峽谷地形隔震效應(yīng)及減災(zāi)選線對(duì)策

邱燕玲，姚令侃，2，3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

峽谷地形隔震效應(yīng)及減災(zāi)選線對(duì)策

邱燕玲1，姚令侃1，2，3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

在困難山區(qū)，峽谷是鐵路、公路常利用的交通廊道，但峽谷往往也是震害集中的地段，目前有關(guān)峽谷地形對(duì)地震波傳播特性的影響研究甚少。基于波動(dòng)理論，分析得出峽谷切割深度越深，對(duì)Rayleigh波高頻成分的屏蔽頻率范圍越廣；峽谷越陡，對(duì)散射波的強(qiáng)度削減效應(yīng)越顯著；從而地震波的強(qiáng)度在峽谷兩側(cè)具有顯著的差異，即在地震波入射一側(cè)的振動(dòng)強(qiáng)度大于另一側(cè)。上述結(jié)論得到了蘆山地震震害現(xiàn)象以及蘇克拉峽谷地震記錄儀觀測(cè)資料的檢驗(yàn)，可為減災(zāi)選線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

峽谷；地形效應(yīng)；選線設(shè)計(jì)；地震波

2008年“5.12”汶川地震、2013年“4.20”蘆山地震等發(fā)生在山區(qū)的宏觀震害現(xiàn)象表明，地震波在山區(qū)的傳播特性較平原地區(qū)復(fù)雜，地表地震動(dòng)除受到表層土影響外，還將受到地形效應(yīng)的影響。目前對(duì)地形效應(yīng)的研究，一般集中在孤立凸出地形和高程地形兩方面。通過(guò)大量的宏觀震害調(diào)查、地震儀觀測(cè)、理論分析和模型試驗(yàn)[1-3]，對(duì)孤立凸出地形的地震動(dòng)放大效應(yīng)達(dá)成了共識(shí)，自然山體上部的陡緩轉(zhuǎn)折部位、單薄孤立山脊是地震動(dòng)放大效應(yīng)的凸出地形[4]。在高程地形方面，不少研究認(rèn)為地震動(dòng)有沿高程的放大效應(yīng)[5-8]；沿山體高程布置的地形監(jiān)測(cè)臺(tái)陣獲得的數(shù)據(jù)[9-11]雖然反映了山頂對(duì)山底存在地震動(dòng)放大現(xiàn)象，但在山坡高程變化上無(wú)放大規(guī)律[12，13]，理論分析也顯示，地震動(dòng)沿山坡高程不呈單調(diào)遞增規(guī)律[14]。綜上，目前研究的熱點(diǎn)集中在地形的放大效應(yīng)方面，但有關(guān)地形的減隔震效應(yīng)的研究相對(duì)薄弱。在困難山區(qū)，峽谷是鐵路、公路常利用的交通廊道[15，16]，但峽谷往往也是震害集中的地段。本文針對(duì)峽谷地形，從震害調(diào)查，地震儀觀測(cè)和理論分析3方面，研究峽谷地形的隔震效應(yīng)，為選線決策提供依據(jù)。

1 峽谷地形震害差異現(xiàn)象

2013年“4.20”蘆山7.0級(jí)地震觸發(fā)了大量的崩塌滑坡堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害沿?cái)嗔鸭昂庸确植迹渲斜浪鸀?zāi)害連續(xù)、密集分布的區(qū)域?yàn)閸{谷地段[17，18]。銅頭-朱沙峽谷、一線天峽谷、金雞峽是由三條水流橫向切割NEE走向的白堊系上統(tǒng)-古新統(tǒng)大溪礫巖組厚層塊狀粗礫巖山系形成的三段峽谷，但其間還保留了大片原始山系形成的高地(圖1，圖2)。根據(jù)相對(duì)震中的位置關(guān)系，銅頭—朱沙峽谷、一線天峽谷地震波的傳播方向是由E向W，而金雞峽地震波的傳播方向是由W向E，峽谷兩側(cè)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，峽谷兩側(cè)崩塌災(zāi)害的發(fā)育程度有較大的差異，在地震波入射的一側(cè)震害嚴(yán)重，而在另一側(cè)震害較輕。

圖1 峽谷地形研究區(qū)域

圖2 地形斷面

區(qū)域地震波傳播方向震中距離/km災(zāi)害總面積/萬(wàn)m2EW銅頭—朱沙峽谷E→W183.50.4一線天峽谷E→W1015.61.1金雞峽W→E3.50.44.3

地震觸發(fā)崩塌滑坡受震中距、地形以及地質(zhì)這三大因素的影響[19]，但在相同巖性條件下，鄰近斜坡的崩塌滑坡發(fā)育差異直接反映了斜坡地震動(dòng)的強(qiáng)度差異，體現(xiàn)了地形這一因素對(duì)地震動(dòng)的影響。根據(jù)上述峽谷兩側(cè)震害差異的現(xiàn)象，推論地震波在傳播過(guò)程中，經(jīng)過(guò)保留有分水高地的峽谷地形時(shí)，地震波的強(qiáng)度降低，即峽谷地形有隔震效應(yīng)。

2 峽谷地形隔震效應(yīng)的理論分析

Rayleigh波是沿自由地表傳播的不均勻P波和SV波的疊加，將半空間的表面作為x-y平面，指向半空間內(nèi)部的方向是z軸的正方向，對(duì)位移場(chǎng)作限制性假定，令質(zhì)點(diǎn)在y方向的位移是零，波動(dòng)方程簡(jiǎn)化到x-z二維平面，Rayleigh波的勢(shì)函數(shù)可表示為

(1)

(2)

從勢(shì)函數(shù)可知，Rayleigh波在z方向上呈指數(shù)衰減，一個(gè)波長(zhǎng)深度時(shí)，振幅已衰減到0.18%，波的主要能量集中在地面表層小范圍內(nèi)。Rayleigh面波遇到峽谷地形障礙的散射作用，可對(duì)峽谷地形隔震效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋。

峽谷地形示意如圖3所示。

圖3 峽谷地形示意

Rayleigh波在半空間自由表面由左向右傳播，遇到一峽谷地形，由于側(cè)向幾何空間上的阻斷，Rayleigh波在峽谷左側(cè)界面上將發(fā)生散射，產(chǎn)生沿峽谷界面?zhèn)鞑サ纳⑸涿娌跋虬肟臻g內(nèi)部傳播的散射體波。忽略散射體波，為分析峽谷地形對(duì)Rayleigh波的影響，引入格林函數(shù)Gki(r，r′)，表示在位置r′處作用的單位點(diǎn)源，在半空間峽谷邊界條件下所產(chǎn)生在位置r處的響應(yīng)，取右側(cè)峽谷由平面S1S2S3S4S5組成的封閉區(qū)域，且r′在區(qū)域以外，根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)的積分表象定理，區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可寫(xiě)成

(3)

式中，ui為位移張量的分量；σij為應(yīng)力張量的分量；Cijmn為介質(zhì)彈性張量的分量；nj為邊界面外法向矢量的分量。

(4)

式(4)中，h為峽谷切割深度，根據(jù)上面的分析，在S5上包括入射場(chǎng)及沿峽谷界面?zhèn)鞑サ纳⑸鋱?chǎng)。λ為波長(zhǎng)，當(dāng)h?λ時(shí)，入射波幾乎能全部穿過(guò)峽谷，散射場(chǎng)很弱，在S5上為入射場(chǎng)；當(dāng)h?λ時(shí)，由于入射Rayleigh波的能量主要集中一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，入射場(chǎng)不能穿過(guò)峽谷障礙，在S5僅為散射場(chǎng)。因此，對(duì)含各種頻率成分的Rayleigh波，峽谷地形能阻斷高頻成分波的直射，而且h越大，屏蔽入射波的頻率范圍越廣。

圖4 楔形界面幾何示意

圖5 傳播系數(shù)AT計(jì)算結(jié)果

沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腞ayleigh波遇到峽谷地形障礙，由于波的散射作用，長(zhǎng)波長(zhǎng)能直接穿過(guò)地形障礙向后傳播，而短波長(zhǎng)只有散射部分穿過(guò)峽谷地形障礙，因而峽谷地形在空間上能有效阻斷高頻成分Rayleigh波的傳播。這種屏蔽效應(yīng)是由波長(zhǎng)、峽谷切割深度和谷坡坡度決定的，波長(zhǎng)越短，深度越大，谷坡越陡，這種屏蔽效應(yīng)越明顯。

3 峽谷地形效應(yīng)地震觀測(cè)

1970年達(dá)吉斯坦蘇拉克河峽谷的奇爾凱伊堤壩閘門(mén)區(qū)有記錄到這種峽谷地形的隔震效應(yīng)，蘇拉克河峽谷是切割上白堊統(tǒng)石灰?guī)r的V形對(duì)稱(chēng)峽谷，其深度為250 m，最大寬度為300 m，在峽谷的奇爾凱伊堤壩閘門(mén)區(qū)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布有10個(gè)地震記錄儀。圖6是峽谷兩側(cè)高200 m觀測(cè)點(diǎn)在1970年12月24日地震中速度時(shí)程的頻譜分析結(jié)果[22]。地震發(fā)生在峽谷右岸一側(cè)，地震波的傳播方向是由右至左，峽谷左右兩側(cè)頻譜分析結(jié)果對(duì)比，峽谷左側(cè)高頻成分的地震波明顯降低。這一儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量地說(shuō)明了峽谷地形具有隔震效應(yīng)這一結(jié)論的合理性。

圖6 峽谷兩側(cè)觀測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程的頻譜分析[22]

4 結(jié)論

(1)蘆山地震三段峽谷的震害調(diào)查及蘇拉克河峽谷地震記錄分析，都反映出地震波的強(qiáng)度在峽谷兩側(cè)具有明顯的差異，在地震波入射一側(cè)振動(dòng)強(qiáng)烈，在另一側(cè)減弱。根據(jù)對(duì)Rayleigh面波在峽谷障礙地形散射作用的理論分析，波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于峽谷切割深度的波，幾乎能全部直接入射到達(dá)峽谷對(duì)岸側(cè)；波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于峽谷切割深度的波，僅能散射穿過(guò)峽谷障礙到達(dá)峽谷對(duì)岸側(cè)。因此，峽谷地形能有效阻斷Rayleigh波高頻成分的直射，而且峽谷深度越大，屏蔽入射波的頻率范圍越廣。對(duì)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于峽谷切割深度的波，散射波的強(qiáng)度和峽谷坡度有關(guān)，對(duì)自然界的坡度范圍，谷坡越陡，散射波的強(qiáng)度越弱，峽谷地形的屏蔽效應(yīng)越顯著。

(2)對(duì)新建線路，選線通過(guò)峽谷地形時(shí)，根據(jù)活動(dòng)斷層與峽谷之間的相對(duì)位置，應(yīng)避免選擇峽谷入射方向的一側(cè)；若因其他因素制約，不得不選在入射方向一側(cè)時(shí)，則需采取工程加強(qiáng)措施，特別是需考慮地震次生山地災(zāi)害的防治。由于峽谷區(qū)多為硬巖，同震山地災(zāi)害以崩塌落石災(zāi)害為主，如省道303線映秀至耿達(dá)段公路沿漁子溪峽谷行進(jìn)(長(zhǎng)18 km)，沿線主要出露為黑云母堿性花崗巖，2008年“5.12”汶川地震時(shí)觸發(fā)大型崩塌災(zāi)害46處，而滑坡災(zāi)害僅有1處(高位滑坡)。針對(duì)地震觸發(fā)崩塌災(zāi)害常用的是邊坡加固措施，汶川地震震害表明，采用了邊坡防護(hù)與加固工程的路塹工點(diǎn)震害輕微得多，40 m以上的高大邊坡大多數(shù)都能保持整體穩(wěn)定。但由于塹頂上方自然邊坡發(fā)生崩塌的情況常見(jiàn)，所以陡巖下方的低路堤和路塹地段，需考慮防范來(lái)自線路用地界以外的崩塌，經(jīng)濟(jì)上不一定有利；所以對(duì)于干線工程，可考慮修建落石棚洞防護(hù)，必要時(shí)可采用線路內(nèi)移建隧的平面繞避方案；但不宜采用外移建順河橋的繞避方式。

(3)峽谷地段由于槽谷地形狹窄，地震觸發(fā)崩塌滑坡有可能堵塞河道形成堰塞湖，如上述省道303線映秀至耿達(dá)段，汶川地震時(shí)，漁子溪河形成大大小小8處堰塞湖，水深5～20 m，造成大段落線路被淹的災(zāi)害，因此，峽谷區(qū)新建線路，應(yīng)盡可能選擇高線位方案。

最后需要說(shuō)明的是，本文在進(jìn)行峽谷地形隔震效應(yīng)理論分析時(shí)，將峽谷上方設(shè)為臺(tái)地，這種概化對(duì)于河谷間存在著較寬闊的分水高地時(shí)是合理的，在其他情況時(shí)亦可作為參考。

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Effect of Valley on Ground Motion and Disaster Reduction in Route Selection

QIU Yan-ling1， YAO Ling-kan1，2，3

(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Chengdu 610031， China;3.Sichuan Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology， Chengdu 610031, China)

In rugged mountainous area， valleys are usually used as transportation corridors for railway and highway. But valleys are places where seismic hazards are prone to occur. At present， there is less research on the characteristics of wave propagation over a valley. Based on the wave theory， the following conclusions are made. The deeper a valley， the wider the high frequency shield range of Rayleigh wave. The steeper the valley， the more significant the scattered wave attenuation. The intensity of seismic waves on the two sides of valley slopes differs greatly. The ground motion on the wave incident side is stronger than the other side. Above conclusions are validated by Lushan earthquake and the data recorded by seismograph at Sulak valley， which may provide a theoretical basis for disaster reduction in route selection.

Valley; Topography effect; Route selection; Seismic wave

2015-02-15;

2015-03-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(41172321)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2014G004-A-6)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030742)

邱燕玲(1986—)，女，博士研究生，研究方向?yàn)殍F路公路工程勘察設(shè)計(jì)新技術(shù)，E-mail：aggieqiuyanling@126.com。

姚令侃(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F路公路工程災(zāi)害防治及安全技術(shù)，E-mail：yaolk@home.swjtu.edu.cn。

1004-2954(2015)11-0001-04

U212.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.001