康定Ms6.3级地震斜坡地震动响应监测分析.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 康定 级地震斜坡地震动响应监测分析 贺建先 王运生 罗永红 曹水合 赫子皓 （ 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 ） 摘 要 芦山 地震、 鲁甸 地震诱发了大量的次生山地灾害， 一些学者认为地形放大效应是其中的一个影响因 素， 但目前斜坡地震动响应研究仍然缺乏大量的实测数据支撑。通过在冷竹关两岸斜坡不同部位掘进平硐并放置强震监测 仪器的方法， 对沟谷两岸斜坡地震动响应特征进行研究， 剖面较为完整地记录了康定地震两岸斜坡的地震动响应特征。监测 数据揭示， （ ） 相对于康定姑咱参考站， 位于右岸“ 半岛状” 凸出山梁顶部 监测点的水平和竖直向 放大系数分别达到了 、 ， 阿里亚斯强度最大， 水平东西向比竖直向 频比值达到 ， 卓越周期在低频部分；位于右岸山梁中部 监测点水平和竖直向 放大系数分别达到了 、 ；（ ） 左岸地形坡面起伏较小， 记录的峰值加速度较小， 仅在 坡折部位 监测点有明显的放大， 水平与垂直峰值加速度放大系数分别为 、 ， 各监测点频比存在多个卓越周期， 其 放大效应在高频段更突出；（ ） 近直线型斜坡内（ 及 监测点） 放大效应相对较弱， 且监测洞外侧放大系数大于水平深度较 大的内侧。结果表明冷竹关两岸斜坡存在明显的地形放大效应， 且右岸“ 半岛状” 凸出山脊地形较左岸中高山斜坡地形放大 效应显著。对比芦山地震该剖面放大系数， 揭示了背坡面效应。 关键词 康定 级地震 地形放大效应 冷竹关沟 “ 半岛状” 凸出山梁 地震动响应 中图分类号： 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 中国地调局项目（ ） ， 国家自然科学基金项目（ ） 资助 第一作者简介： 贺建先（ ） ， 男， 硕士生， 主要从事工程地质和地质灾害研究工作 ： 通讯作者简介： 王运生（ ） ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事工程地质方面的教学和科研工作 ： （ （ ） ， ） ， ， ， ： （ ） （ ， ） ， ， ， ， （ ） ， （ ） （ ） ， ， ， ， ， ， ， 引 言 国内外学者从 世纪开始通过汶川地震震后 灾害调查， 地震动监测数据分析， 以及理论模型计算 揭示凸出的地形、 坡角发生剧变的斜坡或单薄山脊、 孤峰式的山体， 在强震作用下会产生地形放大效应， 宏观表现为具有这些特征的斜坡次生山地灾害较一 般斜坡或山体严重。 （ ） 通过对 年 的 地震得到的数据研究表明： 利用频 比法可得到地面运动产生放大效应的频率范围；对 处于不同地质条件的场地和山脊处有明显的地形放 大。 （ ） 对地形放大效应的理论和实 测研究作了总结： 地形放大发生在入射波长与地形 坡宽近似相等时的坡顶处， 入射 波的地形放大效 应低于入射 波的地形放大效应， 波的地形放 大效应比 波的稍强， 当存在相邻山脊时地形放 大效 应 会 有 所 增 加 等。汶 川 地 震 后 罗 永 红 等 （ ） 研究表明沿地震波传播方向斜坡体具有显 著放大效应作用；而且地形尺寸与地震波波长的耦 合作用会使地震波的水平分量显著放大， 在单薄山 脊、 条形山体、 坡型转折部位、 凸出地形等微地貌地 形放大效应明显（ 罗永红等， ） 。芦山地震后 黄润秋等（ ） 对强震区地质灾害研究发现崩塌 源主要分布在陡立谷坡中上部、 突出山嘴等部位。 罗永红等（ ） 对冷竹关地震动响应监测数据分 析得出在强震作用下冷竹关沟右岸的单薄山脊地震 动地形放大效应明显强于左岸中高山斜坡， 且右岸 监测点凸出地形放大效应最明显。温瑞智等 （ ） 也发现局部地形影响是导致记录汶川地震 加速度较大的主要原因。随着计算机的发展以及各 种数值模拟方法的出现， 许多学者通过这种方法得 出了地形放大效应： 祁生文等（ ） 系统地研究了 边坡动力反应的加速度三分量分布规律， 并用其对 锦屏一级水电站左岸高陡边坡进行了动力稳定性分 析， 得到了较为理想的效果。周兴涛等（ ） 通过 软件进行大量数值模拟， 研究发现在坡顶宽 度小于 倍坡高时， 坡顶宽度越小， 山脊越单薄， 加 速度放大效应越强烈；坡顶宽度大于 倍坡高时， 随着坡顶宽度增大， 坡肩加速度放大系数趋于平稳； 双面坡对峰值加速度的放大效应要强于单面坡；坡 顶形状对加速度放大效应有明显影响， 从高到低排 工程地质学报 列依次为： 多峰形 双峰形 单峰形， 坡顶形状越不 规则， 加速度放大效应越强烈。申通等（ ） 研究 也发现具平行坡面陡倾控制性结构面的高陡突出地 形对地震波有明显的放大作用， 加速度可放大 倍 以上。可以看出理论建模和数值模拟分析在定性上 和实地观测值的结果较为一致， 但其理论值较观测 值要小。黄润秋等（ ） 通过芦山地震诱发的大 量山地次生灾害调查发现， 从峡谷两岸的崩塌发育 情况分析， 本次地震崩塌发育具有背坡效应。如芦 山一双石镇北西向峡谷， 左岸（ 背坡， 即与地震波传 播方向一致） 崩塌无论在数量上还是规模上要多于 右岸。上述斜坡破坏特点与研究组斜坡地震动监测 结果吻合， 即地震波强度和地形放大效应是斜坡失 稳的关键因素， 但目前斜坡地震动响应研究仍然缺 乏大量的实测数据支撑。 图 冷竹关斜坡各监测点位置（ 据 ） （ ） 据中国地震台网， 年 月 日 时 分四川省康定县发生 级地震， 震中位置坐标 为： 北纬 ， 东经 ， 震源深度 。成都 理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实 验室依托中国地质调查局项目“ 西南地区重大地质 灾害调查与预警区划” ， 在泸定县冷竹关布设地震 强震动观测常观剖面， 此次地震触发了剖面上的 台强震观测仪， 除谷底 洞和 监测仪未启动外， 其他 个平硐， 台地震监测仪（ 监测点 台） 较 为完整地记录了冷竹关沟两岸斜坡地震动响应数 据。通过滤波和校正处理， 分析记录到的加速度时 程曲线， 求其加速度反应谱， 并根据康定姑咱台站记 录的加速度峰值作为参考， 计算其水平方向和竖直 方向 值放大系数， 结合各监测点的地形特点、 岩性特征等条件分析其产生放大效应的因素。其结 果可为强震区边坡破坏成灾机理、 稳定性评价及治 理提供数据和科学依据。 冷竹关监测剖面数据分析 监测剖面概况 泸定冷竹关强震监测点位于冷竹关沟左右两 岸， 位于大渡河右岸， 为大渡河的一级支流。冷竹关 剖面共设置了 个监测平硐， 其中右岸 个， 左岸 个 （ 图 、 图 ） 。右岸 号及 号平硐分别安置了 和 两个监测点， 左岸 平硐共布设了 个 监测点， 其中 监测点布设了 台监测仪。监测点 选用的仪器为日本应用地震计测株式会所生产的 地震监测仪器， 其基本参数为： 灵敏度 ， 最 大 量 程 （ 为 单 位， ） ， 三分量（ 水平： 、 上下： ） ， 周波数范围： （ ） 。 康定 级斜坡地震动响应数据分析 冷竹关斜坡监测剖面距离此次康定“ ” 地 震震中距离约为 （ 图 ） ， 图中同时也给出了芦 山地震震中及两次地震烈度分布， 从图 不难看出， 冷竹关剖面均位于两个地震度区外侧， 即 度 区， 影响烈度基本相同。此次触发了监测剖面 、 、 、 以及 内侧和外侧共 台监测仪器， 能较 完整地反应冷竹关沟两岸的斜坡动响应， 触发的各 监测点参数（ 表 ） 。其记录的各监测点的时程曲线 （ 图 ） ， 相应的动响应参数特征（ 表 ） 。 书书书 表 各监测点参数值 监测点 编号 高程 震中距 与姑咱参考站 的距离 场地类型 基岩（ 花岗岩） 基岩（ 花岗岩） 基岩（ 花岗岩） 基岩（ 花岗岩） （ 距洞口 ） 基岩（ 花岗岩） （ 距洞口 ） 基岩（ 花岗岩） 根据 、 、 、 、 及 内、 外侧的监测数据， 冷 竹关右岸 监测点记录到的水平和竖直向峰值加 速度最大达到 和 ；左岸 内侧记 录到的水平和竖直向峰值加速度最小分别为 和 。左岸最大水平向和竖直向加速 （ ） 贺建先等：康定 级地震斜坡地震动响应监测分析 图 冷竹关斜坡地震动监测点平面分布图（ 罗永红等， ） 图 监测点与震中关系及烈度图（ 据中国地震局） 工程地质学报 图 各监测点时程曲线 度峰 值 为 监 测 点， 其 水 平 向 和 竖 直 向 分 别 、 。可得右岸水平向加速度峰值是左 岸的 倍， 竖直向加速度峰值是左岸的 倍。 位于相同海拔高度的 监测点， 平硐内（ 水平深度 ） 、 外侧（ 水平深度 ） 的加速度峰值表现为 外侧较内侧大。 于 年提出用地震动过程中单质点弹 性体系所消耗的单位质点的能量（ ， 阿里亚斯强 度） 作为地震动总强度， 从强震动记录的能量角度 来揭示强震动的破坏特性（ 陈国平等， ） 。采用 积分的方法求得相应的阿里亚斯强度 （ 表 ） ， 强 度最大值位于冷竹关右岸的 监测点， 其水平南北 向阿里亚斯强度达到 ， 竖直向也达到了 ；左岸 阿里亚斯强度最大， 其水平东西 向和水平南北向分别为 、 。右 岸水平向阿里亚斯强度最大值约为左岸的 倍， 竖 直向也约为左岸的 倍。右岸 监测点水平向和 竖直阿里亚斯强度约为 监测点的 、 倍。左 岸 监测点水平向和竖直阿里亚斯强度值约为 书书书 表 各监测点地震动参数特征 监测点 编号 最大峰值 加速度 阿里亚斯 强度 主频 外侧 内侧 为 单 位， ， 下 同； 阿 里 亚 斯 强 度： （ ） ， 下文中简称为 监测点的 和 倍； 监测点水平向和竖直向 阿里亚斯强度值约为 平硐内、 外侧监测点的 、 倍；而 平硐内、 外侧监测点的阿里亚斯强度 值几乎相当。故从能量的角度分析可得， 冷竹关右 （ ） 贺建先等：康定 级地震斜坡地震动响应监测分析 岸地震动能量明显强于左岸， 且右岸 监测点能量 较 强。 大地具有滤波吸收的作用， 实测记录到的地震 信号通常近似地表现为正（ 余） 弦波形， 而傅里叶频 谱中包含有频率、 振幅以及初相位不同的谐和成分， 其中最强的谐和波的频率称为主频率， 其对反射波 形态特征影响最大（ 黄德济， ） 。由傅里叶频谱 分析结果可得冷竹关沟右岸 、 监测点的 、 向主频值范围为 ， 向范围为 ， 右岸监测点的水平向主频值和竖直 向主频值无多大的差异。左岸 平硐监测点的 主频值为 ， 主频值为 ， 而 主频 值达到 ； 平硐监测点的 主频值为 ， 主频值为 ， 而 主频值达到 ； 监测平硐内、 外侧的 主频值大小相 当约为 ， 主频值约为 ， 而 主频 值达到 。 加速度反应谱 反应谱的概念最早由 （ ） 基于弹性体系 动力学的理论提出。而后学者 （ ） 对一 些典型的强震加速度进行了处理， 得到了一系列反 应谱曲线。反应谱定义为： 具有同一阻尼比的一系 列单自由度体系的最大反应绝对值与周期的关系， 或者说具有相同阻尼特性的， 但结构周期不同的单 自由度体系， 在某一地震作用下的最大反应， 其本质 上反应的是地震动特性（ 李杰， ） 。根据 水工 建筑物强震动安全监测技术规范 （ ） （ 中华人民共和国国家能源局， ） ， 对记录 的加速度波形数据进行零基线和仪器频率校正后， 分别计算加速度水平和竖直分量在不同阻尼比 （ ， ， ） 下的加速度反应谱 （ 图 ） 。 从各个监测点的加速度反应谱可以得出， 随着 阻尼比的增大， 其加速度响应幅值减小， 阻尼比为 时加速度幅值最大；各监测点的水平向或者竖 向加速度反应谱曲线起伏较为一致， 即表现为在相 同的时间取得加速度振幅值。其结果表明场地介质 的阻尼特性只影响其地震动振幅值， 对地震动过程 特性的影响不明显（ 罗永红等， ） 。各监测点 在不同阻尼比下的水平加速度幅值都大于其相应的 竖直向加速度幅值， 与加速度时程曲线表现一致。 对比位于右岸的 和 监测点的加速度反应谱， 可 得相同阻尼比下 水平向加速度幅值约为 的 倍， 竖直向加速度幅值约为 的 倍；且当阻 尼比为 时， 监测点的加速度幅值仍大于阻尼 比为 的 监测点的加速度幅值， 也同样大于左 岸的所有监测点在阻尼比为 时的幅值。左岸 加速度反应幅值最大仍位于 监测平硐。对比可 得右岸地震响应加速度幅值明显强于左岸， 右岸 监测点幅值明显强于 监测点幅值。 建筑场地的划分一般是以土层的等效剪切波速 和场地覆盖层厚度为准的， 分为对建筑抗震有利、 一 般、 不利和危险的地段。根据反应谱， 得出各监测点 的水平向和竖直向的特征周期值（ 表 ） 。根据 建 筑抗震规范 （ ） 中的场地类别划分 （ 表 ） ， 得 监测点场地类别属于， 而其余监测 点场地类别属于。根据相同的介质和阻尼比的 条件下， 由特征周期值得出 监测点的场地类别较 其余监测点稍微弱， 而其地震动响应的加速度峰值 达到了 ， 明显大于其他监测点。由此可 以得出和罗永红等（ ） 相同的结论： 冷竹关监 测剖面右岸 监测点记录的较高地震加速度峰值 更加受控于场地的地形条件。 书书书 表 各监测点加速度分量反应谱特征周期 监测点 编号 特征周期 水平东西向（ ）水平南北向（ ） 竖直方向（ ） 外侧 内侧 书书书 表 规定的特征周期值（ ） （ ） 设计 地震分组 场地类别 第 组 第 组 第 组 地形放大效应分析 峰值加速度绝对值 放大效应 根据各监测点的加速度峰值， 冷竹关沟右岸监 工程地质学报 图 各监测点加速度反应谱 平硐监测点加速度反应谱； 平硐监测点加速度反应谱； 平硐监测点加速度反应谱； 平硐监测点加速度反应谱； 平硐外侧监测点加速度反应谱； 平硐外侧监测点加速度反应谱 （ ） 贺建先等：康定 级地震斜坡地震动响应监测分析 测点（ 、 ） 的地震动响应明显强于左岸监测点 （ ） ， 且 监测点的水平向加速度绝对值 达到了 （ ） 、 （ ） ， 加速度 绝对值 也达到了 ；左岸 监测点的 也较 和 监测点值大； 外侧加速度绝对值 较内侧大。此次地震 平硐内的仪器灵敏度 较低， 未记录到此次地震。在距离冷竹关监测剖面 距离约为 的康定姑咱地震台站（ 坐标： 东经 ， 北纬 ；海拔： ） 记录到的康定 级地震数据可以作为冷竹关谷底参考点（ 罗 永红等， ） ， 其记录的峰值加速度绝对值 分 别 为 （ ） ， （ ） ， （ ） ， 得冷竹关各监测点峰值加速度绝对值 的放大系数（ 图 ） 。 图 各监测点 放大系数 由图 可得： 监测点的水平向分量放大系数 最大达到 ， 其竖直向放大系数也达到了 ； 监测点的水平向分量放大系数最大也达到了 ， 其竖直向放大系数也达到了 ； 监测点的水平 向分量放大系数最大也达到了 ， 其竖直向放大 系数也达到了 ； 监测点的水平向分量放大系 数最大达到了 ， 其竖直向放大系数为 ； 监 测点内、 外侧的水平分量放大系数在 之 间， 其竖直向却出现了不同程度的衰减。对比得右 岸加速度峰值绝对值（ ） 放大系数明显大于左 岸， 右岸 监测点放大系数大于 监测点， 左岸 监测点放大系数大于 和 监测点， 而 监测点的 放大系数小于 监测点。 水平 竖直分量谱比（ ） 放大效应 水平 竖直分量谱比（ ） 是一种非参考场 方法， 其只需要计算水平向反应谱与竖直向谱的比 值。已有研究表明（ ， ） 其能 较为准确地得出场地的卓越周期， 但其获得的场地 放大效应值与其他方法获得的结果相差较大。对冷 竹关监测数据进行谱比 分析， 各监测点的水 平南北向和东西向谱比曲线（ 图 ） 。 由 分析结果 （ 图 ） 可得冷竹关沟右岸 和 监测点的卓越周期在 ， 两者在相同的卓 越周期下 监测点的放大系数明显大于 监测点， 达到 ， 此两个监测点的 放大系数均大于其 放大系数。左岸的 监测点都出现了不止 一个卓越周期； 监测点的两个卓越周期分别在 、 左右， 且在高频卓越周期放大系数取较大 值 ； 监测点的两个卓越周期分别在 、 左右， 且在高频卓越周期放大系数取较大值 ； 外侧监测点的卓越周期集中在 和 两个频段， 内侧监测点的卓越周期集中 在 和 ， 且两者都在高频段取得较大 的放大系数。可得出右岸放大效应在低频段较明 显， 且随着高程的增加， 其场地的地形放大效应有逐 渐增加的趋势；左岸放大效应响应的基础频率较 高， 多在 以上， 其 监测点的放大效应最强， 和 监测点的地形放大效应并没有随高程的增加 而增强。 现场调查右岸为“ 半岛状” 凸出山脊地形， 最高 海拔约为 ；左岸为浑厚的山体， 与大渡河的 右凹岸相连， 高差达到 ， 为典型的中高山斜坡 地貌。右岸 监测点位于“ 半岛状” 凸出山脊的顶 部， 监测点位于山脊的中部；左岸 监测点位于 斜坡坡度由陡转缓的过渡带， 和 监测点则位于 直线型斜坡中部。根据峰值加速度绝对值（ ） 和水平 竖直分量谱比（ ） 放大效应得出以下 规律： （ ） 右岸“ 半岛状” 凸出山脊地形较左岸中高 山斜坡地形放大效应明显；（ ） “ 半岛状” 凸出地形 顶部的地形放大系数最大， 中部次之， 底部最小； （ ） 左岸斜坡坡度由陡变缓部位地形放大效应明 显， 过渡部位次之， 近直线型斜坡放大效应相对较 弱。对比 和 监测点数据， 海拔相对较高的 监 测点的放大系数比海拔较低的 监测点小， 原因是 平硐外侧的仪器距离洞口的距离达到了 ， 其 加速度峰值出现了坡面向内水平方向的衰减。故在 强震区相同烈度条件下， 宏观的地形特征是影响边 坡稳定性的重要因素， 其会对加速度峰值进行不同 程度的放大， 最终导致同一斜坡不同部位出现不同 的震害。这也和罗永红等（ ） 对汶川地震后地 工程地质学报 图 各监测点谱比（ ） 响应曲线 图 康定地震与芦山地震加速度峰值放大系数对比图 质灾害的研究成果相一致： 低山及丘陵地区震害通 常在山顶或山脊加重， 山顶以下斜坡破坏较少；中 高山峡谷地区， 震害通常出现在岸坡的坡度陡变部 位， 多面临空的山体， 沟 脊 沟相间的山脊、 山嘴两 侧等地形。 与芦山地震对比分析 据中国地震局提供的芦山地震和康定 级地震烈度图 （ 图 ） ， 冷竹关监测剖面在两次地震 中的烈度均为 度区。冷竹关剖面坡面倾向东， 芦 山地震震中位于剖面东侧， 而康定地震震中位于剖 面西侧， 就地震波传播方向而