2023, Vol. 43
2. 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，成都市东三路1号，610059
汶川大地震以及近年来发生的多起强震使得许多山体受到扰动，形成大量震裂斜坡。研究表明，不同微地貌单元对地质灾害发育具有明显影响，凸出地形、条形山体、单薄山脊、坡折部位、山嘴两侧地形放大效应显著，多有震害发生[1-7]。部分学者设计振动台模型实验，研究微地貌放大效应以及地震动参数影响边坡的动力响应规律[8-10]。
对震裂斜坡力学形成机制的研究较多，取得了一系列成果[11-14]，但对震裂斜坡地震动响应特征的研究较少，尤其缺乏实际监测数据。受2019年长宁6.0级地震和2019年珙县5.6级地震灾害的影响，珙县珙泉镇三江村鹰咀岩地裂缝发生变形，直接威胁当地居民生命财产安全。本研究在鹰咀岩安置3台地震动监测仪器，分析震裂斜坡的地震动响应特征，以期对珙县防灾减灾提供参考。
1 监测剖面概况四川盆地南缘构造变形较为简单，岩层倾角相对较小，但地应力复杂，主要有北西向和滇东-黔西的挤压应力以及四川盆地的刚性基底阻力，为应力积累提供条件，易发生地震，兴文MS5.1地震即是正常的高地应力释放过程[15]。本次地震震源深度10 km，震中位置为28.22°N、105.03°E，珙县地震监测台站距离震中约30 km，震中位置及断裂展布见图 1。
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图 1 震中位置及断裂展布 Fig. 1 Distribution of the epicenter and faults |
鹰咀岩不稳定斜坡前缘以公路内侧基覆界面为界，两侧均以微地貌小山脊为界，纵向长约490 m，宽约300 m，厚约2~3 m，体积约44.1万m3。斜坡坡向约185°，平均坡度约35°。斜坡中下部公路内侧局部可见基岩出露，岩性为灰褐色砂岩，产状为212°∠9°，岩层与斜坡倾向大体一致，为顺层斜坡。受2019-06-17长宁县6.0级地震以及2019-07-04珙县5.6级地震影响，斜坡体上出现2条地裂缝L1和L2(图 2)。地裂缝L1可分为2段，Ⅰ段走向约123°，长约74 m，宽0.5~0.7 m，深2.2~2.5 m；Ⅱ段走向约168°，长约72 m，宽0.2~0.5 m，深1.5~2.3 m。地裂缝L2走向约140°，长约39 m，宽0.15~0.4 m，深0.1~0.4 m。根据变形特征，斜坡中后部区域为强变形区，长约200 m，宽约255 m。鹰咀岩地裂缝所处斜坡目前均处于欠稳定状态，若遇持续降雨、地震等不利工况条件，形成灾害的可能性较大。
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图 2 地震裂缝 Fig. 2 Earthquake fissures |
珙县鹰咀岩斜坡体上布置有3个监测点(图 3)，监测剖面见图 4。1#监测点高程502 m，位于斜坡前缘村道旁基岩上，岩性为三叠系下统飞仙关组(T1f)砂岩，岩层近水平，产状215°∠9°，层厚20~50 cm，中风化至微风化。1#监测点接近谷底，且岩体较完整，可以忽略地形效应，作为斜坡中上部监测点的参考点。2#监测点位于震裂斜坡中部基岩上，高程597 m，地形坡度较缓，约30°~40°，表层覆盖物为粘土夹碎石，粘土为塑性，厚约0.5~0.7 m。3#监测点位于震裂斜坡地裂缝附近基岩上，高程678 m，地形坡度30°~40°，表层覆盖物为粘土夹碎石，粘土为塑性，厚约1.8~2.1 m。2#和3#监测点表层有薄覆盖物，但传感器位于基岩上，可以忽略覆盖层影响，按照基岩场地进行分析。本研究使用G01NET-3型结构与斜坡地震动响应监测仪，采样间隔为0.005 12 s。
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图 3 监测点位分布 Fig. 3 Distribution of monitoring points |
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图 4 鹰咀岩监测剖面 Fig. 4 Yingzuiyan monitoring profile |
兴文MS5.1地震触发距离震中约30 km的鹰咀岩斜坡上的3台地震动监测仪器，仪器记录到完整的地震波数据。使用SeismoSignal软件对数据进行基线校正和滤波处理，并分析时程曲线(图 5)。
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图 5 地震动时程曲线 Fig. 5 Ground motion time history curve |
分析各监测点的地震动加速度时程曲线可知，本次地震持时短、幅度小，位于震裂斜坡上部的2#和3#监测点S波持时较斜坡前缘1#监测点长2~5 s，这是因为在限定范围内，地震波到时与持时随震中距的增加而增加，而高程增加相当于震中距增加。1#、2#和3#监测点的最大峰值加速度(PGA)分别为0.061 65 m/s2、0.092 55 m/s2和0.145 57 m/s2，1#监测点三分量方向加速度小于2#和3#监测点，地裂缝附近3#监测点最大PGA大于1#和2#监测点，这是由高程放大效应和震裂斜坡地震波传播遇不连续介质(地裂缝)发生反射叠加所致。地震波传播时由于S波与P波波速不同步，因此能在较短时间内记录双峰型时程曲线，地裂缝附近3#监测点相较于2#监测点NS向加速度双峰特征更加明显，且第2峰值大于第1峰值，这是因为波速较快的P波遇震裂斜坡不连续介质(地裂缝)发生反射并与波速较慢的S波叠加，从而在较短时间内增强S波能量，提高第2波峰(峰值加速度)大小。在EW、NS和UD方向上，各点均有不同程度的响应，大体上为NS向最大，EW向次之，UD向最小，表明本次地震动优势方向为NS向。
2.2 傅里叶频谱地震波信号呈现正弦曲线，将其作傅里叶变换得到傅里叶频谱图(图 6)，可反映场地不同频率范围的地震波能量强弱。
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图 6 地震动傅里叶频谱图 Fig. 6 Fourier spectrogram of ground motion |
从图 6可以看出，震裂斜坡场地对地震波频率(表 1)变化起到明显作用，1#监测点主频率较小，EW、NS和UD方向上分别为6.23 Hz、11.10 Hz和11.74 Hz；2#监测点三分量上主频率分别为10.03 Hz、17.51 Hz和9.88 Hz；3#监测点三分量上主频率分别为11.34 Hz、21.73 Hz和12.53 Hz。表明该震裂斜坡对EW向和NS向分量低频具有过滤吸收作用，对中高频具有放大增强作用，表现为低频衰减、中高频放大、频带变宽，这在地裂缝附近3#监测点更加显著；UD向变化不明显，可能与震中距和表层覆盖物有关，有待进一步研究。
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表 1 各监测点地震动参数 Tab. 1 Ground motion parameters of each monitoring point |
加速度反应谱是指在相同阻尼条件下，地表质点系的最大响应与场地自振周期的关系，可理解为阻尼相同、周期不同的质点系在地震过程中的最大响应(位移、速度和加速度)，反映了场地的地震动和共振特性，其本质是反映最大响应绝对值与自振周期的函数关系[16-17]。阻尼比指场地在受到地震力荷载作用下振动的衰减，本文分析加速度反应谱时，将阻尼比设置为5%、10%和20%(图 7)。
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图 7 地震动加速度反应谱 Fig. 7 Acceleration response spectrum of ground motion |
从图 7可以看出，加速度幅值随着阻尼比增大而减小，且下降明显，在0.5 s后逐渐减小趋近于0。反应谱升降趋势不随阻尼比变化而发生显著改变，说明加速度反应谱可量化不同阻尼对地震波振幅的响应，而阻尼对震动过程的影响较小。在同一阻尼比条件下，地裂缝附近3#监测点的振幅值均大于1#和2#监测点，NS向反应谱显著大于EW和UD向。
根据GB 50011-2010 《建筑抗震设计规范》，珙县为Ⅵ度设防区，设计基本地震加速度为0.05 g，地震分组为第1组，属于Ⅱ类场地，Ⅵ度和Ⅶ度水平地震影响系数最大值分别为0.28和0.50，特征周期为0.35 s，选择5%阻尼比的加速度，使用Chinese Response Spectrum程序绘制抗震设计反应谱。通过分析可知，2#监测点NS向和3#监测点EW向5%阻尼比反应谱峰值大于Ⅵ度设计谱，小于Ⅶ度设计谱；3#监测点NS向5%阻尼比反应谱峰值接近Ⅶ度设计谱，10%阻尼比峰值超过Ⅵ度设计谱。通过调查发现，居民房屋墙壁出现裂缝(图 8(a))，道路内侧斜坡覆盖层有垮塌(图 8(b))，这与反应谱分析结果一致。
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图 8 监测点附近房屋损坏和斜坡垮塌 Fig. 8 Houses damage and slopes collapse near monitoring points |
一般使用PGA放大系数和阿里亚斯强度(AI)放大系数研究地震动的放大效应。PGA是地表上单质点体系震动绝对值最大的加速度；AI是地表上单质点加速度在时间上的积累，可以用来表征地震烈度，二者结果可以相互印证。
3.1 鹰咀岩震裂斜坡地震动放大效应根据各监测点地震动参数(表 1)，通过对比PGA放大系数和AI放大系数(图 9)，分析鹰咀岩震裂斜坡的放大效应。
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图 9 各监测点放大系数 Fig. 9 Amplification factors of each monitoring point |
忽略地形效应，将接近谷底基岩的1#监测点作为基准，分析震裂斜坡上部2#和3#监测点的放大效应。2#监测点EW、NS和UD向的PGA放大系数分别为1.50、1.67和1.17，3#监测点EW、NS和UD向的PGA放大系数分别为2.36、3.05和1.59，可见PGA放大系数NS向>EW向>UD向。2#监测点EW、NS和UD向AI放大系数分别为4.68、6.15和4.43，3#监测点EW、NS和UD向AI放大系数分别为7.59、18.86和6.01，AI放大系数NS向>EW向>UD向。PGA放大系数和AI放大系数均大于1，表明2#和3#监测点均存在放大现象。AI放大系数大于PGA放大系数，表明AI判定斜坡地震动响应更加合理、精细[2]。PGA放大系数和AI放大系数的变化趋势相似，均为NS向>EW向>UD向，表明NS向在地震波作用下摇晃更强烈，为优势方向。此次震裂斜坡地震动响应表现出方向效应，原因为鹰咀岩斜坡位于长5.4 km、走向108°的条形山体南坡，在地震波作用下，条形山体在近垂直其走向的方向(NS向)摇晃更加强烈。
3.2 与芦山仁家村地震动监测剖面对比芦山县仁家村在2013-04-20芦山MS7.0地震后布设了1条监测剖面共2个地震动监测台站(表 2)。2013-05-01台站监测到芦山地震4.2级余震，根据中国地震台网测定，震中位置为30.20°N、102.90°E，震源深度20 km，监测台站距震中约4.2 km。珙县鹰咀岩3#监测点和2#监测点高程差81 m，与芦山仁家村监测剖面点位高程差(77 m)相近，且2个场地传感器均放置于基岩(砂岩)上，因此将2个场地的放大效应进行对比(表 3)，分析震裂斜坡的放大效应。
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表 2 芦山仁家村监测剖面点位场地信息 Tab. 2 Site information of monitoring profile points in Renjia village, Lushan |
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表 3 芦山地震和兴文地震响应参数对比 Tab. 3 Comparison of response parameters of Lushan earthquake and Xingwen earthquake |
由表 3可知，芦山地震PGA放大系数为0.98~1.78，AI放大系数为1.54~2.05；兴文地震PGA放大系数为1.36~1.82，AI放大系数为1.36~3.06。震裂斜坡的放大系数在EW和NS方向上明显大于非震裂斜坡，在UD方向上则不明显，表明震裂斜坡对地震波存在放大现象。这是因为在震裂斜坡中，地震波传播遇到不连续介质(地裂缝)会发生反射，波速较快的P波和先到达地表的S波反射波与后续到达地表的S波叠加，能量增强促使斜坡摇晃更加猛烈，发生震裂斜坡的放大响应。
4 结语兴文5.1级地震触发位于珙县鹰咀岩震裂斜坡上的3台地震监测仪器，完整记录到地震波的传播过程。通过研究时程曲线、傅里叶频谱和加速度反应谱，分析本次地震动响应特征，得到以下结论：
1) 本次地震持时短、幅度小，1#、2#和3#监测点三分量方向最大峰值加速度分别为0.061 65 m/s2，0.092 55 m/s2，0.145 57 m/s2，2#和3#监测点S波持时较1#监测点长2~5 s。
2) 分析傅里叶频谱可知，1#、2#和3#监测点EW、NS向主频率值分别为6.23 Hz、11.10 Hz，10.03 Hz、17.51 Hz和11.34 Hz、21.73 Hz，震裂斜坡对水平向分量具有低频过滤吸收、中高频放大增强作用，表现为低频衰减、中高频放大、频带变宽，在地裂缝附近3#监测点该变化更加显著，而3个监测点垂直向主频率值分布在9.88~12.53 Hz，变化不明显。
3) 在同一阻尼比条件下，地裂缝附近3#监测点的振幅值大于1#和2#监测点，NS向加速度反应谱显著大于EW和UD向。对比规范设计谱可知，3#监测点NS向加速度反应谱最大，5%阻尼比峰值接近Ⅶ度设计谱，10%阻尼比峰值超过Ⅵ度设计谱。
4) 以1#监测点为参考，2#和3#监测点PGA放大系数为1.17~3.05，AI放大系数在EW和UD向为4.43~7.59，地裂缝附近3#监测点NS向可达18.86。对比1#监测点，2#和3#监测点PGA放大系数和AI放大系数均大于1，且NS向>EW向>UD向，NS向表现出明显的优势方向。这是因为该斜坡位于一条形山体(走向108°)南侧，在地震波作用下，条形山体会在近垂直其走向的方向(NS向)摇晃更加剧烈。
5) 对比芦山仁家村非震裂斜坡监测剖面可知，珙县鹰咀岩监测剖面的放大系数在水平方向更大，而在垂直方向不明显，表明震裂斜坡对地震波存在放大现象。这是因为地震波传播遇到不连续介质(地裂缝)会发生反射，波速较快的P波和先到达地表的S波反射波与后续到达地表的S波叠加，能量增强促使斜坡摇晃更加剧烈，发生震裂斜坡的放大响应。
致谢: 感谢华地建设工程有限责任公司提供震后勘查成果。
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