四川珙县Ms 5.4级地震斜坡地震动响应特征

王运生，刘江伟，赵 波，罗永红，明伟庭，罗 越，金 刚，周宇航

(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，四川 成都 610059)

0 引 言

2019年6月17日，四川省宜宾市长宁县双河镇发生Ms6.0级地震，影响范围大，房屋损毁严重，造成了巨大的财产损失和一定的人员伤亡。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应急小组于6月19日上午抵达震中区(长宁县双河镇)开展了紧急调查，发现介质及地形对地震波响应显著：土质滑坡和高位崩塌、坡体表层震裂发育、槽谷平坝区房屋倒塌严重。应急小组随即在登云亭及天门槛坡体安置3台地震波监测设备，对地震作用下的地质灾害形成机理展开分析研究。根据中国地震台网，2019年6月22日22时29分，四川省宜宾市珙县中善寺附近(28.43°N，104.77°E)发生Ms5.4级余震，本次地震监测点距离震中约10 km，震源深度为10 km，监测点区域的烈度超过Ⅵ度，震感强烈，3个监测点均采集到了有效的地震波数据。

国内外学者采用的地震动响应研究方法有实测地震动监测、数值模拟以及振动台物理模拟。“5·12”汶川地震和“8·8”九寨沟地震诱发了大量的高位远程滑坡，王运生等认为地震波在斜坡高位有放大效应，在强震作用下，从高位形成抛射运动，在深切峡谷的单薄山脊以及条形坡体放大效应显著[1-2]。黄润秋等在汶川地震灾害中研究发现，大量边坡失稳主要发生于凸出的地形和地形坡脚骤变的地带[3-4]。王运生等对康定和冷竹关的地震实测数据进行分析得出地震波的放大效应与地形密切相关，尤其以凸出的地形、坡脚发生剧变的坡折或单薄山脊、孤峰式的峰顶最为显著[5-8]。辛聪聪等对九寨沟余震进行监测分析，在同一高程水平方向坡体由外到内，地震波逐渐衰减，越往坡体内部衰减程度越大[9-10]。徐光兴等使用数值模拟有限差分法(FLAC3D)进行边坡地震波放大效应的研究，得出坡体对低频有明显的放大效应，对高频有明显的过滤作用[11]。刘汉香等通过振动台物理模拟和FLAC分析了地震动强度和参数在斜坡的响应规律[12-13]。Celebi研究揭示，放大效应与地形、坡体尺寸和坡度、地震波的类型和波长以及入射角度有着密切的关系，其理论和模拟计算结果与实测数据有着很大的差异[14]。Che等使用振动台物理模拟和数值模拟等方法对在地震波作用下结构面发育的岩体稳定性进行了深入研究，发现地震波在不连续面处发生反射和散射，使得加速度得到放大，在坡体的表面会形成大面积的放大区域，最终使得稳定性差的岩体发生崩塌[15]。

前人大多通过数值模拟软件与远离震源的坡体监测数据进行研究，缺乏真实的数据支撑，且研究区域主要在中高山区域，对于覆盖层土体的研究较少。本文选取的监测点离震源近，且震级较大，属于低山丘陵地貌，位于城镇附近，主要以不同岩土体介质(基岩、覆盖层土体)和高程两个变量因素来对地震波数据进行分析，以此进一步研究地震波在极震区对于坡体以及周围建筑物稳定性的影响机理，为长宁—珙县频繁余震的地震动响应规律的分析研究奠定基础，对预防地震地质灾害的发生以及灾后重建方面提供指导。

1 工程地质概况

四川珙县Ms5.4级地震由长宁Ms6.0级地震引起，该区域内主要两条活动断裂为NE向华蓥山断裂和NW向雅安—宜宾隐伏断裂。石油物探揭示发震区域发育多条隐伏断层，且实地调查并没有发现明显的断层露头和地表破裂，余震主要沿雅安—宜宾隐伏断裂分布。图1为区域断裂、主震和部分余震的分布及监测点位置。

地震监测点布置在长宁县双河镇的登云亭和相邻的天门槛斜坡。登云亭四面临空，山顶有一圆形平台，整体呈圆台状，坡度稍陡，与周围山体形成“驼峰”，表层风化严重，覆盖层为崩坡积物。天门槛与周围坡体相连，地貌类似“笔架”，坡度平缓，上覆黏土夹少量碎石覆盖层，主要由泥页岩风化而成，厚度为3～5 m，黏土可塑，较为密实，含水量高。两者下伏基岩以下奥陶统的薄层状砂质泥岩为主，发育3组结构面。层面产状为10°∠45°，层厚5～15 cm不等；节理Ⅰ产状为110°∠64°，间距8～12 cm；节理Ⅱ产状为214°∠63°，间距11～15 cm。上述三者组合呈楔形体，层面为主要的失稳滑动面。

图1 四川珙县周边断裂分布及发震位置Fig.1 Distribution of Fracture and Seismogenic Location Around Gongxian, Sichuan

本次3个监测点分别为：1#监测点(参考点)，放置在登云亭山脚基岩上；2#监测点，放置于天门槛山腰厚度较大的覆盖层土体中；3#监测点，放置在登云亭山顶基岩上。将3个监测点放置在一条剖面上便于分析，1#监测点位于两个坡体的交汇处(图2、3)。因此，以1#监测点作为主要参考点对2#和3#监测点的监测数据进行对比分析。本次所采用的监测仪器为中国地震局工程力学研究所研发的G01NET-3型结构与斜坡地震动响应监测仪，其输入量程为1～10 V，分辨率为0.005 mV，动态范围不低于120 dB。QZ2013 型力平衡加速度传感器(防水型)加速度分辨率为0.000 002g，灵敏度为1.1 V·g-1。

2 地震记录分析

2.1 加速度时程曲线及傅里叶频谱

通过Seismosignal软件分析得到加速度时程曲线和傅里叶频谱，加速度时程曲线反映出本次地震持续时间短、幅度大的特点。从图4～6的1#～3#监测点加速度时程曲线中可以看出,位于山脚的1#监测点的加速度明显小于2#和3#监测点，2#监测点明显大于3#监测点，且高程低于3#监测点。罗永红等认为同一介质的坡体高程越高，加速度放大效应越明显[16]，说明本次研究的两种不同介质(基岩、覆盖层土体)对于地震波的影响要大于高程的影响。图7～9中，1#～3#监测点傅里叶频谱表现出两者的卓越频率也不相同，覆盖层土体卓越频率为10～20 Hz，说明覆盖层土体对于该频率段的地震波吸收能力比较强，基岩的卓越频率为2～5 Hz。2#监测点与1#和3#监测点相比，主频变化大，且相对较为分散，频谱成分复杂。因此，覆盖层土体对于各个频率的地震波吸收能力较强。1#监测点的输入频率为0～40 Hz，高频组分占比高，3#监测点的输入频率为0～30 Hz，低频组分占比高，说明基岩对高频地震波有着很强的过滤作用。

图2 监测点全景图Fig.2 View of Monitoring Points

图3 监测点平面图及剖面图Fig.3 Plane and Profile of Monitoring Points

图4 1#监测点加速度时程曲线Fig.4 Acceleration Time History Curves of 1# Monitoring Point

图5 2#监测点加速度时程曲线Fig.5 Acceleration Time History Curves of 2# Monitoring Point

图6 3#监测点加速度时程曲线Fig.6 Acceleration Time History Curves of 3# Monitoring Point

图7 1#监测点傅里叶频谱Fig.7 Fourier Spectrums of 1# Monitoring Point

图8 2#监测点傅里叶频谱Fig.8 Fourier Spectrums of 2# Monitoring Point

图9 3#监测点傅里叶频谱Fig.9 Fourier Spectrums of 3# Monitoring Point

图10 1#监测点加速度反应谱Fig.10 Acceleration Response Spectrums of 1# Monitoring Point

图11 2#监测点加速度反应谱Fig.11 Acceleration Response Spectrums of 2# Monitoring Point

图12 3#监测点加速度反应谱Fig.12 Acceleration Response Spectrums of 3# Monitoring Point

2.2 加速度反应谱

加速度反应谱是指，在同一阻尼比的状态下，一系列单质点体系地震最大反应与结构自振周期之间的关系，或者说具有相同阻尼特性但结构周期不同的单质点自由度体系，在某一地震作用下的最大反应，其本质上反映的是地震动特性[17-18]。将记录到的加速度时程曲线进行滤波和基线校正后，在不同阻尼比的情况下对各个监测点的加速度进行计算得到各个方向的加速度反应谱值(图10～12)。从图10～12可以看出，不管是覆盖层土体还是基岩，随着阻尼比的增大，加速度反应谱值随之降低，没有较大的波动变化，说明阻尼比只影响加速度反应谱值的大小，对地震动特性没有太大的影响。覆盖层土体的加速度反应谱值大于基岩，水平方向大于竖直方向，1#和3#监测点的加速度反应谱出现多个波动，说明了地震波在基岩的结构面发生反射和折射作用，而在覆盖层土体则没有。因此，在该区进行房屋、桥梁等建设时，应当选择阻尼比稍大的材料与结构，尤其是以覆盖层土体作为地基时，必须提高建筑物自身阻尼和自振周期，避免出现共振作用。

3 坡体稳定性分析

3.1 放大效应

从上述数据处理中发现，在同一坡体同一介质中，不同高程的加速度明显不同，山顶各个方向的加速度明显大于山脚，水平方向大于竖直方向。从表1中1#与2#监测点和1#与3#监测点的数据对比发现，不同介质对于地震波的放大效应差异较大。从放大效应最明显的南北向来看，2#监测点放大了4.287倍，3#监测点放大了3.511倍，且2#监测点的高程小于3#监测点，可见若在同一高程差异会更加明显。加速度积分的过程就是地震波能量的积累，加速度积分的平方就是阿里亚斯(Arias)强度。利用阿里亚斯强度公式计算1#监测点的峰值加速度(PGA)，可以看出当加速度超过1 m·s-2时，阿里亚斯强度对应的放大系数剧增(表2)，表明地震动能量强，破坏性大[19-22]。当地震动能量在短时间内增加的值超过基岩、覆盖层土体强度时，会出现坡体震裂进而演变成崩塌、滑坡，甚至在高陡临空地形条件下会出现以高水平加速度启动形成的高位抛射效应；此时，坡体表面覆盖层较薄，表面破碎，在如此大的加速度下会使得基岩结构面破碎以及覆盖层土体向临空方向产生滑塌[23-25]。

表1 加速度放大效应

表2 阿里亚斯强度放大效应

另外，从表1数据处理得到的各个监测点的最大位移来看，覆盖层土体的位移更大，南北向的位移远大于其他方向，说明覆盖层土体较基岩易发生滑动，南北向地震波产生的应力作用较强。

3.2 地震烈度

四川珙县Ms5.4级地震3个监测点的加速度反应谱值都比较大。通过监测数据计算的加速度反应谱值，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[26-27]，长宁县双河镇属于Ⅱ类场地，抗震设防烈度为Ⅵ度。依据规范参数(影响系数、特征周期、加速度和阻尼比)，利用崔济东博士的Spectrum-Chinese程序抗震设计反应谱(烈度为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度)，使用阻尼比为5%的反应谱加速度最大。对比分析抗震设计反应谱与监测反应谱(图13)可以看出，2#监测点各个方向的加速度反应谱值最大[图13(b)]，其中东西向、南北向加速度反应谱峰值超过了抗震设计烈度为Ⅶ度的加速度反应谱值，特别是南北向超过了烈度为Ⅷ度的加速度反应谱值，这表明松散的覆盖层土体振动强烈，临空边坡易失稳。图14(a)为珙县Ms5.4级地震天门槛2#监测点附近失稳的土质边坡。从图13(a)可以看出，山脚1#监测点各个方向的加速度反应谱值均未超过抗震设计烈度为Ⅵ度的加速度反应谱值，房屋未出现明显破坏。从图13(c)可以看出，山顶3#监测点的南北向加速度反应谱峰值超过了抗震设计烈度为Ⅶ度的加速度反应谱值，东西向则超过了烈度为Ⅵ度的，其上覆松散的覆盖层土体及表层破碎的基岩发生失稳[图14(b)、(c)]。本次1#和2#监测点记录到的特征周期为0.1 s左右，3#监测点为0.2 s左右，持续时间非常短，基本上在0.5 s后迅速降低到很低的水平。长宁县双河镇主要建筑物结构自振周期为0.2～0.3 s，本次地震对该地区大多数建筑物破坏影响不大，对低矮、刚度大、结构稳定性差的短周期老旧房屋危害较大，对长宁Ms6.0级地震后的危房和已经产生拉裂缝及有软弱结构面的边坡有大概率失稳的可能。在1 s以后的周期，加速度反应谱值接近于0，因此，对自振周期较长的建筑物不会产生共振作用，造成的影响很小。

图13 抗震设计反应谱与监测反应谱对比Fig.13 Comparisons of Seismic Design Response Spectrums and Monitoring Response Spectrums

4 结 语

(1)2019年6月22日，四川珙县Ms6.4级地震发生后，监测发现：长宁县双河镇登云亭和天门槛斜坡从山脚到山顶，各个方向的峰值加速度出现放大效应，南北向放大系数最大；介质特性上，介质对于加速度放大效应的影响大于高程。

(2)四川珙县登云亭基岩对于高频地震波有明显的过滤作用，卓越频率为2～5 Hz，覆盖层土体的卓越频率要大于基岩，且加速度时程曲线分布比较分散。阿里亚斯强度在超过1 m·s-1之后，会逐渐呈几何倍增，其中3#监测点南北向中的阿里亚斯强度放大系数达到了15，即在山顶部位地震动能量大，易发生坡体失稳。

(3)根据抗震设计规范与监测点计算的加速度反应谱值对比分析，斜坡上的覆盖层土体以及岩体强度较差，结构面发育的基岩容易发生失稳形成滑坡和崩塌，在降雨天气会诱发泥石流。地震对老旧房屋以及由于受到长宁Ms6.0级地震破坏较大的危房有巨大的安全隐患，对于一般未损坏的建筑影响较小。本文通过分析四川珙县Ms5.4级地震监测数据，对不同介质坡体稳定性进行了初步定性分析，后续还需要进一步开展地震波对各个介质不同特性的定量研究。