汶川地震山脚震害特征及机理分析1

王 伟刘必灯刘 欣沈 超周正华

1）防灾科技学院，廊坊 065201

2）南京工业大学，南京 210000

汶川地震山脚震害特征及机理分析1

王 伟1）刘必灯1）刘 欣1）沈 超1）周正华2）

1）防灾科技学院，廊坊 065201

2）南京工业大学，南京 210000

汶川地震和以往地震现场震害调查表明，局部场地地形对震害的影响明显，其中，山脚房屋震害程度明显低于山顶和水平地表土层场地。针对这一震害特征，本文以汶川主震的地形效应观测强震动记录和人工爆破山体地形地震动观测记录为基础，通过数据分析，结合动力集中质量中心差分有限元法进行数值模拟分析，进一步揭示了山脚房屋震害轻微的特征不仅与其所在场地条件良好有关，更与山脚所处山体底部的几何位置直接相关。

汶川地震 山脚震害 地形效应 强震动观测台阵 数值模拟

引言

目前国内外研究地震动地形效应的方法主要有：震后现场震害调查、地形效应强震动观测、解析解答和数值模拟等几种方法。其中，地形效应的强震动观测与分析是目前研究地形对地震动影响的最直观、最有效的方法之一。Boore（1972）通过对San Fernando地震中Pacoima大坝上记录的地震动加速度进行分析发现，坝上地震动在任何周期上的加速度比没有地形效应影响的记录高出25%—50%。Lawrence等（1973）将L-7型强震仪布设在加利福尼亚州的Kagel山和Josephine山峰的山顶和山脚，利用 San Fernando地震中记录的多个余震记录和在内华达州的Butler山记录到的内华达州实验基地的爆破震动，研究了山体地震动放大系数与地震动频率、山体几何形状参数之间的关系。Stephen等（1994）在Loma Prieta地震之后，将7台三分量数字记录地震仪组成的密集台阵布设在离震中西北7.3km的Robinwood山脊，以分析该处高强度建筑物严重损害和山顶地表破裂的原因。在1987年Whittier Narrows地震和1994年的北岭地震中，位于Tanaza的一个小山包记录的加速度峰值达到1.78g，远大于以前地震的任何记录水平，Shakal等（1988；1994）和Lee等（1994）注意到这种现象，于主震发生后的数天内，在该山包布设了密集的地形台阵，并获得了大量余震记录；Spudich等（1996）对这些记录数据进行研究后发现，山体地震动放大系数与频率和山体延伸方向相关；地震动放大系数的最大和最小值分别发生在山体横向和走向方向，并且观测到山体的共振效应以及山底到山顶质点运动方向的偏转现象。汶川地震后，王海云等（2010）、杨宇等（2011）、王伟（2011）和唐晖等（2012）对获得的自贡西山公园地形观测台阵主震记录和一批余震流动观测记录进行了定性分析和定量的数值模拟研究。芦山地震后，Tian Yu等（2014）对山区强震动记录进行了分析。

震后现场震害调查可以为研究震害分布和场地影响提供真实的资料。汶川地震后，中国地震局工程力学研究所的地形相关震害调查组展开了现场调查，其中，对河谷阶地地形调查点有20余处，对山体地形调查点有30余处，获得了大量的震害资料。在对其进行分析后发现，位于山脚或山脚斜坡周围的房屋震害较轻，尤其是山脚有基岩出露时震害程度更为轻微，而且这种震害现象在现场十分普遍。

汶川地震中在彭州小渔洞镇，其位于10度烈度区，距主断层垂直距离为12.7km，同时该镇有小渔洞断层通过，且位于湔江右岸II级阶地与山前洪积扇交汇部位。场地开阔平缓，大致由北向南倾斜，地面坡度3°—8°，覆盖土层由北向南变厚。北部山脚局部基岩出露。地下土层以坡残积为主，罗阳村位于该位置，除了部分房屋出现溜瓦现象，基本受损轻微，甚至一些建筑年代很久的房屋受到的震害也不严重，如图1所示。向湔江渐变为坡洪积和冲洪积为主，土层厚度由3.0—5.0m变为20.0—30.0m左右。房屋少量完全倒塌，多数严重破坏，需要拆除者甚多，部分裂缝严重，修复困难。砖混、砖木和内框剪力墙房屋的平均震害指数分别为0.7、0.8和0.58，如图2。

图1 山脚房屋基本完好Fig. 1 House at the foot of the hill is in good condition

图2 山前土层场地房屋严重破坏Fig. 2 House at the soil layer site is seriously damaged

针对上述震害现象，本文以汶川主震和大当量人工爆破监测中获得的山体地震动记录为基础，通过数据分析和数值模拟进一步研究了山脚震害较轻的机理。

1 地形效应观测台阵及获取强震动记录

1.1 自贡西山公园地形效应观测台阵及汶川主震记录

该地形效应观测台阵位于自贡市自流井区西山公园内，为“十五”国家重大项目——中国数字地震观测网络项目中的固定台阵。台阵场址位于自流井背斜附近。台阵在水平土层场地、山脚、山腰及山脊等位置布设了8个观测点。自贡西山等高线及测点分布如图3所示（王海云等，2010），图中黑线为山体剖面线，各测点高程示意如图4所示，其中0#测点位于土层上，其余测点均位于山体基岩上。在汶川地震中，该台阵获得了8组主震三分量加速度记录，地震动时程对应的加速度峰值如表1所示。

图3 自贡西山等高线及测点分布Fig. 3 Topo contour of Zigong Xishan and distribution of observation points

图4 山体剖面测点高程示意图Fig. 4 Profile of the hill with elevation

表1 各测点加速度峰值Table 1 Peak ground acceleration at different observation points

1.2 “明灯1号”人工爆破地形效应观测台阵

2007年12月12日凌晨，中国地震局地球物理研究所成功启动了“明灯1号”计划，在河北省怀来县距官厅湖水库6km的山区顺利实施了大当量人工地震爆破。本次人工地震爆破TNT黄色炸药用量为50吨，将爆心布设在山体底部的洞穴，并采用延时爆破方式。地形效应观测台阵布设在爆心东侧270m的一个孤立小山包上，相对高度为14m，山体地形测点（文中简称官厅湖测点）位置见图5，1#点为水平自由地表场点，2#—5#为山体地形监测点。爆心及地形监测点的加速度时程峰值见表2。

图5 官厅湖测点分布图Fig. 5 Distribution of observation points around Guanting Lake

表2 0#—5#测点加速度峰值Table 2 Peak ground acceleration of 0#-5# observation points

2 讨论

2.1 山脚强震动观测数据分析

将汶川地震中的自贡西山公园与官厅湖地震动加速度记录进行对比后分析发现，强震动加速度峰值和持时对于结构的破坏是一个重要因素。为此，本文对山体地形效应台阵山脚位置的地震动特点进行分析。

自贡西山公园和官厅湖地形效应观测台阵各测点加速度峰值的空间分布分别见图6和7。图6中的1#测点和图7中的2#测点均位于山脚，可以明显地看出，山脚位置的地震动加速度峰值远小于水平自由地表测点以及其它山体测点的地震动峰值。两个地形观测台阵各测点的90%持时分别示于图8和9。从图8中可以看出，三分量地震动时程中山脚1#测点的持时最短，对于相同分量，水平自由场地0#测点与山体其它测点的持时相当，并且山体测点2#—7#的持时相差不大。从图9中可以看出，2#山脚测点的EW和NS向持时明显大于其相邻测点持时，尤其在NS向为持时最长，在加速度时程曲线上表现为小振幅的反复震荡。引起这种现象的原因可能是由于2#测点位于孤立山包与其西侧山体形成的凹槽中（见图5），加上覆盖土层的因素导致入射波在该位置反复反射、折射，从而使地震动持时增长。

图6 自贡西山公园0#—7#测点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

图7 官厅湖0#—5#测点三分量加速度峰值的空间分布Fig. 7 Peak ground acceleration distribution of 0#-5# observation points around Guanting lake

图8 自贡西山公园0#—7#测点三分量加速度时程的90%持时Fig. 8 Duration of 90% at 0#-7# observation points in Xishan Park

图9 官厅湖0#—5#测点三分量加速度时程的90%持时Fig. 9 Duration of 90% at 0#-5# observation points around Guanting lake

由图6—9可知，当山脚周围场地开阔平坦时，由于山脚位置的地震动加速度峰值和持时均小于山体其它位置和水平自由地表场点的对应值，尤其当山脚位置有基岩出露时，这种规律更加明显，因此其可以解释为什么位于山脚周围的房屋震害较轻这一震害现象。另外，山体上各点的地震动反应水平大致遵循随着高度的增加而变大，这与“山上房屋震害比山脚严重”的震害现象相一致。

2.2 山脚地震动数值模拟分析

由自贡西山公园和官厅湖地形效应观测台阵山脚测点加速度峰值可以明显地看出，山脚位置的地震动加速度峰值远小于水平自由地表测点以及其它山体测点的地震动峰值，且自贡西山公园地形效应观测台阵的山脚台站位于基岩上，而官厅湖地形效应观测台阵的山脚台站位于土层场地上，为了分析二者山脚地震动峰值较小的机理，同时排除山脚覆盖土层的影响，本文以垂直于山体走向截取一剖面可视为平面应变问题，使用动力集中质量中心差分有限元法进行二维分析。同时为了分析山梁几何形状对地震动的影响，对山梁两侧不同坡度的模型进行分析，设均匀、各向同性弹性半空间表面为山梁横截剖面地形（下文简称基岩山体模型），其介质参数选取为剪切波速CS=1500m/s ，质量密度ρ=2.7×103kg/m3，泊松比μ=0.25，阻尼比ξ=0.001，图10为模型示意图，模型参数见表3。

图10 山梁横截面模型测点位置示意图Fig. 10 Cross section model showing observation points

表3 山梁横截面模型参数Table 3 Parameters of the cross section model

模型地震动输入选取脉冲波形的SV波并以与竖直方向夹角γ为0°入射角进行地震动输入，单位脉冲波形及其傅氏谱分别示于图11和图12。四个山体模型在SV波垂直入射角度下的地震动X、Y方向的地震动反应峰值示于图13和图14。

由图13可以看出，在X方向上，由于基岩山体的存在，计算模型山脚观测点7#和23#，甚至部分山坡观测点的地震动反应峰值明显低于山体两侧水平自由地表场地和山顶场点值，且随着坡脚的增大，山脚和部分山体场点的地震动反应峰值逐渐降低；而在Y方向上（图14），随着坡脚的增大，山脚和部分山体场点的地震动反应峰值逐渐增大，表明坡脚的增大导致SV波发生明显的波形转换，从而导致地震动反应在Y向的分量增大。对于山脚和山体部分测点，由于Y向的地震动反应峰值明显低于X向，因此这些位置的地震动反应水平主要由X方向的分量大小决定，即对于不考虑土层影响的纯基岩山体地形，由于山体自身的存在，其导致山脚地震动反应峰值明显低于水平自由地表场点和山顶场点。

图11 入射位移脉冲波形Fig. 11 Wave form of the input pulse

图12 位移脉冲对应的傅氏谱Fig. 12 Fourier spectrum of the input pulse

图13 不同坡角计算模型X向反应Fig. 13 Response of calculation model with different slope angle in X direction

图14 不同坡角山体岩石模型Y向反应Fig. 14 Response of calculation model withdifferent slope angle in Y direction

3 结论

本文对山脚地形效应相关的震害特征及其产生机理进行了分析，从地震现场震害宏观调查、山体地形效应强震动观测和数值模拟三个角度进行了探讨，得出了以下结论。

通过汶川地震以及以往地震的现场震害宏观调查发现，在不考虑山体滑坡、崩塌、泥石流等地震地质灾害的前提下，山脚的房屋震害程度明显低于山顶和山前土层场地。山体地形效应观测台阵的强震动记录表明，山脚的地震动反应峰值和相对持时水平明显低于山体和山前水平自由地表场点观测值。对于纯基岩山体地形的二维动力集中质量中心差分有限元法数值分析表明，山脚和部分山体测点，其地震动反应峰值低于山顶和水平自由地表场点。

综合以上分析，数值模拟结果与山脚震害现场调查和强震动观测数据有较好的一致性，这说明山脚震害轻微的特征和地形效应观测台阵山脚台站地震动水平较低的现象不仅与该处的土层较薄，场地条件良好有关，更与山脚所处的山体几何位置有直接关系，即山体的存在对其周边场地产生地震动影响场，在山脚位置地震动强度和持时显著降低。

参考文献

唐晖，李小军，李亚琦，2012．自贡西山公园山脊地形场地效应分析．振动与冲击，31（8）：74—79．

王海云，谢礼立，2010．自贡市西山公园地形对地震动的影响．地球物理学报，53（7）：1631—1638．

杨宇，李小军，贺秋梅，2011．自贡西山公园山脊场地地形和土层效应数值模拟．震灾防御技术，6（4）：436—447．

王伟，2011．地震动的山体地形效应研究．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所．

Boore，D.M.，1972．A note on the effect of simple topography on seismic SH waves．Bull．Seism．Soc．Am.，62（1）：275—284．

Lawrencel Davis，Lewis R．West.，1973．Observed effects of topography on ground motion．Bull．Seism．Soc．Am.，63（1）：283—298．

Lee W.H.K.，R.A．White，D.H．Harlow，J.A．Rogers，and P．Spudich，1994．Digital seismograms of selected aftershocks of the Northridge earthquake recorded by a dense seismic array on February 11，1994 at Cedar Hill Nursery in Tarzana，California，U.S.．Geol．Surv．Open-File Rep.，94—234．

Shakal A.，M．Huang，and T．Cao，1988．The Whittier Narrows，California，earthquake of October 1，1987：CSM1P strong motion data．Earthquake Spectra，（4）：75—100．

Shakal A.，M．Huang，R．Darragh，T．Cao，R．Sherburne，P．Malhotra，C．Cramer，R．Sydnor，V．Graizer，G．Maldonado，C．Peterson，and J．Wampole，1994．CSMIP Strong motion records from the Northridge，California，earthquake of 17 January 1994．Report OSMS 94-07，Calif．Div．Mines Geol.，Sacramento，California，1994．

Spudich P.，M．Hellweg，and W.H.K．Lee，1996．Directional topographic site response at Tarzana observed in aftershocks of the 1994 Northridge，California，earthquake：implications for mainshock motions．Bull．Seism．Soc．Am.，86（1B）：S193—S208．

Stephen H．Hartzell，David L．Carver，and Kenneth W．King，1994．Initial Investigation of Site and Topographic Effects at Robinwood Ridge，California．Bull．Seism．Soc．Am.，84（5）：1336—1349．

Tian Yu，Ming Lu，Xiaojun Li，2014．Analysis of strong ground motion characterization in the 2013 Lushan earthquake．Applied Mechanics and Materials，580-583（2014）：1499—1505．

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

王伟，刘必灯，刘欣，沈超，周正华，2014．汶川地震山脚震害特征及机理分析1．震灾防御技术，9（4）：863—871．

10.11899/zzfy20140414

中央高校基本科研业务费专项资金（ZY20110206）；国家自然科学基金（51308118，51208107）；中央高校基本科研业务费专项资金（ZY20110205，ZY20120103）

2014-07-10

王伟，男，生于1982年。讲师，博士。主要从事岩土地震工程研究。E-mail: wwwiem@163.com