康定Ms5.8 級地震冷竹關坡體內地震動響應特征

王運生， 賀建先， 羅永紅， 郝子皓， 劉 勇， 張 磊

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059)

汶川、蘆山及魯甸地震后，邊坡在地震作用下的動響應規律和穩定性成為巖土工程和地質工程研究的熱點.中國西部深切峽谷高陡斜坡地質災害的危害主要取決于斜坡的失穩規模，滑坡或崩塌規模與失穩巖土體面積及深度有關.震后觀測及模擬研究揭示地形對地震波的放大效應［1-4］，王存玉等進行二灘拱壩物理模型試驗發現，在地震作用下巖質邊坡對加速度存在豎直向和水平向的放大［5］;祁生文等學者系統地研究了不同類型邊坡的動力響應規律［6-7］.但仍存在這種放大涉及的深度有多大、斜坡體內不同深度地震動是如何響應、不同深度潛在滑面地震動參數如何選取等問題.目前僅依據國家地震動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的要求.

在過去的數十年里，由于城市地下空間的開發，地震動隨垂直埋深(水平地面)響應規律有較深入研究.國外學者在20 世紀70 年代針對強震區海灣地區土質地基不同埋深的加速度進行了較系統的監測研究［8］.Sharma Sunil 等對132 例地下工程震害資料進行統計后得出深度大于50 m 時破壞程度明顯減小，在300 m 以下沒有嚴重破壞的結論［9］.李天斌對5·12汶川大地震中遭受震害的隧道進行分析后認為，在硬質巖隧道埋深大于50 m時震害程度為中等～輕微，埋深大于100 m 后隧道幾乎沒有震害或震害輕微［10］. 羅定倫等對隧道抗減震模型試驗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節［11］. 申玉生等通過大型振動臺對強震區山嶺隧道洞口段結構動力特性分析［12］，鄭穎人等采用基于全動力分析法對地震邊坡與隧道穩定性分析［13］，蔣樹屏等通過有限元法計算8 種不同埋置深度條件下的山嶺隧道地震響應［14］，這些研究無疑為強震區隧道進出口段穩定性研究提供了新的思路，但均未基于實際隧道地震波的實測數據模擬，均一的材料難以模擬實際隧洞的真實情況.

2014 年11 月25 日23 時19 分康定發生Ms5.8級地震，震中坐標:北緯30.18°，東經101.73°，震源深度16 km.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室依托中國地質調查局項目“西南地區重大地質災害調查與預警區劃”，在瀘定縣冷竹關溝布設地震強震動常觀剖面，此次地震觸發了剖面上的10 臺強震觀測儀. 本文以康定Ms5.8 級地震冷竹關斜坡地震動監測數據為依據，選取1#、2#、6#-5 及7#-3 監測點數據分析斜坡沿高程變化的地形放大效應. 選取6#監測平硐內的5 臺強震監測儀的數據研究自坡面水平方向向內的地震動響應規律.

1 監測剖面概況

瀘定冷竹關強震動監測剖面位于冷竹關溝兩岸，是大渡河右岸的一級支流.右岸布設1#和2#監測平硐，左岸布設3#～7#監測平硐，且1#～5#監測平硐為現場施工開挖，而6#和7#則是引用了引水隧洞掘進時的交通洞(洞內無其它的震動干擾源)，其分布見圖1，剖面見圖2.

圖1 冷竹關斜坡地震動監測點平面分布圖［4］Fig.1 Distribution of seismic monitoring sites at Lengzhuguan slope

圖2 冷竹關監測剖面Fig.2 Lengzhuguan monitoring section

監測點選用的儀器有日本應用地震計測株式會所生產的E-catcher 地震監測儀器和中國地震局工程力學研究所研發的G01NET-3 型結構與斜坡地震動響應監測儀. 日本E-catcher 儀器基本參數為:靈敏度0. 1 V/(m/s2)(1 m/s2加速度產生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)，周波數范圍:DC ～20 Hz(-3 dB);G01NET-3 型儀器的參數為:輸入量程為-10 ～10 V，分辨率為0.005 V，動態范圍≥10 dB.

康定Ms5.8 級地震觸發了冷竹關監測剖面的1#、2#、6#(5 臺)以及7#(3 臺)監測平硐內10 臺強震監測儀器，較完整地記錄了冷竹關溝左、右兩岸斜坡的地震動響應規律，各監測平硐信息見表1.選取1#、2#、6#-5 以及7#-3 四條強震監測數據研究兩岸斜坡的地形放大效應.由于地震波自坡面向內會出現衰減，選取距洞口水平距離相近的6#-5 和7#-3 監測點可以消除此干擾因素.

表1 各監測點參數值Tab.1 Parameters of each monitoring site

監測數據經過濾波和基線校正后統計動響應參數見表2.由于3#平硐內潮濕儀器靈敏度降低，未記錄到此次地震，距離冷竹關約7 km，位于大渡河谷底平硐的國家強震動臺網康定姑咱站(坐標:東經102.1°，北緯30.1°;海拔:1 407 m)，地震動不受地形影響，且巖性與冷竹關溝谷底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 各監測點峰值加速度放大系數Tab.2 Magnification factors of peak accelerations at monitoring sites

從實測數據及放大系數可以看出:(1)位于右岸凸出地形的1#及2#點較左岸渾厚山體放大系數大;(2)位于右岸凸出地形頂部的放大系數最大;(3)左岸渾厚山體斜坡隨坡高的增大，呈緩慢放大趨勢.由于溝谷兩岸基巖巖性一致，巖體結構也未見大的差異，故兩岸放大效應差異主要受控于地形條件［4］.

2 斜坡內不同水平深度地震動響應分析

2.1 峰值加速度變化特征

康定Ms5.8 級地震觸發了6#監測平硐內5 臺強震監測儀，為研究斜坡不同水平深度地震動響應變化規律提供了數據支撐，經過濾波和基線校正后得到平硐內各監測點峰值加速度，見圖3.

圖3 各監測點峰值加速度曲線Fig.3 Peak accelerations of each monitoring site

為了研究地震動峰值加速度自坡面水平方向向內的動力響應變化規律，以洞口6#-1 監測點的峰值加速度為基準，將洞內各監測點對應峰值加速度值與之相比，可得洞內各測點相對于洞口的值比曲線，見圖4.

圖4 各監測點峰值加速度值比曲線Fig.4 Peak acceleration ratios of each monitoring site

對水平東西向和水平南北向以及水平向均值值比曲線進行了線性式(1)和非線性式(2)擬合，擬合的結果參數見表3，表中還給出了擬合的相關系數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.選取兩個水平方向的均值曲線作為分析對象，擬合后的結果曲線見圖5.

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

表3 峰值加速度值比擬合參數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)洞內各監測點水平向峰值加速度與洞口值比自坡面水平方向向內的變化趨勢是逐漸減小的，且峰值加速度在表層隨水平深度的下降幅度較大，在坡體內部的變化較小，呈現出強烈的非線性衰減規律.由實測數據可得，洞深99 m 的6#-5監測點峰值加速度值比約為0.6.(2)擬合衰減曲線表明，在1 ～100 m 范圍內線性擬合的決定系數R2更加接近于1，但其殘差平方和RSS 卻較非線性的大，計算得非線性擬合各值與實際監測值更為接近，故在1 ～100 m 的范圍內非線性擬合較線性擬合合理.求7#平硐內7#-3 和7#-5 監測點的衰減系數，并將7#-3 和7#-5 衰減系數作值比得非線性擬合結果與實測值之間的誤差較小，從實測數據上也證實了在1 ～100 內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 左右時衰減系數趨近于0(與實際不符)，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非線性變化的規律.

楊國香等通過振動臺實驗研究表明，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，加速度放大系數越大，在坡表達到最大，且這種增大的趨勢表現出了明顯的非線性特征［15］，本文研究成果與其吻合度較高，故從實測和物理模擬試驗上共同揭示了邊坡自坡面向內動力響應逐漸衰減的規律.

2.2 加速度反應譜特征

反應譜是單質點體系地震最大反應與結構自振周期之間的關系，其本質上反應的是地震動特性［16］.根據《水工建筑物強震動安全監測技術規范》［17］，計算6#平硐內各監測點水平向加速度在阻尼比為5%下標準化反應譜，見圖6.

圖6 各監測點水平向加速度反應譜Fig.6 Horizontal acceleration response spectrum of each monitoring site

總體上看，自坡面向內隨著水平距離的加大，各監測點加速度反應譜動力放大系數逐漸減小，且在表層隨深度的下降幅度較大，在內部的變化較小.6#-1 監測點形狀較其余監測點變化大，曲線形態也沒表現得像其它監測點那么光滑，這可能與體波在坡體表面激發面波而形成的復雜地震波場有關.各監測點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.當特征周期大于0.5 s 時，各監測點反應譜基本隨深度下降，當周期大于1.5 s時各反應譜逐漸接近.

2.3 傅里葉譜特征

傅里葉譜揭示地震動頻譜特性，將時域變換到頻域，可以了解組成地震動的各頻率分量的大小，及地震動在各頻率內能量的分布情況，各監測點的傅里葉振幅譜見圖7.

圖7 各監測點傅里葉譜Fig.7 Fourier spectrum of each monitoring site

由圖7 可得，自坡面向內各監測點傅里葉譜幅值呈現出逐漸減小的趨勢，且傅里葉譜幅值在坡體表層的下降幅度較大，在內部下降得較小.洞口6#-1監測點的傅氏譜頻譜成分復雜，高頻段成分較多，各頻段的幅值也較其余監測點大、變化大，這與體波在坡體表面激發面波而形成的復雜地震波場有關.各監測點的傅氏譜卓越頻率表現得不是很明顯，有的甚至出現多個卓越頻率，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)各段對地震波的濾波作用基本相同，對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(自坡內向外)對地震波具有選擇放大作用，越靠近坡表放大作用越明顯.6#監測點與谷底差約為110 m，姑咱參考點和6#-5 監測點峰值加速度接近，故冷竹關左岸中高山斜坡沿高程的放大效應與自坡內向外的放大效應相當.

3 結 論

據冷竹關地震監測剖面6#平硐捕捉到的康定Ms5.8 地震5 組強震監測數據峰值加速度變化及加速度反應譜變化等綜合分析，獲得如下結論:

(1)基于坡面水平方向向內的峰值加速度變化曲線對水平向均值衰減曲線進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 表示洞內至洞口的水平距離，y0、y1表示洞內加速度峰值與洞口的值比)，且非線性擬合更符合實際.實測數據和擬合曲線表明:坡體內各監測點水平向峰值加速度和各監測點與洞口峰值加速度值比呈現出自坡面水平方向向內逐漸減小的趨勢，洞深99 m 處的加速度與洞口的比值約為0.6.從實測曲線可看出，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，呈現明顯的非線性變化特征.

(2)水平向標準化加速度反應譜也表明，自坡面向內各監測點加速度反應譜動力放大系數逐漸減小，加速度反應譜在表層隨深度的下降幅度較大，在內部的變化較小，其動力放大系數β 值都小于3.5.傅里葉頻譜也揭示自坡面向內各監測點幅值逐漸減小，且傅里葉譜幅值在坡體表層的下降幅度較大，在內部下降得較小;越靠近外側監測點頻譜成分越復雜，洞口監測點頻譜成分最多.

斜坡在地震作用下的動力響應是相當復雜的，不僅受場地地形條件、邊坡形態、高度、坡體巖體結構特征的影響，也與地震震級大小、地震波類型、傳播途徑等因素相關.本文的研究成果以實測數據為基礎，可與數值模擬、振動臺實驗等互補，為進一步揭示斜坡在強震條件下的動力響應特征以及斜坡破壞機理提供數據支撐.

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