汶川地震山腳震害特征及機(jī)理分析1

王 偉劉必?zé)魟?欣沈 超周正華

1）防災(zāi)科技學(xué)院，廊坊 065201

2）南京工業(yè)大學(xué)，南京 210000

汶川地震山腳震害特征及機(jī)理分析1

王 偉1）劉必?zé)?）劉 欣1）沈 超1）周正華2）

1）防災(zāi)科技學(xué)院，廊坊 065201

2）南京工業(yè)大學(xué)，南京 210000

汶川地震和以往地震現(xiàn)場震害調(diào)查表明，局部場地地形對(duì)震害的影響明顯，其中，山腳房屋震害程度明顯低于山頂和水平地表土層場地。針對(duì)這一震害特征，本文以汶川主震的地形效應(yīng)觀測強(qiáng)震動(dòng)記錄和人工爆破山體地形地震動(dòng)觀測記錄為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合動(dòng)力集中質(zhì)量中心差分有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步揭示了山腳房屋震害輕微的特征不僅與其所在場地條件良好有關(guān)，更與山腳所處山體底部的幾何位置直接相關(guān)。

汶川地震 山腳震害 地形效應(yīng) 強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣 數(shù)值模擬

引言

目前國內(nèi)外研究地震動(dòng)地形效應(yīng)的方法主要有：震后現(xiàn)場震害調(diào)查、地形效應(yīng)強(qiáng)震動(dòng)觀測、解析解答和數(shù)值模擬等幾種方法。其中，地形效應(yīng)的強(qiáng)震動(dòng)觀測與分析是目前研究地形對(duì)地震動(dòng)影響的最直觀、最有效的方法之一。Boore（1972）通過對(duì)San Fernando地震中Pacoima大壩上記錄的地震動(dòng)加速度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，壩上地震動(dòng)在任何周期上的加速度比沒有地形效應(yīng)影響的記錄高出25%—50%。Lawrence等（1973）將L-7型強(qiáng)震儀布設(shè)在加利福尼亞州的Kagel山和Josephine山峰的山頂和山腳，利用 San Fernando地震中記錄的多個(gè)余震記錄和在內(nèi)華達(dá)州的Butler山記錄到的內(nèi)華達(dá)州實(shí)驗(yàn)基地的爆破震動(dòng)，研究了山體地震動(dòng)放大系數(shù)與地震動(dòng)頻率、山體幾何形狀參數(shù)之間的關(guān)系。Stephen等（1994）在Loma Prieta地震之后，將7臺(tái)三分量數(shù)字記錄地震儀組成的密集臺(tái)陣布設(shè)在離震中西北7.3km的Robinwood山脊，以分析該處高強(qiáng)度建筑物嚴(yán)重?fù)p害和山頂?shù)乇砥屏训脑颉Ｔ?987年Whittier Narrows地震和1994年的北嶺地震中，位于Tanaza的一個(gè)小山包記錄的加速度峰值達(dá)到1.78g，遠(yuǎn)大于以前地震的任何記錄水平，Shakal等（1988；1994）和Lee等（1994）注意到這種現(xiàn)象，于主震發(fā)生后的數(shù)天內(nèi)，在該山包布設(shè)了密集的地形臺(tái)陣，并獲得了大量余震記錄；Spudich等（1996）對(duì)這些記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，山體地震動(dòng)放大系數(shù)與頻率和山體延伸方向相關(guān)；地震動(dòng)放大系數(shù)的最大和最小值分別發(fā)生在山體橫向和走向方向，并且觀測到山體的共振效應(yīng)以及山底到山頂質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。汶川地震后，王海云等（2010）、楊宇等（2011）、王偉（2011）和唐暉等（2012）對(duì)獲得的自貢西山公園地形觀測臺(tái)陣主震記錄和一批余震流動(dòng)觀測記錄進(jìn)行了定性分析和定量的數(shù)值模擬研究。蘆山地震后，Tian Yu等（2014）對(duì)山區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行了分析。

震后現(xiàn)場震害調(diào)查可以為研究震害分布和場地影響提供真實(shí)的資料。汶川地震后，中國地震局工程力學(xué)研究所的地形相關(guān)震害調(diào)查組展開了現(xiàn)場調(diào)查，其中，對(duì)河谷階地地形調(diào)查點(diǎn)有20余處，對(duì)山體地形調(diào)查點(diǎn)有30余處，獲得了大量的震害資料。在對(duì)其進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，位于山腳或山腳斜坡周圍的房屋震害較輕，尤其是山腳有基巖出露時(shí)震害程度更為輕微，而且這種震害現(xiàn)象在現(xiàn)場十分普遍。

汶川地震中在彭州小漁洞鎮(zhèn)，其位于10度烈度區(qū)，距主斷層垂直距離為12.7km，同時(shí)該鎮(zhèn)有小漁洞斷層通過，且位于湔江右岸II級(jí)階地與山前洪積扇交匯部位。場地開闊平緩，大致由北向南傾斜，地面坡度3°—8°，覆蓋土層由北向南變厚。北部山腳局部基巖出露。地下土層以坡殘積為主，羅陽村位于該位置，除了部分房屋出現(xiàn)溜瓦現(xiàn)象，基本受損輕微，甚至一些建筑年代很久的房屋受到的震害也不嚴(yán)重，如圖1所示。向湔江漸變?yōu)槠潞榉e和沖洪積為主，土層厚度由3.0—5.0m變?yōu)?0.0—30.0m左右。房屋少量完全倒塌，多數(shù)嚴(yán)重破壞，需要拆除者甚多，部分裂縫嚴(yán)重，修復(fù)困難。磚混、磚木和內(nèi)框剪力墻房屋的平均震害指數(shù)分別為0.7、0.8和0.58，如圖2。

圖1 山腳房屋基本完好Fig. 1 House at the foot of the hill is in good condition

圖2 山前土層場地房屋嚴(yán)重破壞Fig. 2 House at the soil layer site is seriously damaged

針對(duì)上述震害現(xiàn)象，本文以汶川主震和大當(dāng)量人工爆破監(jiān)測中獲得的山體地震動(dòng)記錄為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬進(jìn)一步研究了山腳震害較輕的機(jī)理。

1 地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣及獲取強(qiáng)震動(dòng)記錄

1.1 自貢西山公園地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣及汶川主震記錄

該地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣位于自貢市自流井區(qū)西山公園內(nèi)，為“十五”國家重大項(xiàng)目——中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目中的固定臺(tái)陣。臺(tái)陣場址位于自流井背斜附近。臺(tái)陣在水平土層場地、山腳、山腰及山脊等位置布設(shè)了8個(gè)觀測點(diǎn)。自貢西山等高線及測點(diǎn)分布如圖3所示（王海云等，2010），圖中黑線為山體剖面線，各測點(diǎn)高程示意如圖4所示，其中0#測點(diǎn)位于土層上，其余測點(diǎn)均位于山體基巖上。在汶川地震中，該臺(tái)陣獲得了8組主震三分量加速度記錄，地震動(dòng)時(shí)程對(duì)應(yīng)的加速度峰值如表1所示。

圖3 自貢西山等高線及測點(diǎn)分布Fig. 3 Topo contour of Zigong Xishan and distribution of observation points

圖4 山體剖面測點(diǎn)高程示意圖Fig. 4 Profile of the hill with elevation

表1 各測點(diǎn)加速度峰值Table 1 Peak ground acceleration at different observation points

1.2 “明燈1號(hào)”人工爆破地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣

2007年12月12日凌晨，中國地震局地球物理研究所成功啟動(dòng)了“明燈1號(hào)”計(jì)劃，在河北省懷來縣距官廳湖水庫6km的山區(qū)順利實(shí)施了大當(dāng)量人工地震爆破。本次人工地震爆破TNT黃色炸藥用量為50噸，將爆心布設(shè)在山體底部的洞穴，并采用延時(shí)爆破方式。地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣布設(shè)在爆心東側(cè)270m的一個(gè)孤立小山包上，相對(duì)高度為14m，山體地形測點(diǎn)（文中簡稱官廳湖測點(diǎn)）位置見圖5，1#點(diǎn)為水平自由地表場點(diǎn)，2#—5#為山體地形監(jiān)測點(diǎn)。爆心及地形監(jiān)測點(diǎn)的加速度時(shí)程峰值見表2。

圖5 官廳湖測點(diǎn)分布圖Fig. 5 Distribution of observation points around Guanting Lake

表2 0#—5#測點(diǎn)加速度峰值Table 2 Peak ground acceleration of 0#-5# observation points

2 討論

2.1 山腳強(qiáng)震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)分析

將汶川地震中的自貢西山公園與官廳湖地震動(dòng)加速度記錄進(jìn)行對(duì)比后分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)震動(dòng)加速度峰值和持時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的破壞是一個(gè)重要因素。為此，本文對(duì)山體地形效應(yīng)臺(tái)陣山腳位置的地震動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

自貢西山公園和官廳湖地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣各測點(diǎn)加速度峰值的空間分布分別見圖6和7。圖6中的1#測點(diǎn)和圖7中的2#測點(diǎn)均位于山腳，可以明顯地看出，山腳位置的地震動(dòng)加速度峰值遠(yuǎn)小于水平自由地表測點(diǎn)以及其它山體測點(diǎn)的地震動(dòng)峰值。兩個(gè)地形觀測臺(tái)陣各測點(diǎn)的90%持時(shí)分別示于圖8和9。從圖8中可以看出，三分量地震動(dòng)時(shí)程中山腳1#測點(diǎn)的持時(shí)最短，對(duì)于相同分量，水平自由場地0#測點(diǎn)與山體其它測點(diǎn)的持時(shí)相當(dāng)，并且山體測點(diǎn)2#—7#的持時(shí)相差不大。從圖9中可以看出，2#山腳測點(diǎn)的EW和NS向持時(shí)明顯大于其相鄰測點(diǎn)持時(shí)，尤其在NS向?yàn)槌謺r(shí)最長，在加速度時(shí)程曲線上表現(xiàn)為小振幅的反復(fù)震蕩。引起這種現(xiàn)象的原因可能是由于2#測點(diǎn)位于孤立山包與其西側(cè)山體形成的凹槽中（見圖5），加上覆蓋土層的因素導(dǎo)致入射波在該位置反復(fù)反射、折射，從而使地震動(dòng)持時(shí)增長。

圖6 自貢西山公園0#—7#測點(diǎn)三分量加速度峰值的分布Fig. 6 Peak ground acceleration distribution of 0#-7# observation points in Xishan Park

圖7 官廳湖0#—5#測點(diǎn)三分量加速度峰值的空間分布Fig. 7 Peak ground acceleration distribution of 0#-5# observation points around Guanting lake

圖8 自貢西山公園0#—7#測點(diǎn)三分量加速度時(shí)程的90%持時(shí)Fig. 8 Duration of 90% at 0#-7# observation points in Xishan Park

圖9 官廳湖0#—5#測點(diǎn)三分量加速度時(shí)程的90%持時(shí)Fig. 9 Duration of 90% at 0#-5# observation points around Guanting lake

由圖6—9可知，當(dāng)山腳周圍場地開闊平坦時(shí)，由于山腳位置的地震動(dòng)加速度峰值和持時(shí)均小于山體其它位置和水平自由地表場點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值，尤其當(dāng)山腳位置有基巖出露時(shí)，這種規(guī)律更加明顯，因此其可以解釋為什么位于山腳周圍的房屋震害較輕這一震害現(xiàn)象。另外，山體上各點(diǎn)的地震動(dòng)反應(yīng)水平大致遵循隨著高度的增加而變大，這與“山上房屋震害比山腳嚴(yán)重”的震害現(xiàn)象相一致。

2.2 山腳地震動(dòng)數(shù)值模擬分析

由自貢西山公園和官廳湖地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣山腳測點(diǎn)加速度峰值可以明顯地看出，山腳位置的地震動(dòng)加速度峰值遠(yuǎn)小于水平自由地表測點(diǎn)以及其它山體測點(diǎn)的地震動(dòng)峰值，且自貢西山公園地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣的山腳臺(tái)站位于基巖上，而官廳湖地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣的山腳臺(tái)站位于土層場地上，為了分析二者山腳地震動(dòng)峰值較小的機(jī)理，同時(shí)排除山腳覆蓋土層的影響，本文以垂直于山體走向截取一剖面可視為平面應(yīng)變問題，使用動(dòng)力集中質(zhì)量中心差分有限元法進(jìn)行二維分析。同時(shí)為了分析山梁幾何形狀對(duì)地震動(dòng)的影響，對(duì)山梁兩側(cè)不同坡度的模型進(jìn)行分析，設(shè)均勻、各向同性彈性半空間表面為山梁橫截剖面地形（下文簡稱基巖山體模型），其介質(zhì)參數(shù)選取為剪切波速CS=1500m/s ，質(zhì)量密度ρ=2.7×103kg/m3，泊松比μ=0.25，阻尼比ξ=0.001，圖10為模型示意圖，模型參數(shù)見表3。

圖10 山梁橫截面模型測點(diǎn)位置示意圖Fig. 10 Cross section model showing observation points

表3 山梁橫截面模型參數(shù)Table 3 Parameters of the cross section model

模型地震動(dòng)輸入選取脈沖波形的SV波并以與豎直方向夾角γ為0°入射角進(jìn)行地震動(dòng)輸入，單位脈沖波形及其傅氏譜分別示于圖11和圖12。四個(gè)山體模型在SV波垂直入射角度下的地震動(dòng)X、Y方向的地震動(dòng)反應(yīng)峰值示于圖13和圖14。

由圖13可以看出，在X方向上，由于基巖山體的存在，計(jì)算模型山腳觀測點(diǎn)7#和23#，甚至部分山坡觀測點(diǎn)的地震動(dòng)反應(yīng)峰值明顯低于山體兩側(cè)水平自由地表場地和山頂場點(diǎn)值，且隨著坡腳的增大，山腳和部分山體場點(diǎn)的地震動(dòng)反應(yīng)峰值逐漸降低；而在Y方向上（圖14），隨著坡腳的增大，山腳和部分山體場點(diǎn)的地震動(dòng)反應(yīng)峰值逐漸增大，表明坡腳的增大導(dǎo)致SV波發(fā)生明顯的波形轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致地震動(dòng)反應(yīng)在Y向的分量增大。對(duì)于山腳和山體部分測點(diǎn)，由于Y向的地震動(dòng)反應(yīng)峰值明顯低于X向，因此這些位置的地震動(dòng)反應(yīng)水平主要由X方向的分量大小決定，即對(duì)于不考慮土層影響的純基巖山體地形，由于山體自身的存在，其導(dǎo)致山腳地震動(dòng)反應(yīng)峰值明顯低于水平自由地表場點(diǎn)和山頂場點(diǎn)。

圖11 入射位移脈沖波形Fig. 11 Wave form of the input pulse

圖12 位移脈沖對(duì)應(yīng)的傅氏譜Fig. 12 Fourier spectrum of the input pulse

圖13 不同坡角計(jì)算模型X向反應(yīng)Fig. 13 Response of calculation model with different slope angle in X direction

圖14 不同坡角山體巖石模型Y向反應(yīng)Fig. 14 Response of calculation model withdifferent slope angle in Y direction

3 結(jié)論

本文對(duì)山腳地形效應(yīng)相關(guān)的震害特征及其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，從地震現(xiàn)場震害宏觀調(diào)查、山體地形效應(yīng)強(qiáng)震動(dòng)觀測和數(shù)值模擬三個(gè)角度進(jìn)行了探討，得出了以下結(jié)論。

通過汶川地震以及以往地震的現(xiàn)場震害宏觀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在不考慮山體滑坡、崩塌、泥石流等地震地質(zhì)災(zāi)害的前提下，山腳的房屋震害程度明顯低于山頂和山前土層場地。山體地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣的強(qiáng)震動(dòng)記錄表明，山腳的地震動(dòng)反應(yīng)峰值和相對(duì)持時(shí)水平明顯低于山體和山前水平自由地表場點(diǎn)觀測值。對(duì)于純基巖山體地形的二維動(dòng)力集中質(zhì)量中心差分有限元法數(shù)值分析表明，山腳和部分山體測點(diǎn)，其地震動(dòng)反應(yīng)峰值低于山頂和水平自由地表場點(diǎn)。

綜合以上分析，數(shù)值模擬結(jié)果與山腳震害現(xiàn)場調(diào)查和強(qiáng)震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)有較好的一致性，這說明山腳震害輕微的特征和地形效應(yīng)觀測臺(tái)陣山腳臺(tái)站地震動(dòng)水平較低的現(xiàn)象不僅與該處的土層較薄，場地條件良好有關(guān)，更與山腳所處的山體幾何位置有直接關(guān)系，即山體的存在對(duì)其周邊場地產(chǎn)生地震動(dòng)影響場，在山腳位置地震動(dòng)強(qiáng)度和持時(shí)顯著降低。

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Characteristics and Mechanism of Earthquake Damage at the Foot of the Hill in Wenchuan Earthquake

Wang Wei1），Liu Bideng1），Liu Xin1），Shen Chao1）and Zhou Zhenghua2）

1）Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China
2）Nanjing Tech University，Nanjing 210000，China

It has been proved by the field investigation in Wenchuan earthquake and other earthquakes that the earthquake damage is greatly affected by the local site conditions．The damage level at the foot of hill is lower than that on the top of hill and at the horizontal ground surface．To study such damage characteristic，the earthquake ground motion record is analyzed based on the data from the topography effect observation array in main shock of Wenchuan earthquake and the artificial explosion．Combining the numerical simulation with the dynamic Lumped Mass-Central Difference Finite Element Method，it is further proved that，besides the good site conditions around the bottom of the hill，the low earthquake damage level at the foot of the hill is more directly related to its geometric position．

Wenchuan earthquake；Earthquake damage at the foot of the hill；Topography effect；Strong motion observation array；Numerical simulation

王偉，劉必?zé)?，劉欣，沈超，周正華，2014．汶川地震山腳震害特征及機(jī)理分析1．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：863—871．

10.11899/zzfy20140414

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（ZY20110206）；國家自然科學(xué)基金（51308118，51208107）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（ZY20110205，ZY20120103）

2014-07-10

王偉，男，生于1982年。講師，博士。主要從事巖土地震工程研究。E-mail: wwwiem@163.com