珙縣低山區(qū)不同震源作用下斜坡地震動響應(yīng)

吳昊宸 王運生 胡東雨 趙方彬 寇瑞斌 畢楊楊 唐 濤

1 成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都市二仙橋東三路1號，610059 2 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都市二仙橋東三路1號，610059

地震本身會對人類造成巨大危害，其產(chǎn)生的次生災害[1](如高山深切峽谷、斜坡在地震的作用下產(chǎn)生崩塌、滑坡、泥石流等)也會對生態(tài)壞境及人類的生存生活造成影響。前人對于高山深切峽谷地區(qū)地震動響應(yīng)的研究較多[2-13]，而對于低山丘陵地區(qū)的地震動響應(yīng)研究較少。為更好地了解低山丘陵地區(qū)在不同震源下的地震動響應(yīng)規(guī)律，本文對四川3次地震數(shù)據(jù)進行地震動響應(yīng)規(guī)律研究。

1 監(jiān)測點布置及監(jiān)測方法

珙縣位于四川省宜賓市南部，其東南方與興文縣相鄰，東北方與長寧縣相鄰，距離云南昭通威信縣約69 km，是四川盆地與云貴高原的過渡地區(qū)，屬亞熱帶季風性濕潤氣候。監(jiān)測區(qū)域巖性主要是下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組砂巖、粉質(zhì)粘土和灰白色灰?guī)r，巖體呈強-弱風化，表面較為破碎，整體地勢西北低、東南高，區(qū)域附近發(fā)育有大地灣斷裂及扎子坳斷裂。

中國地震臺網(wǎng)中心給出的3次地震見表1。

表1 3次地震基本信息

在監(jiān)測剖面上設(shè)置2個監(jiān)測點，1#監(jiān)測點海拔675 m，2#監(jiān)測點海拔899 m。采用中國地震局工程力學研究所開發(fā)的G01NET-3型結(jié)構(gòu)與斜坡地震動響應(yīng)監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀器觸發(fā)敏感，輸入量程為-10.0～+10.0 V，分辨率為0.005 mV，動態(tài)范圍最低為120 dB。傳感器為東西、南北、垂直三向分量(SN、EW、UD)輸出的力平衡加速度計，測量范圍為-2.0～+2.0 g，靈敏度為1.1 V/g。

2 數(shù)據(jù)分析

利用SeismoSignal軟件對獲得的地震數(shù)據(jù)進行30 Hz低通濾波處理及校正后，得到地震監(jiān)測點在地震作用下的地震時間-加速度譜、傅里葉譜、加速度反應(yīng)譜等，同時得到地震的峰值加速度(PGA)等地震動響應(yīng)參數(shù)值，其中，PGA是地震過程中地表質(zhì)點運動的最大加速度的絕對值。

由圖1看出，興文縣3.1級地震具有震動持續(xù)時間短、振幅小等特點，地震波能量損失較小，地震加速度波形近乎為雙峰波型。由圖2和3可知，珙縣4.5級和長寧縣4.6級地震同樣有持續(xù)時間較短、單峰波的特征，地震加速度振幅呈現(xiàn)較大差異。1#、2#監(jiān)測點三分量的地震加速度在水平方向的值均大于垂直方向，且水平方向各點的地震加速度差異較大，垂直方向地震加速度變化不大。對于較大震級的地震，同一監(jiān)測點位置三分量的地震加速度會產(chǎn)生較大的差異；而對于低震級地震，同一監(jiān)測點位置三分量的加速度數(shù)值差異不大。同時，在較大震級的震動過程中，同一點位、同一方向的地震加速度同樣會產(chǎn)生差異。

圖1 興文縣3.1級地震加速度時程曲線Fig.1 Acceleration time history curve of Xingwen county MS3.1 earthquake

圖2 珙縣4.5級地震加速度時程曲線Fig.2 Acceleration time history curve of Gongxian MS4.5 earthquake

圖3 長寧縣4.6級地震加速度時程曲線Fig.3 Acceleration time history curve of Changning county MS4.6 earthquake

各監(jiān)測點在水平方向的PGA放大系數(shù)為1.870～6.103，垂直方向的放大系數(shù)為1.519～2.347，水平方向的PGA放大系數(shù)變化差異較穩(wěn)定。整體來看，EW向的水平加速度大于其他方向的加速度，具體原因如下：地震波長λ=VST，波速取3.4 km/s，監(jiān)測點水平向主頻率值為4～16 Hz，則λ約為212～850 m，半波長λ/2約為106～425 m，地震波的半波長與該山體監(jiān)測部位之間距離(約為500 m)接近，因此在震動的過程中監(jiān)測點的EW向的數(shù)值和擺動幅度均大于其他2個方向[14]。

控制震中距這一變量因素，考慮震級對放大斜坡監(jiān)測部位的地震動影響，分析長寧縣4.6級和珙縣4.5級地震后發(fā)現(xiàn)，PGA放大系數(shù)除EW向外，其他方向的加速度差異不顯著。2次地震震級相差不大，震中距也基本相同，但珙縣4.5級地震在水平方向的PGA放大系數(shù)發(fā)生突變且PGA放大系數(shù)整體上大于長寧縣4.6級地震，具體原因在于，監(jiān)測儀器布設(shè)在玉和山上，玉和山整體走向為NNE，珙縣4.6級地震震中位于監(jiān)測儀器的西南方向，地震波在傳播至玉和山時沿山脊傳播，且由于地震波的半波長與特殊山體部位的長度接近，耦合作用造成此處地震加速度放大顯著。

由表2～4可知，在興文縣3.1級和珙縣4.5級地震過程中，1#監(jiān)測點EW向、NS向和UD向PGA分別為0.037 14 m/s2、0.042 76 m/s2、0.030 03 m/s2和0.548 79 m/s2、0.507 40 m/s2、0.439 11 m/s2，說明隨著震級的增大，監(jiān)測點各方向的峰值加速度也隨之增大。1#監(jiān)測點在2次振動過程中EW向、NW向和UD向PGA分別放大14.776、11.866、14.622倍，而2#監(jiān)測點各向的PGA分別放大17.864、38.735、22.588倍。研究表明，在地震荷載的作用下，斜坡在一定的高度處對地震動的響應(yīng)隨著地震震級的增大而增大。同時，對比2021-11-17珙縣4.5級地震與2021-11-20珙縣3.0級地震(表5)的加速度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當震源位置和震中距都相同時，隨著震級的增大，各點的PGA放大系數(shù)也隨之增大。

表2 興文縣3.1級地震加速度響應(yīng)參數(shù)

表3 珙縣4.5級地震加速度響應(yīng)參數(shù)

表4 長寧縣4.6級地震加速度響應(yīng)參數(shù)

表5 珙縣3.0級地震加速度響應(yīng)參數(shù)

對比3次地震中1#監(jiān)測點與2#監(jiān)測點的地震動響應(yīng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，2#監(jiān)測點處于高程較高處，其各向PGA放大系數(shù)大于1#監(jiān)測點。可以得出，斜坡地震動加速度隨著高程的增加而增加，這與許強等[9]的研究結(jié)論一致。

在同一地震動條件下，隨著高程的增加，各點各方向的傅里葉圖譜(圖4～6)的振幅隨之增加；在同一監(jiān)測條件、不同地震動條件下，隨著地震震級的增加，各點各方向的傅里葉圖譜的振幅也同樣增大。在同一監(jiān)測點處，水平向的地震加速度大于垂直向，三分量上EW向的地震加速度響應(yīng)最大，與前文得出的結(jié)論相同。值得注意的是，當監(jiān)測部位的山體寬度與地震波的半波長峰值接近時，更容易誘發(fā)地質(zhì)災害，應(yīng)著重注意此處地質(zhì)災害的防治。

阿里亞斯強度是用來描述地震動過程中單質(zhì)點彈性體系消耗的單位質(zhì)點的能量，是用于表征物體振動能量的物理量。根據(jù)能量守恒定律，在振動過程中勢能和動能之間相互轉(zhuǎn)化，物體運動的動能為：

在地震過程的運動體系中，參振物體的質(zhì)量不變，因此用速度表征運動勢能。阿里亞斯強度公式為：

圖4 興文縣3.1級地震地震動傅里葉譜Fig.4 Seismic Fourier spectrum of Xingwen county MS3.1 earthquake

圖5 珙縣4.5級地震地震動傅里葉譜Fig.5 Seismic Fourier spectrum of Gongxian MS4.5 earthquake

圖6 長寧縣4.6級地震地震動傅里葉譜Fig.6 Seismic Fourier spectrum of Changning county MS4.6 earthquake

由表6～8可知，不同震級、不同高程的監(jiān)測點的阿里亞斯強度在水平方向的放大效應(yīng)明顯；震級相同時，各點的阿里亞斯強度隨著高程的增加而增加。興文縣3.1級和珙縣4.5級地震記錄相比，1#監(jiān)測點各方向的阿里亞斯強度隨震級的增加分別放大79.81、97.711、149.662倍；2#監(jiān)測點各方向的阿里亞斯強度隨震級的增加分別放大180.265、1022.956、278.147倍。可以觀察到，高程較高處的山體部位其阿里亞斯強度隨震級的增加變化顯著。由此可知，地震加速度和地震阿里亞斯強度等斜坡地震動響應(yīng)參數(shù)具有隨高程增大而增大的效應(yīng)，且在沿特殊部位處傳播的地震波的阿里亞斯放大系數(shù)最大。此外，2#監(jiān)測點高程較高、地形微凸起，王運生等[8]的研究表明，微地形對地震動具有明顯的放大效應(yīng)，且隨著地震震級的增加放大效應(yīng)會更加明顯，這與本文結(jié)論一致。

表6 興文縣3.1級地震阿里亞斯強度響應(yīng)參數(shù)

表7 珙縣4.5級地震阿里亞斯強度響應(yīng)參數(shù)

表8 長寧縣4.6級地震阿里亞斯強度響應(yīng)參數(shù)

對采集到的多組數(shù)據(jù)進行校正，分別計算3次地震在5%、10%、20%阻尼比下的地震動加速度反應(yīng)譜，結(jié)果見圖7～9。由圖7～9可知，各監(jiān)測點在不同震級、不同高程和不同阻尼比條件下的加速度反應(yīng)譜是有差異的。在5%阻尼比時，各點的加速度達到最大；隨著阻尼比的增加，加速度呈現(xiàn)減小的趨勢。分別對比3次地震的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同阻尼比條件下，水平方向的地震加速度總是大于垂直方向，即加速度響應(yīng)在水平方向更加顯著；在相同的振動和阻尼比條件下，隨著監(jiān)測點高程的增加，地震加速度在各方向的分量也隨之增加，呈放大趨勢；在相同監(jiān)測點和阻尼比、不同震級條件下，三分量加速度隨著震級的增大也呈放大趨勢。由此可知，在相同振動和阻尼比條件下，同一點在水平方向的加速度響應(yīng)顯著，相同監(jiān)測點的加速度隨著高程的增加而增大；同一監(jiān)測點在相同阻尼比、不同振動條件下，各方向的加速度反應(yīng)譜的數(shù)值隨著震級的增大而增大。

圖7 興文縣3.1級地震地震動加速度反應(yīng)譜Fig.7 Seismic acceleration spectrum of Xingwen county MS3.1 earthquake

圖8 珙縣4.5級地震地震動加速度反應(yīng)譜Fig.8 Seismic acceleration spectrum of Gongxian MS4.5 earthquake

圖9 長寧縣4.6級地震地震動加速度反應(yīng)譜Fig.9 Seismic acceleration spectrum of Changning county MS4.6 earthquake

3 結(jié) 語

1)山體在振動過程中，當?shù)卣鸩ǖ陌氩ㄩL與山體某些特定部位之間的距離接近時，斜坡地形與地震波的波峰產(chǎn)生耦合作用，此時山體在振動作用下更容易產(chǎn)生較大幅度的搖晃，從而更容易引發(fā)地質(zhì)災害。

2)當震源位置及震中距都相同時，隨著震級的增大，各點的PGA放大系數(shù)也隨之增大。

3)斜坡在一定高度處對地震動的響應(yīng)隨著地震震級的增大而增大。

4)斜坡地震動在高震級地震荷載作用下的地震加速度放大系數(shù)一般大于低震級時。

5)在相同振動條件下，地震加速度和地震阿里亞斯強度等斜坡地震動響應(yīng)參數(shù)隨高程增大而增大，且在水平方向的放大較為顯著，同時微地形也對地震具有放大效應(yīng)。

6)對比不同振動條件、高程及監(jiān)測點之間的加速度反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，在同一地震動條件下，隨著高程的增加，各監(jiān)測點各方向的傅里葉圖譜的振幅也隨之增加；在同一監(jiān)測條件、不同地震動條件下，隨著地震震級的增加，各點不同方向的傅里葉圖譜的振幅同樣增大。

7)對比3次地震的加速度反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，在相同振動和阻尼比條件下，相同監(jiān)測點在水平向的加速度響應(yīng)顯著；在相同振動和阻尼比條件下，相同監(jiān)測點的加速度隨高程的增加而增大；同一監(jiān)測點在相同阻尼比、不同振動條件下，各方向的加速度反應(yīng)譜的數(shù)值隨震級的增大而增大。