高地震烈度區地震動力響應邊坡高度效應研究

周馳詞，吳昊宇，張秋霞

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都610041)

我國西南地區輸電線路多從高地震烈度區穿過，主要在崇山峻嶺中走線，塔位所處地形陡峻，地質構造復雜，地形地貌條件惡劣。2008年5月12日，川西北龍門山斷裂帶發生了震驚中外的“汶川8.0級特大地震”，地震震中烈度為11度。2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震，震中烈度為9度。2次地震均為高烈度地震，給該區電網工程造成了極大的破壞。

目前地震作用下邊坡動力響應研究的方法最常用的是物理模擬方法和數值模擬方法。物理模擬方法有離心機振動臺試驗、震動臺試驗及爆破試驗[1]，主要采用均質巖質邊坡、層狀邊坡、基覆邊坡、不同巖性組合邊坡、不同形態邊坡的模型[2-8]，改變坡高、坡度、坡向，通過輸入不同地震波類型、頻率和振幅，研究邊坡的地震動力響應特征。而隨著計算機技術的逐步發展，多數學者[9-11]對邊坡動力反應的位移、速度、加速度三量分布規律進行了大量的數值模擬，研究了邊坡動力反應三量在邊坡剖面上的分布規律及影響因素，并對變形破壞機理進行了初步探討[12-14]。

以往工作主要針對低烈度區采用水平地震波進行研究，得出邊坡地震動峰值加速度放大系數順坡面向上單調增大，但對強震區震害調查及地震剖面監測數據整理發現，地震動峰值加速度放大系數隨坡高并不是單調增大，而是選擇性地放大。本文基于汶川震區輸電線路場地破壞調研成果，建立強震區陡坡地形帶場地概化模型，考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，進行場地地震效應的數值模擬，從剪應變增量和邊坡動力峰值加速度放大系數2個方面探討強震區地震動力響應邊坡高度效應，并確定不同坡高的臨界變化高度，用以指導輸電線路路徑選擇及塔位選址。

1 邊坡動力分析模型及參數選取

1.1 計算模型與邊界條件

通過對汶川地震、蘆山地震震害資料的收集，基礎(以樁基礎為主)的震害與場地震害相比相對較少，主要是由于樁基的震害破壞往往是受場地及地基形式的影響，其對周圍環境比較敏感，尤其在西南高陡邊坡，地震作用下，場地最容易出現失穩破壞，基礎本身在地震中受到的損傷極少。根據地貌類型不同，震害主要發育在高中山斜坡中上部(占震害總體的33.33%)，坡度主要為26°～35°，占災害發育總數46%。

綜合上述調研成果，運用FLAC3D軟件建立陡坡的概化模型。將基準方案中模型邊界按照文獻[15]建議進行建模。本構模型和屈服準則分別采用理想彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb強度準則。首先假定坡體由同一種均質材料構成，坡度45°，地震波入射方向與坡面方向相同，改變坡高，了解坡高變化對邊坡動力反應規律的影響。

然后針對西南地區常見邊坡巖土體類型來改變坡體材料，重復上述坡高的變化過程，了解巖土體材料對邊坡動力反應規律的影響。具體方案見表1。巖土體參數見表2。基準模型見圖1。底部邊界約束位移，頂部邊界為自由邊界；側向邊界設定水平向為位移約束；地震力作用時模型周圍邊界選取自由場邊界，自由場網格的不平衡力施加到主體網格的邊界上。

表1 模擬方案

為了便于表達，將加速度放大系數η定義為坡內任意一點E的動力反應加速度峰值與坡腳C點加速度峰值AC的比值，該點的加速度放大系數就可以表示為式(1)。

表2 物理力學參數

圖1 基準模型示意

η=AE/AC

(1)

在模型中截面的坡面線上，從坡腳起，每隔一定距離高程設置一個監測點，50 m坡監測點見圖2，100 m、200 m、300 m坡中h分別為10 m、20 m、30 m，根據具體情況可加密監測點。

圖2 50m高邊坡監測點布設

模型中加速度以與坐標軸正向一致為正，反之為負；應力以拉應力為正，壓應力為負，剪應力正向的約定與彈性力學中一致，后續計算相同。

1.2 地震波確定

由于汶川地震發生在地形條件極為復雜的中、高山地區，地面振動響應極為強烈，本文主要研究高地震烈度區陡峻邊坡場地的地震效應，根據中國地震烈度表(GB/T17742)[16]的相關內容，高地震烈度為Ⅵ-Ⅹ度，加速度峰值為0.45～14.1m/s2，速度峰值為0.06～1.41m/s，具體見表3。

因此，選取汶川臥龍臺地震波作為動力加速度輸入計算，且地震產生的垂向峰值加速度基本等于水平向峰值加速度，為此本次計算考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，采用SeismoSignal對地震波進行濾波及截取處理。計算地震波截取地震作用歷時25 s，單位時間步長0.02 s ，處理后時程波形見圖3，濾波后水平/豎向地震波加速度在10.05 s時達到最大值6.08g。

表3 中國地震烈度表(GB/T17742)(節選)

圖3 地震波加速度時程曲線

2 剪應變增量云圖

利用三維數值計算得出的剪應變增量，即考慮了土體內部的應力應變關系、邊坡破壞的發生和發展過程和應力歷史對邊坡的影響。同時也可以通過最大剪應變增量找出坡體內薄弱部位，確定最危險滑動范圍[19]。圖4～圖6不同邊坡地震剪應變增量云圖。

圖4 巖質邊坡

圖5 薄覆蓋層邊坡

圖6 厚覆蓋層邊坡

動力荷載的作用下，斜坡不同部位剪應變增量為：

(1)巖質邊坡

坡肩處：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡表中部：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡腳處：300 m>200 m≈100 m≈50 m

(2)薄覆蓋層邊坡

坡肩處：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：50 m>200 m>100 m

坡腳處：200 m>100 m≈50 m

(3)厚覆蓋層邊坡

坡肩處：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：200 m>100 m≈50 m

坡腳處：200 m>100 m≈50 m

3 邊坡動力峰值加速度

圖7～圖9不同邊坡峰值加速度地震響應規律。

圖7 巖質邊坡

圖8 薄覆蓋層邊坡

圖9 厚覆蓋層邊坡

(1)巖質邊坡：坡高50 m、100 m時，0～1/3坡高，坡面水平峰值加速度放大系數隨坡高先放大后衰減再放大，律動性明顯；1/3～2/3坡高衰減，在坡肩處又有所放大，水平峰值加速度放大系數為1.0～1.6。坡高200 m、300 m時，水平峰值加速度放大系數的分布形式發生了明顯變化，順坡面向上，在2/3坡高以下坡面水平峰值加速度放大系數隨坡高幾乎不變或略有衰減(坡高200 m時先小幅度增加)，在距離坡高50 m處開始陡增，直到坡肩，水平峰值加速度放大系數為0.8～1.0。 豎向峰值加速度放大系數順坡面向上的變化規律與水平峰值加速度放大規律相似，只是放大幅值不同，50 m時為1.0～1.5，100 m時為1.0～1.2，200 m時為0.9～1.2，200 m坡高時為0.8～1.2。

(2)薄覆蓋層邊坡：坡高50 m時，水平峰值加速度放大系數隨坡高先放大后衰減再放大，1/3～2/3坡高衰減，在坡肩處又有所放大，水平峰值加速度放大系數為1.0～1.8。坡高100 m、200 m時，水平加速度放大系數隨坡高變化并不存在明顯的放大趨勢，2/3坡高以下放大系數隨坡高幾乎不變，從2/3坡高處開始放大，坡肩處為最大值，水平峰值加速度放大系數為0.8～1.6。豎向峰值加速度放大系數順坡面向上與水平峰值加速度放大規律相似，只是變化幅值不同，50 m時為1.0～1.5，100 m時為1.0～1.2，200 m坡高時時為0.9～1.2。

(3)厚覆蓋層：坡高50 m、100 m、200 m，坡面水平峰值加速度放大系數隨坡高在坡肩處放大，水平峰值加速度放大系數為0.8～1.4。豎向峰值加速度放大系數順坡面向上與水平峰值加速度放大規律相似，只是變化幅值不同。

4 討論

4.1 剪切應變增量云圖

(1)動力高邊坡剪切應變增量存在一個臨界高度，即巖質邊坡當坡高低于200 m時，坡肩、坡中、坡腳3處剪應變增量隨坡高變化并不明顯，但當坡高大于200 m后，坡體各部位剪應變增量較低坡高時增加近70%。

(2)覆蓋層邊坡同樣存在一個臨界高度，臨界高度較巖質邊坡要低。薄覆蓋層邊坡當坡高低于100 m時，坡肩、坡中、坡腳3處剪應變增量隨坡高變化并不明顯，但當坡高大于100 m后，坡體各部位剪應變增量較低坡高時增加近80%。

厚覆蓋層邊坡當坡高為50 m，坡度30°時，坡肩、坡中、坡腳3處剪應變增量大小即已達到薄覆蓋層坡高200 m、坡度45°時剪應變增量大小，即可假定厚覆蓋層臨界高度低于50 m。

4.2 加速度峰值放大系數

坡高較低時，峰值加速度(水平、豎向)順坡面向上呈明顯的律動性，不是單純意義上的線性增大，而是時而增大時而減小，增大和減小相間，形成一些極值區，在坡肩處則又重新放大。但是當邊坡較高時，加速度放大系數的分布形式發生了變化，峰值加速度(水平、豎向)順坡面向上，也不具明顯的“垂向放大效應”，在距離坡肩50 m以下順坡面加速度放大系數幾乎不變，之后才增加。總體來說，峰值加速度放大系數隨坡高具有選擇性放大效應，可稱之為加速度的邊坡高度效應。

故高地震烈度區，巖質邊坡地震動力響應的臨界高度為200 m；薄覆蓋層邊坡動力響應的臨界高度為100 m；厚覆蓋層邊坡動力響應的的臨界高度小于50 m。

4.3 不同邊坡的峰值加速度放大系數呈現2種變化類型

隨高程增加而增加—衰減—增加的“三段形態”(厚覆蓋層衰減—增加的“二段形態”)，以及平穩過渡-增加的形態。據此，可將邊坡分為：

(1)動力高邊坡效應的臨界高度以下邊坡，峰值加速度反應曲線可分為3段：第一上升段，1/3坡高內呈現放大的趨勢；衰減段，1/3～2/3坡高，加速度放大系數隨坡高的增加而衰減；第二上升段，距坡肩約1/3高度內，峰值加速度放大系數隨高度增加而增大。

(2)動力高邊坡效應的臨界高度以上邊坡，這類邊坡加速度放大曲線可分為2段：第一段平穩過渡段，距離坡肩50 m以下加速度放大系數從坡腳開始順坡面向上幾乎不變；第二階段上升段，坡面峰值加速度放大系數隨著高程的增加而增大。如圖10所示。

圖10 高邊坡地震波響應(水平、豎向)

5 結論

對汶川震區輸電線路破壞的典型場地建立概化數值模型，進行強震區陡坡地形帶地質效應的數值分析，從剪應變增量和邊坡動力峰值加速度放大系數2個方面探討動力高邊坡效應的臨界高度，用以指導輸電線路路徑選擇及塔位選址。得出結論：

(1)高地震烈度區，巖質邊坡動力效應的臨界高度為200 m；薄覆蓋層邊坡動力效應的臨界高度為100 m；厚覆蓋層邊坡動力效應的臨界高度小于50 m。

(2)高地震烈度區，邊坡動力效應的臨界高度以下邊坡峰值加速度放大系數隨高程增加而增加—衰減—增加的“三段形態”(厚覆蓋層衰減—增加的“二段形態”)。

(3)高地震烈度區，邊坡動力效應的臨界高度以上邊坡峰值加速度放大系數隨高程先平穩過渡后開始放大。

(4)綜上所述，高地震烈度區，峰值加速度放大系數隨坡高具有選擇性放大效應，可稱之為地震動力響應邊坡高度效應。