近水平巖層階狀斜坡地震動響應(yīng)特征分析*

畢楊楊 王運生 蘇 毅 王國康 周 粵 向 超

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059，中國)

0 引 言

近年來，隨著斜坡地震動響應(yīng)研究的深入，發(fā)現(xiàn)地形、介質(zhì)對地震波存在放大效應(yīng)，并且了解到影響地形放大效應(yīng)的要素，如：地形起伏、第四系覆蓋層類型和厚度、入射波類型、入射角等(劉洪兵，1999)。王運生等(2009，2017)對汶川大地震產(chǎn)生的典型地震高位滑坡體結(jié)構(gòu)特征進行探討后發(fā)現(xiàn)，在強震作用下，地震波會使坡體中的裂隙貫通，從而導(dǎo)致坡體失穩(wěn)，且高位陡峭的地形對地震波的放大效應(yīng)顯著，最終導(dǎo)致坡體上部“外軟”巖體近水平或斜向上拋射，形成特有的地震高位滑坡。黃潤秋等(2013)通過對蘆山7.0級地震次生山體災(zāi)害研究發(fā)現(xiàn)，崩塌主要發(fā)育在地震波傳播方向與陡立谷坡坡面走向一致的坡體中上部。賀建先等(2015)通過對康定6.3級地震收集數(shù)據(jù)分析，進一步證實了坡體失穩(wěn)跟地震波傳播方向和坡面傾向存在著必然聯(lián)系。侯紅娟(2013)通過振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，對斜坡體施加一定強度的地震力，硬巖斜坡最先在坡體后緣產(chǎn)生裂隙，隨著地震作用的加強，裂隙的長度和張開度逐漸變大，直到地震強度增加到一定值，在坡頂出現(xiàn)一條貫通的拉裂縫，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞。申敏等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，水平層狀的巖質(zhì)邊坡較為穩(wěn)固，穩(wěn)定性與斜坡的坡角和坡高的大小成負(fù)相關(guān)，坡腳的變形破壞較晚于坡頂，坡頂破壞的原因是水平拉應(yīng)力作用在坡頂部位形成了上寬下窄的張裂隙。羅永紅(2011)通過對龍門山和鄰近地區(qū)振幅不小于30 gal的汶川地震波采集數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)震斷裂的逆沖作用對其上盤豎向能量貢獻突出，對震害發(fā)育的“上盤效應(yīng)”具有顯著貢獻；“內(nèi)硬外軟”巖性組合與“內(nèi)軟外硬”組合進行對比發(fā)現(xiàn)，前者動力響應(yīng)比后者大，地震動放大系數(shù)普遍達(dá)到5倍，在強震作用下，“內(nèi)硬外軟”巖性組合動力響應(yīng)最為強烈。李秀珍等(2010)通過對汶川地震山體災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在以砂巖、泥巖、板巖等代表的軟巖斜坡中的滑坡山體災(zāi)害占滑坡總數(shù)的約38%，大于硬巖類斜坡占滑坡總數(shù)的15%左右。萬子軒(2020)通過譜元法數(shù)值模擬技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，斜坡地形對地震動持續(xù)時間與幅度有明顯的放大效應(yīng)，且放大效應(yīng)具有明顯的方向性。

前人研究斜坡地震動響應(yīng)主要集中在高山峽谷區(qū)，相對而言監(jiān)測點與震中相隔遠(yuǎn)，地震波在基巖傳播過程中必會發(fā)生不同程度的衰減(王薦霖等，2018；辛聰聰?shù)龋?018；金剛等，2019；李宗超等，2019；王運生等，2019)，且研究對象大多數(shù)為中強震。本文研究區(qū)位于宜賓市珙縣南側(cè)中低山區(qū)，這里是沉積巖分布區(qū)，巖層近水平，地貌呈現(xiàn)出侵蝕臺地階狀斜坡普遍發(fā)育，階狀斜坡是指由于地殼抬升，河流下切形成的階梯狀斜坡，它在川南及川東具有代表性。長寧地震后，區(qū)內(nèi)余震頻發(fā)(表1)，本文根據(jù)所采集的這些典型余震地震波，主要分析了巖土體介質(zhì)、高程、陡崖、微地形地貌等因素對斜坡地震動力響應(yīng)峰值加速度、Arias強度的影響，研究了近水平巖層侵蝕臺地階狀斜坡放大效應(yīng)及其影響因素。其研究結(jié)果對地震區(qū)斜坡變形破壞模式、穩(wěn)定性研究和陡崖附近崩塌災(zāi)害提供可靠的科學(xué)參考依據(jù)，為珙縣地區(qū)頻繁余震的斜坡地震動響應(yīng)規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

表1 長寧地震典型余震基本信息

1 監(jiān)測點布置及監(jiān)測方法

珙縣位于四川省雅安市宜賓縣南部，是四川盆地與云貴高原的過渡地帶，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大雨、暴雨主要集中在6～9月份，年降雨量約1160 mm。如圖1所示，地震監(jiān)測點布置在宜賓市珙縣五同村的斜坡地帶，村莊西側(cè)為北北東走向的溝谷，溝內(nèi)主要為三疊系紫紅色砂巖形成的高陡坡，村莊東側(cè)為高約100 m的三疊系砂巖與灰?guī)r形成的近直立崖壁，地貌上構(gòu)成兩級侵蝕臺地(巖層近水平的階狀斜坡)，侵蝕臺地南北向長約5.3 km，東西向?qū)捈s2 km。如圖1a所示，監(jiān)測剖面共設(shè)置了3個監(jiān)測點，剖面方向(測點連線方向)為SW122°。由剖面圖1b可見，1#監(jiān)測點布置在一級臺階上，作為斜坡地震動響應(yīng)研究的基準(zhǔn)點；2#監(jiān)測點布置在二級臺階陡崖附近，3#監(jiān)測點布置在二級臺階中后部，通過這兩個監(jiān)測點與1#監(jiān)測點以及這兩個監(jiān)測點之間的實測地震動相應(yīng)的比較，揭示斜坡地震動響應(yīng)的特點和影響因素。

圖1 五同村地震監(jiān)測點布置剖面地質(zhì)圖(a)及斜坡地質(zhì)構(gòu)造示意圖(b)

圖2所示為地震監(jiān)測點所在區(qū)域的地層及斷裂展布情況。地震監(jiān)測點布置剖面中紫紅色砂巖屬三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)，薄層-中厚層，巖層產(chǎn)狀近于水平，風(fēng)化程度為強-弱風(fēng)化，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層厚度不大。巖體中主要發(fā)育3組節(jié)理：J1，產(chǎn)狀為235°∠73°，3條/2 m，張開較大，泥質(zhì)充填；J2，產(chǎn)狀320°∠67°，4條/2 m，未張開，無填充；J3，產(chǎn)狀200°∠48°，未張開，無填充。上部巖層為三疊系銅街子組(T1t)以中厚層灰色、灰白色灰?guī)r為主，巖層產(chǎn)狀近于水平，風(fēng)化程度為強-中風(fēng)化，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要發(fā)育有3組節(jié)理：J1，298°∠86°，7條/2 m，微張開，無填充，延伸性較差；J2，209°∠58°，1條/2 m，未張開，無填充，延伸性好；J3，117°∠89°，2條/2 m，未張開，無填充。

圖2 地震監(jiān)測點所在區(qū)域地層及斷層分布圖

表2 監(jiān)測點所在位置場地屬性

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

依據(jù)中國地震臺網(wǎng)資料，2020年9月6日11時39分四川省宜賓市興文縣發(fā)生MS3.1級地震，震中位置坐標(biāo)為：北緯28.3°，東經(jīng)104.94°，震源深度14 km，到五同村地震監(jiān)測剖面的震中距為12.5 km(圖2)。此次地震觸發(fā)了五同村監(jiān)測剖面1#、2#和3#監(jiān)測儀器獲得了這次地震的地震動時程記錄數(shù)據(jù)(表3)。

表3 監(jiān)測點地震動加速度時程曲線

采用Seismosignal軟件對監(jiān)測點所收集的數(shù)據(jù)進行分析，得到監(jiān)測點的地震動加速度時程曲線(表3)及其傅里葉振幅譜(表4)。

表4 監(jiān)測點地震動時程傅里葉振幅譜

由表3所示的地震動加速度時程曲線可見，此次地震具有持續(xù)時間短、震動幅度小等特點。從1#、2#、3#監(jiān)測點的地震時程曲線可知，位于一級臺階的1#監(jiān)測點(參考點)的三向加速度值均小于剖面上高程較大的二級臺階監(jiān)測點。位于二級臺階近陡崖處的2#監(jiān)測點與中后部的3#監(jiān)測點水平距離約370 m，高程僅相差11 m，3#監(jiān)測點地震動在水平向的加速度均大于2#，但是2#監(jiān)測點豎直向的地震動加速度大于3#監(jiān)測點，2#監(jiān)測點豎直向的地震動加速度為0.038 gal，3#監(jiān)測點豎直向地震動加速度減小到0.022 gal。監(jiān)測點時程曲線均為明顯的雙峰型，監(jiān)測點離震中僅為12.5 km，地震波在巖體傳播過程中能量損失較小，且S波傳播速度略小于P波，所以能在較短的時間內(nèi)清晰地同時記錄到兩種波的時程曲線。

3 地震動加速度反應(yīng)譜

反映地震動強度和其頻譜特性是地震反應(yīng)譜的本質(zhì)，它從動力特性沿著頻率方向移動的單質(zhì)點體系動力最大反應(yīng)這個特殊思維來解釋地震動特性的，而不是具體的結(jié)構(gòu)特性(李杰，1993)。對采集的地震動加速度數(shù)據(jù)進行相關(guān)校正后，分別計算三分量在5%、10%、20%的阻尼比下的地震動加速度反應(yīng)譜(表5)。

表5 監(jiān)測點地震動加速度反應(yīng)譜

4 地震動放大效應(yīng)分析

以一級臺階處1#監(jiān)測點為參考點進行對比，從而分析地震波在不同高程和介質(zhì)中的放大效應(yīng)，各監(jiān)測點參數(shù)特征見表6和表7。

高程放大效應(yīng)：通過監(jiān)測點地震動響應(yīng)參數(shù)特征表可知，與參考點相比，監(jiān)測點在東西、南北、豎直向上的地震動加速度放大系數(shù)均大于1.00，2#和3#監(jiān)測點大體上表現(xiàn)為豎直向放大系數(shù)最大，分別為2.92、1.69；東西向放大系數(shù)普遍偏小，為1.13、1.25；南北向中等，且水平向增值隨著高程的上升呈現(xiàn)出不同數(shù)值的增大現(xiàn)象。根據(jù)表6和表7，對比兩處侵蝕臺地監(jiān)測點的地震動PGA、Arias強度放大系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣饎覲GA放大系數(shù)大于1.00時，其所對應(yīng)的地震動Arias強度放大系數(shù)也均大于1.00。研究表明，在地震荷載作用下，在一定的斜坡高程范圍內(nèi)，斜坡地震動響應(yīng)放大系數(shù)隨著高程的增加而增大。

表6 監(jiān)測點地震動峰值加速度放大系數(shù)

表7 監(jiān)測點地震動Arias強度放大系數(shù)

近陡崖放大效應(yīng)：2#與3#監(jiān)測點水平距離相距370 m，高程相差11 m，進行比較發(fā)現(xiàn)，兩者水平向地震動PGA相差無異，但是其豎直向地震動PGA與Arias強度相差極大，2#監(jiān)測點豎直向地震動PGA和Arias強度分別為3#監(jiān)測點的1.73、2.20倍，表明地震動響應(yīng)隨陡崖向坡體內(nèi)部呈現(xiàn)出明顯的衰減趨勢。平臺內(nèi)部的3#監(jiān)測點地震動AI普遍小于近陡崖的2#，原因為2#監(jiān)測點西側(cè)為近陡崖部位，這里卸荷強烈，且泥質(zhì)充填的張開度垂直節(jié)理和卸荷裂隙發(fā)育，約束條件差；而3#監(jiān)測點位于平臺內(nèi)部，四周均無臨空面，約束條件好(劉勇，2016；鄭光等，2018)。

對于節(jié)理、裂隙的充填物而言，不管是松散的巖土體或空氣，還是固結(jié)的巖石層，節(jié)理的充填物密度及其強度等特性通常弱于巖體的相關(guān)特性，地震波在節(jié)理面和裂隙面處發(fā)生反射與透射，使地震波在巖體中的傳播受到阻礙，地震波能量在節(jié)理面發(fā)生大量損耗，被其巖體吸收。當(dāng)節(jié)理與裂隙張開度較大時，地震波會在此處發(fā)生繞射，地震能量衰減較為嚴(yán)重，當(dāng)無法發(fā)生波的繞射時，地震波的傳播終止，其地震波能量全被巖土體吸收；當(dāng)節(jié)理的寬度趨向于無限小時，地震波在節(jié)理與巖石的交界面之間的反射次數(shù)趨于無窮大，節(jié)理對地震波的傳播阻礙作用可以忽略不計，表明地震波能量衰減與節(jié)理、裂隙的張開度成正比。2#監(jiān)測點節(jié)理的張開度較大、以泥質(zhì)充填為主，對地震波傳播的阻礙作用較強，地震波能量被耗散于節(jié)理與巖體中，Arias強度值偏大；3#監(jiān)測點節(jié)理張開度極小，對地震波的阻礙傳播作用較小，地震波能量耗散較小，導(dǎo)致Arias強度偏小。

微地形持時放大效應(yīng)：微地形條件對邊坡的發(fā)育及地震力作用下的穩(wěn)定性存在重要的影響，王薦霖等(2018)認(rèn)為山頂?shù)卣饎映掷m(xù)時間比山腳和山腰顯著增長，且對加速度的放大作用都存在差異。通過加速度時程曲線圖，發(fā)現(xiàn)一級臺階的1#監(jiān)測點地震波持續(xù)時間約為5.22 s，二級臺階內(nèi)部的3#監(jiān)測點持續(xù)時間約為6.50 s，比較發(fā)現(xiàn)，3#監(jiān)測點的持時為1#監(jiān)測點的1.25倍，且峰值加速度縮小倍數(shù)較大。1#監(jiān)測點處于凹陷的微地形之中，凹陷微地形則會在地震波反射過程中出現(xiàn)發(fā)散的現(xiàn)象；3#監(jiān)測點處于凸起的微地形之中，凸起微地形對地震波有匯集的現(xiàn)象。這也是3#監(jiān)測點加速度振幅值及其放大系數(shù)大于1#監(jiān)測點的原因之一。并與長寧縣登云亭地震監(jiān)測剖面所記錄的珙縣MS5.4級(王運生等，2019)和MS4.6級地震監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，均存在明顯的微地形持時放大效應(yīng)且隨著震級的增大，其放大倍數(shù)愈大，表現(xiàn)為MS5.4級地震微地形持時放大1.46倍，MS4.6級地震微地形持時放大1.38倍。3次地震較好地說明凸起微地形處地震波匯聚和凹陷微地形處反射波發(fā)散。

5 結(jié) 論

對珙縣五同村斜坡地震監(jiān)測剖面在宜賓興文縣MS3.1級地震事件中采集到的地震數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，在地震作用下近水平巖層侵蝕臺地階狀斜坡具有如下規(guī)律：

(1)高程效應(yīng)：與1#監(jiān)測點(高程：675 m)相比，2#監(jiān)測點(高程：899 m)和3#監(jiān)測點(高程：910 m)地震動PGA放大系數(shù)分別為1.13～2.92、1.25～1.69，揭示斜坡在地震荷載作用下高程效應(yīng)在不同方向放大系數(shù)分量存在差別。

(2)近陡崖效應(yīng)：2#監(jiān)測點距陡崖30 m左右，3#監(jiān)測點距陡崖約400 m，兩者高差僅為11 m，2#監(jiān)測點其豎直向地震動PGA、Arias強度放大系數(shù)為3#監(jiān)測點的1.73、2.20，巖層節(jié)理的類型、寬度、充填物等特征決定著地震波能量的損耗大小。

(3)巖性效應(yīng)：1#監(jiān)測點(砂巖)，地震動卓越頻率在2～9 Hz，2#監(jiān)測點(灰?guī)r)，地震動卓越頻率在4～14 Hz，表明灰?guī)r的共振周期為砂巖的1.5倍，即灰?guī)r對地震動的放大效應(yīng)強于砂巖。

(4)微地形效應(yīng)：1#監(jiān)測點(凹陷地形)地震動持時為5.22 s，3#監(jiān)測點(凸起地形)持時為6.50 s，持時相差1.25倍，主要原因為凸起微地形處地震波匯聚和凹陷微地形處反射波發(fā)散。