石棉MS4.5級地震斜坡動力響應規(guī)律

孫剛, 王運生, 余正良, 趙方彬, 唐濤, 吳昊宸

(1.四川華行地質設計院有限公司, 西昌 615000; 2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學), 成都 610059)

強震是自然界最具危險性的災害之一,而其伴生地質災害如滑坡、泥石流等,嚴重威脅著人們的生命和財產安全[1]。在川西北山區(qū)深切峽谷發(fā)育,山體在地震作用下生發(fā)裂隙、松動,使其完整性、整體強度出現(xiàn)大幅降低,進而產生一連串的崩、滑災害,崩滑災害的堆積物在山體的不同高程又為泥石流啟動提供了充足物源,這些崩、滑、流災害造成的影響,如人員傷亡、財產損失等是遠遠超過地震本身的[2-6]。隨著國內外對于地震動響應研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)山體在地震作用下的失穩(wěn)破壞機理與山體不同部位的地震放大效應有較強的關系。國外對于這一方面的研究早于國內,Guan等[7]總結物理模擬現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)在同一山體同一高程的不同深度位置的加速度,深部的水平向峰值加速度是要小于淺表層的。Celebl[8]通過對不同的地震數據進行分析,發(fā)現(xiàn)山體山脊處的地震動放大效應同地震波的入射角有關系。Harztell等[9]對1989年美國洛馬普列塔地震進行研究后發(fā)現(xiàn),地震的體波在山脊內的反射和散射累積是山脊產生地震放大效應并受破壞嚴重的重要原因之一。國內對于地震動響應的研究較晚,主要的研究是在2008年汶川地震以后產生的。2008年汶川8.0級地震發(fā)生以后,基于實地調查和衛(wèi)星遙感解譯,發(fā)現(xiàn)山體破壞的部位多在山脊、山頂、背坡面等特定地方,并且這些部位多發(fā)生較大的地質災害需要特殊關注[1,10-11]。隨著對地震動響應認識的深入發(fā)展,以及物理模型和數值模擬分析的引入,對于地震放大效應的認識開始不局限于山脊、山頂等部位,對于特定巖土體也有了研究,發(fā)現(xiàn)多峰山體相比于單峰山體其放大效應會更加的突出,破壞效果更加的強烈,這也與實地調查過程中山體災害發(fā)生部位相吻合[12-15]。

地震監(jiān)測儀器布置在瀘定縣冷竹關溝的兩側溝口,屬于川西北地區(qū),該區(qū)域深切峽谷發(fā)育,高烈度山區(qū)城鎮(zhèn)遍布,強震發(fā)震時產生崩滑災害的風險極大,附近斷裂為鮮水河斷裂,在川滇斷塊被印度板塊與歐亞板塊向南東向擠出的背景下,地震頻發(fā)[16]。近年來鮮水河斷裂已經處于活躍之中,誘發(fā)大量次生地質災害,對當地人民生命財產造成嚴重損失。因此,現(xiàn)通過實測地震數據利用連續(xù)小波變換深入地研究地震波在特殊山體巖層以及宏厚山體與單薄山體下的地震動響應規(guī)律,以期對川西北高烈度山區(qū)的地震致災機理研究和山區(qū)地震危險性評價工作提供數據分析基礎。

1 監(jiān)測數據來源與地震動響應分析

1.1 強震監(jiān)測點概況

在2008年汶川大地震之后,中國西部各大型斷裂帶已逐漸處于活躍狀態(tài),地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)依托國家自然科學基金項目,在大渡河右岸瀘定縣冷竹關溝的兩側溝口布設強震監(jiān)測儀器用以研究山體地震動響應規(guī)律。冷竹關溝距康定、瀘定縣城距離分別為16 km和21 km,這些地方都是地震高發(fā)區(qū)域。監(jiān)測場地屬于高山深切峽谷地貌,附近區(qū)域河流下切作用強烈,曾發(fā)生多次大型巨型滑坡。龍門山斷裂與鮮水河斷裂在此處交匯,因此監(jiān)測場地布設在這里可以有效地監(jiān)測兩個地震帶的活動情況。冷竹關溝岸坡出露基巖為元古代花崗巖,質地堅硬,整體完整性好,坡表受物理風化影響完整性較差,在其長期作用下在表層發(fā)育形成1～4 m厚的崩坡積,局部區(qū)域厚度較大。依據冷竹關溝兩側地形、工程地質等條件在兩岸開挖了平硐并部署儀器,其中1#和2#點位于冷竹關溝的右岸火燒梁子上,3#點位于冷竹關溝左岸大杠山山腰上,監(jiān)測場地屬性如表1所示。冷竹關溝右岸為一單薄突出山脊,谷間高差達到170 m,山脊的整體走向約為20°,山脊寬度50～100 m;冷竹關溝左岸為宏厚的連續(xù)山體,山頂最高海拔超過3 000 m,高差達1 000 m,整體坡向近東向,坡度約為40°。以冷竹關溝為界,在溝谷兩側形成了40～80 m的陡立懸崖,基巖裸露,其平面圖與剖面圖如圖1所示。所用地震監(jiān)測儀器是由中國地震局工程應力研究所研制,型號為G01NET-3型結構與斜坡地震響應監(jiān)測儀。其采集參數如下:輸入的量程為-10.0～+10.0 V,采集間隔0.005 12 s,分辨率為0.005 mV,力平衡加速度計范圍為±2.0g(g為重力加速度),動態(tài)范圍最低為120 dB。

圖1 冷竹關斜坡地震動監(jiān)測地質平面圖與剖面圖Fig.1 Monitoring geological plan and profile by ground shocks of the Lenzhuguan slope

表1 監(jiān)測點場地屬性Table 1 Properties of each monitoring site

1.2 冷竹關斜坡地震動響應分析

經中國地震臺網正式測定,2022年9月7日2∶42在四川雅安市石棉縣(北緯28.20°,東經102.16°)發(fā)生MS4.5級地震,震源深度11 km,震中距瀘定縣55 km,在瀘定冷竹關溝的強震監(jiān)測儀記錄到了地震數據,并利用它進行地震動響應規(guī)律分析。最大峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)和阿里亞斯強度(Arias intensity, AI)是研究山體地震動響應規(guī)律的主要方向,研究表明地震波在不同方向東西(EW)、南北(NS)、垂直(UD)會呈現(xiàn)出的不同程度的放大效應[17]。對瀘定縣冷竹關3個監(jiān)測點所記錄到的數據進行低通30 Hz濾波片理后,通過SeismoSignal軟件進行分析后可以讀出其三向的峰值加速度和阿里亞斯強度(表2)。

表2 各監(jiān)測點地震動響應參數Table 2 Ground motion response parameters at each monitoring site

賀建先等[18]、羅永紅等[19]通過對大量實測的數據進行研究分析發(fā)現(xiàn),在山體中監(jiān)測到的峰值加速度會隨著高程增高出現(xiàn)一定程度的變化,具體的表現(xiàn)為山體上部的峰值加速度大于下部,當出現(xiàn)地震時,上部的山體結構就會更容易損壞,發(fā)生崩塌、滑坡災害。從表2分析可知,1#和2#監(jiān)測點位于火燒梁子上,高程更高的1#監(jiān)測點其峰值加速度遠遠大于2#監(jiān)測點。而3#監(jiān)測點與1#監(jiān)測點在山體上高程相差并不大,三向峰值加速度卻出現(xiàn)明顯的差異,說明山體的地震動放大效應并不是僅僅由高程單因素決定的,還存在其他因素的相互影響。

2 地震信號時頻分析

地震信號經過儀器采集轉化后呈現(xiàn)非恒定變化波形,并且波形振蕩劇烈,說明其上能量分布不均勻,若受震物體中的能量突變超過其閾值,就將產生破壞。傅里葉變換是一種較為理想的波形分析方法,是目前地震波研究中應用最多的方法之一[20]。但傅里葉變換也有明顯的缺點,僅能體現(xiàn)地震信號在頻域上的能量分布,而忽略了相應頻率的時間變化。因此引入小波變換,小波變換可以分析局部的非穩(wěn)定信號,突破了傅里葉變換在這一方面的限制,能夠通過局部的變換從時間和頻域中提取有效信息,多尺度地細化分析,被廣泛地用于信號處理領域[21]。因此,針對地震信號頻域率的解析,利用小波分析變換比傳統(tǒng)的傅里葉變換更能反映地震信號的時頻特征,揭示地震時頻變化規(guī)律。

2.1 連續(xù)小波變換

將在冷竹關溝強震監(jiān)測儀所記錄到的石棉MS4.5級地震數據放入MATLAB中通過編程調取小波函數做連續(xù)小波變換處理。并且為了更好地表達與觀測在原二維時程曲線中加入了頻率,以三維的方式加以呈現(xiàn)。將地震信號經過連續(xù)小波變換之后,在傳統(tǒng)的時程圖之上增添了頻率信息,使其做到了時域與頻率域的串聯(lián),蘊含的信息更加豐富。3個監(jiān)測點的地震時頻圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點3分量連續(xù)小波分解圖Fig.2 Three-component wavelet decomposition at each site

2.2 地震信號時頻成分統(tǒng)計

地震信號經過連續(xù)小波變換之后,加速度、頻率、時間結合成為三維圖形,更有利于對地震信號的成分進行分析研究。在3處監(jiān)測點的3分量地震信號時頻圖中可以清楚地看到,隨著時間的遞增存在兩個波峰,其中傳播速度較快、峰值較低最先到達的為橫波(P波),它使受震物體在垂直方向上振動,破壞性較弱;傳播速度較慢、峰值較大后到達的為縱波(S波),它使利于受震特征發(fā)生前后左右搖晃,破壞性極強;而之后就是P波與S波交匯形成的面(L)波沿地表傳播,是造成建筑物破壞的主要因素,因此著重分析S波的成分變化。S波在傳播到達地表后,由于頻率的差異會分化為兩個部分:高頻、低頻。低頻形狀尖利、變化迅速;高頻平緩柔和、圓滑降低。監(jiān)測點三向S波波峰在MATLAB中的三維位置就分別代表了時間、頻率、加速度,對其分別進行統(tǒng)計后如表4所示。

由分析可知,在此次MS4.5級地震中,監(jiān)測點的S波波峰頻率分布在4.64～8.21 Hz,并且同在火燒梁子上的1#與2#監(jiān)測點相比,1#監(jiān)測點的波峰頻率更低,能量密度更高對山體破壞也會更大。S波高頻與低頻波峰的時域在不同的方向上存在明顯的時差,其中東西與南北向時域間隔非常短,但垂直向上有顯著的差別,它與東西、南北向的時域間隔達到5.08～6.14 s,說明S波在垂直向上波速明顯小于東西向與南北向。

3 加速度反應特征譜分析

加速度反應譜是Biot在進行彈性動力學研究的時候提出的,指的是在某一個阻尼比的作用下,表示受震質點在振動過程中振幅的絕對值與地形、結構之間周期關系的圖譜[22]。如圖3所示為該次地震的三分量加速度反應譜,阻尼比采用3個層級:5%、10%、20%,對這3個監(jiān)測點的三分量加速度進行計算,可以發(fā)現(xiàn)隨著阻尼比的層級增大,其加速度值反而減小,呈現(xiàn)反比關系,體現(xiàn)了地形、結構體與地震波的共振關系,說明地震在振動過程中的特征對其影響并不明顯,因此可用于評價場地的特征周期。分析反應譜可以發(fā)現(xiàn),反應譜中的波峰較少,且3個層級的阻尼比擬合度極高,說明山體裂縫較少,整體的完整性很好、成分均勻。處于山脊上的1#監(jiān)測點其幅值最大,而同一山體上的2#監(jiān)測點位于平面緩坡上,其幅值成倍數減小,3#監(jiān)測點處于渾厚山體之上,與1#相比幅值也是極小,說明山脊附近與地震周期的契合度極高,所以在進行工程建設場地選址過程中,應該避開山脊部位,選擇平面緩坡或是在渾厚的山體上,這樣可以極大地避開地震共振帶來的危害,從而減小地震造成的損失。

圖3 地震加速度反應譜Fig.3 Earthquake acceleration response spectrum

4 地震動放大效應分析

4.1 山體不同部位放大效應分析

以往地震數據分析表明,山體的山脊部位在發(fā)生地震時破壞會更加的嚴重,也就是放大效應會更加的明顯[18-19]。如表2所示,1#監(jiān)測點所處的山脊部位,它的三向(EW、NS、UD)PGA和AI的數值均要高出位于在山腰平緩部位的2#監(jiān)測點。其中PGA放大系數(1#、2#)在東西、南北和垂直方向上分別為3.31、4.56、4.83;AI放大系數(1#、2#)在東西、南北、垂直方向上分別為11.8、10.34、16.16,放大倍數達到數十倍。這說明3個方向上的PGA與AI在1#監(jiān)測點所在山體部位的地震動響應相比2#監(jiān)測點更加劇烈。由小波時頻成分統(tǒng)計(表3)可以看到波峰成分的變化,1#與2#監(jiān)測點在S波低頻部分中波峰在三維坐標中的值幾乎相同,這可能是波峰頻率較低且處于同一座山體有關。在S波的高頻成分中相比于2#監(jiān)測點,1#監(jiān)測點的三向波峰幅值放大倍數分別為5.15、6.84、4.44;而低頻成分中三向波峰放大倍數則分別為5.88、4.86、4.62。1#監(jiān)測點的波峰幅值均大于2#監(jiān)測點,這說明在山體基巖場地下,山脊相比于山腰平緩處,地震動放大效應更強。同時,S波低頻波峰比高頻分別大了1.03、0.89、1.11,表明低頻的能量更大,對于山體的影響也會更大,而在發(fā)震時高頻、低頻的能量會有所疊加,低頻能量疊加會更顯著;另外地震放大效應還有明顯的方向特性,在波峰成分變化上水平向的變化比垂直向更加的顯著。如圖4所示為瀘定地震過后產生的崩塌、滑坡,崩塌物直徑可達1 m,直接撞擊村民屋后,同時山脊部位也是震后產生滑坡災害的高發(fā)區(qū)域,嚴重威脅人民生命財產安全。

表3 監(jiān)測點波峰成分統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of signal peak at each site

4.2 渾厚山體與單薄山體的放大效應分析

2#與3#監(jiān)測點下伏基巖均為晉寧期花崗巖,2#監(jiān)測點在冷竹關溝右岸,屬于單薄山體,高程為1 478 m;3#監(jiān)測點在冷竹關溝左岸,高程1 518 m,屬于渾厚山體山頂海拔超過3 000 m。賀建先等[18]研究地震數據發(fā)現(xiàn)山體高程越高,其放大效應越明顯,但3#與2#監(jiān)測點相比,3#監(jiān)測點各項數據并沒有出現(xiàn)高程放大效應,其PGA、AI和S波波峰卻出現(xiàn)了極大的反差。據圖2時程數據,2#監(jiān)測點相 較于3#監(jiān)測點其PGA放大系數(2#、3#)在東西向、南北向和垂直向上分別為1.24、1.01、1.90;而AI放大系數(2#、3#)在這3個方向上分別為1.90、1.44、1.32。說明3#監(jiān)測點所在渾厚山體放大效應不明顯,反之2#監(jiān)測點所在單薄山體存在放大效應且穩(wěn)定性更差。分析圖3可以發(fā)現(xiàn),S波高頻波峰幅值(2#、3#)其三向放大倍數分別為1.65、0.73、1.32,2#監(jiān)測點幅值更大,說明渾厚山體對于地震波的過濾作用存在差別,從放大倍率來看,過濾作用東西向最強,垂直向次之,南北向最弱。而在S波低頻波峰幅值中也存在相同的現(xiàn)象。因此可以判斷單薄山脊的放大效應是強于渾厚山體的,當地震來臨時單薄山脊上的震感會更加的強烈。

5 結論

2022年9月7日石棉縣發(fā)生MS4.5級地震,布置在瀘定冷竹關溝的儀器記錄了該次地震,在MATLAB中利用連續(xù)小波函數對該地震信號進行變換處理,得到時頻圖像,對地震信號進行時間與頻率的討論,得到如下結論。

(1)S波穿越巖層到達地表后頻率發(fā)生變化,分化成為高頻與低頻,通過小波變換可以對這兩種頻率進行分析。兩種頻率域上的間隔很小,在能量密度上差別較大。

(2)發(fā)震時山體山脊部位對于地震動的響應會更加的顯著。S波低頻攜帶的能量更高,在發(fā)震時高頻與低頻能量會相互疊加,而低頻疊加能量會更大。

(3)地震動響應規(guī)律存在方向性。其中主要的差異來自水平方向與垂直方向,而水平方向的地震動響應會更顯著。

(4)單薄山脊場地放大效應強于渾厚山體。渾厚山體對于三向(東西、南北、垂直)地震波存在過濾作用,由強到弱分別為東西>垂直>南北,使得渾厚山體在地震時會更加的穩(wěn)定。