工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1611-1621   (6380 KB)    
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  • 收稿日期:2017-09-18
  • 收到修改稿日期:2017-12-29
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    申通
    王运生
    罗永红
    赵波
    辛聪聪
    贺建先
    古德章
    张得彦

    引用本文  

    申通, 王运生, 罗永红, 等. 2018. 九寨沟MS7.0级地震斜坡地震动响应监测研究[J]. 工程地质学报, 26(6): 1611-1621. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-446.
    SHEN Tong, WANG Yunsheng, LUO Yonghong, et al. 2018. Monitoring result and analysis of slope seismic response during the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1611-1621. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-446.

    九寨沟MS7.0级地震斜坡地震动响应监测研究
    申通, 王运生, 罗永红, 赵波, 辛聪聪, 贺建先, 古德章, 张得彦    
    地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都 610059
    摘要:通过在九寨沟县聚宝山不同位置处布设微震监测仪器,采集到了九寨沟MS7.0级地震后几次典型的余震监测数据。对地震动监测剖面上1#(1414 m)和2#(1551 m)监测点的余震加速度响应数据进行系统的研究,表明:(1)孤立突出山体的地形放大效应显著,各监测点的水平向加速度幅值一般要大于竖直向;(2)在地震过程中,聚宝山近SN走向的山脊沿水平东西方向震动更为猛烈,即沿东西两侧发生猛烈"甩动",形成沿山脊走向发育的地震裂缝。对余震监测数据的研究证实了斜坡地震动方向效应的存在,聚宝山山顶处的2#监测点水平东西向峰值加速度放大效应明显强于其他方向,地震波能量在水平东西向上得到显著放大,因而坡顶处建筑物也更容易沿该方向发生破坏,证明了局部地形对斜坡地震动力响应具有控制效应;(3)2#监测点竖直向主频值主要为6~12 Hz,水平东西向主频值主要为5~8 Hz,水平南北向主频值主要为5~10 Hz,其水平东西向主频率值主要为低频成分;相较于1#监测点,2#监测点各向的主频值发生明显衰减,即随着高程的增加,地震动主频值呈现出减小趋势,在斜坡上部地震波以中低频为主。通过进一步地计算分析得出,九寨沟地震诱发单薄山脊、条形山体、多面临空山体等地形放大效应与地震波半波长密切相关,斜坡在局部地形尺寸与地震波丰富的波长成分的耦合作用下,地形放大效应显著,山体震害发育。
    关键词九寨沟地震    斜坡地震动响应监测    余震峰值加速度    主频值    水平东西方向    地形放大效应    
    MONITORING RESULT AND ANALYSIS OF SLOPE SEISMIC RESPONSE DURING THE JIUZHAIGOU MS7.0 EARTHQUAKE
    SHEN Tong, WANG Yunsheng, LUO Yonghong, ZHAO Bo, XIN Congcong, HE Jianxian, GU Dezhang, ZHANG Deyan    
    State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection(Chengdu University of Technology), Chengdu 610059
    Abstract: The research group, just in the next day after the "8·8" Jiuzhaigou earthquake, installed microseismic monitoring instruments at the bottom(1# monitoring point) and the top(2# monitoring point) of the Jubao Mountain in the Jiuzhaigou county. They collected a good amount of seismic data during aftershocks. The paper seeks to research the seismic response characteristics through analysis of the monitoring data of 1# monitoring point at the elevation of 1414 m and 2# monitoring point at the elevatoion of 1551 m above mean sea level. The earthquake monitoring data show the follow features. (1)Compared with the low elevation monitoring point, the peak acceleration of the ground motion in all directions of the high elevation monitoring point show an increasing trend. The horizontal acceleration amplitude of each monitoring point is generally larger than the vertical direction. And the topographic amplification effect is remarkable. (2)During the aftershocks, near SN trending ridge of the Jubao Mountain quaked more fiercely along the east-west direction, which swung violently along the East and West sides of ridge, formed seismic fractures that developed along the ridge. The study of the aftershock monitoring data confirms the existence of the directional effect of the slope ground motion. The peak acceleration amplification effect of 2# monitoring station in horizontal East-West direction is obviously stronger than that in other directions. Seismic wave energy significantly magnified at the horizontal east-west direction. So, the top buildings were more easily damaged along this direction. These results proved that the local terrain had a controlling effect on slope seismic response. (3)The vertical main frequency of the amplitude spectrum of 2# monitoring point focused on the range between 6 Hz and 12 Hz. The horizontal East-West frequency focused on the lower frequency range between 5 Hz and 8 Hz. And the main frequency of horizontal north-south direction was mainly 5~10 Hz. Compared with the 1# monitoring point, the main frequency in all directions of the 2# monitoring point had obvious attenuation. That is, with the increase of the elevation, the main frequency of the seismic vibration showed a decreasing trend. And the seismic wave in the upper part of the slope was dominated by medium and low frequency. Further calculation and analysis showed that the topographic amplification effect of the thin ridge, the strip-type mountain and multiple free surfaces mountain were closely related to the half wave length of the seismic wave. Under the coupling effect of local topographic dimensions and the rich wavelength components of seismic waves, the topographic amplification effect was remarkable, and the seismic damage of the mountain was developed.
    Key words: Jiuzhaigou earthquake    Slope seismic response    Maximum peak acceleration    Main frequency    Horizontal east-west direction    Topography amplification effect    

    0 引言

    北京时间2017年8月8日21时19分46秒, 四川省阿坝州九寨沟县发生MS7.0级强烈地震, 震中位于北纬33.20°, 东经103.82°, 震源深度为20 km(戴岚欣等, 2017; 李渝生等, 2017)。无论是"5·12"汶川地震、"4·20"芦山地震, 还是此次"8·8"九寨沟地震, 强震过后, 余震频发, 均触发了大量崩塌、滑坡等斜坡次生山地灾害。斜坡地形地貌对地震作用下的次生山地灾害发育具有明显的影响或控制作用, 地震地质灾害通常发生在斜坡中上部等对地震波具有明显放大作用的部位。近年来, 斜坡的地震动响应规律的研究已成为国内外众多学者们研究的热点。

    Celebi(1987)在对1985年智利7.4级地震中记录的数据研究后发现, 地震作用下, 地面运动在山脊处产生放大现象, 而通过频谱比分析能够较好地获取不同场地条件下地震动发生放大效应的频谱范围。Zhou et al.(1993)通过数值计算并结合工程实例, 对峡谷地区斜坡地震动响应情况做出了概述: (1)地形地貌对地震波在山体中的位移模式具有重要影响; (2)山谷表面的风化层, 尤其是软弱强风化岩层对自由场运动产生显著放大, 使得山体表面的地震动响应最为强烈并可能产生共振作用。Del Gaudio et al.(2011)在假定所选取的参考场地与要分析的监测场地所受地震的震源以及传播途径等影响一致的前提下, 提出了谱比分布极化图, 应用该极点图分析方法可以得到场地在任何一个方向的放大特性。Tripe et al.(2013)利用有限元数值模拟软件研究深厚覆盖层对斜坡动力响应的影响, 相较于地形效应, 深厚覆盖层的存在可能对地面运动产生更大的影响, 值得注意的是土体放大峰值和地形放大峰值发生所对应的地震动输入频率段是不一致的。Che et al.(2016)结合数值模拟以及振动台实验对节理化岩体在地震波作用下的稳定性进行较深入的分析, 地震波在岩体不连续结构面处发生多向反射及散射, 加速度得到放大, 并在坡顶浅表部位形成加速度放大区域, 在地震波持续作用下坡顶处发生较大变形最终发生崩滑失稳。这些研究成果加深了人们对于斜坡地震动响应的认识, 但就目前该领域的研究状况而言, 有关斜坡地震动响应的实测数据较少, 地震波在不同斜坡地形部位动力响应方面的研究缺乏系统的监测数据支撑。

    九寨沟地震发生后第二天, 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组织专家团队赶赴灾区, 并在九寨沟县聚宝山斜坡布设震后余震监测剖面, 监测剖面上的两台微震速度监测仪器较为完整地记录了5次余震触发该斜坡动力响应数据。本文通过对九寨沟县聚宝山斜坡体不同高程、不同地形地貌等处进行余震监测数据系统研究, 初步分析了斜坡地震动峰值加速度响应机理, 为强震区斜坡动力稳定性评价及成灾机理提供科学依据。

    1 监测剖面概况

    九寨沟县位于四川盆地与青藏高原东北缘的过渡地带, 属岷山山脉的东部、龙门山山脉的西北部。本区在大地构造上处于秦岭东西向构造带南缘, 松潘—甘孜褶皱系东侧, 南与龙门山北东向构造带相邻。三级不同方向构造线形成向南凸出的弧形弯曲, 九寨沟县位于构造线形弯曲的顶端, 并主要受近南北向构造断裂控制(图 1)。由于地处断裂带附近, 属Ⅸ度烈度区, 地震活动较频繁。研究区属深切割高山峡谷地貌, 地震动监测剖面布设在九寨沟县永乐镇聚宝山上, 位于白水江右岸, 距"8·8"九寨沟MS7.0级地震震中约39 km。聚宝山海拔高程1413~1553 m, 相对高差约140 m, 为一孤立突出山体, 三面临空, 地形平均坡度在40°以上(图 2)。出露地层主要为三叠系杂谷脑组钙质板岩, 岩性较为单一, 整体呈反倾层状结构岩质边坡, 受构造及风化卸荷作用的影响, 岩体表面较为破碎。聚宝山监测点剖面布置及微地貌如图 3所示。

    图 1 区域构造图 Fig. 1 The regional tectonic map

    图 2 九寨沟县聚宝山地震监测点布置图(镜头方向226°) Fig. 2 The monitoring sites location of Jubao Mountain in Jiuzhaigou county

    图 3 九寨沟县聚宝山地震监测剖面图 Fig. 3 Monitoring ponits profile of Jubao Mountain in Jiuzhaigou county

    监测点1#(1414 m)位于聚宝山山脚基岩处, 2#监测点(1551 m)位于聚宝山山顶基岩处(图 3), 两处监测点均采用由日本应用地震计测株式会所研制的EDR-X7000-00型微震监测仪, 其主要技术指标为:灵敏度为0.8V/kine(kine=cm·s-1), 三分量(上下: 1、水平南北: 2、水平东西: 3), 测量精度为250~1000 sps, 固有周波数约2 Hz。

    2 典型余震峰值加速度监测数据

    微震监测仪有效记录了"8·8"九寨沟地震之后(图 1), 时间跨度从2017年8月11日至8月27日的5次典型余震(表 1), 属于微-有感地震。本文对采集到的数据进行滤波处理, 各典型余震监测数据的加速度时程曲线、傅里叶频谱分析幅值谱对比图(表 2), 各监测点最大峰值加速度及主频值见表 3

    表 1 仪器记录典型余震基本信息 Table 1 The basic information of the aftershocks

    表 2 测点1#及测点2#余震监测数据时域波形及幅值谱(FFT)图 Table 2 Amplitude spectrum and spectral map of aftershock monitoring data at monitoring 1 and 2

    表 3 各监测点最大峰值加速度及主频值对比 Table 3 Comparison of most peak acceleration and main frequency

    通过对该山体2.6级以上微—有感地震竖直向、水平南北及水平东西向三分量地震波数据进行研究分析可知(表 3), 1#监测点的三分量最大地震动峰值加速度值在各次余震事件中变化幅度较大, 各监测数据的水平向加速度幅值一般要大于竖直向; 各向主频值主要集中在12~20 Hz, 频率值相对较高。2#监测点各监测数据三分量最大地震动峰值加速度值较为均一, 且水平南北向主频值主要为5~10 Hz, 水平东西向主频值主要为5~8 Hz, 竖直向主频值变化较大, 但多在12 Hz以下。

    在监测剖面上, 以聚宝山山脚处1#监测点作为参照点, 聚宝山山顶处的2#监测点各向最大峰值加速度均表现为放大, 竖直向和水平南北向放大倍数较小, 一般放大1.2~3倍; 水平东西向放大倍数较大, 最大可放大20倍左右。相较于1#监测点, 2#监测点处余震数据的主频值均有明显衰减。通过对聚宝山山体监测点1#与监测点2#地震地质灾害调查可知, 前者灾害情况轻微, 而后者较严重。从所监测的微—有感地震数据中不难看出, 高高程监测点的各向峰值加速度的放大系数一般要大于低高程监测点, 各监测点的水平向加速度幅值一般要大于竖直向, 表明聚宝山山体的地形效应造成地震波在斜坡上部表现出异常放大现象, 并最终导致山顶处的建筑物震裂破坏。在对九寨沟灾区的地质灾害发育分布规律进行现场调查后发现, 崩滑灾害也多发生在斜坡上部, 震害具有明显趋坡顶效应。

    3 斜坡地震动峰值加速度响应机理分析

    对聚宝山山顶处风成寺震后调查发现, 山顶处在"8·8"九寨沟地震时震感强烈, 导致寺庙内建筑物局部发生破坏, 寺庙餐厅内墙面上出现明显裂缝, 从墙面延伸至地面, 墙上裂缝长2.5 m, 宽0.5 cm; 地面延伸10 m, 地裂缝宽约1 cm, 走向39°(图 4)。聚宝山山体整体为近20°(NNE—SSW)走向的条形山体, 并向SEE凸出。现场调查显示, 聚宝山斜坡顶部地裂缝走向39°, 为沿山脊走向呈NNE向延伸, 贯通性好, 主要以拉裂为主。"8·8"九寨沟地震发生时, 聚宝山所在区域的烈度为Ⅷ度; 而汶川地震时, 该地区的烈度为Ⅶ度, 另据寺庙工作人员反映, 在"5·12"汶川地震中, 寺庙办事处门口也出现类似的地裂缝, 拉裂缝宽度最宽约1 cm, 近NNE走向(图 5)。由此表明, 在不同地震事件中, 聚宝山山体的变形破坏特征具有相似的规律性。

    图 4 在九寨沟地震中产生的墙面裂缝及地裂缝 Fig. 4 The wall crack and surface crack caused by Jiuzhaigou earthquake

    图 5 在汶川地震中产生的地裂缝 Fig. 5 The surface crack caused by Wenchuan earthquake

    Gaudio et al.(2007)在意大利Caramanico Terme进行长期的斜坡地震加速度响应监测工作, 研究发现斜坡地震加速度响应存在显著的方向效应, 即地震加速度峰值会在监测场地的特定方向处产生显著的放大。值得注意的是, 在"8·8"九寨沟地震过程中, 聚宝山近SN走向的山脊沿水平东西方向震动更为猛烈, 即沿东西两侧发生猛烈"甩动", 从而形成沿山脊走向发育的地震裂缝。而通过对余震监测数据的研究证实了斜坡地震动方向效应的存在, 斜坡地震动过程具有明显的指向效应(优势方向), 聚宝山山顶处的2#监测点水平东西向峰值加速度放大效应明显强于其他方向, 放大倍数最大可达21.67倍, 地震波能量在水平东西向上得到显著放大, 因而坡顶处建筑物也更容易沿该方向发生破坏, 证明了局部地形对斜坡地震动力响应具有控制效应。

    由傅里叶频谱分析结果可得2#监测点竖直向主频值主要为6~12 Hz, 水平东西向主频值主要为5~8 Hz, 水平南北向主频值主要为5~10 Hz, 其水平东西向主频率主要包含低频成分; 相较于1#监测点, 2#监测点各向的主频值发生明显衰减, 观测结果也与罗永红等(2010, 2013)的调查结果相符合, 罗永红等(2010)在对青川东山—狮子梁斜坡地震动研究后发现, 随着高程的增加, 地震动主频值呈现出减小趋势, 在斜坡上部地震波以中低频为主; 当局部地形尺寸与地震波半波长波峰值相近时, 震害发育。横波传播的波速一般为3.2~4.0 km·s-1, 通过波长计算公式λ=VsT, 取波速为3.2 km·s-1, 同时取聚宝山山顶处(1551 m)水平东西向主频率值5~8 Hz进行估算可得, 地震波长λ约为0.4~0.64 km, λ/2约为0.2~0.32 km, 而地震波半波长与该山体长(约350 m)较接近, 且监测点位于坡体NNE端, 接近于半波长的波峰处, 其水平东西分量的振幅显著放大。据此判断, 九寨沟地震诱发单薄山脊、条形山体、多面临空山体等地形放大效应与地震波半波长密切相关, 实际监测的地震波中具有丰富的波长成分, 当地形尺寸与地震波半波长波峰值相近时, 斜坡在局部地形与地震波波峰的耦合作用下, 地形放大效应显著, 山体震害发育。

    4 结论

    在地震力作用下, 坡体的稳定性与微地貌形态有着紧密的关系, 斜坡一些特殊地形地貌处有助于地震波加速度的放大, 当这些局部地区剧增的能量超过了岩土体的抗拉、抗剪强度极限时, 斜坡便会发生震裂、崩塌、滑坡灾害。在同一烈度区, 由于山体具有不同的地形地貌, 通常也会呈现出不同的震害(黄润秋等, 2008; 王运生等, 2008; 贺建先等, 2015; 申通等, 2016)。通过对九寨沟县聚宝山监测点所捕捉到的多次余震数据进行分析, 得到如下结论:

    (1) 高高程监测点的各向峰值加速度的放大系数一般要大于低高程监测点, 各监测点的水平向加速度幅值一般要大于竖直向, 孤立突出山体的地形效应造成地震波在斜坡上部表现出异常放大现象。

    (2) 在"8·8"九寨沟地震过程中, 聚宝山近SN走向的山脊沿水平东西方向震动更为猛烈, 即沿东西两侧发生猛烈"甩动", 从而形成沿山脊走向发育的地震裂缝。通过对余震监测数据的研究证实了斜坡地震动方向效应的存在, 斜坡地震动过程具有明显的指向效应(优势方向), 聚宝山山顶处的2#监测点水平东西向峰值加速度放大效应明显强于其他方向, 地震波能量在水平东西向上得到显著放大, 因而坡顶处建筑物也更容易沿该方向发生破坏, 证明了局部地形对斜坡地震动力响应具有控制效应。

    (3) 由傅里叶频谱分析结果可得, 2#监测点竖直向主频值主要为6~12 Hz, 水平东西向主频值主要为5~8 Hz, 水平南北向主频值主要为5~10 Hz, 其水平东西向主频率值主要为低频成分; 相较于1#监测点, 2#监测点各向的主频值发生明显衰减, 即随着高程的增加, 地震动主频值呈现出减小趋势, 在斜坡上部地震波以中低频为主。通过进一步地计算分析得出, 九寨沟地震诱发单薄山脊、条形山体、多面临空山体等地形放大效应与地震波半波长密切相关, 斜坡在局部地形尺寸与地震波丰富的波长成分的耦合作用下, 地形放大效应显著, 山体震害发育。

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