基于环境噪声表征石膏地滑坡堆积区场地特征

马海淼， 罗永红， 南凯

(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， 成都 610059)

强震往往诱发大量次生灾害，其中滑坡是数量最多、危害最大的一种，且地震引起的斜坡破坏有别于一般重力因素诱发斜坡灾害[1-2]，斜坡场地的卓越频率等特征影响斜坡动力响应。为获取场地特征，除通过强震监测外，因自然因素(如地震、海洋波浪、风振、火山等)，人为因素(如交通、爆破等)等环境噪声引起的斜坡岩土体微弱振动现成为表征斜坡场地动力特征的有效方法，张红才等[3]提出水平竖直谱比(H/V)方法已被公认为利用微震提取场地地下特征的可靠方法，并且后来证实了HVSR方法结果的准确性，尽管HVSR方法是一种可用于粗略估计具有固有色散的放大因子的工具，并且可以根据估计结果挑选出具有相对高风险的地面，但这绝对是工程工具之一。H/V方法可以有效评估场地的卓越频率和放大系数。其主要原因在于环境噪声信息易获取、成本低，可广泛采集，不受现场条件的限制，能获取一个地区完整周期的噪声记录，有很高的可控性[4-5]在智利圣地亚哥盆地、旧金山、印度喜马拉雅山西北部康拉河谷地区[6]都可以进行测试。在缺乏场地钻孔波速资料的情况下，H/V谱比法无疑是最理想的场地分类方法。为获取环境噪声数据中的有用信息，众多学者将H/V谱比法、传统谱比方法、广义反演法等进行了比较[7-8]，结果表明H/V谱比法不仅能有效提取场地卓越周期信息，而且其结果与其他方法分析基本保持一致。余嘉顺等[9]揭示了H/V谱比法所得结果不但包含近地表低速层对波场的放大作用还包含下部介质改造作用；欧剑锋等[10]基于H/V谱比法及SSR(标准谱比)分析揭示，两种方法所得的斜坡场地效应放大峰值频率接近，相对参考场地的变化特征，H/V谱比法更具参考性。Lee等[11]在评估场地特征可行性的研究中，将H/V谱比法对比基于地形地貌，反应谱形状法等其他方法，H/V谱比法所得结果令人满意；彭菲等[12]研究结果充分验证H/V谱比法可有效探测浅层松散结构，并成为探测地表浅层结构的重要手段；王伟君等[13]研究不仅验证了环境噪声H/V结果不仅可得到近似的场地响应，而且可作为一种近地表结构勘探工具得到近地表土层厚度。

因此，现以云南巧家县石膏地滑坡为研究对象，研究区不仅地震烈度高，而且受小江活动断裂影响和在金沙江流域水电站蓄水条件下或诱发地震，使该滑坡潜在不稳定性风险增大。对石膏地滑坡场地进行动力响应特征研究，不仅具有重要的工程应用价值，而且具有一定的理论意义。

1 研究区地质环境概况

巧家县位于四川和云南两省的交界地区，其交通地理位置如图1所示，地处横断山区边缘，地质构造活跃，其研究区地质简图如图2所示。第三纪末以来，随着云贵高原抬升，巧家-东川一带成为金沙江下游沿岸抬升幅度最大的地区，受金沙江强烈下切作用，研究区内斜坡逐渐演化成高陡边坡[14-15]。受小江活动断裂带影响，研究区地震活动较频繁，地震烈度达到9度。

石膏地滑坡位于金沙江右岸，距离巧家县城南约8 km处，石膏地滑坡在光学卫星影像上呈三角形，长约1 140 m，平均宽约700 m，滑坡顶部高程约1 300 m，滑坡前缘高程约670 m，高差达630 m。研究区高山环绕，地势陡峭，海拔介于900～1 600 m，出露岩性较破碎，滑坡体堆积区物质组成差异明显，场地动力响应特性存在明显差异。

图1 石膏地滑坡地理位置Fig.1 Geographical location of gypsum landslide

图2 研究区地质简图Fig.2 Geological map of the study area

2 环境噪声测试仪器、测点布置及数据分析

本次现场环境噪声测试采用QZ2012-E-3型微震速度计和斜坡地震动响应监测与速报采集仪 (G01NET-3型)(图3)，该套测试仪器已被应用于多个场地环境噪声测试，传感器参数参照自贡西山研究文献[16]。为获取研究区不同介质场地信息，本次共布置38个测点(图4)其中基岩场地2处，土体堆积物场地16处，碎石土堆积场地7处，块碎石堆积场地13处，各测点场地监测30 min以上，分别对场地的水平东西(EW)、南北(NS)及竖直(UD)方向进行环境噪声信息采集。

对研究区环境噪声测试数据分析采用Geopsy软件[17]，为有效规避高频干扰，设置每25 s为一个频带窗口，并选用Konno-Ohmachi和Anti-triggering on raw signal进行平滑处理[18]，采用水平与竖直向谱比(H/V)方法[19]对数据进行分析如图5所示。

图3 环境噪声测试数据采集Fig.3 Environmental noise test data acquisition

B为基岩；R为土质；C为块碎石；D为碎石图4 石膏地测点分布图Fig.4 Distribution of gypsum geological survey points

H/V谱比法假设地表垂直向噪声记录保持有基岩振动的特征，并且受土层R波相对影响，因此可用来去除水平记录中震源和R波效应，该方法已被推广应用于地震记录。当地表松散层和下伏坚硬岩层存在较大的波阻比(>2.5)时，近地表随机分布的噪声源会产生尖锐峰值，该现象可能是由噪声与层内S波发生共振导致的。目前认为H/V谱比法得到的峰值频率和场地的卓越频率一致或接近，其放大系数可以作为场地地震放大系数的下限[20]。

图5 研究区部分测点环境噪声水平(EW、NS) 分量H/V谱比曲线Fig.5 H/V spectral ratio curve of environmental noise level (EW, NS) components at some measuring points in the study area

3 数据分析

3.1 基岩场地H/V谱比特征

研究区2个基岩测点基本信息如表1所示，对其东西向和南北向水平分量进行H/V谱比分析。

根据表2可以观察到：B1#测点EW向卓越频率趋于2.14 Hz，放大系数趋于1.9；NS向卓越频率趋于2.24 Hz，放大系数趋于2.16；B2#测点EW向卓越频率趋于5.19 Hz，放大系数趋于2.19；NS向卓越频率趋于5.79 Hz，放大系数趋于3.14。除此外，B1基岩场地在4～5 Hz也存在弱放大特征，但峰值频率不明显。

对B1#、B2#测点环境噪声数据分析，B2#测点H/V谱比曲线水平分量峰值频率更加显著，谱比放大系数大于B1#测点。两处测点出露基岩岩性相同，由于B2#测点位于斜坡中上部，地形较陡，同时泥岩表层呈强风化，因此受地形与地层介质综合放大效应明显。

表1 基岩场地测点基本信息Table 1 Basic information of bedrock site survey points

表2 基岩场地测点卓越频率和放大系数数值表Table 2 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in bedrock site

3.2 土体堆积物场地H/V谱比特征

研究区16个土体堆积物场地测点信息如表3所示，对其水平东西和南北分量开展H/V谱比分析，由于该研究区域海拔相差较大，通过土体堆积物场地海拔与放大效应关系图(图6)可以直观发现海拔与放大效应的关系。

根据表4可以观察到：土体堆积物场地16个测点EW向卓越频率介于2.0～4.3 Hz，放大系数介于1.5～2.1；NS向卓越频率介于2.1～4.1 Hz，放大系数在1.1～1.9。

对比R3#、R4# 、R15#、R16#测点显示，其水平东西分量谱比放大系数明显大于南北分量，其放大系数介于1.79～1.98；R13#、R11#、R7#测点水平东西分量放大系数明显小于南北分量，其余测点的水平东西分量与南北分量较接近。此外，R16#测点位于坡顶，其谱比放大系数峰值为2.7，大于其余测点的放大系数的1.5～2.0。通过图6可以揭示坡背等特殊位置的测点外，放大效应随着海拔的升高呈现非线性增大。

表3 土体堆积物场地测点基本信息Table 3 Basic information of soil accumulation site measuring points

表4 土体堆积物场地测点卓越频率和放大系数数值表Table 4 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of soil accumulation site measurement points

图6 土体堆积物场地海拔与放大效应关系图Fig.6 Relationship between elevation and amplification effect of soil accumulation site

3.3 块碎石堆积物H/V谱比特征

研究区13个块碎石堆积物环境噪声测试点相关信息如表5所示，对其水平东西和南北分量开展H/V谱比分析。

表5 块碎石堆积物场地测点基本信息Table 5 Basic information of measuring points of gravel accumulation site

根据表6可以观察到：块碎石堆积物研究区的13个测点EW向放大系数介于1.4～2.5，卓越频率介于2.2～4.2 Hz；NS向放大系数介于1.4～2.9，卓越频率介于2.3～4.2 Hz。

C4#测点EW向卓越频率趋于0.79 Hz，放大系数趋于1.24；NS向卓越频率趋于3.91 Hz，放大系数趋于1.48；C8#测点EW向卓越频率趋于2.08 Hz，放大系数趋于1.83；NS向卓越频率趋于2.62 Hz，放大系数趋于1.42。C4#、C8#测点水平东西分量明显大于南北分量，C3#测点水平东西分量明显小于南北分量，其余测点的水平东西分量与南北分量较吻合。C9#测点处于坡背处，其卓越频率放大系数与其他点相比都略大。块碎石堆积区部分测点上覆盖层为耕植土，均含30%～40%的次棱角状角砾，除个别测点(C4#)谱比曲线峰值频率呈现多个峰值外，其余绝大多数测点谱比曲线显示单峰值，放大效应显著。

表6 块碎石堆积物场地测点卓越频率和放大系数数值表Table 6 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in gravel accumulation site

3.4 碎石堆积物H/V谱比特征

研究区7个碎石堆积物环境噪声测试基本信息如表7所示，对其水平东西以及南北分量开展H/V分析。

根据表8可以观察到：碎石堆积物研究区的7个测点EW向放大系数介于1.42～1.8，卓越频率介于2.1～2.45 Hz；NS向放大系数介于1.42～1.9，卓越频率介于2.3～4.3 Hz。

研究区测点的水平东西分量与南北分量较吻合。D1#测点EW向卓越频率趋于0.69 Hz，放大系数趋于1.31；NS向卓越频率趋于0.72 Hz，放大系数趋于1.69；碎石堆积物研究区，均含10%～20%的次棱角状角砾，该研究区场地峰值频率较集中介于2.2～2.4 Hz，放大系数介于1.52～1.86。其东西向分量放大系数稍小于南北向分量。

表7 碎石堆积物场地测点基本信息Table 7 Basic information of measuring points in gravel deposit site

表8 碎石堆积物场地测点卓越频率和放大系数数值表Table 8 Numerical table of predominant frequency and magnification factor of measuring points in gravel accumulation site

4 讨论

利用H/V谱比法对石膏地环境噪声数据进行分析，得到各测点的放大效应和不同堆积物介质场地特征。从总体上分析，研究区域覆盖层主要以耕植土、土体堆积物场地、碎石堆积物、块碎石堆积物为主。从谱比曲线图可以揭示，基岩卓越频率介于1.40～5.01 Hz，放大系数介于2.10～2.16；土体堆积物场地卓越频率介于1.25～4.26 Hz，放大系数介于1.02～2.71；碎石堆积物卓越频率介于2.02～2.89 Hz，放大系数趋于1.46～1.87；块碎石堆积物卓越频率介于2.12～3.22 Hz，放大系数介于1.40～2.35。

基于环境噪声数据H/V谱比卓越频率和放大系数，生成研究区卓越频率、放大系数等值线图(图7)。

图7 研究区卓越频率、放大系数等值线图Fig.7 Contour map of predominant frequency and magnification factor in study area

由图7和图8可知，放大效应总体上表现为土体堆积物场地>碎石堆积物介质场地>块碎石堆积物介质场地>基岩。就各场地放大效应而言，土体堆积物场地水平东西分量略大于南北分量，具有一定方向特性，碎石场地东西分量和南北分量较为接近，块碎石堆积和基岩场地的东西分量小于南北分量。总体表明土体堆积物场地对地震波放大作用更明显。

研究区测点卓越频率集中在2～4.5 Hz，放大系数集中在1.3～2.5。

基于环境噪声记录数据包含3个分量(2个水平分量和1个垂直分量)，为获取其场地平均值特征，使用公式HVSR=[(HVSREW2+HVSRNS2)/2]1/2计算各测点数据的水平H/V谱比的平均值进行比较位点扩增。

研究区各场地环境噪声测点响应特征分析如图9所示，土体堆积物场地监测场地的频率峰值集中于2～4 Hz，且个别点场地卓越频率在10 Hz；块碎石堆积物场地的频率峰值集中于3～4 Hz，且大部分测点表现多个峰值频率，说明块碎石堆积物质混杂，具有多种类型物质；碎石堆积物监测场地的频率峰值集中于2～5 Hz且存在双峰现象；基岩监测场地的频率峰值集中于1～3 Hz。

5 结论

基于云南省巧家县石膏地滑坡堆积区38个测点的环境噪声测试数据采用水平与竖直向(H/V)谱比法分析，讨论基于环境噪声测试适用滑坡场地特征研究，通过对比各个测点的环境噪声信息数据结果得出以下结论。

(1)海拔越高，地形越凸出，坡度越陡的场地放大效应就越强烈，坡顶R16#地形场地放大效应最为显著，最大放大系数为2.71。

图8 场地介质物质堆积分区简图Fig.8 Plot diagram of medium material accumulation in the site

图9 平均值谱比曲线特征Fig.9 Characteristics of mean spectral ratio curve

(2)土体堆积物场地卓越频率集中于2～4 Hz；块碎石堆积物场地的卓越频率集中于3～4 Hz，且大部分测点表现多个峰值频率；碎石堆积物场地的卓越频率集中于2～5 Hz且存在双峰现象；基岩监测场地的卓越频率集中于1～3 Hz。

(3)土体堆积物场地放大效应水平东西分量略大于南北分量，具有一定方向特性，碎石场地东西分量和南北分量较为接近，块碎石堆积和基岩场地的东西分量小于南北分量。总体表明黏土覆盖场地对地震波放大作用更明显。