周港圣,周 游,周正華,魏 來 ,魏 鑫,沈欣茹,陳 珍

(1.南京工業(yè)大學 交通運輸工程學院,江蘇 南京 210009;2.中國地質調查局 國土資源實物地質資料中心,河北 三河 065201;3.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550001;4.黑龍江中醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

局部不規(guī)則地形引起地震波的散射與繞射,導致地震動放大或衰減的現(xiàn)象稱為地形效應。已有研究表明,山峰、山脊之類的不規(guī)則地形會顯著地影響地震動的峰值和頻率特性[1-3],在地震作用下小山包頂部的地震動峰值加速度放大現(xiàn)象明顯[4-8]。破壞性地震的宏觀震害調查顯示,山頂部的震害高于山腳和平坦場地。1970年云南通海地震中,孤立突出的地形(小山包、山梁和地勢高出地面30 m以上的臺地)其震害都明顯較重,地震烈度較附近平坦場地偏高0.5度～1.0度,表明復雜地形對震害分布具有重要的影響[9];1974年云南永善—大關發(fā)生MS7.1地震,位于山脊上的盧永灣受損嚴重[10];2008年汶川地震中,位于山脊平臺上的青川縣木魚鎮(zhèn)中學校區(qū)(其位于汶川地震主震中孤立突出的山脊地形)引起了顯著的地震動放大,導致學校教舍產生嚴重破壞[11]。強震動地形效應觀測亦表明,山脊地形對地震動具有顯著的影響[12-13],1994年Northridge地震,在Tarzana山頂記錄到加速度峰值達1.82g,引起此處建筑物嚴重破壞[14]。唐暉等[15]、楊宇等[16]分別利用HVSR法和傳統(tǒng)傅里葉譜比法結合自貢地形影響臺陣獲得的汶川主震強震動記錄,分析了山脊地形對地震動的影響,但由于分析時選擇的參考點為非基巖自由場點,其譜比低估了地形的放大效應。孫崇紹等[17]分析了汶川地震流動觀測中布設在甘肅文縣縣城附近山包上不同高度的流動臺站獲得的余震記錄,得到了地形對地表峰值加速度影響顯著的結論,但其參考點為位于山洞內的觀測點,從而高估了地形放大效應。因此,在對山脊地形場地的工程結構進行抗震設計時,應合理考慮山脊地形效應[18-20]。

目前,研究地形效應的主要方法有強震動觀測法、解析法和數(shù)值法,其中解析法和數(shù)值法多基于不同的假定,其模擬結果僅能反映一定條件下的地形效應;強震動觀測是最直接、最有效的方法之一,但由于地形效應臺陣較少且獲得的數(shù)據(jù)更少,使這一分析方法受到了一定的限制。慶幸的是在汶川地震主、余震中獲得了多組強震動加速度記錄,為開展地形效應影響提供了寶貴的實際記錄。本文對布設在自貢西山、江油竇團山及青川三鍋山的地形效應觀測臺陣獲得的多組汶川地震主、余震三分量加速度記錄進行了處理,得到了各觀測點的加速度峰值和加速度反應譜,并據(jù)此進行了分析對比,以揭示山脊地形對地震動的影響特征。

1 地形效應觀測臺陣及加速度記錄處理

1.1 地形效應臺陣

本文利用的強震動加速度記錄是由位于四川省自貢市西山、江油市竇團山及青川縣三鍋山的三個地形效應觀測臺陣在汶川地震主、余震中獲得的,各臺陣觀測點布置如圖1所示。自貢西山地形效應觀測臺陣(以下簡稱自貢臺陣)由8個觀測點組成,分別位于山頂、山坡、山腳及山底較平坦場地(被視作自由場)。江油竇團山地形效應觀測臺陣(以下簡稱竇團山臺陣)和青川三鍋山地形效應觀測臺陣(以下簡稱三鍋臺山陣)均由2個觀測點組成,分別位于山頂和山腳。在3個地形效應觀測臺陣中各觀測點均安裝一套三分量數(shù)字強震加速度儀,每個加速度儀內置有兩水平分量力平衡式加速度計(EW和NS)和一個垂直分量力平衡式加速度計(UD)。地形效應觀測臺陣配置的強震動加速度儀為美國Kinemetrics公司生產的Etna型數(shù)字強震動加速度儀,具有18位分辨率,動態(tài)范圍為108 dB @200 SPS,內置力平衡式加速度傳感器(型號:EpiSensor)頻帶為DC-200 Hz。

圖1 目標山體剖面及觀測點位置示意圖Fig.1 The cross-section of target ridges and position of observation points

1.2 臺陣場地條件

自貢臺陣布設于自貢市西山場地上,山體走向北東,場地效應臺陣沿北坡布設,坡度約30°～40°;竇團山臺陣布設于江油市竇團山,山體走向北東,場地效應臺陣沿南坡布設,坡度約40°～50°;三鍋山臺陣布設于青川三鍋山,山體走向北西,臺陣沿北坡布設,坡度約20°～30°。三個場地地表均覆蓋有較薄的風化巖層,在觀測點布設儀器時,對薄風化巖層進行了處理,因此,各山脊地形場地均可視為基巖場地。由圖1所示的山脊地形剖面可計算得到三個地形效應觀測臺陣山頂觀測點與山腳觀測點的相對高差分別約為72 m、87 m和63 m。

自貢臺陣是十五“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目”國家數(shù)字強震臺網(wǎng)的自貢地形影響專用臺陣,于2007年建成運行,屬于基巖場地的固定觀測臺陣。汶川地震后,地震震害科考期間選擇在四川省江油市竇團山及青川縣三鍋山開展地形效應強震動流動觀測,所建立的竇團山臺陣和三鍋山臺陣亦為基巖場地的地形效應流動觀測臺陣。

在汶川地震中,距離震中225.6 km的自貢臺陣獲得了8組三分量波形完整的加速度記錄,而竇團山臺陣和三鍋山臺陣分別獲得的3次余震的12組三分量波形完整的加速度記錄,其為研究山脊地形對地震動的影響提供了寶貴資料。在此值得說明的是,自貢臺陣觀測點1原為基巖自由場地觀測點,后因地方建設原觀測點場地被占用需遷移,遷移期間臨時布設在西山山腳附近建筑物內,且儀器安裝在建筑物內的木地板上,可見觀測點1并非為分析場地效應而安裝布設于此。鑒于此,本文將不以自貢臺陣觀測點1為參考點進行相關地形效應分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

自貢臺陣、竇團山臺陣和三鍋山臺陣各觀測點加速度強震儀所記錄的原始記錄是電壓[V(t)]信號數(shù)據(jù),需依據(jù)儀器靈敏度1.25 V/g將電壓信號數(shù)據(jù)轉變成加速度數(shù)據(jù)a(t)。由于儀器安裝的非水平和溫度的影響,加速度記錄不可避免地存在一定的零位漂移,為了這種影響,對原始加速度記錄a(t)進行了零階基線校正。具體處理步驟如下[21]:

(1) 首先對記錄進行濾波,有效頻帶確定為0.05～100 Hz;

(2) 計算事前時間內的加速度記錄平均值a0;

(3) 從原始加速度記錄a(t)減去事前記錄平均值a0。

經處理后即可得到三個地形效應觀測臺陣各觀測點的加速度時程,并據(jù)此計算得到其各觀測點的峰值加速度及相應峰值比。定義自貢臺陣峰值比為觀測點3～8與測點2的峰值加速度比,竇團山臺陣和三鍋山臺陣峰值比為山頂測點2與山腳測點1的峰值加速度比,各臺陣觀測點峰值加速度及相應峰值比計算結果列于表1～2。依據(jù)表1峰值加速度一欄繪制得到了圖2所示的峰值加速度隨自貢臺陣觀測點2～8的變化趨勢,以描述峰值加速度隨地形的變化特征。

圖2 自貢臺陣測點2～8地面峰值加速度Fig.2 PGA of point 2-point 8 at Zigong array

表1 自貢臺陣各觀測點地面峰值加速度及峰值比Table 1 Peak ground acceleration and peak ratio of acceler- ation at each observation point of the Zigong array

此外,利用經零階基線校正后的這三個地形效應觀測臺陣各觀測點的加速度時程計算得到其各觀測點的加速度反應譜,繼而計算得到了自貢臺陣觀測點3～8與觀測點2的反應譜比(圖3)及竇團山臺陣山頂測點2與山腳測點1的反應譜比(圖4)和三鍋山臺陣山頂測點2與山腳測點1的反應譜比(圖5)。

圖3 自貢臺陣測點3～8與測點2的加速度反應譜比Fig.3 Acceleration response spectra ratios of point 3-8 to point 2 at Zigong ratio of acceleration array

圖4 竇團山臺陣山頂觀測點2與山腳觀測點1加速度反應譜比Fig.4 Acceleration response spectra ratios of point 2 to point 1 at Doutuan mountain array

圖5 三鍋山臺陣山頂觀測點2與山腳觀測點1加速度反應譜比Fig.5 Acceleration response spectra ratios of point 2 to point 1 at Sanguo mountain array

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 自貢臺陣

由圖2所示,無論是水平方向還是垂直方向,山坡上和山頂上測點加速度峰值均大于山腳測點的峰值加速度,并未呈現(xiàn)加速度峰值隨地形的升高而增加的趨勢,定性分析可能是由于受測點附近微地形影響所致,但這種趨勢在垂直分量上不明顯。由表1可知,山坡與山頂上水平方向的放大效應明顯大于垂直方向,東西向峰值加速度放大系數(shù)最大為1.77,南北向為1.72,而垂直向為1.34。此外,自貢臺陣同一測點兩水平方向峰值加速度和放大系數(shù)亦有差異,表明地形對地震動峰值加速度的影響具有方向性。

由圖3所示，無論是水平向還是垂直向自貢臺陣譜比均為周期相關,且水平向譜比明顯大于垂直向,東西向與南北向譜比變化趨勢大致相同,但東西向譜比較南北向譜比略高。由圖3(a)可見，東西向0.01～0.03 s、1.0 s以上周期范圍內譜比變化平緩,0.01～0.03 s周期范圍內譜比1.2～1.8,1.0 s以上譜比為0.8～1.2,測點7譜比最大,測點3譜比最小,其中1.0 s以上周期范圍內測點3譜比小于1;0.03～1.0 s周期范圍內譜比變化較明顯,譜比不1.0～3.4,測點7譜比最大,測點3譜比最小;對于同一周期,譜比變化趨勢與峰值變化趨勢一致。由圖3(b)可見，南北向0.01～0.045 s、0.7 s以上周期范圍內譜比變化平緩,0.01～0.045 s周期范圍內譜比為1.1～1.7,測點8譜比最大,測點3譜比最小,0.7 s以上周期范圍內譜比為1.0～1.2,測點7譜比最大,測點3譜比最小;0.045～0.7 s周期范圍內譜比變化較明顯,譜比為0.8～3.2,0.045～0.12 s周期范圍內測點8譜比最大,測點3譜比最小,0.12～0.7 s周期范圍內測點7譜比最大,測點3譜比最小,其中測點3當周期為0.1 s與0.45 s時、測點4周期為0.6 s時譜比小于1。從圖3(a)、(b)可知，南北向譜比隨周期的變化特征與東西向存在一定的差異，但對于同一周期,譜比變化趨勢與峰值變化趨勢一致。

通過水平向譜比分析可以看出,自貢臺陣各測點譜比亦存在方向上的差異。

相較于水平向,豎向譜比[圖3(c)]變化則比較平緩,在0.01～0.03 s、0.7 s以上周期范圍內譜比變化平緩,0.01～0.03 s周期范圍內譜比為1.1～1.4,0.7 s以上周期范圍內譜比為1.1～1.2,均表現(xiàn)為測點7譜比最大,測點3譜比最小,0.03～0.7 s周期范圍內譜比變化較明顯,譜比為0.8～2.0,測點7譜比最大,0.03～0.1 s周期范圍內測點3譜比最小,0.1～0.7 s周期范圍內測點8譜比最小,測點3、測點5及測點8在一些周期范圍內譜比小于1。

2.2 竇團山臺陣與三鍋山臺陣

由表2列出的竇團山臺陣和三鍋山臺陣的地面峰值加速度及峰值加速度比可知,其地形效應明顯區(qū)別于自貢西山的地形效應,表現(xiàn)為山頂相對于山腳地震動有放大亦有減小,水平向地震動總體大于豎向,兩水平向也有一定的差異,不同地形的地震效應亦有差異。竇團山臺陣東西向最大放大倍數(shù)為1.09,南北向為1.41,豎向為1.12。三鍋山臺陣東西向最大放大倍數(shù)為2.40,南北向地震動均減小,豎向最大放大倍數(shù)為1.52。

表2 竇團山臺陣及三鍋臺臺陣各觀測點地面峰值加速度及峰值比Table 2 Peak ground acceleration and peak ratio of acceleration at each observation point of the Doutuan mountain array

如圖4所示，竇團山臺陣對于3次地震，無論是水平向譜比還是垂直向譜比均周期相關,兩水平向譜比隨周期(0.01～20 s)變化趨勢相近：譜比首先呈現(xiàn)平緩變化,繼而逐漸上升轉為逐漸下降,隨后逐漸上升并轉為逐漸下降,譜比呈現(xiàn)雙峰狀;然而各譜比峰值區(qū)對應的周期范圍存在差異,東西向周期范圍為0.04～0.1 s、0.3～1.2 s,南北向周期范圍0.06～0.15 s、0.2～1.2 s。與水平向譜比不同,豎向譜比呈三峰狀,對應的周期范圍為0.04～0.07 s、0.1～0.4 s、0.45～1.2 s。

對于東西向譜比,除EQ.1在0.08～0.2 s周期范圍內與EQ.2與EQ.3譜比明顯不同外,其余周期范圍內,3次地震的譜比較接近,尤其是EQ.2與EQ.3的譜比在分析周期范圍內基本接近;EQ.1譜比在0.05～0.08 s、0.4 s以上周期范圍內大于1,其余周期范圍內譜比小于1;EQ.2與EQ.3譜比在0.06～0.17 s、0.3 s以上周期范圍內大于1,EQ.3譜比在0.01～0.04 s周期范圍內、EQ.2譜比在0.02～0.04 s周期范圍內亦大于1；對于南北向譜比,除EQ.3在0.01～0.3 s周期范圍內與EQ.1與EQ.2譜比明顯不同外,其余周期范圍內,3次地震的譜比較接近,然而EQ.1與EQ.2的譜比在分析周期范圍內基本接近;EQ.3南北向譜比在0.25 s以上周期范圍內大于1,其余周期范圍內譜比小于1;EQ.1與EQ.2譜比在0.01～0.13 s、0.25 s以上周期范圍大于1。

對于豎向譜比,除EQ.1在0.01～0.2 s周期范圍內與EQ.2與EQ.3的譜比明顯不同外,其余周期范圍內3次地震的譜比較接近,但EQ.2與EQ.3的譜比在0.03～0.08 s以外的周期范圍內基本接近;EQ.1東西向譜比在0.2～0.3 s、0.50 s以上周期范圍內大于1,其余周期范圍內譜比小于1;EQ.2譜比在0.03～0.07 s、0.10 s以上周期范圍大于1,其余周期范圍內譜比小于1;EQ.3譜比在0.01～0.02 s、0.03～0.05 s、0.1～0.3 s、0.5 s以上周期范圍大于1,其余周期范圍內譜比小于1。

由圖5所示，三鍋山臺陣對于3次地震,無論是水平向譜比還是垂直向譜比均周期相關,EQ.4兩水平向譜比隨周期變化趨勢基本相近,且豎向譜比隨周期變化趨勢與水平向相似,呈現(xiàn)先逐漸上升繼而逐漸下降,隨后逐漸上升再逐漸下降的趨勢,表現(xiàn)為雙峰狀;然而,EQ.5與EQ.6兩水平向和豎向譜比隨周期變化趨勢基本相近,先平緩變化繼而逐漸上升,隨后逐漸下降再緩慢變化,表現(xiàn)為譜比單峰狀,只是各峰區(qū)對應的周期范圍略有差異。東西向的譜比和豎向的譜比均較南北向的譜比大,但豎向譜比最大值較東西向的大。東西向譜比大于1的周期范圍較寬,豎向的次之,南北向的最窄。相對EQ.5與EQ.6,EQ.4譜比大于1的周期范圍較寬。

3 結論

本文以自貢臺陣、竇團山臺陣及三鍋山臺陣在汶川地震主、余震中獲得的三分量地震動加速度時程為數(shù)據(jù)基礎,分析了山脊地形對地震動的影響,獲得以下幾點主要認識:

(1) 對于自貢臺陣,無論是水平向還是豎向地震動加速度,山坡和山頂測點加速度峰值均大于山腳測點的加速度峰值,但未呈現(xiàn)加速度峰值隨地形的升高而增加的特征。定性分析認為是由于測點附近微地形影響所致,這一特征主要體現(xiàn)于水平向地震動,而豎向地震動不明顯。山坡與山頂水平向的放大效應明顯大于豎向。無論是水平向還是豎向譜比均周期相關,且水平向譜比明顯大于豎向,東西向與南北向譜比變化趨勢大致相同,東西向譜比較南北向譜比略高。然而同一測點兩水平向的峰值加速度、峰值比及譜比亦有差異,表明了地形效應的方向性。

(2) 對竇團山臺陣和三鍋山臺陣的地面峰值加速度及峰值加速度比分析表明,類似于自貢臺陣水平向地震動總體大于豎向,兩水平向地震動也有一定的差異,但其地形效應明顯區(qū)別于自貢臺陣,表現(xiàn)為山頂?shù)卣饎酉鄬τ谏侥_并非總是放大,亦有減小,說明不同地形的地震動效應亦有差異。

(3) 加速度反應譜比最大值較峰值比大,譜比大于1.0對應的周期范圍較譜比小于等于1.0周期范圍寬。

(4) 自貢臺陣、竇團山臺陣和三鍋山臺陣所表現(xiàn)的地形對地震動峰值加速度和反應譜的影響并非山脊上觀測點都呈現(xiàn)放大特征,且對于不同方位的地震,其地形效應亦存在差異。