基于環(huán)境噪聲表征石膏地滑坡堆積區(qū)場(chǎng)地特征

馬海淼， 羅永紅， 南凱

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059)

強(qiáng)震往往誘發(fā)大量次生災(zāi)害，其中滑坡是數(shù)量最多、危害最大的一種，且地震引起的斜坡破壞有別于一般重力因素誘發(fā)斜坡災(zāi)害[1-2]，斜坡場(chǎng)地的卓越頻率等特征影響斜坡動(dòng)力響應(yīng)。為獲取場(chǎng)地特征，除通過(guò)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)外，因自然因素(如地震、海洋波浪、風(fēng)振、火山等)，人為因素(如交通、爆破等)等環(huán)境噪聲引起的斜坡巖土體微弱振動(dòng)現(xiàn)成為表征斜坡場(chǎng)地動(dòng)力特征的有效方法，張紅才等[3]提出水平豎直譜比(H/V)方法已被公認(rèn)為利用微震提取場(chǎng)地地下特征的可靠方法，并且后來(lái)證實(shí)了HVSR方法結(jié)果的準(zhǔn)確性，盡管HVSR方法是一種可用于粗略估計(jì)具有固有色散的放大因子的工具，并且可以根據(jù)估計(jì)結(jié)果挑選出具有相對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的地面，但這絕對(duì)是工程工具之一。H/V方法可以有效評(píng)估場(chǎng)地的卓越頻率和放大系數(shù)。其主要原因在于環(huán)境噪聲信息易獲取、成本低，可廣泛采集，不受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，能獲取一個(gè)地區(qū)完整周期的噪聲記錄，有很高的可控性[4-5]在智利圣地亞哥盆地、舊金山、印度喜馬拉雅山西北部康拉河谷地區(qū)[6]都可以進(jìn)行測(cè)試。在缺乏場(chǎng)地鉆孔波速資料的情況下，H/V譜比法無(wú)疑是最理想的場(chǎng)地分類方法。為獲取環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)中的有用信息，眾多學(xué)者將H/V譜比法、傳統(tǒng)譜比方法、廣義反演法等進(jìn)行了比較[7-8]，結(jié)果表明H/V譜比法不僅能有效提取場(chǎng)地卓越周期信息，而且其結(jié)果與其他方法分析基本保持一致。余嘉順等[9]揭示了H/V譜比法所得結(jié)果不但包含近地表低速層對(duì)波場(chǎng)的放大作用還包含下部介質(zhì)改造作用；歐劍鋒等[10]基于H/V譜比法及SSR(標(biāo)準(zhǔn)譜比)分析揭示，兩種方法所得的斜坡場(chǎng)地效應(yīng)放大峰值頻率接近，相對(duì)參考場(chǎng)地的變化特征，H/V譜比法更具參考性。Lee等[11]在評(píng)估場(chǎng)地特征可行性的研究中，將H/V譜比法對(duì)比基于地形地貌，反應(yīng)譜形狀法等其他方法，H/V譜比法所得結(jié)果令人滿意；彭菲等[12]研究結(jié)果充分驗(yàn)證H/V譜比法可有效探測(cè)淺層松散結(jié)構(gòu)，并成為探測(cè)地表淺層結(jié)構(gòu)的重要手段；王偉君等[13]研究不僅驗(yàn)證了環(huán)境噪聲H/V結(jié)果不僅可得到近似的場(chǎng)地響應(yīng)，而且可作為一種近地表結(jié)構(gòu)勘探工具得到近地表土層厚度。

因此，現(xiàn)以云南巧家縣石膏地滑坡為研究對(duì)象，研究區(qū)不僅地震烈度高，而且受小江活動(dòng)斷裂影響和在金沙江流域水電站蓄水條件下或誘發(fā)地震，使該滑坡潛在不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)增大。對(duì)石膏地滑坡場(chǎng)地進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)特征研究，不僅具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，而且具有一定的理論意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

巧家縣位于四川和云南兩省的交界地區(qū)，其交通地理位置如圖1所示，地處橫斷山區(qū)邊緣，地質(zhì)構(gòu)造活躍，其研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖如圖2所示。第三紀(jì)末以來(lái)，隨著云貴高原抬升，巧家-東川一帶成為金沙江下游沿岸抬升幅度最大的地區(qū)，受金沙江強(qiáng)烈下切作用，研究區(qū)內(nèi)斜坡逐漸演化成高陡邊坡[14-15]。受小江活動(dòng)斷裂帶影響，研究區(qū)地震活動(dòng)較頻繁，地震烈度達(dá)到9度。

石膏地滑坡位于金沙江右岸，距離巧家縣城南約8 km處，石膏地滑坡在光學(xué)衛(wèi)星影像上呈三角形，長(zhǎng)約1 140 m，平均寬約700 m，滑坡頂部高程約1 300 m，滑坡前緣高程約670 m，高差達(dá)630 m。研究區(qū)高山環(huán)繞，地勢(shì)陡峭，海拔介于900～1 600 m，出露巖性較破碎，滑坡體堆積區(qū)物質(zhì)組成差異明顯，場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)特性存在明顯差異。

圖1 石膏地滑坡地理位置Fig.1 Geographical location of gypsum landslide

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological map of the study area

2 環(huán)境噪聲測(cè)試儀器、測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲測(cè)試采用QZ2012-E-3型微震速度計(jì)和斜坡地震動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)與速報(bào)采集儀 (G01NET-3型)(圖3)，該套測(cè)試儀器已被應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)地環(huán)境噪聲測(cè)試，傳感器參數(shù)參照自貢西山研究文獻(xiàn)[16]。為獲取研究區(qū)不同介質(zhì)場(chǎng)地信息，本次共布置38個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4)其中基巖場(chǎng)地2處，土體堆積物場(chǎng)地16處，碎石土堆積場(chǎng)地7處，塊碎石堆積場(chǎng)地13處，各測(cè)點(diǎn)場(chǎng)地監(jiān)測(cè)30 min以上，分別對(duì)場(chǎng)地的水平東西(EW)、南北(NS)及豎直(UD)方向進(jìn)行環(huán)境噪聲信息采集。

對(duì)研究區(qū)環(huán)境噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)分析采用Geopsy軟件[17]，為有效規(guī)避高頻干擾，設(shè)置每25 s為一個(gè)頻帶窗口，并選用Konno-Ohmachi和Anti-triggering on raw signal進(jìn)行平滑處理[18]，采用水平與豎直向譜比(H/V)方法[19]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如圖5所示。

圖3 環(huán)境噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)采集Fig.3 Environmental noise test data acquisition

B為基巖；R為土質(zhì)；C為塊碎石；D為碎石圖4 石膏地測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.4 Distribution of gypsum geological survey points

H/V譜比法假設(shè)地表垂直向噪聲記錄保持有基巖振動(dòng)的特征，并且受土層R波相對(duì)影響，因此可用來(lái)去除水平記錄中震源和R波效應(yīng)，該方法已被推廣應(yīng)用于地震記錄。當(dāng)?shù)乇硭缮雍拖路鼒?jiān)硬巖層存在較大的波阻比(>2.5)時(shí)，近地表隨機(jī)分布的噪聲源會(huì)產(chǎn)生尖銳峰值，該現(xiàn)象可能是由噪聲與層內(nèi)S波發(fā)生共振導(dǎo)致的。目前認(rèn)為H/V譜比法得到的峰值頻率和場(chǎng)地的卓越頻率一致或接近，其放大系數(shù)可以作為場(chǎng)地地震放大系數(shù)的下限[20]。

圖5 研究區(qū)部分測(cè)點(diǎn)環(huán)境噪聲水平(EW、NS) 分量H/V譜比曲線Fig.5 H/V spectral ratio curve of environmental noise level (EW, NS) components at some measuring points in the study area

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 基巖場(chǎng)地H/V譜比特征

研究區(qū)2個(gè)基巖測(cè)點(diǎn)基本信息如表1所示，對(duì)其東西向和南北向水平分量進(jìn)行H/V譜比分析。

根據(jù)表2可以觀察到：B1#測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率趨于2.14 Hz，放大系數(shù)趨于1.9；NS向卓越頻率趨于2.24 Hz，放大系數(shù)趨于2.16；B2#測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率趨于5.19 Hz，放大系數(shù)趨于2.19；NS向卓越頻率趨于5.79 Hz，放大系數(shù)趨于3.14。除此外，B1基巖場(chǎng)地在4～5 Hz也存在弱放大特征，但峰值頻率不明顯。

對(duì)B1#、B2#測(cè)點(diǎn)環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)分析，B2#測(cè)點(diǎn)H/V譜比曲線水平分量峰值頻率更加顯著，譜比放大系數(shù)大于B1#測(cè)點(diǎn)。兩處測(cè)點(diǎn)出露基巖巖性相同，由于B2#測(cè)點(diǎn)位于斜坡中上部，地形較陡，同時(shí)泥巖表層呈強(qiáng)風(fēng)化，因此受地形與地層介質(zhì)綜合放大效應(yīng)明顯。

表1 基巖場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of bedrock site survey points

表2 基巖場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)卓越頻率和放大系數(shù)數(shù)值表Table 2 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in bedrock site

3.2 土體堆積物場(chǎng)地H/V譜比特征

研究區(qū)16個(gè)土體堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)信息如表3所示，對(duì)其水平東西和南北分量開(kāi)展H/V譜比分析，由于該研究區(qū)域海拔相差較大，通過(guò)土體堆積物場(chǎng)地海拔與放大效應(yīng)關(guān)系圖(圖6)可以直觀發(fā)現(xiàn)海拔與放大效應(yīng)的關(guān)系。

根據(jù)表4可以觀察到：土體堆積物場(chǎng)地16個(gè)測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率介于2.0～4.3 Hz，放大系數(shù)介于1.5～2.1；NS向卓越頻率介于2.1～4.1 Hz，放大系數(shù)在1.1～1.9。

對(duì)比R3#、R4# 、R15#、R16#測(cè)點(diǎn)顯示，其水平東西分量譜比放大系數(shù)明顯大于南北分量，其放大系數(shù)介于1.79～1.98；R13#、R11#、R7#測(cè)點(diǎn)水平東西分量放大系數(shù)明顯小于南北分量，其余測(cè)點(diǎn)的水平東西分量與南北分量較接近。此外，R16#測(cè)點(diǎn)位于坡頂，其譜比放大系數(shù)峰值為2.7，大于其余測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)的1.5～2.0。通過(guò)圖6可以揭示坡背等特殊位置的測(cè)點(diǎn)外，放大效應(yīng)隨著海拔的升高呈現(xiàn)非線性增大。

表3 土體堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)基本信息Table 3 Basic information of soil accumulation site measuring points

表4 土體堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)卓越頻率和放大系數(shù)數(shù)值表Table 4 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of soil accumulation site measurement points

圖6 土體堆積物場(chǎng)地海拔與放大效應(yīng)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between elevation and amplification effect of soil accumulation site

3.3 塊碎石堆積物H/V譜比特征

研究區(qū)13個(gè)塊碎石堆積物環(huán)境噪聲測(cè)試點(diǎn)相關(guān)信息如表5所示，對(duì)其水平東西和南北分量開(kāi)展H/V譜比分析。

表5 塊碎石堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)基本信息Table 5 Basic information of measuring points of gravel accumulation site

根據(jù)表6可以觀察到：塊碎石堆積物研究區(qū)的13個(gè)測(cè)點(diǎn)EW向放大系數(shù)介于1.4～2.5，卓越頻率介于2.2～4.2 Hz；NS向放大系數(shù)介于1.4～2.9，卓越頻率介于2.3～4.2 Hz。

C4#測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率趨于0.79 Hz，放大系數(shù)趨于1.24；NS向卓越頻率趨于3.91 Hz，放大系數(shù)趨于1.48；C8#測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率趨于2.08 Hz，放大系數(shù)趨于1.83；NS向卓越頻率趨于2.62 Hz，放大系數(shù)趨于1.42。C4#、C8#測(cè)點(diǎn)水平東西分量明顯大于南北分量，C3#測(cè)點(diǎn)水平東西分量明顯小于南北分量，其余測(cè)點(diǎn)的水平東西分量與南北分量較吻合。C9#測(cè)點(diǎn)處于坡背處，其卓越頻率放大系數(shù)與其他點(diǎn)相比都略大。塊碎石堆積區(qū)部分測(cè)點(diǎn)上覆蓋層為耕植土，均含30%～40%的次棱角狀角礫，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)(C4#)譜比曲線峰值頻率呈現(xiàn)多個(gè)峰值外，其余絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)譜比曲線顯示單峰值，放大效應(yīng)顯著。

表6 塊碎石堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)卓越頻率和放大系數(shù)數(shù)值表Table 6 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in gravel accumulation site

3.4 碎石堆積物H/V譜比特征

研究區(qū)7個(gè)碎石堆積物環(huán)境噪聲測(cè)試基本信息如表7所示，對(duì)其水平東西以及南北分量開(kāi)展H/V分析。

根據(jù)表8可以觀察到：碎石堆積物研究區(qū)的7個(gè)測(cè)點(diǎn)EW向放大系數(shù)介于1.42～1.8，卓越頻率介于2.1～2.45 Hz；NS向放大系數(shù)介于1.42～1.9，卓越頻率介于2.3～4.3 Hz。

研究區(qū)測(cè)點(diǎn)的水平東西分量與南北分量較吻合。D1#測(cè)點(diǎn)EW向卓越頻率趨于0.69 Hz，放大系數(shù)趨于1.31；NS向卓越頻率趨于0.72 Hz，放大系數(shù)趨于1.69；碎石堆積物研究區(qū)，均含10%～20%的次棱角狀角礫，該研究區(qū)場(chǎng)地峰值頻率較集中介于2.2～2.4 Hz，放大系數(shù)介于1.52～1.86。其東西向分量放大系數(shù)稍小于南北向分量。

表7 碎石堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)基本信息Table 7 Basic information of measuring points in gravel deposit site

表8 碎石堆積物場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)卓越頻率和放大系數(shù)數(shù)值表Table 8 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in gravel accumulation site

4 討論

利用H/V譜比法對(duì)石膏地環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各測(cè)點(diǎn)的放大效應(yīng)和不同堆積物介質(zhì)場(chǎng)地特征。從總體上分析，研究區(qū)域覆蓋層主要以耕植土、土體堆積物場(chǎng)地、碎石堆積物、塊碎石堆積物為主。從譜比曲線圖可以揭示，基巖卓越頻率介于1.40～5.01 Hz，放大系數(shù)介于2.10～2.16；土體堆積物場(chǎng)地卓越頻率介于1.25～4.26 Hz，放大系數(shù)介于1.02～2.71；碎石堆積物卓越頻率介于2.02～2.89 Hz，放大系數(shù)趨于1.46～1.87；塊碎石堆積物卓越頻率介于2.12～3.22 Hz，放大系數(shù)介于1.40～2.35。

基于環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)H/V譜比卓越頻率和放大系數(shù)，生成研究區(qū)卓越頻率、放大系數(shù)等值線圖(圖7)。

圖7 研究區(qū)卓越頻率、放大系數(shù)等值線圖Fig.7 Contour map of predominant frequency and magnification factor in study area

由圖7和圖8可知，放大效應(yīng)總體上表現(xiàn)為土體堆積物場(chǎng)地>碎石堆積物介質(zhì)場(chǎng)地>塊碎石堆積物介質(zhì)場(chǎng)地>基巖。就各場(chǎng)地放大效應(yīng)而言，土體堆積物場(chǎng)地水平東西分量略大于南北分量，具有一定方向特性，碎石場(chǎng)地東西分量和南北分量較為接近，塊碎石堆積和基巖場(chǎng)地的東西分量小于南北分量?？傮w表明土體堆積物場(chǎng)地對(duì)地震波放大作用更明顯。

研究區(qū)測(cè)點(diǎn)卓越頻率集中在2～4.5 Hz，放大系數(shù)集中在1.3～2.5。

基于環(huán)境噪聲記錄數(shù)據(jù)包含3個(gè)分量(2個(gè)水平分量和1個(gè)垂直分量)，為獲取其場(chǎng)地平均值特征，使用公式HVSR=[(HVSREW2+HVSRNS2)/2]1/2計(jì)算各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的水平H/V譜比的平均值進(jìn)行比較位點(diǎn)擴(kuò)增。

研究區(qū)各場(chǎng)地環(huán)境噪聲測(cè)點(diǎn)響應(yīng)特征分析如圖9所示，土體堆積物場(chǎng)地監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的頻率峰值集中于2～4 Hz，且個(gè)別點(diǎn)場(chǎng)地卓越頻率在10 Hz；塊碎石堆積物場(chǎng)地的頻率峰值集中于3～4 Hz，且大部分測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)多個(gè)峰值頻率，說(shuō)明塊碎石堆積物質(zhì)混雜，具有多種類型物質(zhì)；碎石堆積物監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的頻率峰值集中于2～5 Hz且存在雙峰現(xiàn)象；基巖監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的頻率峰值集中于1～3 Hz。

5 結(jié)論

基于云南省巧家縣石膏地滑坡堆積區(qū)38個(gè)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)采用水平與豎直向(H/V)譜比法分析，討論基于環(huán)境噪聲測(cè)試適用滑坡場(chǎng)地特征研究，通過(guò)對(duì)比各個(gè)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境噪聲信息數(shù)據(jù)結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)海拔越高，地形越凸出，坡度越陡的場(chǎng)地放大效應(yīng)就越強(qiáng)烈，坡頂R16#地形場(chǎng)地放大效應(yīng)最為顯著，最大放大系數(shù)為2.71。

圖8 場(chǎng)地介質(zhì)物質(zhì)堆積分區(qū)簡(jiǎn)圖Fig.8 Plot diagram of medium material accumulation in the site

圖9 平均值譜比曲線特征Fig.9 Characteristics of mean spectral ratio curve

(2)土體堆積物場(chǎng)地卓越頻率集中于2～4 Hz；塊碎石堆積物場(chǎng)地的卓越頻率集中于3～4 Hz，且大部分測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)多個(gè)峰值頻率；碎石堆積物場(chǎng)地的卓越頻率集中于2～5 Hz且存在雙峰現(xiàn)象；基巖監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的卓越頻率集中于1～3 Hz。

(3)土體堆積物場(chǎng)地放大效應(yīng)水平東西分量略大于南北分量，具有一定方向特性，碎石場(chǎng)地東西分量和南北分量較為接近，塊碎石堆積和基巖場(chǎng)地的東西分量小于南北分量?？傮w表明黏土覆蓋場(chǎng)地對(duì)地震波放大作用更明顯。