区域边坡地震危险性评价理论研究进展

崔玉龙,刘爱娟

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001；2.中国长江三峡集团有限公司,湖北 武汉 430010)

0 引言

地震是所有触发滑坡因素中最危险的一种,能量巨大的地震甚至在地貌的改变上起着主导作用。由于技术水平的限制,地震发生后,早期的地质灾害统计工作相对缓慢且不够充分。近年来,人们加强了对地震触发滑坡的统计和编目工作,地震滑坡研究取得了较大进展。

对于大区域边坡地震危险性评价而言,王涛等[1]对评价的类型进行了阐述,并着重指出具有预测性质的潜在地震诱发滑坡危险性评估的缺失是目前地震滑坡危险性研究中的主要问题之一。从实际应用角度讲,防患于未然的思想主要体现在预测性边坡地震危险性分析之上,对该问题的深入研究对工程建设和灾害防治具有较大意义。本文主要梳理并阐述具有预测性质的边坡地震危险性分析所需数据资料及各类数据的研究进展。

目前,在区域范围内对地震边坡进行危险性分析与评价主要以边坡的Newmark永久位移作为评价参数。国内外已有大量文献求算边坡地震时产生的永久位移或失稳概率进行区域范围内边坡危险性分析与评价[2-9]。利用永久位移法进行边坡地震危险性评价所需数据可以归纳为三个方面:(1)边坡在地震影响下破坏程度的判定依据;(2)区域地震动参数如峰值加速度、阿里亚斯强度;(3)边坡坡体基本参数如黏聚力、摩擦角、重度、滑块厚度、坡角等。这三个方面既相互独立,又相互联系,它们各自的准确度均影响着评价结果的精确程度。

1 地震边坡破坏判定依据

边坡在地震影响下破坏程度的判定依据以边坡稳定性分析为理论基础。目前地震边坡稳定性分析方法主要有拟静力法、数值分析法和永久位移法。拟静力法和数值分析法需要提供详细的坡体材料和形态参数以及地震动数据,难以应用在大区域分析中。永久位移法又称Newmark位移法,由Newmark于1965年提出[10]。Newmark位移原本作为一种判断指标应用在堤坝稳定性分析中,后来越来越广泛地应用于边坡稳定性分析。在实际的地震滑坡危险性评价中,为了计算出Newmark位移,需要有当地的加速度时程曲线。然而,特定地点的强震记录并不容易获取,所以Ambraseys和Jibson等在Newmark提出的临界加速度比的基础上发展了经验性的回归关系,称为永久位移预测模型,以此作为无强震记录地区地震边坡危险性评估的依据[6,9,11-13]。永久位移预测模型主要建立永久位移DN与地震动峰值加速度PGA、边坡临界加速度ac以及阿里亚斯强度IA之间的关系,是一种建立在统计学意义上的关系模型。Ambraseys、Jibson等创立了具有代表性的永久位移预测模型表达形式后,多个国家的研究者也根据所研究地区的实测地震资料做出了符合本地区区域特征的模型表达式[14-16]。

利用永久位移预测模型作为计算依据,一部分文献根据数值大小对永久位移进行分级[3],从而判定研究区各位置间地震危险性的相对大小;另一部分文献通过拟合永久位移与实际地震滑坡的关系得到以Weibull曲线为表达形式的失稳概率模型[2,11-12,17-18],进而计算研究区的失稳概率并进行危险性分级评价[8,12,19-20]。

这种由某次地震诱发滑坡与当地地形与地质条件下的永久位移拟合而得的概率公式具有一定程度的地域性。由于地质状况和地形的差异,同样的地震能量作用下,不同区域的边坡失稳概率未必相同。因此,从理论上来讲,某地的失稳概率公式并不适合直接应用于其他地区的地震边坡失稳概率计算与分析。获取通用型的失稳概率公式还需要更广泛和深入的研究。

鲍叶静等[21]采用震中距与震级的关系、刘甲美等[22]采用5 cm临界失稳位移法思路,结合概率地震危险性分析法,判断了各自研究区边坡的地震失稳概率。虽然都以边坡失稳概率命名,但上述文献中失稳概率计算方法的基本理论不同,失稳概率的判定标准、方法也不相同。

2 区域地震动参数

从永久位移预测模型表达式可以看出,峰值加速度和阿里亚斯强度是边坡地震危险性评价过程中采用最多的两种地震动参数。为了建立合理适用、符合实际的峰值加速度和阿里亚斯强度分布图,需分析地震危险性评价方法、地震动衰减关系、因场地效应或地形效应对地震动参数的调整这三类影响峰值加速度和阿里亚斯强度大小的关键因素。目前对震后峰值加速度的分布有一定数量的研究,而对震后阿里亚斯强度分布的研究成果较少,因此本文主要列举地震动峰值加速度预测过程的相关研究成果,对阿里亚斯强度仅做简要叙述。

2.1 地震危险性评价方法

在地震未知区域建立可能产生的地震动峰值加速度是一件非常困难的事。目前的地震危险性评价方法主要有确定性地震危险性分析方法(简称确定性方法)、概率地震危险性分析方法(简称概率法)以及有限断层震源模型方法。

SANTI PAILOPLEE等[23]以峰值加速度为评价参数分别用概率方法和确定性方法评价了泰国及邻近地区的地震危险性,结果显示这两种方法得到的峰值加速度结果具有一定相似性,确定性方法得到的地震危险性程度更高,两种方法可分别用于指导不同的工程用途。RODRGUEZ-PECES等[24]分别利用概率法和确定性方法做出Newmark位移分布图并与已有滑坡分布图进行比较,结果显示依据475年和975年地震重现期得出的滑坡重合性非常差,依据2 475年地震重现期难以得出相应的重合性,而依据确定性方法得出的永久位移结果和已有滑坡具有良好的一致性。确定性方法实现了特定地震场景的模拟实现,由于其不考虑地震复发周期,揭示了沿活动断层带的最高危险水准。

目前,震源参数的设计思想包含设定地震的概念,主要包括设定震源位置与震级。目前,在确定性方法和概率法中,设定地震的思想均有体现。《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》[27]将设定地震定义为“预期对某一区域可能产生震害的具体地震,包括震中、震级”。这种设定确切震源位置和震级等参数的做法也是目前地震危险性评价的发展方向。设定震源位置时,高孟潭等[28]、李山有等[29]、胥广银等[30]、刘博研等[31]均强调设定地震与地震构造的一致性,认为未来地震沿断层发生时应均匀分布,可直接在贡献潜源或发震断裂上设置震源。

无论是确定性方法还是概率法,其目的均是预测性地给出某工程场点或者研究区域的地震动参数和规律。在地震危险性评价过程中,应该选用哪种方法,应根据研究目的和需求、区域范围大小、详细地质构造状况等综合确定。

对于区域内具有活断层的地震危险性评价,还有一种基于有限断层用地震学知识建立震源模型的方法[25-26]。由于是基于活动断层以及相关数学理论建立的震源模型,需要提供更多的活断层信息如断裂的长度、宽度、埋藏深度、平均错动量等。这种方法虽然对震源的讨论非常细致,但由于对活断层的探查需要大量投入,所以在缺乏强震观测数据的地方应用还不太多。

2.2 地震动衰减关系

(1) 地震动衰减关系简介

地震动衰减关系也称为地面运动预测方程,指的是某种地震动参数如峰值加速度通过震级、距离、场地等参数表征的关系公式。一般利用具有一定物理意义的关系式与实际地震观测资料做回归分析确定。地面运动预测方程种类很多,自1964年至今每年都有新模型或改进模型出现,每种模型的适用条件也不相同。在区域边坡地震危险性评价中,大多使用地震动衰减关系计算获得地震动参数。

由于各地地质条件、场地条件的巨大差异,地震动衰减关系具有很强的地域性。世界上多个国家也都依据相应的地震动数据记录建立了各自区域的衰减关系方程。美国西部地区的下一代衰减关系(NGA West)研究代表了地震动衰减关系的研究前沿。该项目组利用173次地震事件的3 551条强震记录,拟合出5个综合性地震衰减关系模型[32-36]。但是,这些利用NGA地震数据库所拟合的衰减关系并不能直接应用于我国的地震动参数计算,其主要原因在于:(1)NGA衰减关系使用的震级和震源机制等地震参数、断层距和剪切波速等场地参数与我国常用的模型不同且表达式组成复杂,计算不便;(2)一般认为不同地区的地震动衰减特点存在差异,如果采用世界上其他地区的衰减关系难以与我国地震区地震环境相符合。

我国地震研究者根据相对齐全的汶川地震和芦山地震实测资料,也建立了各自的衰减模型[37-41]。在无其他可用实震资料的情况下,附近地区可以采用这些参数及关系模型做出峰值加速度分布图。

虽然利用地震动峰值加速度和边坡临界加速度可以做出研究区域的永久位移分布图,但按照随机过程观点,加速度峰值在地震时程中的出现并不固定,不宜仅以此参数作为地震动特性的标志。阿里亚斯强度则能够包含全部时程中的地震动信息,很多文献指出阿里亚斯强度能更全面准确表达地震波的能量大小。阿里亚斯强度包含了震动幅度、频率和持时的全部信息,描述了观测场点震动总释放能量,比其他地震动参数更能全面反映地震整体情况。利用阿里亚斯强度作为地震触发滑坡的研究参数,即是利用地震动总强度描述其与滑坡的关系,与实际破坏情况更加吻合。

与峰值加速度衰减理论相比,目前阿里亚斯强度衰减关系研究主要体现在某次地震的衰减规律成果,还不具有通用性。阿里亚斯强度衰减关系表达形式已从最简单的阿里亚斯强度与震级和距离的关系[9,42-48]到关系中包含场地项以及断层项和vS30项[49-52]。可以看出阿里亚斯强度衰减关系也在不断发展与改进,一定程度上能够体现场地、地形和断层类型对震后阿里亚斯强度分布规律的影响。

(2) 衰减公式与权重选取原则

目前已公开发表的地震动衰减关系已有很多,选择合适的衰减关系是获得研究区域相对准确峰值加速度的关键步骤。FABRICE COTTON等[53]给出了7条选择标准:①模型应与研究区具有相似的地质构造;②模型应公开发表;③模型数据来源应充足;④模型建立时间应较新;⑤模型应适合于工程应用;⑥模型表达式应科学合理;⑦回归方法和系数应正确合理。

其中第①条与第⑥条对峰值加速度计算起着关键作用。由于中国地域广大,各区域地层分布与地质构造差别很大,应尽量选取与研究区位置相符合区域或相近区域的关系表达式。衰减关系表达式一般包含震级和距离两个参数,在中等地震和大地震中,近源区存在震级饱和的现象,这种现象一般用aebM项进行表述。该表述更加符合近震源处地震动并不随震级增大而显著增加的特点,这也是衰减关系表达式的一种发展与进步。根据文雯等[54]的分析,评价潜源近距离处的影响应选用含震级饱和项的表达式,而评价潜源远距离处的影响则应选用不含震级饱和项的表达式。

根据不同地震动预测方程计算得到的基岩峰值加速度之间存在着不可避免的差异。为了减少这种差异,可采用逻辑树赋予权重的方法综合若干种地震动衰减关系做出研究区域的地震基岩峰值加速度分布图,如文献[55-58]。为所选择的地震动衰减关系确定权重时,以上文献主要考虑了与研究区域地理位置的符合情况、衰减关系数据记录来源的数量和可靠性、衰减关系的适用震级范围、地质构造的相似性、衰减关系的表达形式、衰减关系的确立时间等。

权重的选择具有主观性,SABETTA等[59]对衰减关系选取和逻辑树权重选择的研究发现选取合适衰减关系的重要性远远大于权重方案选择。所以建议尽量选取适合于研究区域的衰减关系而把权重判断与分配作为辅助手段。

2.3 地震动参数调整

(1) 峰值加速度的调整

从原理上讲,基于地震动衰减关系建立的峰值加速度是地震波传至基岩时所呈现出的大小,然而地表不同的场地条件和地形条件对地震动参数起着放大或缩小的作用。实际应用中,可以采取在基岩峰值加速度上乘以系数的方法进行调整。

① 场地效应系数

吕悦军等[60]研究发现,峰值加速度的场地效应与多种因素有关,如场地平均剪切波速、基岩输入地震动强度和岩土层的厚度等。

场地效应调整方法,一种为NGA预测模型工作组个别学者在建立地面运动预测方程时综合了场地效应,将其以地表30 m平均剪切波速vS30作为自变量列入衰减公式;另一种为利用实测加速度值拟合得到函数表达式,并用于计算连续分布的场地效应系数,主要文献有[61-64]。

② 地形效应系数

基岩峰值加速度传至地表,同样会受到地形效应的影响。地形效应的研究方法主要有实际地表监测、物理模拟和数值模拟三种。实际地表监测数据较少,物理模拟主要利用振动台模拟单体边坡,均难以得出通用的函数表达式。BOUCHOVALAS等[65]利用数值模拟方法得出了地形放大系数的表达式,可用于计算区域连续分布的地形效应系数。

③ 连续性vS30的计算

场地效应系数和地形效应系数的函数表达式都直接或者间接含有vS30。对于区域连续性vS30的获取,由于无法大范围采用实测手段,可以用数字高程模型DEM获得坡角等信息,然后利用地形梯度G与vS30的关系互相推求[20]。对于地形与vS30间的关系,一些学者已经做了研究,如MATSUOKA等[66]等研究发现vS30与地形梯度、地貌及高程具有较好的相关性;为了得到缺少实测数据区域的vS30值,WALD等[67]和ALLEN等[68]通过统计地形梯度与vS30之间的相关性,提出利用场地地形梯度G计算vS30的方法。

(2) 阿里亚斯强度的调整

目前对于阿里亚斯强度的调整主要出现在衰减关系中,以vS30项作为反应场地效应对峰值加速度的影响从而造成阿里亚斯强度的改变。

3 边坡基本参数

计算Newmark永久位移需要用到的边坡参数主要有边坡坡角、重度、黏聚力和摩擦角、Newmark滑块的假设厚度。在区域范围内,一般应取得区域地质图并根据地层分布确定边坡参数,但取值依据较少、人为主观性过大都严重影响着参数的准确性。为了便于计算,有些文献[3-4]采用了将研究区出现的岩土类别依据岩性进行了合并分组然后赋参数值的方法,这种方法抹杀了一部分岩土体的空间分布差异性,存在着较大主观性与不准确性,其取值与实际参数之间的误差会导致高估或低估边坡的抗震能力。因此,对于区域岩土体参数的统计分析需要更多的实地考察与统计工作。

区域范围内边坡坡角主要利用数字高程模型(DEM)通过地理信息软件计算得出,属于相对较容易获得并具有一定准确度的参数。

岩体重度本应由试验得出,然而在区域范围内进行准确的试验非常困难。获取区域范围内不同岩性重度的方法通常根据经验和常用数值综合确定。

岩体抗剪强度参数黏聚力和摩擦角也应通过实测试验得出,但与重度类似,区域范围内难以开展大量实测研究。所以黏聚力和摩擦角也是根据每种岩性的常用数据进行确定。若研究区岩性类别较少,可直接对各岩性赋值,如Jibson[9]、葛华等[17]、陈启国等[2]直接对不同岩性进行了赋值;若岩性类别较多,可以先分组再取值,如王涛等[3]、LIU Jiamei等[4]采用了对岩组先分类后赋值的方法。

滑块厚度代表潜在滑动面的深度,在边坡滑动之前很难预知其大小,而且永久位移计算结果对滑块厚度非常敏感。由于深层滑坡机理更为复杂,主要受深部结构面控制,所以在利用永久位移法判断地震边坡危险性时,通常认为该理论适用于浅表层滑坡。对于浅表层滑坡的滑动深度选取和研究实例主要有以下文献:WIECZOREK等[69]将滑块厚度取3 m;KHAZAI等[70]发现滑块厚度改变30.48 cm会导致临界加速度改变一个量级,因此他建议根据坡度的大小进行选取;陈启国等[2]取滑块厚度为3 m;RODRGUEZ-PECES等[18]取滑块厚度为3 m;王涛等[3]取滑块厚度为5 m;Kuo-Lung WANG等[71]专门对潜在滑块厚度进行了研究并给出了简单计算方法。对于地震对浅层滑坡的扰动深度,胡志旭等[72]通过仪器勘察推论出汶川地震的强扰动深度为0～5 m,姚令侃等[73]对汶川地震Ⅸ度烈度区的调查显示平均崩塌深度为1.2 m,这些数值均可为滑块厚度的选取提供依据。所以,建议采用研究区及其附近的岩体强风化和强卸荷深度并参考相关文献的取值范例确定各地层分类的滑块厚度。

抗剪强度参数取值这种主观经验式的赋值方法会使计算出的边坡静力安全系数出现小于1的情况,与实际中边坡在自然状态下处于稳定状态不相符合。Jibson等[12]采用对安全系数小于1的栅格调整黏聚力的方法以避免此类问题。

4 讨论与建议

区域范围预测性质的边坡地震危险性评价是一项融合地震地质、地震工程、岩土工程等多方面知识的综合课题,其结果合理与否取决于这几方面专业知识的研究深度。

(1) 地震边坡破坏判定依据中主要使用的Newmark永久位移法在计算边坡永久位移时假设抗剪强度以及安全系数在地震时程中是保持不变的,由此而假定临界加速度也保持不变。但实际上,在地震作用过程中,随着时程的延长,边坡潜在滑动面上的抗剪强度是逐渐减小的。在1965年原文文献中,Newmark意识到了这种保持常量的抗剪强度以及临界加速度是不合理的,他建议在使用该方法计算永久位移时考虑抗剪强度以及临界加速度的变化。不过,这个建议并未被后续的使用者重视并加以研究。

后续研究应注重滑动面参数减小的研究,并将其应用于预测模型。

(2) 阿里亚斯强度从能量的角度表征地震动强度,比烈度、峰值加速度等目前常用参数与地震诱发滑坡的相关性更高,因此以阿里亚斯强度为参数开展地震滑坡研究更为合理。加强阿里亚斯强度衰减关系及场地效应的深入研究,将使地震边坡危险性区划结果更加科学与实用。

(3) 目前地震动场地效应和地形效应采用两种不同的研究思路并且暂无成熟通用的研究成果,所以,如何把两者结合起来,得到既考虑场地影响又考虑地形影响的,更为准确的地震动参数还需要更多的研究。

(4) 岩土体参数表征了边坡坡体抵抗破坏的能力,在大区域中难以获得精确的数据资料,只能依靠经验给出,在很大程度上影响了永久位移计算结果的准确性。对于岩土体参数的统计和估算,寻求更加合理与更能体现边坡实际性质的参数取值方法对地震危险性评价结果有重要意义,国家地质调查部门可以在全国范围内逐步建立可供参考使用的岩土力学参数数据库。

(5) 一般认为,Newmark永久位移法的适用范围为地震诱发浅层崩滑灾害与碎屑流,该方法还不能完全模拟出深大滑坡的失稳模式。由于岩土体动力学特性和形成机制之间的差异,浅层崩滑与深大滑坡的位移分析和危险性评估方法也应不同,深大地震滑坡的发生机理与预测方法还需要建立更为有效的判断方案。