山地地形對地震動放大作用的機理探討

王 旭， 楊 清，李怡青

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

山地地形對地震動放大作用的機理探討

王 旭， 楊 清，李怡青

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

從震后的調(diào)查和監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，大地震會對山區(qū)地形形成的地質(zhì)災(zāi)害，山地的局部位置，地震動加速度顯著放大，甚至能使大型石塊高速臨空拋射，該文從地震波在介質(zhì)中傳播的角度，通過分析不同入射角度和不同反射界面地震波的反射疊加情況初步解釋這一放大作用產(chǎn)生的機理，得出結(jié)論：(1)山地地形是產(chǎn)生地震動放大效應(yīng)的主要原因；(2)放大效應(yīng)與山體坡度密切相關(guān)(3)山脈走向會影響地震動水平分量的差異。并基于此對山區(qū)地形的震害防御工作提出建議。

高速臨空拋射； 放大效應(yīng)；地震波；反射；匯聚疊加

0 引言

5.12汶川大地震[1-7]造成了許多嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，但其中最有特點的為大型石塊的高速臨空拋射，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是山地地形對地震動的放大效應(yīng)，使高陡斜坡上部的巖體在地震力的作用下被高速拋出，青川東河口特大型滑坡是汶川大地震觸發(fā)的較為典型的滑坡，斜坡體頂部滑體物質(zhì)在地震力作用下從高程1 070 m～1 350 m的位置沿NE55°臨空拋射而出，撞擊左前方高程約1 050 m的迎面坡，發(fā)生解體轉(zhuǎn)化為碎屑流，造成了780人遇難的慘痛損失。地震使山頂?shù)木薮笫瘔K被高速臨空拋射到對面山間，是非常罕見的。王運生[8]等通過分析研究監(jiān)測結(jié)果表明，高邊坡地震加速度的地形放大效應(yīng)極為明顯，數(shù)百米的高陡邊坡坡頂?shù)牡卣鸺铀俣纫话闶枪鹊椎?～3倍，甚至更大；羅永紅等[9]認(rèn)為，地形放大效應(yīng)與地震波半波長相關(guān)，當(dāng)?shù)匦纬叽缃咏卣鸩ò氩ㄩL波峰時，局部地形與波峰的耦合作用下地形放大效應(yīng)顯著，斜坡震害發(fā)育；朱守彪[10]等認(rèn)為山體的放大作用一方面與山體的形狀(地震波的反射、疊加等)、山體的高程(山體起越高放大效應(yīng)越好)有關(guān)；另一方面還與地震本身的頻譜相關(guān)，當(dāng)?shù)卣饎拥念l譜與山體自身的振動頻率相接近時，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可能會加強地震動的強度。

強震產(chǎn)生的滑坡、崩塌是比較常見的地質(zhì)災(zāi)害，眾多實例顯示，汶川地震誘發(fā)的次生災(zāi)害具有十分獨特的動力學(xué)特征，有些已超出了現(xiàn)有的認(rèn)識，能產(chǎn)生高速臨空拋射所需要的加速度極大，已遠(yuǎn)大于震源本身所產(chǎn)生的加速度值，這應(yīng)該是山地地形對地震加速度產(chǎn)生了放大效應(yīng)。引起這種放大效應(yīng)的因素很多，許多學(xué)者對它的成因機理進行了研究，作者認(rèn)為，地震波在山體內(nèi)的反射所形成的匯聚疊加，是造成山體地震動峰值加速度放大的主要因素。這個觀點也能對汶川地震后的災(zāi)害調(diào)查中一些其它現(xiàn)象進行合理解釋，希望大家對這個觀點進行討論。本文在災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，從地震波傳播的角度，對山地地形產(chǎn)生地震動放大作用的機理進行初步探討。

1 地震波的反射原理

地震所產(chǎn)生的地震波非常復(fù)雜，是由不同類型(縱波、橫波等)、不同頻率、不同波長和不同相位組成的復(fù)合波。各種地震波在傳播的過程中，因為地球內(nèi)部介質(zhì)的差異會產(chǎn)生反射、折射、繞射等，還會衍生出其它波形，為了方便說明，我們忽略地震波的復(fù)雜形式，僅從“地震波傳播的的過程中在山體內(nèi)進行反射，在一些情況下會在山體的局部位置造成匯聚疊加”這個角度來解釋這個放大作用產(chǎn)生的過程。

根據(jù)斯奈爾定律，

其中：p為射線參數(shù)

其中：α為反射角，α1為入射角，當(dāng)山體內(nèi)為同介質(zhì)時，α=α1。

假設(shè)山體內(nèi)部為各向同性的均勻彈性介質(zhì)，當(dāng)?shù)卣鸩ǔ錾涞阶杂山缑鏁r，地震波將在自由界面進行振蕩反射，由于山體的形狀不同，地震波將會在山體局部位置發(fā)生匯聚疊加(類似于光線照到凹面鏡上的聚焦)，造成山體不同位置的峰值加速度也不相同。

2 地震波的反射匯聚疊加

山地地形非常復(fù)雜，構(gòu)成了不同形態(tài)的反射邊界，地震波在傳播時遇到反射邊界進行反射，影響反射結(jié)果的有2個因素：一是地震波的入射角度，二是反射界面的形狀[11]。為了方便理解，對于入射角度，我們只簡單考慮2種情況，垂直入射和傾斜入射；對于山體形狀，我們只考慮山體坡度對于峰值加速度的影響(圖1)。

圖1 山體坡度大于60度，垂直入射時地震波的反射

從圖1上看，在坡度大于60°的山體上，垂直入射的地震波經(jīng)過一次反射就到山頂位置，所以造成坡頂峰值加速度最大，在許多實際調(diào)查中，根據(jù)王運生對“5.12”汶川特大地震誘發(fā)龍門山地區(qū)產(chǎn)生上百個大型-巨型地震滑坡的資料顯示，坡頂?shù)姆逯导铀俣瓤梢栽龃蟮焦鹊椎?～3倍。在山體坡度為30°～50°時，地震波反射并不會產(chǎn)生匯聚疊加(圖2)，但這是以地震波垂直入射來看，在實際地震發(fā)生過程中，特別是對于強震區(qū)的近場地震，地震波形式有直達波、反射波、折射波等多種，其入射山體的角度并非都是垂直的，大多數(shù)地震波是傾斜入射，這樣也會使反射地震波射線發(fā)生匯聚疊加(圖3)。除坡度影響外，山體復(fù)雜多樣的形狀也能造成地震波在山體局部位置的反射疊加。從田述軍等[12]在災(zāi)害點分布與山體坡度的關(guān)系圖(圖4)中顯示，隨著山體坡度的增大，災(zāi)害密度也隨著增加。

圖2 山體坡度30°～50°時，垂直入射時地震波的反射

圖3 山體坡度30°～50°，傾斜入射時地震波的反射

圖4 災(zāi)害點分布與山體坡度的關(guān)系(引自文獻[12])

當(dāng)我們以整個山脈考慮地震動影響時還會發(fā)現(xiàn)，山脈的走向?qū)Φ卣饎铀椒至坑泻艽蟮挠绊?，可以看出平行于山脈走向時，地震射線不易發(fā)生匯聚疊加，地震動放大影響小，垂直于山脈走向時，地震射線將沿山脈走向發(fā)生反射匯聚，在一定高度位置形成反射線帶，這樣會造成地震動在垂直山脈走向上地震動峰值的顯著放大?！?.12”汶川地震后，羅永紅[9]在青川桅桿梁山頂875 m高程地震動觀測臺顯示，該監(jiān)測點水平南北分量峰值加速度(PGA)一般為東西分量的5～7倍，最大可達16～18倍。桅桿梁山體總體呈NWW-SWW走向的條形山體，山脊呈向SSW凸出的弧形。地震儀的觀測結(jié)果也實證了地震波反射匯聚疊加對山體地震放大效應(yīng)的影響(表1)。

表1 桅桿梁坡頂?shù)湫陀嗾饡r程波形及振幅值特征

3 結(jié)論與討論

地震所引起的地面震動峰值加速度是地震災(zāi)害的基本要素，它與地質(zhì)條件、地形條件密切相關(guān)。在5.12汶川地震中所產(chǎn)生的大型石塊高速臨空拋射現(xiàn)象說明, 山地地形對地震加速度產(chǎn)生了顯著的放大效應(yīng),這種放大效應(yīng)應(yīng)該和山地地形有關(guān)，但在成因機理上，地震波在傳播過程中在山體內(nèi)的反射所形成的匯聚疊加，是造成山體地震動峰值加速度放大的主要因素。本文從地震波在介質(zhì)中傳播的角度，通過圖例闡述了這一放大作用產(chǎn)生的機理，初步得到以下結(jié)論：

(1)通過地震儀測試和災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山地地形對地震動有放大效應(yīng)。

(2)放大效應(yīng)與山體坡度密切相關(guān)，是不同的坡度對地震波反射匯聚造成的。

(3)山脈走向會影響地震動水平分量的差異，垂直山脈走向的地震動明顯大于平行山脈走向的地震動分量。

近年來，特別是汶川，蘆山地震后，山地建筑的抗震問題日益受到關(guān)注，中國是個多山國家，山地地形所占比例很大，山地建筑的抗震問題不容忽視。

在我們目前的抗震設(shè)計規(guī)范中[13]中，對于地震的破壞性作用主要分2步計算，先根據(jù)潛在震源區(qū)、地震活動性參數(shù)及地震動參數(shù)衰減關(guān)系，利用概率分析方法，對工程場地進行地震危險性計算，得出工程場地不同概率水準(zhǔn)下的基巖水平地震加速度峰值。然后再考慮局部場地條件的影響，計算場地地表處地震反應(yīng)的地震動加速度時程和反應(yīng)譜值，作為建筑物抗震設(shè)計的依據(jù)。在影響地震動的主要因素中我們考慮了震源機制、地震波傳播路徑和場地條件。在場地條件中我們只考慮了覆蓋層對地震動的放大效應(yīng)，而忽視了山嶺地形對地震動的放大影響。

中國發(fā)生的災(zāi)害性地震大多在山區(qū)，山地地形對地震動峰值加速度的放大作用日益凸顯?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》[14]的4.1.18條規(guī)定，當(dāng)需要在突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石的陡坡、河岸及邊坡邊緣等不利地段建造丙類及以上建筑時，除保證其在地震作用下的穩(wěn)定外，尚應(yīng)估計不利地段對設(shè)計地震動參數(shù)的可能放大效應(yīng)。在防震減災(zāi)的實際工作中，若要給復(fù)雜地形的地震動參數(shù)進行準(zhǔn)確的定量化計算還比較困難，在實際運用中，我們可以先結(jié)合山地地形，根據(jù)反射原理繪制出反射射線密度圖，再依據(jù)地震儀的觀測資料，總結(jié)經(jīng)驗公式進行初步應(yīng)用。

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[14]GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]．

Discussion on Mechanism of Mountainous Terrain Effect on Ground Motion Amplification

WANG Xu, YANG Qing, LI Yi-qing

(Geophysical Prospecting Center, CEA, Zhengzhou, 450002, China)

From investigations after earthquakes, it can be found that strong earthquakes generate serious geological disasters in mountainous ranges. Due to topography, the ground motion acceleration of some regions are greatly amplified, even some large stones are thrown into the air with high speed. In the light of seismic wave propogation, this paper analyzes the reflection stack of seismic waves from different treflection angles and different reflecting interfaces, and gives a preliminary explanation for the mechanism of that amplification. The main conclusions are as follows: (1) The topography is the main reason leading to amplification effect of the ground motion; (2) Amplification effet is closely related to mountain slopes; (3) Mountain strikes cause differences in horizontal components. Based upon that, some suggestions are proposed for the earthquake disaster prevention in mountainous regions.

thrown rock with a high speed; amplification effect; seismic waves; reflection; stack

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.004

2014-03-07

地震動力學(xué)國家重點實驗室自主研究課題“南北地震構(gòu)造帶和西秦嶺交匯區(qū)三維深部結(jié)構(gòu)及強震孕震環(huán)境”(項目編號：LED2013A01)

王旭 (1969-)，男， 工程師， 主要從事地震安全性評價工作.E-mail: 44579695@qq.com

P315.31

A

1003-1375(2014)03-0015-05