甘肅文縣上城臺地的地震記錄分析

盧育霞，劉 琨，姚 凱, 石玉成，李 倩

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在我國中西部丘陵和多山地區(qū)，很多建（構(gòu)）筑物、生命線工程都建在地形高差變化比較大的場地上，目前這類場地的地震反應(yīng)越來越受到重視。2008年汶川8.0級地震中一個(gè)非常顯著的震害現(xiàn)象就是建在山頂、階地等高突地形處的房屋要比平坦地區(qū)的損壞嚴(yán)重。究其原因，一方面可能與兩地房屋建筑質(zhì)量的差別有關(guān)；另一方面應(yīng)該與建筑的局部場地條件有關(guān)。場地對地震動最主要的影響是地表覆蓋土層對地震波的放大或衰減作用，這種作用可能是由地下介質(zhì)的多樣性引起的，也可能是由不規(guī)則地形的幾何形狀引起的，然而，實(shí)際的場地地震動反應(yīng)是由這兩者共同作用的結(jié)果[1-5]。

汶川地震從主震到余震持續(xù)了好幾個(gè)月，地震部門獲得了豐富的強(qiáng)震記錄，尤其在甘肅省文縣上城臺地不同位置處架設(shè)的強(qiáng)震流動觀測臺獲得了一批余震記錄，為我們深入研究不規(guī)則場地條件對地面運(yùn)動特征的影響提供了資料。

1 文縣上城臺地的場地條件

圖1 文縣上城臺地流動地震臺站相對位置圖[5]Fig.1 Related positions of observation station on Shangcheng platform of Wenxian.

文縣位于甘肅省最南端，地處秦嶺山地，山大溝深，地勢西北高、東南低，海拔550～4 187 m。2008年四川汶川8.0級地震及其余震對文縣造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，地震造成縣域南部地區(qū)烈度達(dá) IX度，北面大部處于烈度 VIII度區(qū)[6]，5月12日發(fā)生8.0級大地震后，甘肅省地震局派出的強(qiáng)震流動監(jiān)測隊(duì)在文縣縣城一山包（圖 1）不同高度上架設(shè)三臺活動強(qiáng)震臺，獲得了十余次余震觀測資料，真實(shí)的反映了觀測點(diǎn)處地面運(yùn)動加速度[5]。根據(jù)調(diào)查，該觀測山包位于文縣城關(guān)鎮(zhèn)上城臺地南緣，其頂部較為平坦，北靠相對高差約150 m的基巖山體，西南側(cè)緊臨白水江，東南側(cè)偏低、坡降平緩。山頂與山腳相對高差約42 m，山包基巖以上主要組成物質(zhì)為白水江沖洪積物，近地表覆蓋黃土，最厚處約10 m。該場地居住人口較少，大多為耕地所用，并沒有突出震害損失。

2 文縣流動臺地震記錄分析

地震動是一個(gè)不規(guī)則的時(shí)間函數(shù)，一般從頻域和時(shí)域兩個(gè)角度去研究其特點(diǎn)和規(guī)律，即用幅值、頻率特征和持續(xù)時(shí)間三個(gè)方面參數(shù)來表達(dá)地震動特點(diǎn)。雖然中小地震對工程的影響不是很大，但是本文認(rèn)為這些難得的記錄都可以用來研究文縣山包場地的地震反應(yīng)規(guī)律，因此本文分析了文縣上城臺地大于4.0級的九次地震記錄（圖2），震級為4.1～5.7級，震中距離為63～136 km，記錄的峰值加速度范圍為4.8～105.6 cm/s2（表1）。

圖2 九次地震震中和記錄臺站位置圖Fig.2 Ditribution of the epicenter of the selected 9 earthquake events and position of recording stations.

2.1 峰值加速度

地震動峰值的大小直接反映了地震力及其產(chǎn)生的振動能量和引起結(jié)構(gòu)變形的大小，是地震對結(jié)構(gòu)影響大小的尺度[7]。表1統(tǒng)計(jì)了文縣上城臺地不同位置處的峰值加速度以及山腰（No.2）、山頂（No.3）與山腳（No.1）峰值加速度的比值，分析表明：(1)該組地震記錄中大多數(shù)地震事件存在峰值加速度放大現(xiàn)象,山頂（No.3）的峰值加速度放大較山腰（No.2）明顯，山頂峰值加速度比山腳最大放大2.7倍（2008年6月7日4.3級地震）。（2）Y方向放大作用較X方向顯著（X為平行于白水江河谷走向的方向，Y方向?yàn)榇怪庇诤庸茸呦虻姆较颍?。?）所分析的27組地震記錄中Z(垂直)方向峰值加速度大于水平向的有7個(gè)，這可能與內(nèi)陸型逆沖發(fā)震構(gòu)造有關(guān)。總之，震級、震中距與峰值加速度放大倍數(shù)并沒有顯著的對應(yīng)關(guān)系，在震中距差別不大時(shí)，個(gè)別小震級地震也會造成山頂峰值加速度明顯增大。

2.2 頻譜

地震動峰值僅僅表示地震動某一局部、某一時(shí)刻振幅的大小，而地震動譜則表示了地震動的頻域特征。分析上城臺地九次地震記錄的平均加速度反應(yīng)譜（圖3）可見：X、Y兩個(gè)水平方向的反應(yīng)譜均以0.1 s為界，小于0.1 s的短周期（高頻）成分譜值變化相對比較復(fù)雜，而大于0.1 s的中長周期（中低頻）成分譜值從山腳到山頂逐漸增大；反應(yīng)譜的卓越周期向長周期方向移動明顯，說明地震波經(jīng)過山包后高頻衰減很快，主要能量向低頻成分集中；垂直向反應(yīng)譜在大于 0.2 s的長周期段譜值從山腳到山頂逐漸增大。

9次地震事件中5.7級和4.5級地震是來自同一個(gè)震中位置的（表1、圖2），除了震源機(jī)制有差別外，這兩次地震記錄經(jīng)過的路徑和場地條件可以認(rèn)為是相同的；另外，表1中4.4級地震震中距較5.7級、4.5級地震近10 km，這三次地震的震源位置基本上在記錄臺站的同一個(gè)方向（約 N100°E），圖 4比較了這三個(gè)來自同一方向地震的加速度反應(yīng)譜。相同震中位置處的兩次地震，加速度反應(yīng)譜受地震能量的影響譜值差別非常顯著，但譜形狀比較相似，5.7級地震的頻譜向兩端增高；4.4與4.5級地震震級相差0.1級，震中距差10 km,反應(yīng)譜基本形狀相似，譜值接近，受10 km震中距的影響，4.5級地震除山腰垂直向分量外其余各監(jiān)測點(diǎn)的譜值均小于4.4級地震的，說明震中距對中強(qiáng)地震加速度反應(yīng)譜譜值的影響非常敏感；三次地震中頻譜放大尤其突出的 Y向分量從山腳到山頂反應(yīng)譜的單峰變化明顯。

表1 所選地震事件的參數(shù)

圖3 九次地震的平均反應(yīng)譜Fig.3 Average spectram of 9 earthquake events.

圖4 相近震源方向（NE100°）的地震反應(yīng)譜對比(從左到右分別為X，Y，Z方向)Fig.4 Comparing the seismic spectrams from similar direction (NE100°)(from left to right are Z,Y,Z directions).

圖5 九次地震的平均反應(yīng)譜譜比Fig.5 Average Spectral ratios of 9 earthquake events.

此外，我們將9次地震在同一記錄位置同一方向的地震反應(yīng)譜作平均，然后對比山腰/山腳（No.2/No.1）和山頂/山腳（No.3/No.1）的三分量的譜比（圖5），可見，垂直向的譜比在0.2～0.35 s范圍內(nèi)比水平向放大顯著；水平方向反應(yīng)譜譜比曲線峰值出現(xiàn)在0.4 s左右，Y方向總體比X方向放大明顯，綜合大地貌分析，Y方向譜值放大應(yīng)與白水江河谷地形走向（近南北）以及記錄場地北面基巖山體造成南北向地震波來回反射震蕩有關(guān)。

2.3 地震動持續(xù)時(shí)間

大多數(shù)地震工程學(xué)家都認(rèn)為地震動持時(shí)是地震動工程特性的三要素之一。關(guān)于地震動持續(xù)時(shí)間的定義有多種，現(xiàn)有的定義可以分兩大類，一類是用加速度絕對值，另一類則是用相對值[8]。分析上述九次地震的地震加速度時(shí)程可知，各次地震的地震動絕對持時(shí)從山腳、山腰到山頂依次增長。由于篇幅限制，圖6中僅列出了5.7級地震時(shí)文縣上城臺地三個(gè)位置的地震記錄。一般認(rèn)為當(dāng)?shù)乇泶嬖诘退賹訒r(shí)，地震波能量在自由地表和基巖界面之間來回反射，引發(fā)低速層共振，多次反射會造成地震動振幅增大并且時(shí)間延長；單論地形對地震動的放大，可能是由入射波在地質(zhì)體內(nèi)的反射、散射相互疊加干涉造成振幅增大和持時(shí)延長導(dǎo)致的，這與入射波的入射角、波長，及地質(zhì)體的幾何形狀有關(guān)。

圖6 5.7級余震加速度時(shí)程Fig.6 Acceleration time histories of MS 5.7 aftershock.

3 結(jié)論

(1) 上城臺地地震記錄分析顯示：相對于山腳，上城臺地頂部的峰值加速度是明顯放大的；接近頂部的地震動在場地卓越周期附近放大最顯著；大部分地震記錄顯示山頂垂直于白水江河谷分量的峰值加速度比值大于平行于河谷分量的比值；地震動絕對持時(shí)從山腳、山腰到山頂依次增長。總之，該高突臺地本身和其上覆松散層共同作用造成地震動振幅增大并且時(shí)間延長。

(2) 甘肅文縣正在開展地震小區(qū)劃研究項(xiàng)目，上城臺地已被納入文縣縣城規(guī)劃重點(diǎn)開發(fā)的區(qū)域之一。以上分析不僅為研究場地條件對地震動特征的影響提供理論依據(jù)，而且為所研究場地提供了確定設(shè)計(jì)地震動參數(shù)的依據(jù)。

[1]F Buech, T R Davies, J R Pettinga. The little red hill seismic experimental study: Topographic effects on ground motion at a bedrock-dominated mountain edifice[J]. BSSA, 2010, 100 (5A):2219-2229.

[2]M Bouchon, J S Barker. Seismic response of a hill. The example of Tarzana, California[J]. B.S.S.A., 1996, 86 (1A): 66-72.

[3]P Spudich, A M Hellweg, W H K Lee. Directional topographic site response at Tarzana observed in aftershocks of the 1994 Northridge,California, earthquake: Implications for mainshock motions[J].B.S.S.A., 1996, 86 (1 Part B, supp.1 ): 193-208.

[4]H Pedersen, B LeBrun, D Hatzfeld, et al.. Ground motion amplitude across ridges[J]. B.S.S.A., 1994, 84: 1786-1800.

[5]姚凱,盧大偉,劉旭宙,等.利用汶川余震流動觀測資料探討地形對峰值加速度的影響[J].西北地震學(xué)報(bào),2009, 31(1): 46-50.

[6]石玉成,盧育霞.汶川 8.0級地震甘肅災(zāi)區(qū)震害特點(diǎn)及恢復(fù)重建對策[J].西北地震學(xué)報(bào),2009, 31(1): 1-7.

[7]蔣溥,戴麗思.工程地震學(xué)概論[M].北京：地震出版社,1993.

[8]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京：地震出版社,2006.