汶川地震漢源縣城震害分布與場地反應分析

齊文浩，王振清，薄景山，鄭桐

(1.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.防災科技學院，河北 三河 065201)

“5·12”汶川8.0級特大地震造成了巨大災害，受災嚴重的除了距震中較近的區域外，距離震中較遠的高烈度異常區也不容忽視，如漢源(Ⅷ度異常區)、康縣(Ⅸ度異常區)、中江(Ⅷ度異常區)、通江(Ⅶ度異常區)、洪雅(Ⅶ度異常區)、寶雞-岐山-眉縣(Ⅶ度異常區)、西安(Ⅵ度異常區)等烈度異常區。其中以距離震中約200 km的漢源縣城的烈度異常現象最為典型，為Ⅵ度區中的Ⅷ度烈度異常區[1]。探究這種跨兩度的高烈度異常現象的原因，減輕或避免以后類似災害的重演，成為地震工程界密切關注的課題之一。

自汶川地震漢源縣烈度異常被發現以來[2]，研究者們從不同角度對引起這一現象的原因進行了分析研究。齊文浩等從地脈動的角度初步指明場地軟厚的可能原因[2]；高孟潭[3]也初步指明了這一可能原因；門妮[4]從背后山滑坡的角度分析指出滑坡加重了漢源震害；李平等[5-6]從漢源土層結構和河谷地形的角度分析了漢源震害異常的原因；Liu等[7]也從場地放大效應的角度進行了研究。

地震烈度異常是地震事件中常見的現象，都有特定的形成原因。最為典型的是1985年墨西哥地震中距離震中約400 km的墨西哥盆地出現的震害異常[8]；2011年東日本大地震中遠離震中的大阪灣遭受的嚴重地震災害[9-10]；中國云南施甸盆地多次出現的嚴重震害[11]。這些高烈度異常現象都與其場地軟弱、深厚密不可分。在唐山地震中，由于玉田縣覆蓋土層土質堅硬，剪切模量較大，該地區出現了低烈度異常現象[12]。縱觀這些典型的烈度異常現象不難發現，場地條件是主要的影響因素之一。本文依據震害調查的結果，從場地條件角度著手，研究漢源縣城震害分布及其與場地地震反應的關系，分析造成漢源烈度異常的原因。

1 漢源縣城震害概況

漢源縣隸屬四川省雅安市，距離震中約200 km。在汶川地震中，漢源縣城富林鎮受災較周邊地區更為嚴重，烈度達到了Ⅷ度，為了探明其原因，對富林鎮進行了詳細的汶川地震災害調查。

根據富林鎮的街道分布情況，在約42 km2范圍內大致均勻調查了86棟房屋，房屋類型包括砌體結構、框架結構和木結構房屋等。根據調查結果得到每一棟被調查房屋的震害指數。圖1為典型的震害照片及其震害指數(DI)，調查結果顯示，砌體結構房屋震害相對更為嚴重。

圖1 房屋結構破壞震害調查Fig.1 Earthquake disaster investigation of buildings and houses

圖2為依據86棟房屋的震害指數繪制的震害等值線圖。其中震害指數DI=0.5等值線以內區域為嚴重破壞區，地震烈度不小于Ⅷ度；震害指數DI=0.5等值線以外且DI=0.2等值線以內區域為輕微至中等破壞區，地震烈度為Ⅶ～Ⅷ度。從圖2可以看出，漢源縣老縣城的地震烈度整體上可以評定為Ⅷ度，個別區域高于Ⅷ度，這一結果與汶川地震烈度圖吻合良好。

2 漢源縣城場地條件

漢源縣城位于漢源向斜的核部，近場主要斷裂中金坪斷裂和九襄隱伏斷裂規模較大，但現今活動性微弱，區域構造相對比較穩定，對漢源烈度異常影響不大。漢源縣城區區域地層發育較全，古生代寒武系、奧陶系、二疊系，中生代三疊系、侏羅系，新生代第三系及第四系地層均有出露，受漢源震害影響的為侏羅系、新生代第三系及第四系地層。漢源縣城大部分位于背后山古滑坡滑動留下的堆積體上，堆積體形成的較厚覆蓋土層對地震動中長周期部分產生了良好的共振效應，導致長周期成分被很好的放大，導致漢源震害加重。在地形上漢源縣城位于流沙河、大渡河一級階地以上，現場調查和收集的鉆孔資料表明該地區第四系沉積物主要為河流相的礫石、砂土和黏土類沉積物[13]。

為進一步研究漢源縣城場地條件與震害異常的關系，在嚴重破壞區內布設了5個呈“十”字分布的控制性工程地質鉆孔(圖2)。從圖2可以看出：ZK1、ZK2、ZK3鉆孔連線平行于背后山滑坡前緣；ZK4、ZK2、ZK5鉆孔連線垂直于背后山滑坡前緣；ZK4靠近背后山；ZK5靠近流沙河。圖3為5個鉆孔的土層分布及剪切波速測試結果，從圖中地層可以看出，漢源縣城下臥土層中上部分布有較厚的軟塑粉質黏土層，并且在埋深30 m附近各鉆孔波速差異較大，覆蓋土層ZK1、ZK2、ZK3和ZK5較深，ZK4較淺。

圖3 5個鉆孔土層及剪切波速隨深度分布Fig.3 Soil layers and hear wave velocity distributing along depth of 5 boreholes

圖2 漢源縣城震害指數等值線(據汶川地震科考隊場地組結構震害小組)Fig.2 Earthquake disaster isoline map of Hanyuan county town (from structure group of Wenchuan earthquake disaster investigation term)

在鉆探工作中獲取了各鉆孔不同層位、不同土類共30余組代表性土樣，利用共振柱試驗測試了這些土樣的動力學參數。由于測試的很多土類相似，依據土性將其劃分為粉質黏土(軟塑、可塑、硬塑)、中砂、細砂、粉砂4類典型土。為了減少動力學參數的離散性，對相同土類的動力學參數進行了合并，同時雜填土、卵石和基巖動力學參數參考經驗值給出，各類土8個剪應變下的動剪切模量比與動阻尼比參數如表1所示。

表1 各類土動剪切模量比和阻尼比Table 1 Soil dynamic shear modulus ratio and damping ratio

3 漢源縣強震記錄

強震記錄是場地地震反應分析的必要的輸入數據。漢源縣城內沒有強震觀測臺，但是漢源縣境內典型地質地段有4個強震觀測臺，即烏斯河臺、九襄臺、清溪臺和宜東臺(圖4)，這4個臺站與漢源縣城大概位于西北-東南走向的一條線上，這4個臺站均坐落于堅硬場地之上，漢源縣城大致位于烏斯河臺與九襄臺之間，其中九襄臺距漢源縣城22 km，烏斯河臺距漢源縣城48 km。選取九襄臺和烏斯河臺的汶川地震記錄作為地震動輸入。

圖4 漢源縣臺站分布Fig.4 Distributing map of strong motion stations in Hanyuan county

九襄臺站和烏斯河臺站都成功記錄到了汶川大地震的強震記錄，如圖5和圖6所示。其中九襄強震記錄共63 459記錄點，時間步長0.005 s，其加速度峰值東西向(EW)為72.7 cm/s2、南北向(SN)為80.35 cm/s2；烏斯河強震記錄共51 546記錄點，時間步長0.005 s，其加速度峰值東西向(EW)為60.2 cm/s2、南北向(SN)為40.01 cm/s2。

圖6 烏斯河強震記錄加速度時程曲線Fig.6 Time history curves of strong motion record of Wusihe station

圖5 九襄強震記錄加速度時程曲線Fig.5 Time history curses of strong motion record of Jiuxiang station

4 漢源縣城地震反應分析

4.1 土層地震反應分析方法

等效線性化波動方法是土層地震反應分析廣泛使用的方法，分為線性方程的頻域波動求解和土體非線性的等效線性化處理2個部分，其基本計算過程包括3個方面:

1)將輸入的地震動時程由傅里葉變換分解為一系列諧波。

2)通過相鄰土層界面位移和應力連續條件，確定相應波幅矢量間的遞推關系。

3)對每一土層分別計算其中部的等效剪應變，通過土體動剪切模量和阻尼比隨應變變化的曲線插值確定對應的等效剪切模量和阻尼比，計算出新的等效剪應變；新剪應變再插值出等效剪切模量和阻尼比。類似重復迭代計算，直至相鄰2次的模量和阻尼比滿足精度要求。

根據5個鉆孔的土層剖面、土層剪切波速和土動力學參數等信息，建立等效線性化計算模型；以九襄臺和烏斯河臺的汶川地震記錄為輸入，利用等效線性化波動方法對5個鉆孔進行土層地震反應分析，計算得到5個鉆孔的加速度峰值和加速度反應譜。

4.2 峰值加速度及其放大倍數

定義峰值加速度放大倍數α為:

(1)

式中：Amax,s為地表反應加速度峰值;Amax,b為基巖輸入加速度峰值。表2給出了漢源縣城5個鉆孔場地的地表峰值加速度計算結果，同時列出了輸入基巖地震動峰值和放大倍數。從計算結果來看，5個鉆孔的峰值加速度普遍較大，除烏斯河記錄輸入外，基本達到了Ⅶ度以上(≥90 Gal(1 Gal=0.01 m/s2))，半數超過了140 Gal，甚至達到了Ⅷ度(≥190 Gal)。5個鉆孔的放大倍數普遍較大，九襄臺和烏斯河臺記錄部分放大系數甚至超過5.0，這是較少見的，而以往研究中常見的是小振幅地震動輸入下的場地放大倍數平均值僅僅約為3.0。

表2 5個場地加速度峰值及放大倍數Table 2 The acceleration peak values and their amplifying ratios of the five sites

此外，5個鉆孔的地表加速度反應還有如下規律。

1)從地震臺距漢源縣城遠近來看，距離漢源縣城較近的九襄臺記錄的地表加速度反應普遍較大，距離漢源縣城較遠的烏斯河臺記錄的地表加速度反應普遍較小。其中，九襄臺記錄的地表加速度反應最大，最大達203.5 Gal，烏斯河臺記錄最小，為82.4 Gal。 2) 從記錄方向來看，2個臺站東西方向的記錄對應的地表反應和放大倍數基本都大于南北方向的反應。

3)從鉆孔位置來看，距離背后山滑坡前緣的較近的4個鉆孔ZK1～ZK4的反應較大，其中位于DI=0.5中心范圍中心位置的ZK3反應最大，距離流沙河岸邊較近的ZK5的反應普遍較小。

4.3 加速度反應譜

經土層地震反應分析計算得到的漢源縣城5個鉆孔場地的地表加速度反應譜如圖7所示，同時為了與設防標準對比，按汶川地震發生前執行的最近的《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)規定，漢源縣抗震設防烈度Ⅶ度，第三地震動分組，即峰值加速度0.1g，漢源的幾個鉆孔均為Ⅲ類場地，其特征周期為0.65 s。據此在圖7中添加了汶川地震發生前所執行的抗震設防標準(大震、中震)，即設計了反應譜曲線，稱為規范譜。

圖7 汶川地震中5個場地的地表水平向加速度反應譜計算值與規范值對比Fig.7 Comparison between calculated values and seismic code values of the acceleration response spectra of the 5 sites

從圖7可以看出，汶川地震計算反應譜譜型較寬、譜值較高。其中ZK3的反應譜曲線最高，其峰值達近900 Gal；ZK5相對偏小，其峰值也達到了約600 Gal。

ZK1～ZK4譜形較為相似，反應譜的卓越周期集中出現在0.5～1.0 s；ZK5的譜形較為分散，反應譜卓越周期也基本集中在0.5～1.0 s。周期大于2.0 s部分反應譜基本低于50 Gal。

通過與汶川地震前漢源縣執行的大震、中震抗震設計反應譜比較，結果顯示：

1)5個場地的實際反應譜的峰值部分集中設計反應譜的平臺段，靠近或超過特征周期。

2)在設計反應譜平臺段，5個場地的計算反應譜都遠超過了中震水平設防水平，甚至超過了大震的設防水平。除ZK5外，反應譜峰值部分超過大震設計反應譜平臺值很多，ZK1達到60%；ZK2為50%；ZK3最高，達80%，ZK4為45%，ZK5的實際反應譜基本沒超出大震設計反應譜平臺值，但是也遠高于中震設計反應譜平臺值。

3)在上升段(0～0.1 s)，實際反應譜均低于大震設計反應譜。

4)下降段在(T>1.0 s)，計算反應譜也均低于大震和中震的設計反應譜。

由漢源縣城的汶川地震震害科考可知，漢源縣城毀壞房屋主要為多層的砌體結構、框架結構、木結構等，其自振周期在0.1～0.85 s。其中泥土房為0.1～0.3 s，建筑質量較好的2～6層砌體和框架房屋的自振周期為0.3～0.85 s。0.1～.85 s的周期范圍內，恰好位于反應譜的平臺段，而計算得到的汶川地震時的反應譜在平臺段明顯高于大震設防標準，其中ZK1～ZK3場地最為明顯，ZK4場地次之，ZK5場地最不明顯，這也與震害調查時的震害分布相吻合。

5 結論

1)漢源縣城震害嚴重區域，汶川地震的場地反應峰值加速度達到了Ⅷ度，遠超過了當地房屋設計采用的設防標準；各場地的放大系數偏大，均大于3.0，甚至達到5.0。

2)漢源縣城房屋自振周期范圍基本位于設計反應譜平臺段，汶川地震時，場地地震動反應譜均遠遠高出中震的設計反應譜平臺值，甚至明顯高出當地大震設計反應譜平臺值。

3)漢源縣城場地中上部存在軟弱土層，放大了汶川地震加速度峰值和加速度反應譜的卓越周期。

4)與滑坡前緣平行的剖面上的幾個場地震害較為嚴重，其峰值加速度和放大倍數也較大，反應譜相對較高，靠近背后山場地的震害、峰值加速度和放大倍數及反應譜次之，而距離流沙河較近的場地震害相對較輕，其峰值加速度及其放大倍相對較小，反應譜相對較低。

5)漢源縣的房屋建筑質量普遍較差，很多房屋并未設防，房屋結構抗震性能差，這也是造成漢源縣城震害異常的一個主要原因。