近水平岩层阶状斜坡地震动响应特征分析*

2022-05-11毕杨杨王运生王国康

工程地质学报 2022年2期

毕杨杨王运生苏毅王国康周粤向超

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059，中国)

0 引言

近年来，随着斜坡地震动响应研究的深入，发现地形、介质对地震波存在放大效应，并且了解到影响地形放大效应的要素，如：地形起伏、第四系覆盖层类型和厚度、入射波类型、入射角等(刘洪兵，1999)。王运生等(2009，2017)对汶川大地震产生的典型地震高位滑坡体结构特征进行探讨后发现，在强震作用下，地震波会使坡体中的裂隙贯通，从而导致坡体失稳，且高位陡峭的地形对地震波的放大效应显著，最终导致坡体上部“外软”岩体近水平或斜向上抛射，形成特有的地震高位滑坡。黄润秋等(2013)通过对芦山7.0级地震次生山体灾害研究发现，崩塌主要发育在地震波传播方向与陡立谷坡坡面走向一致的坡体中上部。贺建先等(2015)通过对康定6.3级地震收集数据分析，进一步证实了坡体失稳跟地震波传播方向和坡面倾向存在着必然联系。侯红娟(2013)通过振动台试验发现，对斜坡体施加一定强度的地震力，硬岩斜坡最先在坡体后缘产生裂隙，随着地震作用的加强，裂隙的长度和张开度逐渐变大，直到地震强度增加到一定值，在坡顶出现一条贯通的拉裂缝，从而发生失稳破坏。申敏等(2007)研究发现，水平层状的岩质边坡较为稳固，稳定性与斜坡的坡角和坡高的大小成负相关，坡脚的变形破坏较晚于坡顶，坡顶破坏的原因是水平拉应力作用在坡顶部位形成了上宽下窄的张裂隙。罗永红(2011)通过对龙门山和邻近地区振幅不小于30 gal的汶川地震波采集数据进行分析发现，发震断裂的逆冲作用对其上盘竖向能量贡献突出，对震害发育的“上盘效应”具有显著贡献；“内硬外软”岩性组合与“内软外硬”组合进行对比发现，前者动力响应比后者大，地震动放大系数普遍达到5倍，在强震作用下，“内硬外软”岩性组合动力响应最为强烈。李秀珍等(2010)通过对汶川地震山体灾害调查发现，发生在以砂岩、泥岩、板岩等代表的软岩斜坡中的滑坡山体灾害占滑坡总数的约38%，大于硬岩类斜坡占滑坡总数的15%左右。万子轩(2020)通过谱元法数值模拟技术研究发现，斜坡地形对地震动持续时间与幅度有明显的放大效应，且放大效应具有明显的方向性。

前人研究斜坡地震动响应主要集中在高山峡谷区，相对而言监测点与震中相隔远，地震波在基岩传播过程中必会发生不同程度的衰减(王荐霖等，2018；辛聪聪等，2018；金刚等，2019；李宗超等，2019；王运生等，2019)，且研究对象大多数为中强震。本文研究区位于宜宾市珙县南侧中低山区，这里是沉积岩分布区，岩层近水平，地貌呈现出侵蚀台地阶状斜坡普遍发育，阶状斜坡是指由于地壳抬升，河流下切形成的阶梯状斜坡，它在川南及川东具有代表性。长宁地震后，区内余震频发(表1)，本文根据所采集的这些典型余震地震波，主要分析了岩土体介质、高程、陡崖、微地形地貌等因素对斜坡地震动力响应峰值加速度、Arias强度的影响，研究了近水平岩层侵蚀台地阶状斜坡放大效应及其影响因素。其研究结果对地震区斜坡变形破坏模式、稳定性研究和陡崖附近崩塌灾害提供可靠的科学参考依据，为珙县地区频繁余震的斜坡地震动响应规律研究奠定基础。

表1 长宁地震典型余震基本信息

1 监测点布置及监测方法

珙县位于四川省雅安市宜宾县南部，是四川盆地与云贵高原的过渡地带，地处亚热带季风气候区，大雨、暴雨主要集中在6～9月份，年降雨量约1160 mm。如图1所示，地震监测点布置在宜宾市珙县五同村的斜坡地带，村庄西侧为北北东走向的沟谷，沟内主要为三叠系紫红色砂岩形成的高陡坡，村庄东侧为高约100 m的三叠系砂岩与灰岩形成的近直立崖壁，地貌上构成两级侵蚀台地(岩层近水平的阶状斜坡)，侵蚀台地南北向长约5.3 km，东西向宽约2 km。如图1a所示，监测剖面共设置了3个监测点，剖面方向(测点连线方向)为SW122°。由剖面图1b可见，1#监测点布置在一级台阶上，作为斜坡地震动响应研究的基准点；2#监测点布置在二级台阶陡崖附近，3#监测点布置在二级台阶中后部，通过这两个监测点与1#监测点以及这两个监测点之间的实测地震动相应的比较，揭示斜坡地震动响应的特点和影响因素。

图1 五同村地震监测点布置剖面地质图(a)及斜坡地质构造示意图(b)

图2所示为地震监测点所在区域的地层及断裂展布情况。地震监测点布置剖面中紫红色砂岩属三叠系下统飞仙关组(T1f)，薄层-中厚层，岩层产状近于水平，风化程度为强-弱风化，岩体较破碎，节理裂隙发育，风化层厚度不大。岩体中主要发育3组节理：J1，产状为235°∠73°，3条/2 m，张开较大，泥质充填；J2，产状320°∠67°，4条/2 m，未张开，无填充；J3，产状200°∠48°，未张开，无填充。上部岩层为三叠系铜街子组(T1t)以中厚层灰色、灰白色灰岩为主，岩层产状近于水平，风化程度为强-中风化，岩体较为破碎，节理裂隙较发育，主要发育有3组节理：J1，298°∠86°，7条/2 m，微张开，无填充，延伸性较差；J2，209°∠58°，1条/2 m，未张开，无填充，延伸性好；J3，117°∠89°，2条/2 m，未张开，无填充。

图2 地震监测点所在区域地层及断层分布图

表2 监测点所在位置场地属性

2 监测数据分析

依据中国地震台网资料，2020年9月6日11时39分四川省宜宾市兴文县发生MS3.1级地震，震中位置坐标为：北纬28.3°，东经104.94°，震源深度14 km，到五同村地震监测剖面的震中距为12.5 km(图2)。此次地震触发了五同村监测剖面1#、2#和3#监测仪器获得了这次地震的地震动时程记录数据(表3)。

表3 监测点地震动加速度时程曲线

采用Seismosignal软件对监测点所收集的数据进行分析，得到监测点的地震动加速度时程曲线(表3)及其傅里叶振幅谱(表4)。

表4 监测点地震动时程傅里叶振幅谱

由表3所示的地震动加速度时程曲线可见，此次地震具有持续时间短、震动幅度小等特点。从1#、2#、3#监测点的地震时程曲线可知，位于一级台阶的1#监测点(参考点)的三向加速度值均小于剖面上高程较大的二级台阶监测点。位于二级台阶近陡崖处的2#监测点与中后部的3#监测点水平距离约370 m，高程仅相差11 m，3#监测点地震动在水平向的加速度均大于2#，但是2#监测点竖直向的地震动加速度大于3#监测点，2#监测点竖直向的地震动加速度为0.038 gal，3#监测点竖直向地震动加速度减小到0.022 gal。监测点时程曲线均为明显的双峰型，监测点离震中仅为12.5 km，地震波在岩体传播过程中能量损失较小，且S波传播速度略小于P波，所以能在较短的时间内清晰地同时记录到两种波的时程曲线。

3 地震动加速度反应谱

反映地震动强度和其频谱特性是地震反应谱的本质，它从动力特性沿着频率方向移动的单质点体系动力最大反应这个特殊思维来解释地震动特性的，而不是具体的结构特性(李杰，1993)。对采集的地震动加速度数据进行相关校正后，分别计算三分量在5%、10%、20%的阻尼比下的地震动加速度反应谱(表5)。

表5 监测点地震动加速度反应谱

4 地震动放大效应分析

以一级台阶处1#监测点为参考点进行对比，从而分析地震波在不同高程和介质中的放大效应，各监测点参数特征见表6和表7。

高程放大效应：通过监测点地震动响应参数特征表可知，与参考点相比，监测点在东西、南北、竖直向上的地震动加速度放大系数均大于1.00，2#和3#监测点大体上表现为竖直向放大系数最大，分别为2.92、1.69；东西向放大系数普遍偏小，为1.13、1.25；南北向中等，且水平向增值随着高程的上升呈现出不同数值的增大现象。根据表6和表7，对比两处侵蚀台地监测点的地震动PGA、Arias强度放大系数，发现当地震动PGA放大系数大于1.00时，其所对应的地震动Arias强度放大系数也均大于1.00。研究表明，在地震荷载作用下，在一定的斜坡高程范围内，斜坡地震动响应放大系数随着高程的增加而增大。

表6 监测点地震动峰值加速度放大系数

表7 监测点地震动Arias强度放大系数

近陡崖放大效应：2#与3#监测点水平距离相距370 m，高程相差11 m，进行比较发现，两者水平向地震动PGA相差无异，但是其竖直向地震动PGA与Arias强度相差极大，2#监测点竖直向地震动PGA和Arias强度分别为3#监测点的1.73、2.20倍，表明地震动响应随陡崖向坡体内部呈现出明显的衰减趋势。平台内部的3#监测点地震动AI普遍小于近陡崖的2#，原因为2#监测点西侧为近陡崖部位，这里卸荷强烈，且泥质充填的张开度垂直节理和卸荷裂隙发育，约束条件差；而3#监测点位于平台内部，四周均无临空面，约束条件好(刘勇，2016；郑光等，2018)。

对于节理、裂隙的充填物而言，不管是松散的岩土体或空气，还是固结的岩石层，节理的充填物密度及其强度等特性通常弱于岩体的相关特性，地震波在节理面和裂隙面处发生反射与透射，使地震波在岩体中的传播受到阻碍，地震波能量在节理面发生大量损耗，被其岩体吸收。当节理与裂隙张开度较大时，地震波会在此处发生绕射，地震能量衰减较为严重，当无法发生波的绕射时，地震波的传播终止，其地震波能量全被岩土体吸收；当节理的宽度趋向于无限小时，地震波在节理与岩石的交界面之间的反射次数趋于无穷大，节理对地震波的传播阻碍作用可以忽略不计，表明地震波能量衰减与节理、裂隙的张开度成正比。2#监测点节理的张开度较大、以泥质充填为主，对地震波传播的阻碍作用较强，地震波能量被耗散于节理与岩体中，Arias强度值偏大；3#监测点节理张开度极小，对地震波的阻碍传播作用较小，地震波能量耗散较小，导致Arias强度偏小。

微地形持时放大效应：微地形条件对边坡的发育及地震力作用下的稳定性存在重要的影响，王荐霖等(2018)认为山顶地震动持续时间比山脚和山腰显著增长，且对加速度的放大作用都存在差异。通过加速度时程曲线图，发现一级台阶的1#监测点地震波持续时间约为5.22 s，二级台阶内部的3#监测点持续时间约为6.50 s，比较发现，3#监测点的持时为1#监测点的1.25倍，且峰值加速度缩小倍数较大。1#监测点处于凹陷的微地形之中，凹陷微地形则会在地震波反射过程中出现发散的现象；3#监测点处于凸起的微地形之中，凸起微地形对地震波有汇集的现象。这也是3#监测点加速度振幅值及其放大系数大于1#监测点的原因之一。并与长宁县登云亭地震监测剖面所记录的珙县MS5.4级(王运生等，2019)和MS4.6级地震监测数据相比，均存在明显的微地形持时放大效应且随着震级的增大，其放大倍数愈大，表现为MS5.4级地震微地形持时放大1.46倍，MS4.6级地震微地形持时放大1.38倍。3次地震较好地说明凸起微地形处地震波汇聚和凹陷微地形处反射波发散。