四川珙縣Ms 5.4級地震斜坡地震動響應特征

王運生，劉江偉，趙 波，羅永紅，明偉庭，羅 越，金 剛，周宇航

(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，四川 成都 610059)

0 引 言

2019年6月17日，四川省宜賓市長寧縣雙河鎮(zhèn)發(fā)生Ms6.0級地震，影響范圍大，房屋損毀嚴重，造成了巨大的財產(chǎn)損失和一定的人員傷亡。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應急小組于6月19日上午抵達震中區(qū)(長寧縣雙河鎮(zhèn))開展了緊急調(diào)查，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)及地形對地震波響應顯著：土質(zhì)滑坡和高位崩塌、坡體表層震裂發(fā)育、槽谷平壩區(qū)房屋倒塌嚴重。應急小組隨即在登云亭及天門檻坡體安置3臺地震波監(jiān)測設備，對地震作用下的地質(zhì)災害形成機理展開分析研究。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)，2019年6月22日22時29分，四川省宜賓市珙縣中善寺附近(28.43°N，104.77°E)發(fā)生Ms5.4級余震，本次地震監(jiān)測點距離震中約10 km，震源深度為10 km，監(jiān)測點區(qū)域的烈度超過Ⅵ度，震感強烈，3個監(jiān)測點均采集到了有效的地震波數(shù)據(jù)。

國內(nèi)外學者采用的地震動響應研究方法有實測地震動監(jiān)測、數(shù)值模擬以及振動臺物理模擬?！?·12”汶川地震和“8·8”九寨溝地震誘發(fā)了大量的高位遠程滑坡，王運生等認為地震波在斜坡高位有放大效應，在強震作用下，從高位形成拋射運動，在深切峽谷的單薄山脊以及條形坡體放大效應顯著[1-2]。黃潤秋等在汶川地震災害中研究發(fā)現(xiàn)，大量邊坡失穩(wěn)主要發(fā)生于凸出的地形和地形坡腳驟變的地帶[3-4]。王運生等對康定和冷竹關(guān)的地震實測數(shù)據(jù)進行分析得出地震波的放大效應與地形密切相關(guān)，尤其以凸出的地形、坡腳發(fā)生劇變的坡折或單薄山脊、孤峰式的峰頂最為顯著[5-8]。辛聰聰?shù)葘耪瘻嫌嗾疬M行監(jiān)測分析，在同一高程水平方向坡體由外到內(nèi)，地震波逐漸衰減，越往坡體內(nèi)部衰減程度越大[9-10]。徐光興等使用數(shù)值模擬有限差分法(FLAC3D)進行邊坡地震波放大效應的研究，得出坡體對低頻有明顯的放大效應，對高頻有明顯的過濾作用[11]。劉漢香等通過振動臺物理模擬和FLAC分析了地震動強度和參數(shù)在斜坡的響應規(guī)律[12-13]。Celebi研究揭示，放大效應與地形、坡體尺寸和坡度、地震波的類型和波長以及入射角度有著密切的關(guān)系，其理論和模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)有著很大的差異[14]。Che等使用振動臺物理模擬和數(shù)值模擬等方法對在地震波作用下結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體穩(wěn)定性進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)地震波在不連續(xù)面處發(fā)生反射和散射，使得加速度得到放大，在坡體的表面會形成大面積的放大區(qū)域，最終使得穩(wěn)定性差的巖體發(fā)生崩塌[15]。

前人大多通過數(shù)值模擬軟件與遠離震源的坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，缺乏真實的數(shù)據(jù)支撐，且研究區(qū)域主要在中高山區(qū)域，對于覆蓋層土體的研究較少。本文選取的監(jiān)測點離震源近，且震級較大，屬于低山丘陵地貌，位于城鎮(zhèn)附近，主要以不同巖土體介質(zhì)(基巖、覆蓋層土體)和高程兩個變量因素來對地震波數(shù)據(jù)進行分析，以此進一步研究地震波在極震區(qū)對于坡體以及周圍建筑物穩(wěn)定性的影響機理，為長寧—珙縣頻繁余震的地震動響應規(guī)律的分析研究奠定基礎(chǔ)，對預防地震地質(zhì)災害的發(fā)生以及災后重建方面提供指導。

1 工程地質(zhì)概況

四川珙縣Ms5.4級地震由長寧Ms6.0級地震引起，該區(qū)域內(nèi)主要兩條活動斷裂為NE向華鎣山斷裂和NW向雅安—宜賓隱伏斷裂。石油物探揭示發(fā)震區(qū)域發(fā)育多條隱伏斷層，且實地調(diào)查并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的斷層露頭和地表破裂，余震主要沿雅安—宜賓隱伏斷裂分布。圖1為區(qū)域斷裂、主震和部分余震的分布及監(jiān)測點位置。

地震監(jiān)測點布置在長寧縣雙河鎮(zhèn)的登云亭和相鄰的天門檻斜坡。登云亭四面臨空，山頂有一圓形平臺，整體呈圓臺狀，坡度稍陡，與周圍山體形成“駝峰”，表層風化嚴重，覆蓋層為崩坡積物。天門檻與周圍坡體相連，地貌類似“筆架”，坡度平緩，上覆黏土夾少量碎石覆蓋層，主要由泥頁巖風化而成，厚度為3～5 m，黏土可塑，較為密實，含水量高。兩者下伏基巖以下奧陶統(tǒng)的薄層狀砂質(zhì)泥巖為主，發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面。層面產(chǎn)狀為10°∠45°，層厚5～15 cm不等；節(jié)理Ⅰ產(chǎn)狀為110°∠64°，間距8～12 cm；節(jié)理Ⅱ產(chǎn)狀為214°∠63°，間距11～15 cm。上述三者組合呈楔形體，層面為主要的失穩(wěn)滑動面。

圖1 四川珙縣周邊斷裂分布及發(fā)震位置Fig.1 Distribution of Fracture and Seismogenic Location Around Gongxian, Sichuan

本次3個監(jiān)測點分別為：1#監(jiān)測點(參考點)，放置在登云亭山腳基巖上；2#監(jiān)測點，放置于天門檻山腰厚度較大的覆蓋層土體中；3#監(jiān)測點，放置在登云亭山頂基巖上。將3個監(jiān)測點放置在一條剖面上便于分析，1#監(jiān)測點位于兩個坡體的交匯處(圖2、3)。因此，以1#監(jiān)測點作為主要參考點對2#和3#監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。本次所采用的監(jiān)測儀器為中國地震局工程力學研究所研發(fā)的G01NET-3型結(jié)構(gòu)與斜坡地震動響應監(jiān)測儀，其輸入量程為1～10 V，分辨率為0.005 mV，動態(tài)范圍不低于120 dB。QZ2013 型力平衡加速度傳感器(防水型)加速度分辨率為0.000 002g，靈敏度為1.1 V·g-1。

2 地震記錄分析

2.1 加速度時程曲線及傅里葉頻譜

通過Seismosignal軟件分析得到加速度時程曲線和傅里葉頻譜，加速度時程曲線反映出本次地震持續(xù)時間短、幅度大的特點。從圖4～6的1#～3#監(jiān)測點加速度時程曲線中可以看出,位于山腳的1#監(jiān)測點的加速度明顯小于2#和3#監(jiān)測點，2#監(jiān)測點明顯大于3#監(jiān)測點，且高程低于3#監(jiān)測點。羅永紅等認為同一介質(zhì)的坡體高程越高，加速度放大效應越明顯[16]，說明本次研究的兩種不同介質(zhì)(基巖、覆蓋層土體)對于地震波的影響要大于高程的影響。圖7～9中，1#～3#監(jiān)測點傅里葉頻譜表現(xiàn)出兩者的卓越頻率也不相同，覆蓋層土體卓越頻率為10～20 Hz，說明覆蓋層土體對于該頻率段的地震波吸收能力比較強，基巖的卓越頻率為2～5 Hz。2#監(jiān)測點與1#和3#監(jiān)測點相比，主頻變化大，且相對較為分散，頻譜成分復雜。因此，覆蓋層土體對于各個頻率的地震波吸收能力較強。1#監(jiān)測點的輸入頻率為0～40 Hz，高頻組分占比高，3#監(jiān)測點的輸入頻率為0～30 Hz，低頻組分占比高，說明基巖對高頻地震波有著很強的過濾作用。

圖2 監(jiān)測點全景圖Fig.2 View of Monitoring Points

圖3 監(jiān)測點平面圖及剖面圖Fig.3 Plane and Profile of Monitoring Points

圖4 1#監(jiān)測點加速度時程曲線Fig.4 Acceleration Time History Curves of 1# Monitoring Point

圖5 2#監(jiān)測點加速度時程曲線Fig.5 Acceleration Time History Curves of 2# Monitoring Point

圖6 3#監(jiān)測點加速度時程曲線Fig.6 Acceleration Time History Curves of 3# Monitoring Point

圖7 1#監(jiān)測點傅里葉頻譜Fig.7 Fourier Spectrums of 1# Monitoring Point

圖8 2#監(jiān)測點傅里葉頻譜Fig.8 Fourier Spectrums of 2# Monitoring Point

圖9 3#監(jiān)測點傅里葉頻譜Fig.9 Fourier Spectrums of 3# Monitoring Point

圖10 1#監(jiān)測點加速度反應譜Fig.10 Acceleration Response Spectrums of 1# Monitoring Point

圖11 2#監(jiān)測點加速度反應譜Fig.11 Acceleration Response Spectrums of 2# Monitoring Point

圖12 3#監(jiān)測點加速度反應譜Fig.12 Acceleration Response Spectrums of 3# Monitoring Point

2.2 加速度反應譜

加速度反應譜是指，在同一阻尼比的狀態(tài)下，一系列單質(zhì)點體系地震最大反應與結(jié)構(gòu)自振周期之間的關(guān)系，或者說具有相同阻尼特性但結(jié)構(gòu)周期不同的單質(zhì)點自由度體系，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[17-18]。將記錄到的加速度時程曲線進行濾波和基線校正后，在不同阻尼比的情況下對各個監(jiān)測點的加速度進行計算得到各個方向的加速度反應譜值(圖10～12)。從圖10～12可以看出，不管是覆蓋層土體還是基巖，隨著阻尼比的增大，加速度反應譜值隨之降低，沒有較大的波動變化，說明阻尼比只影響加速度反應譜值的大小，對地震動特性沒有太大的影響。覆蓋層土體的加速度反應譜值大于基巖，水平方向大于豎直方向，1#和3#監(jiān)測點的加速度反應譜出現(xiàn)多個波動，說明了地震波在基巖的結(jié)構(gòu)面發(fā)生反射和折射作用，而在覆蓋層土體則沒有。因此，在該區(qū)進行房屋、橋梁等建設時，應當選擇阻尼比稍大的材料與結(jié)構(gòu)，尤其是以覆蓋層土體作為地基時，必須提高建筑物自身阻尼和自振周期，避免出現(xiàn)共振作用。

3 坡體穩(wěn)定性分析

3.1 放大效應

從上述數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)，在同一坡體同一介質(zhì)中，不同高程的加速度明顯不同，山頂各個方向的加速度明顯大于山腳，水平方向大于豎直方向。從表1中1#與2#監(jiān)測點和1#與3#監(jiān)測點的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，不同介質(zhì)對于地震波的放大效應差異較大。從放大效應最明顯的南北向來看，2#監(jiān)測點放大了4.287倍，3#監(jiān)測點放大了3.511倍，且2#監(jiān)測點的高程小于3#監(jiān)測點，可見若在同一高程差異會更加明顯。加速度積分的過程就是地震波能量的積累，加速度積分的平方就是阿里亞斯(Arias)強度。利用阿里亞斯強度公式計算1#監(jiān)測點的峰值加速度(PGA)，可以看出當加速度超過1 m·s-2時，阿里亞斯強度對應的放大系數(shù)劇增(表2)，表明地震動能量強，破壞性大[19-22]。當?shù)卣饎幽芰吭诙虝r間內(nèi)增加的值超過基巖、覆蓋層土體強度時，會出現(xiàn)坡體震裂進而演變成崩塌、滑坡，甚至在高陡臨空地形條件下會出現(xiàn)以高水平加速度啟動形成的高位拋射效應；此時，坡體表面覆蓋層較薄，表面破碎，在如此大的加速度下會使得基巖結(jié)構(gòu)面破碎以及覆蓋層土體向臨空方向產(chǎn)生滑塌[23-25]。

表1 加速度放大效應

表2 阿里亞斯強度放大效應

另外，從表1數(shù)據(jù)處理得到的各個監(jiān)測點的最大位移來看，覆蓋層土體的位移更大，南北向的位移遠大于其他方向，說明覆蓋層土體較基巖易發(fā)生滑動，南北向地震波產(chǎn)生的應力作用較強。

3.2 地震烈度

四川珙縣Ms5.4級地震3個監(jiān)測點的加速度反應譜值都比較大。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算的加速度反應譜值，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[26-27]，長寧縣雙河鎮(zhèn)屬于Ⅱ類場地，抗震設防烈度為Ⅵ度。依據(jù)規(guī)范參數(shù)(影響系數(shù)、特征周期、加速度和阻尼比)，利用崔濟東博士的Spectrum-Chinese程序抗震設計反應譜(烈度為Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度)，使用阻尼比為5%的反應譜加速度最大。對比分析抗震設計反應譜與監(jiān)測反應譜(圖13)可以看出，2#監(jiān)測點各個方向的加速度反應譜值最大[圖13(b)]，其中東西向、南北向加速度反應譜峰值超過了抗震設計烈度為Ⅶ度的加速度反應譜值，特別是南北向超過了烈度為Ⅷ度的加速度反應譜值，這表明松散的覆蓋層土體振動強烈，臨空邊坡易失穩(wěn)。圖14(a)為珙縣Ms5.4級地震天門檻2#監(jiān)測點附近失穩(wěn)的土質(zhì)邊坡。從圖13(a)可以看出，山腳1#監(jiān)測點各個方向的加速度反應譜值均未超過抗震設計烈度為Ⅵ度的加速度反應譜值，房屋未出現(xiàn)明顯破壞。從圖13(c)可以看出，山頂3#監(jiān)測點的南北向加速度反應譜峰值超過了抗震設計烈度為Ⅶ度的加速度反應譜值，東西向則超過了烈度為Ⅵ度的，其上覆松散的覆蓋層土體及表層破碎的基巖發(fā)生失穩(wěn)[圖14(b)、(c)]。本次1#和2#監(jiān)測點記錄到的特征周期為0.1 s左右，3#監(jiān)測點為0.2 s左右，持續(xù)時間非常短，基本上在0.5 s后迅速降低到很低的水平。長寧縣雙河鎮(zhèn)主要建筑物結(jié)構(gòu)自振周期為0.2～0.3 s，本次地震對該地區(qū)大多數(shù)建筑物破壞影響不大，對低矮、剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的短周期老舊房屋危害較大，對長寧Ms6.0級地震后的危房和已經(jīng)產(chǎn)生拉裂縫及有軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡有大概率失穩(wěn)的可能。在1 s以后的周期，加速度反應譜值接近于0，因此，對自振周期較長的建筑物不會產(chǎn)生共振作用，造成的影響很小。

圖13 抗震設計反應譜與監(jiān)測反應譜對比Fig.13 Comparisons of Seismic Design Response Spectrums and Monitoring Response Spectrums

4 結(jié) 語

(1)2019年6月22日，四川珙縣Ms6.4級地震發(fā)生后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：長寧縣雙河鎮(zhèn)登云亭和天門檻斜坡從山腳到山頂，各個方向的峰值加速度出現(xiàn)放大效應，南北向放大系數(shù)最大；介質(zhì)特性上，介質(zhì)對于加速度放大效應的影響大于高程。

(2)四川珙縣登云亭基巖對于高頻地震波有明顯的過濾作用，卓越頻率為2～5 Hz，覆蓋層土體的卓越頻率要大于基巖，且加速度時程曲線分布比較分散。阿里亞斯強度在超過1 m·s-1之后，會逐漸呈幾何倍增，其中3#監(jiān)測點南北向中的阿里亞斯強度放大系數(shù)達到了15，即在山頂部位地震動能量大，易發(fā)生坡體失穩(wěn)。

(3)根據(jù)抗震設計規(guī)范與監(jiān)測點計算的加速度反應譜值對比分析，斜坡上的覆蓋層土體以及巖體強度較差，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的基巖容易發(fā)生失穩(wěn)形成滑坡和崩塌，在降雨天氣會誘發(fā)泥石流。地震對老舊房屋以及由于受到長寧Ms6.0級地震破壞較大的危房有巨大的安全隱患，對于一般未損壞的建筑影響較小。本文通過分析四川珙縣Ms5.4級地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同介質(zhì)坡體穩(wěn)定性進行了初步定性分析，后續(xù)還需要進一步開展地震波對各個介質(zhì)不同特性的定量研究。