山脊地形效应的强震动观测研究

周港圣,周 游,周正华,魏 来 ,魏 鑫,沈欣茹,陈 珍

(1.南京工业大学 交通运输工程学院,江苏 南京 210009;2.中国地质调查局 国土资源实物地质资料中心,河北 三河 065201;3.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550001;4.黑龙江中医药大学附属第一医院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

局部不规则地形引起地震波的散射与绕射,导致地震动放大或衰减的现象称为地形效应。已有研究表明,山峰、山脊之类的不规则地形会显著地影响地震动的峰值和频率特性[1-3],在地震作用下小山包顶部的地震动峰值加速度放大现象明显[4-8]。破坏性地震的宏观震害调查显示,山顶部的震害高于山脚和平坦场地。1970年云南通海地震中,孤立突出的地形(小山包、山梁和地势高出地面30 m以上的台地)其震害都明显较重,地震烈度较附近平坦场地偏高0.5度～1.0度,表明复杂地形对震害分布具有重要的影响[9];1974年云南永善—大关发生MS7.1地震,位于山脊上的卢永湾受损严重[10];2008年汶川地震中,位于山脊平台上的青川县木鱼镇中学校区(其位于汶川地震主震中孤立突出的山脊地形)引起了显著的地震动放大,导致学校教舍产生严重破坏[11]。强震动地形效应观测亦表明,山脊地形对地震动具有显著的影响[12-13],1994年Northridge地震,在Tarzana山顶记录到加速度峰值达1.82g,引起此处建筑物严重破坏[14]。唐晖等[15]、杨宇等[16]分别利用HVSR法和传统傅里叶谱比法结合自贡地形影响台阵获得的汶川主震强震动记录,分析了山脊地形对地震动的影响,但由于分析时选择的参考点为非基岩自由场点,其谱比低估了地形的放大效应。孙崇绍等[17]分析了汶川地震流动观测中布设在甘肃文县县城附近山包上不同高度的流动台站获得的余震记录,得到了地形对地表峰值加速度影响显著的结论,但其参考点为位于山洞内的观测点,从而高估了地形放大效应。因此,在对山脊地形场地的工程结构进行抗震设计时,应合理考虑山脊地形效应[18-20]。

目前,研究地形效应的主要方法有强震动观测法、解析法和数值法,其中解析法和数值法多基于不同的假定,其模拟结果仅能反映一定条件下的地形效应;强震动观测是最直接、最有效的方法之一,但由于地形效应台阵较少且获得的数据更少,使这一分析方法受到了一定的限制。庆幸的是在汶川地震主、余震中获得了多组强震动加速度记录,为开展地形效应影响提供了宝贵的实际记录。本文对布设在自贡西山、江油窦团山及青川三锅山的地形效应观测台阵获得的多组汶川地震主、余震三分量加速度记录进行了处理,得到了各观测点的加速度峰值和加速度反应谱,并据此进行了分析对比,以揭示山脊地形对地震动的影响特征。

1 地形效应观测台阵及加速度记录处理

1.1 地形效应台阵

本文利用的强震动加速度记录是由位于四川省自贡市西山、江油市窦团山及青川县三锅山的三个地形效应观测台阵在汶川地震主、余震中获得的,各台阵观测点布置如图1所示。自贡西山地形效应观测台阵(以下简称自贡台阵)由8个观测点组成,分别位于山顶、山坡、山脚及山底较平坦场地(被视作自由场)。江油窦团山地形效应观测台阵(以下简称窦团山台阵)和青川三锅山地形效应观测台阵(以下简称三锅台山阵)均由2个观测点组成,分别位于山顶和山脚。在3个地形效应观测台阵中各观测点均安装一套三分量数字强震加速度仪,每个加速度仪内置有两水平分量力平衡式加速度计(EW和NS)和一个垂直分量力平衡式加速度计(UD)。地形效应观测台阵配置的强震动加速度仪为美国Kinemetrics公司生产的Etna型数字强震动加速度仪,具有18位分辨率,动态范围为108 dB @200 SPS,内置力平衡式加速度传感器(型号:EpiSensor)频带为DC-200 Hz。

图1 目标山体剖面及观测点位置示意图Fig.1 The cross-section of target ridges and position of observation points

1.2 台阵场地条件

自贡台阵布设于自贡市西山场地上,山体走向北东,场地效应台阵沿北坡布设,坡度约30°～40°;窦团山台阵布设于江油市窦团山,山体走向北东,场地效应台阵沿南坡布设,坡度约40°～50°;三锅山台阵布设于青川三锅山,山体走向北西,台阵沿北坡布设,坡度约20°～30°。三个场地地表均覆盖有较薄的风化岩层,在观测点布设仪器时,对薄风化岩层进行了处理,因此,各山脊地形场地均可视为基岩场地。由图1所示的山脊地形剖面可计算得到三个地形效应观测台阵山顶观测点与山脚观测点的相对高差分别约为72 m、87 m和63 m。

自贡台阵是十五“中国数字地震观测网络项目”国家数字强震台网的自贡地形影响专用台阵,于2007年建成运行,属于基岩场地的固定观测台阵。汶川地震后,地震震害科考期间选择在四川省江油市窦团山及青川县三锅山开展地形效应强震动流动观测,所建立的窦团山台阵和三锅山台阵亦为基岩场地的地形效应流动观测台阵。

在汶川地震中,距离震中225.6 km的自贡台阵获得了8组三分量波形完整的加速度记录,而窦团山台阵和三锅山台阵分别获得的3次余震的12组三分量波形完整的加速度记录,其为研究山脊地形对地震动的影响提供了宝贵资料。在此值得说明的是,自贡台阵观测点1原为基岩自由场地观测点,后因地方建设原观测点场地被占用需迁移,迁移期间临时布设在西山山脚附近建筑物内,且仪器安装在建筑物内的木地板上,可见观测点1并非为分析场地效应而安装布设于此。鉴于此,本文将不以自贡台阵观测点1为参考点进行相关地形效应分析。

1.3 数据处理

自贡台阵、窦团山台阵和三锅山台阵各观测点加速度强震仪所记录的原始记录是电压[V(t)]信号数据,需依据仪器灵敏度1.25 V/g将电压信号数据转变成加速度数据a(t)。由于仪器安装的非水平和温度的影响,加速度记录不可避免地存在一定的零位漂移,为了这种影响,对原始加速度记录a(t)进行了零阶基线校正。具体处理步骤如下[21]:

(1) 首先对记录进行滤波,有效频带确定为0.05～100 Hz;

(2) 计算事前时间内的加速度记录平均值a0;

(3) 从原始加速度记录a(t)减去事前记录平均值a0。

经处理后即可得到三个地形效应观测台阵各观测点的加速度时程,并据此计算得到其各观测点的峰值加速度及相应峰值比。定义自贡台阵峰值比为观测点3～8与测点2的峰值加速度比,窦团山台阵和三锅山台阵峰值比为山顶测点2与山脚测点1的峰值加速度比,各台阵观测点峰值加速度及相应峰值比计算结果列于表1～2。依据表1峰值加速度一栏绘制得到了图2所示的峰值加速度随自贡台阵观测点2～8的变化趋势,以描述峰值加速度随地形的变化特征。

图2 自贡台阵测点2～8地面峰值加速度Fig.2 PGA of point 2-point 8 at Zigong array

表1 自贡台阵各观测点地面峰值加速度及峰值比Table 1 Peak ground acceleration and peak ratio of acceler- ation at each observation point of the Zigong array

此外,利用经零阶基线校正后的这三个地形效应观测台阵各观测点的加速度时程计算得到其各观测点的加速度反应谱,继而计算得到了自贡台阵观测点3～8与观测点2的反应谱比(图3)及窦团山台阵山顶测点2与山脚测点1的反应谱比(图4)和三锅山台阵山顶测点2与山脚测点1的反应谱比(图5)。

图3 自贡台阵测点3～8与测点2的加速度反应谱比Fig.3 Acceleration response spectra ratios of point 3-8 to point 2 at Zigong ratio of acceleration array

图4 窦团山台阵山顶观测点2与山脚观测点1加速度反应谱比Fig.4 Acceleration response spectra ratios of point 2 to point 1 at Doutuan mountain array

图5 三锅山台阵山顶观测点2与山脚观测点1加速度反应谱比Fig.5 Acceleration response spectra ratios of point 2 to point 1 at Sanguo mountain array

2 数据分析

2.1 自贡台阵

由图2所示,无论是水平方向还是垂直方向,山坡上和山顶上测点加速度峰值均大于山脚测点的峰值加速度,并未呈现加速度峰值随地形的升高而增加的趋势,定性分析可能是由于受测点附近微地形影响所致,但这种趋势在垂直分量上不明显。由表1可知,山坡与山顶上水平方向的放大效应明显大于垂直方向,东西向峰值加速度放大系数最大为1.77,南北向为1.72,而垂直向为1.34。此外,自贡台阵同一测点两水平方向峰值加速度和放大系数亦有差异,表明地形对地震动峰值加速度的影响具有方向性。

由图3所示，无论是水平向还是垂直向自贡台阵谱比均为周期相关,且水平向谱比明显大于垂直向,东西向与南北向谱比变化趋势大致相同,但东西向谱比较南北向谱比略高。由图3(a)可见，东西向0.01～0.03 s、1.0 s以上周期范围内谱比变化平缓,0.01～0.03 s周期范围内谱比1.2～1.8,1.0 s以上谱比为0.8～1.2,测点7谱比最大,测点3谱比最小,其中1.0 s以上周期范围内测点3谱比小于1;0.03～1.0 s周期范围内谱比变化较明显,谱比不1.0～3.4,测点7谱比最大,测点3谱比最小;对于同一周期,谱比变化趋势与峰值变化趋势一致。由图3(b)可见，南北向0.01～0.045 s、0.7 s以上周期范围内谱比变化平缓,0.01～0.045 s周期范围内谱比为1.1～1.7,测点8谱比最大,测点3谱比最小,0.7 s以上周期范围内谱比为1.0～1.2,测点7谱比最大,测点3谱比最小;0.045～0.7 s周期范围内谱比变化较明显,谱比为0.8～3.2,0.045～0.12 s周期范围内测点8谱比最大,测点3谱比最小,0.12～0.7 s周期范围内测点7谱比最大,测点3谱比最小,其中测点3当周期为0.1 s与0.45 s时、测点4周期为0.6 s时谱比小于1。从图3(a)、(b)可知，南北向谱比随周期的变化特征与东西向存在一定的差异，但对于同一周期,谱比变化趋势与峰值变化趋势一致。

通过水平向谱比分析可以看出,自贡台阵各测点谱比亦存在方向上的差异。

相较于水平向,竖向谱比[图3(c)]变化则比较平缓,在0.01～0.03 s、0.7 s以上周期范围内谱比变化平缓,0.01～0.03 s周期范围内谱比为1.1～1.4,0.7 s以上周期范围内谱比为1.1～1.2,均表现为测点7谱比最大,测点3谱比最小,0.03～0.7 s周期范围内谱比变化较明显,谱比为0.8～2.0,测点7谱比最大,0.03～0.1 s周期范围内测点3谱比最小,0.1～0.7 s周期范围内测点8谱比最小,测点3、测点5及测点8在一些周期范围内谱比小于1。

2.2 窦团山台阵与三锅山台阵

由表2列出的窦团山台阵和三锅山台阵的地面峰值加速度及峰值加速度比可知,其地形效应明显区别于自贡西山的地形效应,表现为山顶相对于山脚地震动有放大亦有减小,水平向地震动总体大于竖向,两水平向也有一定的差异,不同地形的地震效应亦有差异。窦团山台阵东西向最大放大倍数为1.09,南北向为1.41,竖向为1.12。三锅山台阵东西向最大放大倍数为2.40,南北向地震动均减小,竖向最大放大倍数为1.52。

表2 窦团山台阵及三锅台台阵各观测点地面峰值加速度及峰值比Table 2 Peak ground acceleration and peak ratio of acceleration at each observation point of the Doutuan mountain array

如图4所示，窦团山台阵对于3次地震，无论是水平向谱比还是垂直向谱比均周期相关,两水平向谱比随周期(0.01～20 s)变化趋势相近：谱比首先呈现平缓变化,继而逐渐上升转为逐渐下降,随后逐渐上升并转为逐渐下降,谱比呈现双峰状;然而各谱比峰值区对应的周期范围存在差异,东西向周期范围为0.04～0.1 s、0.3～1.2 s,南北向周期范围0.06～0.15 s、0.2～1.2 s。与水平向谱比不同,竖向谱比呈三峰状,对应的周期范围为0.04～0.07 s、0.1～0.4 s、0.45～1.2 s。

对于东西向谱比,除EQ.1在0.08～0.2 s周期范围内与EQ.2与EQ.3谱比明显不同外,其余周期范围内,3次地震的谱比较接近,尤其是EQ.2与EQ.3的谱比在分析周期范围内基本接近;EQ.1谱比在0.05～0.08 s、0.4 s以上周期范围内大于1,其余周期范围内谱比小于1;EQ.2与EQ.3谱比在0.06～0.17 s、0.3 s以上周期范围内大于1,EQ.3谱比在0.01～0.04 s周期范围内、EQ.2谱比在0.02～0.04 s周期范围内亦大于1；对于南北向谱比,除EQ.3在0.01～0.3 s周期范围内与EQ.1与EQ.2谱比明显不同外,其余周期范围内,3次地震的谱比较接近,然而EQ.1与EQ.2的谱比在分析周期范围内基本接近;EQ.3南北向谱比在0.25 s以上周期范围内大于1,其余周期范围内谱比小于1;EQ.1与EQ.2谱比在0.01～0.13 s、0.25 s以上周期范围大于1。

对于竖向谱比,除EQ.1在0.01～0.2 s周期范围内与EQ.2与EQ.3的谱比明显不同外,其余周期范围内3次地震的谱比较接近,但EQ.2与EQ.3的谱比在0.03～0.08 s以外的周期范围内基本接近;EQ.1东西向谱比在0.2～0.3 s、0.50 s以上周期范围内大于1,其余周期范围内谱比小于1;EQ.2谱比在0.03～0.07 s、0.10 s以上周期范围大于1,其余周期范围内谱比小于1;EQ.3谱比在0.01～0.02 s、0.03～0.05 s、0.1～0.3 s、0.5 s以上周期范围大于1,其余周期范围内谱比小于1。

由图5所示，三锅山台阵对于3次地震,无论是水平向谱比还是垂直向谱比均周期相关,EQ.4两水平向谱比随周期变化趋势基本相近,且竖向谱比随周期变化趋势与水平向相似,呈现先逐渐上升继而逐渐下降,随后逐渐上升再逐渐下降的趋势,表现为双峰状;然而,EQ.5与EQ.6两水平向和竖向谱比随周期变化趋势基本相近,先平缓变化继而逐渐上升,随后逐渐下降再缓慢变化,表现为谱比单峰状,只是各峰区对应的周期范围略有差异。东西向的谱比和竖向的谱比均较南北向的谱比大,但竖向谱比最大值较东西向的大。东西向谱比大于1的周期范围较宽,竖向的次之,南北向的最窄。相对EQ.5与EQ.6,EQ.4谱比大于1的周期范围较宽。

3 结论

本文以自贡台阵、窦团山台阵及三锅山台阵在汶川地震主、余震中获得的三分量地震动加速度时程为数据基础,分析了山脊地形对地震动的影响,获得以下几点主要认识:

(1) 对于自贡台阵,无论是水平向还是竖向地震动加速度,山坡和山顶测点加速度峰值均大于山脚测点的加速度峰值,但未呈现加速度峰值随地形的升高而增加的特征。定性分析认为是由于测点附近微地形影响所致,这一特征主要体现于水平向地震动,而竖向地震动不明显。山坡与山顶水平向的放大效应明显大于竖向。无论是水平向还是竖向谱比均周期相关,且水平向谱比明显大于竖向,东西向与南北向谱比变化趋势大致相同,东西向谱比较南北向谱比略高。然而同一测点两水平向的峰值加速度、峰值比及谱比亦有差异,表明了地形效应的方向性。

(2) 对窦团山台阵和三锅山台阵的地面峰值加速度及峰值加速度比分析表明,类似于自贡台阵水平向地震动总体大于竖向,两水平向地震动也有一定的差异,但其地形效应明显区别于自贡台阵,表现为山顶地震动相对于山脚并非总是放大,亦有减小,说明不同地形的地震动效应亦有差异。

(3) 加速度反应谱比最大值较峰值比大,谱比大于1.0对应的周期范围较谱比小于等于1.0周期范围宽。

(4) 自贡台阵、窦团山台阵和三锅山台阵所表现的地形对地震动峰值加速度和反应谱的影响并非山脊上观测点都呈现放大特征,且对于不同方位的地震,其地形效应亦存在差异。