汶川地震山腳震害特征及機理分析1

王 偉劉必燈劉 欣沈 超周正華

1）防災科技學院，廊坊 065201

2）南京工業大學，南京 210000

汶川地震山腳震害特征及機理分析1

王 偉1）劉必燈1）劉 欣1）沈 超1）周正華2）

1）防災科技學院，廊坊 065201

2）南京工業大學，南京 210000

汶川地震和以往地震現場震害調查表明，局部場地地形對震害的影響明顯，其中，山腳房屋震害程度明顯低于山頂和水平地表土層場地。針對這一震害特征，本文以汶川主震的地形效應觀測強震動記錄和人工爆破山體地形地震動觀測記錄為基礎，通過數據分析，結合動力集中質量中心差分有限元法進行數值模擬分析，進一步揭示了山腳房屋震害輕微的特征不僅與其所在場地條件良好有關，更與山腳所處山體底部的幾何位置直接相關。

汶川地震 山腳震害 地形效應 強震動觀測臺陣 數值模擬

引言

目前國內外研究地震動地形效應的方法主要有：震后現場震害調查、地形效應強震動觀測、解析解答和數值模擬等幾種方法。其中，地形效應的強震動觀測與分析是目前研究地形對地震動影響的最直觀、最有效的方法之一。Boore（1972）通過對San Fernando地震中Pacoima大壩上記錄的地震動加速度進行分析發現，壩上地震動在任何周期上的加速度比沒有地形效應影響的記錄高出25%—50%。Lawrence等（1973）將L-7型強震儀布設在加利福尼亞州的Kagel山和Josephine山峰的山頂和山腳，利用 San Fernando地震中記錄的多個余震記錄和在內華達州的Butler山記錄到的內華達州實驗基地的爆破震動，研究了山體地震動放大系數與地震動頻率、山體幾何形狀參數之間的關系。Stephen等（1994）在Loma Prieta地震之后，將7臺三分量數字記錄地震儀組成的密集臺陣布設在離震中西北7.3km的Robinwood山脊，以分析該處高強度建筑物嚴重損害和山頂地表破裂的原因。在1987年Whittier Narrows地震和1994年的北嶺地震中，位于Tanaza的一個小山包記錄的加速度峰值達到1.78g，遠大于以前地震的任何記錄水平，Shakal等（1988；1994）和Lee等（1994）注意到這種現象，于主震發生后的數天內，在該山包布設了密集的地形臺陣，并獲得了大量余震記錄；Spudich等（1996）對這些記錄數據進行研究后發現，山體地震動放大系數與頻率和山體延伸方向相關；地震動放大系數的最大和最小值分別發生在山體橫向和走向方向，并且觀測到山體的共振效應以及山底到山頂質點運動方向的偏轉現象。汶川地震后，王海云等（2010）、楊宇等（2011）、王偉（2011）和唐暉等（2012）對獲得的自貢西山公園地形觀測臺陣主震記錄和一批余震流動觀測記錄進行了定性分析和定量的數值模擬研究。蘆山地震后，Tian Yu等（2014）對山區強震動記錄進行了分析。

震后現場震害調查可以為研究震害分布和場地影響提供真實的資料。汶川地震后，中國地震局工程力學研究所的地形相關震害調查組展開了現場調查，其中，對河谷階地地形調查點有20余處，對山體地形調查點有30余處，獲得了大量的震害資料。在對其進行分析后發現，位于山腳或山腳斜坡周圍的房屋震害較輕，尤其是山腳有基巖出露時震害程度更為輕微，而且這種震害現象在現場十分普遍。

汶川地震中在彭州小漁洞鎮，其位于10度烈度區，距主斷層垂直距離為12.7km，同時該鎮有小漁洞斷層通過，且位于湔江右岸II級階地與山前洪積扇交匯部位。場地開闊平緩，大致由北向南傾斜，地面坡度3°—8°，覆蓋土層由北向南變厚。北部山腳局部基巖出露。地下土層以坡殘積為主，羅陽村位于該位置，除了部分房屋出現溜瓦現象，基本受損輕微，甚至一些建筑年代很久的房屋受到的震害也不嚴重，如圖1所示。向湔江漸變為坡洪積和沖洪積為主，土層厚度由3.0—5.0m變為20.0—30.0m左右。房屋少量完全倒塌，多數嚴重破壞，需要拆除者甚多，部分裂縫嚴重，修復困難。磚混、磚木和內框剪力墻房屋的平均震害指數分別為0.7、0.8和0.58，如圖2。

圖1 山腳房屋基本完好Fig. 1 House at the foot of the hill is in good condition

圖2 山前土層場地房屋嚴重破壞Fig. 2 House at the soil layer site is seriously damaged

針對上述震害現象，本文以汶川主震和大當量人工爆破監測中獲得的山體地震動記錄為基礎，通過數據分析和數值模擬進一步研究了山腳震害較輕的機理。

1 地形效應觀測臺陣及獲取強震動記錄

1.1 自貢西山公園地形效應觀測臺陣及汶川主震記錄

該地形效應觀測臺陣位于自貢市自流井區西山公園內，為“十五”國家重大項目——中國數字地震觀測網絡項目中的固定臺陣。臺陣場址位于自流井背斜附近。臺陣在水平土層場地、山腳、山腰及山脊等位置布設了8個觀測點。自貢西山等高線及測點分布如圖3所示（王海云等，2010），圖中黑線為山體剖面線，各測點高程示意如圖4所示，其中0#測點位于土層上，其余測點均位于山體基巖上。在汶川地震中，該臺陣獲得了8組主震三分量加速度記錄，地震動時程對應的加速度峰值如表1所示。

圖3 自貢西山等高線及測點分布Fig. 3 Topo contour of Zigong Xishan and distribution of observation points

圖4 山體剖面測點高程示意圖Fig. 4 Profile of the hill with elevation

表1 各測點加速度峰值Table 1 Peak ground acceleration at different observation points

1.2 “明燈1號”人工爆破地形效應觀測臺陣

2007年12月12日凌晨，中國地震局地球物理研究所成功啟動了“明燈1號”計劃，在河北省懷來縣距官廳湖水庫6km的山區順利實施了大當量人工地震爆破。本次人工地震爆破TNT黃色炸藥用量為50噸，將爆心布設在山體底部的洞穴，并采用延時爆破方式。地形效應觀測臺陣布設在爆心東側270m的一個孤立小山包上，相對高度為14m，山體地形測點（文中簡稱官廳湖測點）位置見圖5，1#點為水平自由地表場點，2#—5#為山體地形監測點。爆心及地形監測點的加速度時程峰值見表2。

圖5 官廳湖測點分布圖Fig. 5 Distribution of observation points around Guanting Lake

表2 0#—5#測點加速度峰值Table 2 Peak ground acceleration of 0#-5# observation points

2 討論

2.1 山腳強震動觀測數據分析

將汶川地震中的自貢西山公園與官廳湖地震動加速度記錄進行對比后分析發現，強震動加速度峰值和持時對于結構的破壞是一個重要因素。為此，本文對山體地形效應臺陣山腳位置的地震動特點進行分析。

自貢西山公園和官廳湖地形效應觀測臺陣各測點加速度峰值的空間分布分別見圖6和7。圖6中的1#測點和圖7中的2#測點均位于山腳，可以明顯地看出，山腳位置的地震動加速度峰值遠小于水平自由地表測點以及其它山體測點的地震動峰值。兩個地形觀測臺陣各測點的90%持時分別示于圖8和9。從圖8中可以看出，三分量地震動時程中山腳1#測點的持時最短，對于相同分量，水平自由場地0#測點與山體其它測點的持時相當，并且山體測點2#—7#的持時相差不大。從圖9中可以看出，2#山腳測點的EW和NS向持時明顯大于其相鄰測點持時，尤其在NS向為持時最長，在加速度時程曲線上表現為小振幅的反復震蕩。引起這種現象的原因可能是由于2#測點位于孤立山包與其西側山體形成的凹槽中（見圖5），加上覆蓋土層的因素導致入射波在該位置反復反射、折射，從而使地震動持時增長。

圖6 自貢西山公園0#—7#測點三分量加速度峰值的分布Fig. 6 Peak ground acceleration distribution of 0#-7# observation points in Xishan Park

圖7 官廳湖0#—5#測點三分量加速度峰值的空間分布Fig. 7 Peak ground acceleration distribution of 0#-5# observation points around Guanting lake

圖8 自貢西山公園0#—7#測點三分量加速度時程的90%持時Fig. 8 Duration of 90% at 0#-7# observation points in Xishan Park

圖9 官廳湖0#—5#測點三分量加速度時程的90%持時Fig. 9 Duration of 90% at 0#-5# observation points around Guanting lake

由圖6—9可知，當山腳周圍場地開闊平坦時，由于山腳位置的地震動加速度峰值和持時均小于山體其它位置和水平自由地表場點的對應值，尤其當山腳位置有基巖出露時，這種規律更加明顯，因此其可以解釋為什么位于山腳周圍的房屋震害較輕這一震害現象。另外，山體上各點的地震動反應水平大致遵循隨著高度的增加而變大，這與“山上房屋震害比山腳嚴重”的震害現象相一致。

2.2 山腳地震動數值模擬分析

由自貢西山公園和官廳湖地形效應觀測臺陣山腳測點加速度峰值可以明顯地看出，山腳位置的地震動加速度峰值遠小于水平自由地表測點以及其它山體測點的地震動峰值，且自貢西山公園地形效應觀測臺陣的山腳臺站位于基巖上，而官廳湖地形效應觀測臺陣的山腳臺站位于土層場地上，為了分析二者山腳地震動峰值較小的機理，同時排除山腳覆蓋土層的影響，本文以垂直于山體走向截取一剖面可視為平面應變問題，使用動力集中質量中心差分有限元法進行二維分析。同時為了分析山梁幾何形狀對地震動的影響，對山梁兩側不同坡度的模型進行分析，設均勻、各向同性彈性半空間表面為山梁橫截剖面地形（下文簡稱基巖山體模型），其介質參數選取為剪切波速CS=1500m/s ，質量密度ρ=2.7×103kg/m3，泊松比μ=0.25，阻尼比ξ=0.001，圖10為模型示意圖，模型參數見表3。

圖10 山梁橫截面模型測點位置示意圖Fig. 10 Cross section model showing observation points

表3 山梁橫截面模型參數Table 3 Parameters of the cross section model

模型地震動輸入選取脈沖波形的SV波并以與豎直方向夾角γ為0°入射角進行地震動輸入，單位脈沖波形及其傅氏譜分別示于圖11和圖12。四個山體模型在SV波垂直入射角度下的地震動X、Y方向的地震動反應峰值示于圖13和圖14。

由圖13可以看出，在X方向上，由于基巖山體的存在，計算模型山腳觀測點7#和23#，甚至部分山坡觀測點的地震動反應峰值明顯低于山體兩側水平自由地表場地和山頂場點值，且隨著坡腳的增大，山腳和部分山體場點的地震動反應峰值逐漸降低；而在Y方向上（圖14），隨著坡腳的增大，山腳和部分山體場點的地震動反應峰值逐漸增大，表明坡腳的增大導致SV波發生明顯的波形轉換，從而導致地震動反應在Y向的分量增大。對于山腳和山體部分測點，由于Y向的地震動反應峰值明顯低于X向，因此這些位置的地震動反應水平主要由X方向的分量大小決定，即對于不考慮土層影響的純基巖山體地形，由于山體自身的存在，其導致山腳地震動反應峰值明顯低于水平自由地表場點和山頂場點。

圖11 入射位移脈沖波形Fig. 11 Wave form of the input pulse

圖12 位移脈沖對應的傅氏譜Fig. 12 Fourier spectrum of the input pulse

圖13 不同坡角計算模型X向反應Fig. 13 Response of calculation model with different slope angle in X direction

圖14 不同坡角山體巖石模型Y向反應Fig. 14 Response of calculation model withdifferent slope angle in Y direction

3 結論

本文對山腳地形效應相關的震害特征及其產生機理進行了分析，從地震現場震害宏觀調查、山體地形效應強震動觀測和數值模擬三個角度進行了探討，得出了以下結論。

通過汶川地震以及以往地震的現場震害宏觀調查發現，在不考慮山體滑坡、崩塌、泥石流等地震地質災害的前提下，山腳的房屋震害程度明顯低于山頂和山前土層場地。山體地形效應觀測臺陣的強震動記錄表明，山腳的地震動反應峰值和相對持時水平明顯低于山體和山前水平自由地表場點觀測值。對于純基巖山體地形的二維動力集中質量中心差分有限元法數值分析表明，山腳和部分山體測點，其地震動反應峰值低于山頂和水平自由地表場點。

綜合以上分析，數值模擬結果與山腳震害現場調查和強震動觀測數據有較好的一致性，這說明山腳震害輕微的特征和地形效應觀測臺陣山腳臺站地震動水平較低的現象不僅與該處的土層較薄，場地條件良好有關，更與山腳所處的山體幾何位置有直接關系，即山體的存在對其周邊場地產生地震動影響場，在山腳位置地震動強度和持時顯著降低。

參考文獻

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Characteristics and Mechanism of Earthquake Damage at the Foot of the Hill in Wenchuan Earthquake

Wang Wei1），Liu Bideng1），Liu Xin1），Shen Chao1）and Zhou Zhenghua2）

1）Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China
2）Nanjing Tech University，Nanjing 210000，China

It has been proved by the field investigation in Wenchuan earthquake and other earthquakes that the earthquake damage is greatly affected by the local site conditions．The damage level at the foot of hill is lower than that on the top of hill and at the horizontal ground surface．To study such damage characteristic，the earthquake ground motion record is analyzed based on the data from the topography effect observation array in main shock of Wenchuan earthquake and the artificial explosion．Combining the numerical simulation with the dynamic Lumped Mass-Central Difference Finite Element Method，it is further proved that，besides the good site conditions around the bottom of the hill，the low earthquake damage level at the foot of the hill is more directly related to its geometric position．

Wenchuan earthquake；Earthquake damage at the foot of the hill；Topography effect；Strong motion observation array；Numerical simulation

王偉，劉必燈，劉欣，沈超，周正華，2014．汶川地震山腳震害特征及機理分析1．震災防御技術，9（4）：863—871．

10.11899/zzfy20140414

中央高校基本科研業務費專項資金（ZY20110206）；國家自然科學基金（51308118，51208107）；中央高校基本科研業務費專項資金（ZY20110205，ZY20120103）

2014-07-10

王偉，男，生于1982年。講師，博士。主要從事巖土地震工程研究。E-mail: wwwiem@163.com