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    康定Ms6.3和Ms5.8級地震下摩崗嶺震動監(jiān)測數(shù)據(jù)研究

    2016-06-24 02:31:47賀建先王運生曹水合赫子皓黃健龍
    長江科學院院報 2016年6期

    賀建先,王運生,曹水合,赫子皓,毛 碩,黃健龍

    (成都理工大學 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 610059)

    康定Ms6.3和Ms5.8級地震下摩崗嶺震動監(jiān)測數(shù)據(jù)研究

    賀建先,王運生,曹水合,赫子皓,毛碩,黃健龍

    (成都理工大學 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610059)

    摘要:為研究康定Ms6.3和Ms5.8級(Ms為面波震級)2次地震動的響應規(guī)律,在大渡河摩崗嶺段兩岸斜坡不同高程處掘進平硐并安置了強震監(jiān)測儀。監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示:1#監(jiān)測點記錄的水平向和豎直向PGA(地表峰值加速度)最大,Ms6.3級水平向達到了16.5~22.2 cm/s2,豎直向也達到了8.9 cm/s2;Ms5.8級水平向為9.9~11.8 cm/s2,豎直向為4.1 cm/s2。以2#監(jiān)測點記錄的2次地震加速度PGA值為參考,1#監(jiān)測點水平向和豎直向PGA放大系數(shù)最大,Ms6.3級水平向和豎直向放大系數(shù)分別達到5.4,4.2,而震級較小的Ms5.8分別為3.7,2.2。傅里葉譜分析可得各監(jiān)測點記錄的2次地震卓越頻率相差不大。由各監(jiān)測點加速度反應譜可得同次地震中海拔最高的1#監(jiān)測點水平向和豎直向反應譜幅值最大;對比同一監(jiān)測點不同震級加速度反應譜,較大震級的Ms6.3級各個方向幅值比Ms5.8級大。研究表明斜坡不同高程部位對地震波具有選擇放大作用,高程越大,這種放大效應越明顯。

    關鍵詞:康定地震;摩崗嶺;邊坡地震動響應;PGA放大系數(shù);加速度反應譜

    1研究背景

    地震作用下邊坡的動力響應一直是地震工程和巖土工程十分關心的一個問題。通過對蘆山地震以及魯?shù)榈卣鸬纳降貫暮φ{(diào)查,一些學者認為這與地形的放大效應有關,但目前斜坡地震動響應研究仍缺乏大量的實測數(shù)據(jù)。國外一些學者對地形放大效應研究得較早,如Celebi[1]對1985年Central Chile地震數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),利用頻比法可得到地面運動產(chǎn)生放大效應的頻率范圍,且處于不同地質(zhì)條件的場地和山脊處有明顯的地形放大。再如Geli等[2]對地形放大效應的理論和實測研究作了總結:地形放大效應發(fā)生在入射波長與地形坡寬近似相等時的坡頂處,入射P波的地形放大效應低于入射S波的地形放大效應,P-SV波的地形放大效應比SH波稍強,當存在相鄰山脊時地形放大效應會有所增加。

    汶川地震后,羅永紅等[3]研究表明:地形尺寸與地震波波長的耦合作用會使地震波的水平分量顯著放大,在單薄山脊、條形山體、坡型轉(zhuǎn)折部位、凸出地形等微地貌地形放大效應明顯。王海云等[4]根據(jù)自貢地形臺陣記錄的汶川地震主震加速度時程,利用傳統(tǒng)譜比法得出:地形場地在低頻(<1 Hz)的放大效應不明顯,而在高頻(>1 Hz)的放大效應較明顯;在1.0~10 Hz頻帶,山頂?shù)卣饎拥姆糯笮畲螅浯螢榭拷巾數(shù)纳郊股系卣饎拥姆糯笮?;無論是地形場地還是土層場地,地震動的最大放大效應均有水平向大于豎向的特征。蘆山地震后,黃潤秋等[5]對強震區(qū)地質(zhì)災害研究發(fā)現(xiàn):崩塌源主要分布在陡立谷坡中上部、突出山嘴等部位。羅永紅等[6]對冷竹關蘆山地震動響應監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出,在強震作用下冷竹關溝右岸的單薄山脊地震動地形放大效應明顯強于左岸中高山斜坡,且右岸1#監(jiān)測點凸出地形放大效應最明顯。賀建先等[7-8]對冷竹關康定地震數(shù)據(jù)研究了斜坡不同高程和不同深度的地震動響應規(guī)律。許強等[9-10]通過振動臺試驗從地震動參數(shù)等方面的研究也表明加速度沿高程具有明顯的放大效應。祁生文等[11]通過數(shù)值模擬得到:在一定坡高范圍內(nèi),邊坡內(nèi)的加速度、速度、位移隨著高程的增加呈增加的趨勢;當邊坡較高時,加速度、速度、位移隨著高程的增加呈現(xiàn)節(jié)律性變化。何先龍等[12-13]通過多重函數(shù)分析了剪切波速在土層中的傳播規(guī)律,為評價巖土介質(zhì)提供了依據(jù)。

    中國地震臺網(wǎng)正式測定:2014-11-22T16:55在四川省甘孜藏族自治州康定縣(北緯30.3°,東經(jīng)101.7°)發(fā)生6.3級地震,震源深度18 km;緊接著2014-11-25T23:19在四川省甘孜藏族自治州康定縣(北緯30.2°,東經(jīng)101.7°)又發(fā)生5.8級地震,震源深度16 km。據(jù)甘孜州抗震救災指揮部辦公室統(tǒng)計,截至24日18時,22日發(fā)生的地震共造成5人死亡、55人受傷;根據(jù)23日實地調(diào)查情況,四川省地震局發(fā)布,康定6.3級地震災害總體偏輕。

    成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室依托中國地質(zhì)調(diào)查局項目“西南地區(qū)重大地質(zhì)災害調(diào)查與預警區(qū)劃”子項目“強震條件下斜坡動力響應及成災機理研究”,以王運生教授為主的研究團隊在瀘定縣摩崗嶺布設地震強震動常觀剖面。監(jiān)測剖面距離康定Ms6.3和Ms5.8地震震中距離分別約為84 km和75 km,2次地震都觸發(fā)了監(jiān)測剖面上的3臺強震觀測儀,研究團隊獲得了寶貴的強震動監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對這2次地震監(jiān)測的加速度數(shù)據(jù)進行濾波和基線校正,求其加速度反應譜和PGA值放大系數(shù),研究了監(jiān)測剖面區(qū)域地形放大效應。

    表1 監(jiān)測點基本信息

    表2 各監(jiān)測點地震動參數(shù)特征

    注:EW為水平東西向,SN為水平南北向,UD為豎直向;卓越頻率指土層對地震波具有顯著放大效的頻率段。

    2監(jiān)測剖面概況

    摩崗嶺監(jiān)測剖面位于瀘定縣南部,地處貢嘎山風景區(qū)東坡,海螺溝冰川森林公園入口處,距離瀘定縣城的直線距離約33.7 km。大渡河的左右兩岸,為典型的高山峽谷深切地貌,且右岸被磨西河切割成走向近南北向的單薄山脊,而左岸為渾厚的山體。左右兩岸均布置了監(jiān)測點,監(jiān)測區(qū)出露的地層為澄江-晉寧期的康定雜巖,巖性主要由花崗巖、閃長巖組成,局部可見輝綠巖脈,第四系主要為滑坡堆積、崩坡積堆積以及沖積物。區(qū)域主要受大渡河斷裂南段(得妥斷裂)和磨西斷裂的影響。

    根據(jù)場地工程地質(zhì)條件以及施工條件,在大渡河左右兩岸共開挖了5個監(jiān)測平硐(右岸3個,左岸2個),每個平硐水平深度在10 m左右,其位置分布見圖1。監(jiān)測剖面選用的儀器有日本應用地震計測株式會所生產(chǎn)的E-catcher地震監(jiān)測儀器和中國地震局工程力學研究所與成都理工大學地質(zhì)災害防治國家重點實驗室共同研發(fā)的G01NET-1型斜坡地震動響應監(jiān)測儀。日本E-catcher儀器基本參數(shù)為:靈敏度1 V/g,最大量程2 000 cm/s2,三分量(水平向2個,豎直向1個),周波數(shù)范圍為DC~20 Hz(-3 dB);G01NET-1型儀器的參數(shù)為:輸入量程-10~10 V,分辨率0.005 V,動態(tài)范圍≥110 dB。各監(jiān)測點基本信息見表1。

    圖1 摩崗嶺地震動監(jiān)測點位置Fig.1 Earthquake monitoring sites in Mogangling slope

    3地震動數(shù)據(jù)分析

    康定Ms6.3和Ms5.8級兩次地震都觸發(fā)了監(jiān)測剖面上1#,2#以及4#監(jiān)測點,這3個監(jiān)測點儀器較完整地記錄了兩岸的地震動響應數(shù)據(jù)(4#監(jiān)測點豎直向傳感器觸發(fā)值設置較大,未記錄到相應的數(shù)據(jù))。通過對數(shù)據(jù)進行濾波和基線校正后,得到加速度時程曲線,統(tǒng)計各監(jiān)測點參數(shù)見表2。限于篇幅,本文只給出了康定Ms6.3級地震的加速度時程曲線,見圖2。

    圖2 康定Ms6.3級地震下各監(jiān)測點加速度時程曲線Fig.2 Time-history curves of acceleration at monitoring site during Kangding Ms6.3 earthquake

    3.1PGA放大系數(shù)研究

    由時程曲線(圖2)和各監(jiān)測點動參數(shù)(表2)可知,位于右岸的1#監(jiān)測點記錄水平向和豎直向加速度最大:Ms6.3級水平向達到了16.5~22.2 cm/s2,豎直向也達到了8.9 cm/s2;Ms5.8級水平向達到了9.9~11.8 cm/s2,豎直向也達到了4.1 cm/s2。高程相差不大的2#和4#監(jiān)測點2次記錄到的加速度峰值PGA相差不大,但是總體上表現(xiàn)為高程較高的2#監(jiān)測點較高程較低的4#監(jiān)測點大。

    圖3 各監(jiān)測點加速度PGA放大系數(shù)Fig.3 Changes of PGA amplification factor with elevation in two earthquakes

    2#監(jiān)測點揭示場地為完整的基巖,以2#監(jiān)測點記錄的2次地震加速度PGA值為參考,求得其余各監(jiān)測點相對于2#監(jiān)測點的PGA放大系數(shù),見圖3。

    由圖3可得:同一次地震數(shù)據(jù)顯示高程對水平向和豎直向加速度有明顯的放大效應,水平向和豎直向PGA放大系數(shù)隨高程呈現(xiàn)非線性增大的趨勢,且在坡頂處放大系數(shù)達到最大(1#監(jiān)測點);高程相差不大的2#和4#監(jiān)測點水平和豎直向放大系數(shù)相差不大;而且總體表現(xiàn)出水平南北(SN)向PGA放大系數(shù)大于水平東西(EW)向,水平向放大系數(shù)大于豎直(UD)向。對比這2次不同地震,較大震級(Ms6.3級)的水平向和豎直向加速度PGA放大系數(shù)都比小震級(Ms5.8級)的大,其1#監(jiān)測點水平向和豎直向PGA放大系數(shù)分別達到了5.4,4.2,而較小震級的為2.7,2.2。

    3.2頻譜特性分析

    限于篇幅,本節(jié)只給出康定Ms6.3級地震的傅里葉反應譜(見圖4)。

    圖4 康定Ms6.3級地震各監(jiān)測點下的傅里葉譜Fig.4 Fourier spectra of monitoring sites during Kangding Ms6.3 earthquake

    由傅里葉譜和地震動特征參數(shù)(表2)可知:

    (1) 各監(jiān)測點記錄的2次地震PGA對應頻率相差不大,即其卓越頻率相差不大,具體表現(xiàn)為:1#監(jiān)測點Ms6.3和Ms5.8級的水平EW向分別為0.76,0.81 Hz,水平SN向分別為0.92,1.23 Hz,UD向分別為1.14,1.48 Hz;2#監(jiān)測點Ms6.3和Ms5.8級的水平EW向分別為0.85,1.41 Hz,水平SN向分別為1.48,1.91 Hz,UD向分別為3.51,3.49 Hz;4#監(jiān)測點Ms6.3和5.8級的水平EW向分別為0.71,0.71 Hz,水平SN向分別為0.81,0.82 Hz。

    (2) 各監(jiān)測點記錄的2次地震數(shù)據(jù)水平向卓越頻率主要集中在較低頻段:Ms6.3級的EW,SN主頻值在0.76~1.48 Hz,Ms5.8的EW,SN在0.81~1.91 Hz;而UD向集中在較高頻段,Ms6.3級在1.14~3.51 Hz,Ms5.8級在1.48~3.49 Hz。

    (3) 各監(jiān)測點記錄2次地震的卓越頻率由大到小依次為UD向、SN向、EW向,說明豎直方向和水平方向?qū)Φ卣鸩ǖ姆糯箢l段不同,豎向集中在高頻部分,水平向集中在低頻部分。

    (4) 對于不同監(jiān)測點水平向卓越頻率表現(xiàn)為2#>1#>4#,豎直向2#>1#,隨高程增加,卓越頻率表現(xiàn)為先增大再減小的規(guī)律。對比也可看出海拔較高的1#監(jiān)測點場地條件為土體,在地形條件和場地條件共同作用下對低頻部分的地震波放大效應明顯[14]。

    4加速度反應譜分析

    反應譜的概念最早由Biot[15]基于彈性體系動力學的理論于1941年提出。而后學者Housner[16]對一些典型的強震加速度進行了處理,得到了一系列反應譜曲線。反應譜定義為:具有同一阻尼比的一系列單自由度體系的最大反應絕對值與周期的關系,或者說具有相同阻尼特性的,但結構周期不同的單自由度體系,在某一地震作用下的最大反應,其本質(zhì)上反映的是地震動特性[17]。根據(jù)加速度曲線計算水平和豎直分量在不同阻尼比(0.05,0.10,0.20)下的加速度反應譜。限于篇幅,本節(jié)只列出康定6.3級地震下1#監(jiān)測點的加速度反應譜(圖5)。

    圖5 康定6.3級地震下1#監(jiān)測點的加速度反應譜Fig.5 Acceleration response spectra of monitoring point 1# during the Kangding Ms6.3 earthquake

    從反應譜上分析可得:各個監(jiān)測點的譜值隨著阻尼比的增大逐漸減小,阻尼比為0.05時加速度幅值最大,且各監(jiān)測點的各個方向加速度反應譜形狀在不同阻尼比下相差不多。其結果表明場地介質(zhì)的阻尼特性只影響其地震動振幅值,對地震動過程特性的影響不明顯[3]。

    對比不同高程各監(jiān)測點的反應譜,同次地震中高程最大的1#監(jiān)測點幅值最大,高程接近的2#,4#監(jiān)測點反應譜幅值相差不大,具體表現(xiàn)為:1#,2#,4#監(jiān)測點記錄的Ms6.3級強震數(shù)據(jù)在阻尼比為0.05時水平SN向幅值最大,分別為86.3 ,13.8,14.9 cm/s2;1#和2#監(jiān)測點的UD向反應譜幅值分別為29.7,6.4 cm/s2。對比同一監(jiān)測點水平向和豎直向反應譜可知:同次地震水平向反應譜幅值大于豎直向幅值,但SN譜值不一定大于EW幅值,并未表現(xiàn)出峰值加速度PGA那樣的變化規(guī)律(其水平SN向PGA大于EW向PGA值)。

    對比各監(jiān)測點不同地震下的反應譜,震級較大的Ms6.3級各個方向的加速度反應譜幅值較Ms5.8級大,如1#監(jiān)測點記錄的Ms6.3級EW向在阻尼比為0.05下的加速度反應譜幅值為52.5 cm/s2,而Ms5.8級為43.6 cm/s2。

    建筑場地的劃分一般是以土層的等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為準的,分為對建筑抗震有利、一般、不利和危險的地段。根據(jù)加速度反應譜,可得各個監(jiān)測點的特征周期,根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[18]中的場地類別劃分(表3),可得各場地類別。求得2次地震各監(jiān)測點的特征周期見表4。綜合考慮可得1#監(jiān)測點的場地類別劃分成Ⅳ類場地,2#和4#監(jiān)測點可劃分為Ⅲ類場地。

    表3 GB 50011—2010規(guī)定的特征周期值

    表4 各監(jiān)測點加速度分量反應譜特征周期

    5結論

    本文針對摩崗嶺監(jiān)測剖面在2次康定地震獲得的強震動記錄,對加速度時程記錄進行了濾波和基線校正處理,并求其傅里葉頻譜和加速度反應譜,對其地形放大效應進行了分析,得出以下結論:

    (1) 右岸1#監(jiān)測點記錄的水平向和豎直向PGA最大:Ms6.3級水平向達到了16.5~22.2 cm/s2,豎直向也達到了8.9 cm/s2;Ms5.8級水平向為9.9~11.8 cm/s2,豎直向為4.1 cm/s2。高程相差不大的2#和4#監(jiān)測點2次記錄到的加速度峰值PGA相差不大,但是總體上表現(xiàn)為高程較高的2#監(jiān)測點較高程較低的4#監(jiān)測點大。

    (2) 以2#監(jiān)測點記錄的2次地震加速度PGA值為參考,求得其余各監(jiān)測點相對于2#監(jiān)測點的PGA放大系數(shù)。位于坡頂?shù)?#監(jiān)測點水平向和豎直向PGA放大系數(shù)最大,Ms6.3級水平向和豎直向達到5.4,4.2,而震級較小的Ms5.8為2.7,2.2。

    (3) 由傅里葉譜分析可得各監(jiān)測點記錄的2次地震PGA對應頻率相差不大,即其卓越頻率相差不大。各監(jiān)測點水平向卓越頻率主要集中在較低頻段:Ms6.3級水平EW向,SN向主頻值在0.76~1.48 Hz,Ms5.8級水平EW向,SN向主頻值在0.81~1.91 Hz;而UD向集中在較高頻段:Ms6.3級在1.14~3.51 Hz,Ms5.8級在1.48~3.49 Hz。不同監(jiān)測點水平向卓越頻率表現(xiàn)為2#>1#>4#,豎直向2#>1#。相同地震中高程最大的1#監(jiān)測點反應譜幅值最大,高程接近的2#,4#監(jiān)測點反應譜幅值相差不大,具體表現(xiàn)為:1#,2#,4#監(jiān)測點記錄的Ms6.3級強震數(shù)據(jù)在阻尼比為0.05時水平SN幅值最大,分別為86.3,13.8,14.9 cm/s2;1#和2#的UD向反應譜幅值分別為29.7,6.4 cm/s2;且同次地震水平向反應譜幅值大于豎直向幅值。

    (4) 斜坡不同高程部位對地震波具有選擇放大作用,且高程越大這種地形放大效應越明顯。

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    (編輯:黃玲)

    HE Jian-xian, WANG Yun-sheng, CAO Shui-he, HE Zi-hao, MAO Shuo, HUANG Jian-long

    (State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection,

    Chengdu University of Technology, Chengdu610059, China)

    Analysis of Seismic Monitoring Data at Mogangling Slope Duringthe Kangding Ms6.3 and Ms5.8 Earthquakes

    Abstract:In order to analyze the dynamic seismic response and topographic amplification effect of Kangding Ms6.3 and Ms5.8 earthquakes, we excavated adits at different altitudes and placed monitoring instruments on both sides of the slope at Mogangling segment of Dadu River. The monitoring data reveals that 1) the peak ground accelerations (PGA) in both horizontal and vertical directions at 1# monitoring site are the biggest. In Ms6.3 earthquake, the PGA in horizontal and vertical direction is respectively 16.5-22.2 cm/s2 and 8.9 cm/s2, and in Ms5.8 earthquake the horizontal and vertical PGA is 9.9-11.8 cm/s2 and 4.1 cm/s2, respectively; 2) with the horizontal and vertical PGA at 2# monitoring site as reference, the horizontal and vertical PGA amplification factors of 1# monitoring site are the biggest, reaching 5.4 and 4.2 respectively in Ms6.3 earthquake and 3.7 and 2.2 respectively in Ms5.8 earthquake; 3) difference of predominant period of each monitoring site is not big in the same period frequency from Fourier spectrum in both earthquakes; 4) the acceleration response spectrum at each monitoring site shows that the horizontal and vertical amplitudes of 1# monitoring site (which is in the highest altitude) are the biggest. For the same site, horizontal and vertical amplitudes of Ms6.3 earthquake are both larger than those of Ms5.8 earthquake. Studies suggest that under strong earthquake, seismic wave is amplified selectively in different parts of slope at different elevations, and topographic amplification effect of ground motion is bigger at higher altitude.

    Key words:Kangding Earthquake; Mogangling; dynamic response of slope under earthquake; amplification coefficient of PGA; acceleration response spectrum

    收稿日期:2015-03-19;修回日期:2015-04-15

    基金項目:國家自然科學基金項目(41072231);中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212011220154)

    作者簡介:賀建先(1991-),男,四川旺蒼人,碩士研究生,主要從事工程地質(zhì)和地質(zhì)災害研究工作,(電話)15202831960(電子信箱)593152264@qq.com。

    doi:10.11988/ckyyb.20150199

    中圖分類號:P642

    文獻標志碼:A

    文章編號:1001-5485(2016)06-0047-06

    2016,33(06):47-52

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