有一條東西向延伸的小山脊，呈“丁”字形，地震動監(jiān)測點(diǎn)布置于山體西側(cè)外的小山脊上。

圖1　青川東山地質(zhì)平面圖Fig.1　Geological plan of Dongshan in Qingchuan city

如圖2所示，1#監(jiān)測點(diǎn)位于斜坡底部，2#監(jiān)測點(diǎn)處于斜坡肩處，2個監(jiān)測點(diǎn)位于坡度約為45°的斜坡上，3#監(jiān)測點(diǎn)處于斜坡頂部山梁上，4#監(jiān)測點(diǎn)位于山脊與山體接觸轉(zhuǎn)折部位。各監(jiān)測點(diǎn)均采用中國地震局工程力學(xué)研究所941B型超低頻測振儀和G01NET斜坡動力響應(yīng)監(jiān)測儀，測振儀均安放于中風(fēng)化的基巖上。經(jīng)儀器地脈動測試，各監(jiān)測點(diǎn)的卓越頻率：1#監(jiān)測點(diǎn)為3～6Hz；2#監(jiān)測點(diǎn)為6～8Hz；3#監(jiān)測點(diǎn)和4#監(jiān)測點(diǎn)均為8～9Hz。

圖4　ML3.2級地震作用下部分監(jiān)測點(diǎn)加速度時程曲線Fig.4　Time-history curves of acceleration of partial monitoring points under the ML3.2 earthquake

圖2　監(jiān)測點(diǎn)布置和設(shè)置剖面Fig.2　Layout and profile of seismic monitoring points

監(jiān)測點(diǎn)記錄的2次地震事件分別發(fā)生于2014年8月11日及2014年8月12日，震級ML分別為3.2級和2.2級，前者震中位于東山監(jiān)測斜坡的西南方向且其水平距離為4.54km，后者位于斜坡的東北方向(圖3)，水平距離為0.54km。震級為ML3.2級、ML2.2級的地震震源深度分別為14km和8km。各監(jiān)測點(diǎn)儀器監(jiān)測到斜坡不同位置處的地震波主頻如表1所示，其中震級較大的地震波主頻為11～19Hz，震級較小的地震波主頻為11～24Hz。

3　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過中國地震局工程力學(xué)研究所開發(fā)的G01NET信號分析軟件讀取儀器記錄的各監(jiān)測點(diǎn)加速度值，得到各監(jiān)測點(diǎn)在2次地震作用下的加速度時程曲線。各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到斜坡不同位置處的地震波峰值加速度如表2所示。限于文章篇幅，本文只

表1　2個地震波主頻值Table 1　Main frequencies of two seismic waves

給出了ML3.2級地震作用下部分監(jiān)測點(diǎn)的加速度時程曲線，如圖4所示。

表2　地震波峰值加速度Table 2　Peak accelerations of two seismic waves

從表2和圖4中可以看出，地震震級ML未超過3.5級，各監(jiān)測點(diǎn)的加速度不超過0.4m/s2；各監(jiān)測點(diǎn)豎向峰值加速度隨高程增加而增大，水平向峰值加速度隨高程先增大，到達(dá)坡肩后再隨高程減??；2次地震作用下，位于山脊底部的1#監(jiān)測點(diǎn)的水平分量峰值加速度隨震級增大而增加，2#監(jiān)測點(diǎn)的水平向分量峰值加速度為4個測點(diǎn)中的最大值；其中，各監(jiān)測點(diǎn)沿山脊走向的峰值加速度小于垂直山脊走向的峰值加速度。

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)的峰值加速度得到其加速度放大系數(shù)曲線如圖5所示。

圖5　余震作用下各監(jiān)測點(diǎn)加速度放大系數(shù)曲線Fig.5　PGA amplification curves of monitoring points under aftershocks

從圖5中可以看出：

(1)各監(jiān)測點(diǎn)豎向峰值加速度的放大系數(shù)均比水平向峰值加速度放大系數(shù)大，2次地震震中距離東山監(jiān)測坡面都<5km，當(dāng)震中距較小時震源產(chǎn)生的P波對豎直方向造成的波動強(qiáng)度大于S波對水平方向的影響，因而在震中較近的影響下豎直方向加速度放大系數(shù)要大于水平方向。

(2)豎向加速度放大系數(shù)隨高程增大而增加，相對于山脊底部1#監(jiān)測點(diǎn)，豎向加速度放大倍數(shù)最大可達(dá)6.12倍。

(3) 隨著震級增加，各監(jiān)測點(diǎn)加速度放大系數(shù)會增大，當(dāng)?shù)卣鹫鸺壴黾覯L1級時，豎向加速度峰值放大系數(shù)最大可增加1.54倍。

圖5中各監(jiān)測點(diǎn)水平向峰值加速度放大系數(shù)曲線呈右凸型，在高程小于921m時，地震波水平向峰值加速度放大系數(shù)隨高程增加而增大，高程超過921m時，峰值加速度放大系數(shù)隨高程呈降低的趨勢。其中2#監(jiān)測點(diǎn)的水平向放大倍數(shù)最大，可達(dá)3.3倍。2#監(jiān)測點(diǎn)位于山脊坡肩處，處于地形突出部位附近，由于地震波在從巖體傳到自由邊界時，自由邊界對其有反射作用，相對入射波放大2倍左右[8]，當(dāng)巖體位于突出部位時(圖6(a))反射波具有匯聚現(xiàn)象，相互疊加后，使得巖體獲得巨大的加速度；而當(dāng)巖體位于凹陷部位時(圖6(b))反射波會出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，地震波不會出現(xiàn)相互疊加放大的現(xiàn)象，因此，處于地形突出部位的2#監(jiān)測點(diǎn)在地形作用下地震波峰值加速度放大倍數(shù)可達(dá)最大。

(a)突出地形反射波匯聚

(b)凹陷地形反射波發(fā)散圖6　波反射示意圖Fig.6　Schematic diagram of wave reflection

整個山體呈“丁”字形，監(jiān)測點(diǎn)位于“丁”字形山體向外延伸的山脊上。山脊向內(nèi)傾斜，隨高程增加，監(jiān)測點(diǎn)距離山體轉(zhuǎn)折部位越近，3#監(jiān)測點(diǎn)和4#監(jiān)測點(diǎn)位于山脊頂部山梁上，距離山體“丁”字形轉(zhuǎn)折部位很近，受到山體轉(zhuǎn)折部位水平兩向的約束力很大，導(dǎo)致地震波水平向峰值加速度放大系數(shù)降低，距離轉(zhuǎn)折部位越近，放大系數(shù)降低越顯著，因而3#監(jiān)測點(diǎn)和4#監(jiān)測點(diǎn)水平向峰值加速度放大系數(shù)隨高程呈遞減趨勢。

4　東山斜坡動力特征的非連續(xù)變形分析(DDA)方法分析

DDA方法是平行于有限元法的一種數(shù)值分析方法，它不要求塊體單元的頂點(diǎn)與相鄰塊體單元的頂點(diǎn)吻合，分析過程和實(shí)際變化過程很接近，為研究如塊狀巖體之類的非連續(xù)介質(zhì)提供了很好的手段[9]。

文中根據(jù)青川東山斜坡剖面圖(如圖3)建立分析模型，剖面高260m，寬515m，斜坡巖性均為白云質(zhì)灰?guī)r，根據(jù)巖體卸荷程度將斜坡巖體分為3層，即強(qiáng)卸荷帶、弱卸荷帶和基巖。通過現(xiàn)場取樣并室內(nèi)試驗(yàn)測得斜坡白云質(zhì)灰?guī)r的密度為2.65×103kg/m3、彈性模量為55 450MPa、泊松比為0.44、摩擦角為33°，將其作為模型物理參數(shù)。在現(xiàn)場采用測線法，布置4條測線，測得有效結(jié)構(gòu)面53條，將結(jié)構(gòu)面等面積投影后如圖7所示。

圖7　結(jié)構(gòu)面等面積投影Fig.7　Homolographic projection of structural plane

利用柳剛[10]根據(jù)結(jié)構(gòu)面動態(tài)聚類分組方法編寫的MatLab程序?qū)⒔Y(jié)構(gòu)面分為2組，其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為96°∠41°和335°∠17°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分組后的產(chǎn)狀將邊坡卸荷帶劃分為單元塊體。在邊坡基巖部分設(shè)置虛節(jié)理(設(shè)置虛節(jié)理是為了形成單元塊體，節(jié)理參數(shù)設(shè)置很大以保證單元連續(xù)性)細(xì)分模型，根據(jù)Kuhlemeyer等[11-12]的研究，數(shù)值模擬中，模型網(wǎng)格剖分的尺寸受輸入波的最短波長控制，設(shè)置網(wǎng)格的尺寸應(yīng)小于輸入波最短波長的1/10～1/8，文中將基巖部分細(xì)分為10m×10m的塊體。在邊坡模型底部設(shè)置一個較大的塊體(不計(jì)重力)，將地震波輸入到該塊體上來模擬整個邊坡在地震波作用下的反應(yīng)，類似室內(nèi)振動試驗(yàn)的振動臺面部分。建立后的模型如圖8所示，模型底部及兩側(cè)邊緣采用黏滯邊界。

圖8　東山斜坡數(shù)值模型Fig.8　Numerical model of Dongshan profile

文中將斜坡底部1#監(jiān)測點(diǎn)記錄到的地震波(20140811T03:45(ML3.2))施加到模型底部塊體上(由于二維DDA只能模擬垂向和水平方向的地震波特征，坡面方位角為260°，因此水平方向采用儀器EW向記錄到的加速度時程)，模擬后各測點(diǎn)峰值加速度放大系數(shù)如圖9(a)所示。從圖中可以看出，模擬后1#，2#測點(diǎn)的放大系數(shù)與儀器監(jiān)測的結(jié)果基本一致，放大系數(shù)隨高程增大，且處于坡折部位的2#測點(diǎn)放大系數(shù)最大，模擬結(jié)果中，4#測點(diǎn)相對于3#測點(diǎn)有明顯的放大，與儀器監(jiān)測結(jié)果不相符。從第3節(jié)分析中可知放大系數(shù)減小是由于距離“丁”字形山體轉(zhuǎn)折處很近，文中二維DDA模擬中未考慮山脊寬度以及模型縱向約束力的影響，因而模擬過程中只計(jì)算了地震波受高程和地形的作用，導(dǎo)致模擬后的放大系數(shù)與監(jiān)測結(jié)果不同；在模型左側(cè)邊緣設(shè)置2個固定點(diǎn)模擬山體轉(zhuǎn)折部位的約束力，模擬后各監(jiān)測點(diǎn)放大系數(shù)曲線如圖9(b)所示，設(shè)置固定點(diǎn)增加邊緣約束力后，各測點(diǎn)放大系數(shù)有明顯減小，4#測點(diǎn)相對于3#測點(diǎn)水平向峰值加速度放大系數(shù)減小明顯，與斜坡儀器監(jiān)測結(jié)果相符，驗(yàn)證了離“丁”字形山體轉(zhuǎn)折部位較近的監(jiān)測點(diǎn)水平向峰值加速度放大系數(shù)降低主要是由于受山體轉(zhuǎn)折部位約束力的影響。

圖9　模擬后各測點(diǎn)放大系數(shù)曲線Fig.9　Simulated amplification factor curves of monitoring points

在東山斜坡動力特征數(shù)值模擬分析結(jié)果中，位于突出地形的2#監(jiān)測點(diǎn)水平向峰值加速度放大系數(shù)依然是最大，驗(yàn)證了上文中地震波在傳播過程中會受到突出地形放大的分析。建立突出地形的簡化模型如圖10所示(模型底部長400m，高30m)。

圖10　突出地形簡化模型Fig.10　Simplified model of prominent terrain

分析突出地形對地震波傳播過程的具體影響特征，模型物理計(jì)算參數(shù)與東山斜坡模型取值相同，底部依然采用黏滯邊界，定義地形突出部位最高點(diǎn)與地面的高差h與突出部位水平寬度d(文中d>20m)的比值為地形突起率，在突起部位頂部設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)以觀測地震波的變化，模型底部只輸入水平向加速度，文中施加1#監(jiān)測點(diǎn)記錄到的地震波(20140811T03:45(ML3.2))東西向加速度分量。改變模型的地形突起率，計(jì)算測點(diǎn)地震波峰值加速度的變化如圖11所示。

圖11　測點(diǎn)峰值加速度隨突起率的變化曲線Fig.11　Variation of peak ground acceleration ofmonitoring point with prominent terrain rate

從圖11可看出，突起率較小時，測點(diǎn)峰值加速度隨突起率增加；突起率達(dá)到臨界值時，測點(diǎn)峰值加速度最大，突起率繼續(xù)增加，測點(diǎn)峰值加速度呈降低趨勢，當(dāng)降低到一定值時，測點(diǎn)峰值加速度不再隨突起率明顯變化。

5　結(jié)　論

文中對東山斜坡地震動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并采用了非連續(xù)變形分析(DDA)方法對斜坡地震動響應(yīng)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出的結(jié)論有：

(1) 垂直山脊方向的地震波加速度放大系數(shù)大于沿山脊方向的加速度放大系數(shù)。

(2) 震中距較近時，斜坡豎直向加速度放大系數(shù)大于水平向加速度放大系數(shù)。

(3) 斜坡高程小于一定值時，豎直向峰值加速度放大倍數(shù)隨高程增加，最大放大倍數(shù)可達(dá)6.12倍。

(4) 隨地震震級增大，地震波放大系數(shù)會出現(xiàn)一定程度的增加。

(5) 在地形突出部位，由于地震波反射的匯聚作用，地震波會得到一定程度的放大，垂直單薄山脊方向上水平地震波的放大作用明顯，最大放大倍數(shù)可達(dá)3.3倍；當(dāng)?shù)匦瓮黄鹇瘦^小時，地震波峰值加速度隨突起率增加；突起率達(dá)到臨界值時，地震波峰值加速度不再繼續(xù)增加。

(6) 離“丁”字形山體轉(zhuǎn)折處越近，受到水平方向的約束力越大，地震波放大系數(shù)越小。地震作用下，斜坡放大系數(shù)較大的部位最易失穩(wěn)，在防治過程中應(yīng)著重考慮其抗震穩(wěn)定性。

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(編輯：黃玲)

Seismic Response of a Slope with Complex Shape

LIU Yong，WANG Yun-sheng，TANG Qi，CHEN Yi-xi

(StateKeyLaboratoryofGeohazadPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Unloadingfracturesdevelopedwellinthesuperficialpartofdeepvalleyslopeandwasstronglyweathered,whichmadesubcutaneouslayeranon-continuumandledtodielectricpropertydifference.Seismicresponseinthisareaiscomplicated.TakingDongshanslopeinQingchuancityasanexample,wefirstlyanalyzedtheseismicmonitoringdata,andthensimulatedthedynamicresponsecharacteristicsoftheslopebyusingdiscontinuousdeformationanalysismethodwhichissuitablefortheanalysisofrockslopemotionprocess.Werevealedtheinfluencesofepicentraldistance,elevation,magnitude,terrainandT-shapedmountainsandotherfactorsonseismicpeakgroundacceleration(PGA).Theresultsindicatethattheseismicpeakaccelerationamplificationfactoratverticalridgedirectionandhigherelevationislarger,reaching6.12times;ontheprotrusionpartoftheterrain,seismicwavecanalsogetacertaindegreeofamplification,reach3.3times;intheT-shapedridgebindingsite,thePGAamplificationratiowillbereducedtoacertaindegree.

slopeengineering;dynamicresponse;amplificationfactor;DDA;peakgroundacceleration(PGA)；prominentterrainrate

2015-06-29；

2015-08-05

中國地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120113010100)

劉勇(1989-)，男，四川廣元人，碩士研究生，從事地質(zhì)工程專業(yè)研究，(電話)18482176120(電子信箱)1039786137@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150542

2016,33(09):66-71

P642.2

A

1001-5485(2016)09-0066-06