寇瑞斌 王運生 胡東雨 唐 濤詹明斌 向 超 吳昊宸 趙方彬

1 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都市東三路1號，610059 2 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都市東三路1號，610059

汶川大地震以及近年來發(fā)生的多起強震使得許多山體受到擾動，形成大量震裂斜坡。研究表明，不同微地貌單元對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育具有明顯影響，凸出地形、條形山體、單薄山脊、坡折部位、山嘴兩側(cè)地形放大效應(yīng)顯著，多有震害發(fā)生[1-7]。部分學(xué)者設(shè)計振動臺模型實驗，研究微地貌放大效應(yīng)以及地震動參數(shù)影響邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律[8-10]。

對震裂斜坡力學(xué)形成機制的研究較多，取得了一系列成果[11-14]，但對震裂斜坡地震動響應(yīng)特征的研究較少，尤其缺乏實際監(jiān)測數(shù)據(jù)。受2019年長寧6.0級地震和2019年珙縣5.6級地震災(zāi)害的影響，珙縣珙泉鎮(zhèn)三江村鷹咀巖地裂縫發(fā)生變形，直接威脅當(dāng)?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全。本研究在鷹咀巖安置3臺地震動監(jiān)測儀器，分析震裂斜坡的地震動響應(yīng)特征，以期對珙縣防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 監(jiān)測剖面概況

四川盆地南緣構(gòu)造變形較為簡單，巖層傾角相對較小，但地應(yīng)力復(fù)雜，主要有北西向和滇東-黔西的擠壓應(yīng)力以及四川盆地的剛性基底阻力，為應(yīng)力積累提供條件，易發(fā)生地震，興文MS5.1地震即是正常的高地應(yīng)力釋放過程[15]。本次地震震源深度10 km，震中位置為28.22°N、105.03°E，珙縣地震監(jiān)測臺站距離震中約30 km，震中位置及斷裂展布見圖1。

圖1 震中位置及斷裂展布Fig.1 Distribution of the epicenter and faults

鷹咀巖不穩(wěn)定斜坡前緣以公路內(nèi)側(cè)基覆界面為界，兩側(cè)均以微地貌小山脊為界，縱向長約490 m，寬約300 m，厚約2～3 m，體積約44.1萬m3。斜坡坡向約185°，平均坡度約35°。斜坡中下部公路內(nèi)側(cè)局部可見基巖出露，巖性為灰褐色砂巖，產(chǎn)狀為212°∠9°，巖層與斜坡傾向大體一致，為順層斜坡。受2019-06-17長寧縣6.0級地震以及2019-07-04珙縣5.6級地震影響，斜坡體上出現(xiàn)2條地裂縫L1和L2(圖2)。地裂縫L1可分為2段，Ⅰ段走向約123°，長約74 m，寬0.5～0.7 m，深2.2～2.5 m；Ⅱ段走向約168°，長約72 m，寬0.2～0.5 m，深1.5～2.3 m。地裂縫L2走向約140°，長約39 m，寬0.15～0.4 m，深0.1～0.4 m。根據(jù)變形特征，斜坡中后部區(qū)域為強變形區(qū)，長約200 m，寬約255 m。鷹咀巖地裂縫所處斜坡目前均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，若遇持續(xù)降雨、地震等不利工況條件，形成災(zāi)害的可能性較大。

(a)～(c)為地裂縫L1，(d)～(e)為地裂縫L2圖2 地震裂縫Fig.2 Earthquake fissures

珙縣鷹咀巖斜坡體上布置有3個監(jiān)測點(圖3)，監(jiān)測剖面見圖4。1#監(jiān)測點高程502 m，位于斜坡前緣村道旁基巖上，巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)砂巖，巖層近水平，產(chǎn)狀215°∠9°，層厚20～50 cm，中風(fēng)化至微風(fēng)化。1#監(jiān)測點接近谷底，且?guī)r體較完整，可以忽略地形效應(yīng)，作為斜坡中上部監(jiān)測點的參考點。2#監(jiān)測點位于震裂斜坡中部基巖上，高程597 m，地形坡度較緩，約30°～40°，表層覆蓋物為粘土夾碎石，粘土為塑性，厚約0.5～0.7 m。3#監(jiān)測點位于震裂斜坡地裂縫附近基巖上，高程678 m，地形坡度30°～40°，表層覆蓋物為粘土夾碎石，粘土為塑性，厚約1.8～2.1 m。2#和3#監(jiān)測點表層有薄覆蓋物，但傳感器位于基巖上，可以忽略覆蓋層影響，按照基巖場地進行分析。本研究使用G01NET-3型結(jié)構(gòu)與斜坡地震動響應(yīng)監(jiān)測儀，采樣間隔為0.005 12 s。

圖3 監(jiān)測點位分布Fig.3 Distribution of monitoring points

圖4 鷹咀巖監(jiān)測剖面Fig.4 Yingzuiyan monitoring profile

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 時程曲線

興文MS5.1地震觸發(fā)距離震中約30 km的鷹咀巖斜坡上的3臺地震動監(jiān)測儀器，儀器記錄到完整的地震波數(shù)據(jù)。使用SeismoSignal軟件對數(shù)據(jù)進行基線校正和濾波處理，并分析時程曲線(圖5)。

圖5 地震動時程曲線Fig.5 Ground motion time history curve

分析各監(jiān)測點的地震動加速度時程曲線可知，本次地震持時短、幅度小，位于震裂斜坡上部的2#和3#監(jiān)測點S波持時較斜坡前緣1#監(jiān)測點長2～5 s，這是因為在限定范圍內(nèi)，地震波到時與持時隨震中距的增加而增加，而高程增加相當(dāng)于震中距增加。1#、2#和3#監(jiān)測點的最大峰值加速度(PGA)分別為0.061 65 m/s2、0.092 55 m/s2和0.145 57 m/s2，1#監(jiān)測點三分量方向加速度小于2#和3#監(jiān)測點，地裂縫附近3#監(jiān)測點最大PGA大于1#和2#監(jiān)測點，這是由高程放大效應(yīng)和震裂斜坡地震波傳播遇不連續(xù)介質(zhì)(地裂縫)發(fā)生反射疊加所致。地震波傳播時由于S波與P波波速不同步，因此能在較短時間內(nèi)記錄雙峰型時程曲線，地裂縫附近3#監(jiān)測點相較于2#監(jiān)測點NS向加速度雙峰特征更加明顯，且第2峰值大于第1峰值，這是因為波速較快的P波遇震裂斜坡不連續(xù)介質(zhì)(地裂縫)發(fā)生反射并與波速較慢的S波疊加，從而在較短時間內(nèi)增強S波能量，提高第2波峰(峰值加速度)大小。在EW、NS和UD方向上，各點均有不同程度的響應(yīng)，大體上為NS向最大，EW向次之，UD向最小，表明本次地震動優(yōu)勢方向為NS向。

2.2 傅里葉頻譜

地震波信號呈現(xiàn)正弦曲線，將其作傅里葉變換得到傅里葉頻譜圖(圖6)，可反映場地不同頻率范圍的地震波能量強弱。

圖6 地震動傅里葉頻譜圖Fig.6 Fourier spectrogram of ground motion

從圖6可以看出，震裂斜坡場地對地震波頻率(表1)變化起到明顯作用，1#監(jiān)測點主頻率較小，EW、NS和UD方向上分別為6.23 Hz、11.10 Hz和11.74 Hz；2#監(jiān)測點三分量上主頻率分別為10.03 Hz、17.51 Hz和9.88 Hz；3#監(jiān)測點三分量上主頻率分別為11.34 Hz、21.73 Hz和12.53 Hz。表明該震裂斜坡對EW向和NS向分量低頻具有過濾吸收作用，對中高頻具有放大增強作用，表現(xiàn)為低頻衰減、中高頻放大、頻帶變寬，這在地裂縫附近3#監(jiān)測點更加顯著；UD向變化不明顯，可能與震中距和表層覆蓋物有關(guān)，有待進一步研究。

2.3 加速度反應(yīng)譜

加速度反應(yīng)譜是指在相同阻尼條件下，地表質(zhì)點系的最大響應(yīng)與場地自振周期的關(guān)系，可理解為阻尼相同、周期不同的質(zhì)點系在地震過程中的最大響應(yīng)(位移、速度和加速度)，反映了場地的地震動和共振特性，其本質(zhì)是反映最大響應(yīng)絕對值與自振周期的函數(shù)關(guān)系[16-17]。阻尼比指場地在受到地震力荷載作用下振動的衰減，本文分析加速度反應(yīng)譜時，將阻尼比設(shè)置為5%、10%和20%(圖7)。

圖7 地震動加速度反應(yīng)譜Fig.7 Acceleration response spectrum of ground motion

從圖7可以看出，加速度幅值隨著阻尼比增大而減小，且下降明顯，在0.5 s后逐漸減小趨近于0。反應(yīng)譜升降趨勢不隨阻尼比變化而發(fā)生顯著改變，說明加速度反應(yīng)譜可量化不同阻尼對地震波振幅的響應(yīng)，而阻尼對震動過程的影響較小。在同一阻尼比條件下，地裂縫附近3#監(jiān)測點的振幅值均大于1#和2#監(jiān)測點，NS向反應(yīng)譜顯著大于EW和UD向。

根據(jù)GB 50011-2010 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，珙縣為Ⅵ度設(shè)防區(qū)，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，地震分組為第1組，屬于Ⅱ類場地，Ⅵ度和Ⅶ度水平地震影響系數(shù)最大值分別為0.28和0.50，特征周期為0.35 s，選擇5%阻尼比的加速度，使用Chinese Response Spectrum程序繪制抗震設(shè)計反應(yīng)譜。通過分析可知，2#監(jiān)測點NS向和3#監(jiān)測點EW向5%阻尼比反應(yīng)譜峰值大于Ⅵ度設(shè)計譜，小于Ⅶ度設(shè)計譜；3#監(jiān)測點NS向5%阻尼比反應(yīng)譜峰值接近Ⅶ度設(shè)計譜，10%阻尼比峰值超過Ⅵ度設(shè)計譜。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，居民房屋墻壁出現(xiàn)裂縫(圖8(a))，道路內(nèi)側(cè)斜坡覆蓋層有垮塌(圖8(b))，這與反應(yīng)譜分析結(jié)果一致。

圖8 監(jiān)測點附近房屋損壞和斜坡垮塌Fig.8 Houses damage and slopes collapse near monitoring points

3 放大效應(yīng)

一般使用PGA放大系數(shù)和阿里亞斯強度(AI)放大系數(shù)研究地震動的放大效應(yīng)。PGA是地表上單質(zhì)點體系震動絕對值最大的加速度；AI是地表上單質(zhì)點加速度在時間上的積累，可以用來表征地震烈度，二者結(jié)果可以相互印證。

3.1 鷹咀巖震裂斜坡地震動放大效應(yīng)

根據(jù)各監(jiān)測點地震動參數(shù)(表1)，通過對比PGA放大系數(shù)和AI放大系數(shù)(圖9)，分析鷹咀巖震裂斜坡的放大效應(yīng)。

表1 各監(jiān)測點地震動參數(shù)Tab.1 Ground motion parameters of each monitoring point

圖9 各監(jiān)測點放大系數(shù)Fig.9 Amplification factors of each monitoring point

忽略地形效應(yīng)，將接近谷底基巖的1#監(jiān)測點作為基準(zhǔn)，分析震裂斜坡上部2#和3#監(jiān)測點的放大效應(yīng)。2#監(jiān)測點EW、NS和UD向的PGA放大系數(shù)分別為1.50、1.67和1.17，3#監(jiān)測點EW、NS和UD向的PGA放大系數(shù)分別為2.36、3.05和1.59，可見PGA放大系數(shù)NS向>EW向>UD向。2#監(jiān)測點EW、NS和UD向AI放大系數(shù)分別為4.68、6.15和4.43，3#監(jiān)測點EW、NS和UD向AI放大系數(shù)分別為7.59、18.86和6.01，AI放大系數(shù)NS向>EW向>UD向。PGA放大系數(shù)和AI放大系數(shù)均大于1，表明2#和3#監(jiān)測點均存在放大現(xiàn)象。AI放大系數(shù)大于PGA放大系數(shù)，表明AI判定斜坡地震動響應(yīng)更加合理、精細(xì)[2]。PGA放大系數(shù)和AI放大系數(shù)的變化趨勢相似，均為NS向>EW向>UD向，表明NS向在地震波作用下?lián)u晃更強烈，為優(yōu)勢方向。此次震裂斜坡地震動響應(yīng)表現(xiàn)出方向效應(yīng)，原因為鷹咀巖斜坡位于長5.4 km、走向108°的條形山體南坡，在地震波作用下，條形山體在近垂直其走向的方向(NS向)搖晃更加強烈。

3.2 與蘆山仁家村地震動監(jiān)測剖面對比

蘆山縣仁家村在2013-04-20蘆山MS7.0地震后布設(shè)了1條監(jiān)測剖面共2個地震動監(jiān)測臺站(表2)。2013-05-01臺站監(jiān)測到蘆山地震4.2級余震，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，震中位置為30.20°N、102.90°E，震源深度20 km，監(jiān)測臺站距震中約4.2 km。珙縣鷹咀巖3#監(jiān)測點和2#監(jiān)測點高程差81 m，與蘆山仁家村監(jiān)測剖面點位高程差(77 m)相近，且2個場地傳感器均放置于基巖(砂巖)上，因此將2個場地的放大效應(yīng)進行對比(表3)，分析震裂斜坡的放大效應(yīng)。

表2 蘆山仁家村監(jiān)測剖面點位場地信息Tab.2 Site information of monitoring profile points in Renjia village,Lushan

表3 蘆山地震和興文地震響應(yīng)參數(shù)對比Tab.3 Comparison of response parameters of Lushan earthquake and Xingwen earthquake

由表3可知，蘆山地震PGA放大系數(shù)為0.98～1.78，AI放大系數(shù)為1.54～2.05；興文地震PGA放大系數(shù)為1.36～1.82，AI放大系數(shù)為1.36～3.06。震裂斜坡的放大系數(shù)在EW和NS方向上明顯大于非震裂斜坡，在UD方向上則不明顯，表明震裂斜坡對地震波存在放大現(xiàn)象。這是因為在震裂斜坡中，地震波傳播遇到不連續(xù)介質(zhì)(地裂縫)會發(fā)生反射，波速較快的P波和先到達地表的S波反射波與后續(xù)到達地表的S波疊加，能量增強促使斜坡?lián)u晃更加猛烈，發(fā)生震裂斜坡的放大響應(yīng)。

4 結(jié) 語

興文5.1級地震觸發(fā)位于珙縣鷹咀巖震裂斜坡上的3臺地震監(jiān)測儀器，完整記錄到地震波的傳播過程。通過研究時程曲線、傅里葉頻譜和加速度反應(yīng)譜，分析本次地震動響應(yīng)特征，得到以下結(jié)論：

1)本次地震持時短、幅度小，1#、2#和3#監(jiān)測點三分量方向最大峰值加速度分別為0.061 65 m/s2，0.092 55 m/s2，0.145 57 m/s2，2#和3#監(jiān)測點S波持時較1#監(jiān)測點長2～5 s。

2)分析傅里葉頻譜可知，1#、2#和3#監(jiān)測點EW、NS向主頻率值分別為6.23 Hz、11.10 Hz，10.03 Hz、17.51 Hz和11.34 Hz、21.73 Hz，震裂斜坡對水平向分量具有低頻過濾吸收、中高頻放大增強作用，表現(xiàn)為低頻衰減、中高頻放大、頻帶變寬，在地裂縫附近3#監(jiān)測點該變化更加顯著，而3個監(jiān)測點垂直向主頻率值分布在9.88～12.53 Hz，變化不明顯。

3)在同一阻尼比條件下，地裂縫附近3#監(jiān)測點的振幅值大于1#和2#監(jiān)測點，NS向加速度反應(yīng)譜顯著大于EW和UD向。對比規(guī)范設(shè)計譜可知，3#監(jiān)測點NS向加速度反應(yīng)譜最大，5%阻尼比峰值接近Ⅶ度設(shè)計譜，10%阻尼比峰值超過Ⅵ度設(shè)計譜。

4)以1#監(jiān)測點為參考，2#和3#監(jiān)測點PGA放大系數(shù)為1.17～3.05，AI放大系數(shù)在EW和UD向為4.43～7.59，地裂縫附近3#監(jiān)測點NS向可達18.86。對比1#監(jiān)測點，2#和3#監(jiān)測點PGA放大系數(shù)和AI放大系數(shù)均大于1，且NS向>EW向>UD向，NS向表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢方向。這是因為該斜坡位于一條形山體(走向108°)南側(cè)，在地震波作用下，條形山體會在近垂直其走向的方向(NS向)搖晃更加劇烈。

5)對比蘆山仁家村非震裂斜坡監(jiān)測剖面可知，珙縣鷹咀巖監(jiān)測剖面的放大系數(shù)在水平方向更大，而在垂直方向不明顯，表明震裂斜坡對地震波存在放大現(xiàn)象。這是因為地震波傳播遇到不連續(xù)介質(zhì)(地裂縫)會發(fā)生反射，波速較快的P波和先到達地表的S波反射波與后續(xù)到達地表的S波疊加，能量增強促使斜坡?lián)u晃更加劇烈，發(fā)生震裂斜坡的放大響應(yīng)。

致謝：感謝華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司提供震后勘查成果。