興文MS5.1地震震裂斜坡地震動響應特征

寇瑞斌 王運生 胡東雨 唐 濤詹明斌 向 超 吳昊宸 趙方彬

1 成都理工大學環境與土木工程學院，成都市東三路1號，610059 2 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，成都市東三路1號，610059

汶川大地震以及近年來發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災害發育具有明顯影響，凸出地形、條形山體、單薄山脊、坡折部位、山嘴兩側地形放大效應顯著，多有震害發生[1-7]。部分學者設計振動臺模型實驗，研究微地貌放大效應以及地震動參數影響邊坡的動力響應規律[8-10]。

對震裂斜坡力學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特征的研究較少，尤其缺乏實際監測數據。受2019年長寧6.0級地震和2019年珙縣5.6級地震災害的影響，珙縣珙泉鎮三江村鷹咀巖地裂縫發生變形，直接威脅當地居民生命財產安全。本研究在鷹咀巖安置3臺地震動監測儀器，分析震裂斜坡的地震動響應特征，以期對珙縣防災減災提供參考。

1 監測剖面概況

四川盆地南緣構造變形較為簡單，巖層傾角相對較小，但地應力復雜，主要有北西向和滇東-黔西的擠壓應力以及四川盆地的剛性基底阻力，為應力積累提供條件，易發生地震，興文MS5.1地震即是正常的高地應力釋放過程[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

鷹咀巖不穩定斜坡前緣以公路內側基覆界面為界，兩側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°。斜坡中下部公路內側局部可見基巖出露，巖性為灰褐色砂巖，產狀為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。根據變形特征，斜坡中后部區域為強變形區，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定狀態，若遇持續降雨、地震等不利工況條件，形成災害的可能性較大。

(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個監測點(圖3)，監測剖面見圖4。1#監測點高程502 m，位于斜坡前緣村道旁基巖上，巖性為三疊系下統飛仙關組(T1f)砂巖，巖層近水平，產狀215°∠9°，層厚20～50 cm，中風化至微風化。1#監測點接近谷底，且巖體較完整，可以忽略地形效應，作為斜坡中上部監測點的參考點。2#監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型結構與斜坡地震動響應監測儀，采樣間隔為0.005 12 s。

圖3 監測點位分布Fig.3 Distribution of monitoring points

圖4 鷹咀巖監測剖面Fig.4 Yingzuiyan monitoring profile

2 監測數據

2.1 時程曲線

興文MS5.1地震觸發距離震中約30 km的鷹咀巖斜坡上的3臺地震動監測儀器，儀器記錄到完整的地震波數據。使用SeismoSignal軟件對數據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#監測點S波持時較斜坡前緣1#監測點長2～5 s，這是因為在限定范圍內，地震波到時與持時隨震中距的增加而增加，而高程增加相當于震中距增加。1#、2#和3#監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#監測點三分量方向加速度小于2#和3#監測點，地裂縫附近3#監測點最大PGA大于1#和2#監測點，這是由高程放大效應和震裂斜坡地震波傳播遇不連續介質(地裂縫)發生反射疊加所致。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記錄雙峰型時程曲線，地裂縫附近3#監測點相較于2#監測點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介質(地裂縫)發生反射并與波速較慢的S波疊加，從而在較短時間內增強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，大體上為NS向最大，EW向次之，UD向最小，表明本次地震動優勢方向為NS向。

2.2 傅里葉頻譜

地震波信號呈現正弦曲線，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#監測點三分量上主頻率分別為10.03 Hz、17.51 Hz和9.88 Hz；3#監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，表現為低頻衰減、中高頻放大、頻帶變寬，這在地裂縫附近3#監測點更加顯著；UD向變化不明顯，可能與震中距和表層覆蓋物有關，有待進一步研究。

2.3 加速度反應譜

加速度反應譜是指在相同阻尼條件下，地表質點系的最大響應與場地自振周期的關系，可理解為阻尼相同、周期不同的質點系在地震過程中的最大響應(位移、速度和加速度)，反映了場地的地震動和共振特性，其本質是反映最大響應絕對值與自振周期的函數關系[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譜時，將阻尼比設置為5%、10%和20%(圖7)。

圖7 地震動加速度反應譜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。反應譜升降趨勢不隨阻尼比變化而發生顯著改變，說明加速度反應譜可量化不同阻尼對地震波振幅的響應，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#監測點的振幅值均大于1#和2#監測點，NS向反應譜顯著大于EW和UD向。

根據GB 50011-2010 《建筑抗震設計規范》，珙縣為Ⅵ度設防區，設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程序繪制抗震設計反應譜。通過分析可知，2#監測點NS向和3#監測點EW向5%阻尼比反應譜峰值大于Ⅵ度設計譜，小于Ⅶ度設計譜；3#監測點NS向5%阻尼比反應譜峰值接近Ⅶ度設計譜，10%阻尼比峰值超過Ⅵ度設計譜。通過調查發現，居民房屋墻壁出現裂縫(圖8(a))，道路內側斜坡覆蓋層有垮塌(圖8(b))，這與反應譜分析結果一致。

圖8 監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

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

3.1 鷹咀巖震裂斜坡地震動放大效應

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

表1 各監測點地震動參數Tab.1 Ground motion parameters of each monitoring point

圖9 各監測點放大系數Fig.9 Amplification factors of each monitoring point

忽略地形效應，將接近谷底基巖的1#監測點作為基準，分析震裂斜坡上部2#和3#監測點的放大效應。2#監測點EW、NS和UD向的PGA放大系數分別為1.50、1.67和1.17，3#監測點EW、NS和UD向的PGA放大系數分別為2.36、3.05和1.59，可見PGA放大系數NS向>EW向>UD向。2#監測點EW、NS和UD向AI放大系數分別為4.68、6.15和4.43，3#監測點EW、NS和UD向AI放大系數分別為7.59、18.86和6.01，AI放大系數NS向>EW向>UD向。PGA放大系數和AI放大系數均大于1，表明2#和3#監測點均存在放大現象。AI放大系數大于PGA放大系數，表明AI判定斜坡地震動響應更加合理、精細[2]。PGA放大系數和AI放大系數的變化趨勢相似，均為NS向>EW向>UD向，表明NS向在地震波作用下搖晃更強烈，為優勢方向。此次震裂斜坡地震動響應表現出方向效應，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測剖面對比

蘆山縣仁家村在2013-04-20蘆山MS7.0地震后布設了1條監測剖面共2個地震動監測臺站(表2)。2013-05-01臺站監測到蘆山地震4.2級余震，根據中國地震臺網測定，震中位置為30.20°N、102.90°E，震源深度20 km，監測臺站距震中約4.2 km。珙縣鷹咀巖3#監測點和2#監測點高程差81 m，與蘆山仁家村監測剖面點位高程差(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個場地的放大效應進行對比(表3)，分析震裂斜坡的放大效應。

表2 蘆山仁家村監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參數對比Tab.3 Comparison of response parameters of Lushan earthquake and Xingwen earthquake

由表3可知，蘆山地震PGA放大系數為0.98～1.78，AI放大系數為1.54～2.05；興文地震PGA放大系數為1.36～1.82，AI放大系數為1.36～3.06。震裂斜坡的放大系數在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象。這是因為在震裂斜坡中，地震波傳播遇到不連續介質(地裂縫)會發生反射，波速較快的P波和先到達地表的S波反射波與后續到達地表的S波疊加，能量增強促使斜坡搖晃更加猛烈，發生震裂斜坡的放大響應。

4 結 語

興文5.1級地震觸發位于珙縣鷹咀巖震裂斜坡上的3臺地震監測儀器，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譜，分析本次地震動響應特征，得到以下結論：

1)本次地震持時短、幅度小，1#、2#和3#監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#監測點S波持時較1#監測點長2～5 s。

2)分析傅里葉頻譜可知，1#、2#和3#監測點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，表現為低頻衰減、中高頻放大、頻帶變寬，在地裂縫附近3#監測點該變化更加顯著，而3個監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#監測點的振幅值大于1#和2#監測點，NS向加速度反應譜顯著大于EW和UD向。對比規范設計譜可知，3#監測點NS向加速度反應譜最大，5%阻尼比峰值接近Ⅶ度設計譜，10%阻尼比峰值超過Ⅵ度設計譜。

4)以1#監測點為參考，2#和3#監測點PGA放大系數為1.17～3.05，AI放大系數在EW和UD向為4.43～7.59，地裂縫附近3#監測點NS向可達18.86。對比1#監測點，2#和3#監測點PGA放大系數和AI放大系數均大于1，且NS向>EW向>UD向，NS向表現出明顯的優勢方向。這是因為該斜坡位于一條形山體(走向108°)南側，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測剖面可知，珙縣鷹咀巖監測剖面的放大系數在水平方向更大，而在垂直方向不明顯，表明震裂斜坡對地震波存在放大現象。這是因為地震波傳播遇到不連續介質(地裂縫)會發生反射，波速較快的P波和先到達地表的S波反射波與后續到達地表的S波疊加，能量增強促使斜坡搖晃更加劇烈，發生震裂斜坡的放大響應。

致謝：感謝華地建設工程有限責任公司提供震后勘查成果。