地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (7): 1631-1638   PDF    
自贡市西山公园地形对地震动的影响
王海云 , 谢礼立     
中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨 150080
摘要: 不规则地形和土层对地震动的影响较大, 建(构)筑物选址及其抗震设防必须考虑地形和土层场地的放大效应, 以避免或减轻其震害.利用自贡地形台阵记录的汶川地震(Ms8.0)的主震加速度时程, 基于传统谱比法分别研究了地形和土层场地对地震动的放大效应.结果表明:(1)地形场地在低频的放大效应不明显, 最大仅为1.24;在高频的放大效应较显著, 在1~10 Hz频带, 山顶的放大效应最大, EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为4.15、3.61和2.41, 对应频率分别为5.72 Hz、6.46 Hz和7.44 Hz; 在10~20 Hz频带, 靠近山顶的山脊上某个地震动分量的放大效应最大, 7#台站EW、5#台站NS和7#台站UD地震动的最大放大效应分别为9.10、5.56和2.52, 对应频率分别为16.97 Hz、16.91 Hz和17.91 Hz.(2)地形场地的最大放大效应随高度有增加的趋势, 且在0.1~10 Hz频带随高度增加的趋势更加明显.(3)土层场地水平向地震动在2 Hz以上开始明显放大, 竖向地震动在4 Hz以上开始明显放大; EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为13.4、12.168和6.0, 对应频率分别为6.94 Hz、7.55 Hz和10.8 Hz.(4)土层场地与地形场地的最大放大效应相比较, 前者显著大于后者, 对于水平向地震动, 前者至少是后者的3倍以上; 对于竖向地震动, 前者至少是后者的2.5倍以上.(5)无论是地形场地还是土层场地, 地震动的最大放大效应均有水平向大于竖向的特征.
关键词: 自贡地形台阵      汶川地震      地震动      地形效应      谱比法     
Effects of topography on ground motion in the Xishan park, Zigong city
WANG Hai-Yun, XIE Li-Li     
Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
Abstract: Effects of both soil layer and irregular topography on ground motion are relatively serious, their amplification effects on ground motion must be considered in site selection and seismic fortification of buildings to prevent or mitigate seismic hazard of buildings. Utilizing acceleration time histories of the Wenchuan earthquake's mainshock recorded by Zigong topographic array located in Xishan park, Zigong city, the amplification effects of both soil and site topography on ground motions are analyzed and studied by traditional spectral ratio method. The results are as follows. (1) The amplification effect of topography at low frequency is not obvious, and the maximal amplification factor is 1.24. And the amplification effect of topography at high frequency is significant. In the frequency range from 1 Hz to 10 Hz, the amplification factor of hilltop is maximal, the maximal amplification factors of EW, NS and UD ground motions on hilltop are 4.15, 3.61 and 2.41 respectively, the corresponding frequencies are 5.72 Hz, 6.46 Hz and 7.44 Hz respectively. In the frequency range from 10 Hz to 20 Hz, the amplification factor of some components of ground motions on ridges in the vicinity of hilltop is maximal, the maximal amplification factors of EW (7#), NS (5#) and UD (7#) ground motions of ridges in the vicinity of hilltop are 9.10, 5.56 and 2.52 respectively, corresponding frequencies are 16.97 Hz, 16.91 Hz and 17.91 Hz respectively. (2) The maximal topographic amplification factors of ground motions tend to increase with elevation of the hill, and the trend in frequency range from 0.1 Hz to 10 Hz is more obvious. (3) The amplification effect of horizontal ground motion at soil sites is obvious when frequency is more than 2 Hz, and that of vertical ground motion is obvious when frequency is more than 4 Hz. The maximal amplification factors of EW, NS and UD ground motions of soil site are 13.4, 12.168 and 6.0 respectively, corresponding frequencies are 6.94 Hz, 7.55 Hz and 10.8 Hz respectively. (4) The maximal amplification factors of soil site are more than ones of topographic sites. For horizontal ground motions, the former is 3 times the latter at lowest. For vertical ground motions, the former is 2.5 times the latter at lowest. (5) For both topographic site and soil site, the maximal amplification factors of horizontal ground motions are more than the ones of vertical ground motions..
Key words: Zigong topographic array      Wenchuan earthquake      Ground motion      Topographic effect      Spectral ratio method     
1 引言

大量的震害调查、强震观测以及理论研究表明[1~8],不规则地形对震害以及地震动的影响较大.位于局部孤立突出的地形,如孤立的小山包或山梁顶部、陡坎等的村庄,它们的震害和平地上同类地基相比,一般均较重.这些震害较严重部位和平地上同类地基的地震动相比,均有放大,且地形放大效应随着地形高度有增大的趋势.地形放大效应是地震学和地震工程学中一个重要的研究内容,对于地形复杂区域的地震安全性评价和建(构)筑物的抗震设防具有重要的理论和实践意义.

基于强震观测记录的地形对地震动的影响,一般采用谱比法进行研究[3~5, 8].传统谱比法由Borcherdt[9]提出,采用场地及其附近参考场地(一般为基岩场地)之间地震动记录的傅氏谱比值分析、研究场地效应,方法简单,广泛应用于具有参考场地的台阵.Andrews[10]将传统谱比法推广为广义反演谱比法(generalized-inversion spectral ratios),利用局部或区域强震观测网络获取的多次地震的地震动记录同时求取震源、路径和场地效应.

研究人员一直试图用理论模型建模地形对地震动的影响,结果表明:在定性上与观测结果相一致,但在定量上往往低于观测值[3].Hartzell[11]认为:除了可能的地形效应之外,由于地下速度的差异,每个场地还有其自身内在的场地效应;而在研究中,地形效应和场地效应是很难区分的.这可能是理论模型预测值低于观测值的主要原因.

2008年5月12日突发的汶川地震(Ms8.0),发震断层为龙门山中央断裂,地表破裂长达230km,前山断裂亦产生了70km的地表破裂[12].极震区高山、峻岭、峡谷交错密布,地形极为复杂,高差极大.例如,中央断裂上盘山地海拔2000~3000m,后山断裂上盘的海拔高度达4000~5000m以上,而下盘的成都平原海拔仅500m左右[13].龙门山断裂带这种极为复杂的地形差异无疑会对该次地震产生的地震动造成极大的影响.

由四川省地震局建设、并于2007年开始运行的自贡地形台阵在汶川地震中获得了良好的主震加速度记录,填补了我国地形台阵强震记录的空白,为研究地形对地震动的影响提供了极好的机会.本文利用自贡地形台阵记录的汶川地震的主震加速度时程,基于传统谱比法分析、研究了地形和土层场地对地震动的影响.

2 方法

地震动是由震源破裂过程(震源效应)、波在地壳中的传播过程(路径效应)和场地反应3个物理过程组成的一种复杂系统的产物,用强震观测记录估计场地反应需要除去震源和路径效应.

传统谱比法的基本思想是:场地附近有一基岩参考场地,它们之间有相同的震源效应和几乎相同的路径效应,场地与基岩参考场地之间的地震动傅氏谱比即为估计的场地反应[8, 9, 14].

假设有M个台站组成的强震观测网络获得N次地震的地震动记录,第i个台站记录的第j次地震的地震动傅氏谱(Oij)可以表达为震源(Ej)、路径(Pij)和场地(Si)的乘积,即

(1)

其中,f为频率.

如果参考场地(i=R)的场地反应可忽略不计(即SR=1),而且台站之间的距离与震中距相比很小,路径效应则可以忽略,即PijPRj.那么,每个台站的场地反应(SiSR)可用下式估计:

(2)

对一次地震、由M个台站组成的强震台阵而言,第i个台站的场地反应可用下式估计:

(3)

3 自贡地形台阵及强震记录

自贡市位于四川盆地南部(图 1a),与汶川地震(Ms8.0)的震中距为226.4km.自贡地形台阵建在自贡市西山公园的山上.该台阵由8个台站(0#~7#)组成(表 1),均配置了ETNA型记录器、ES-T型加速度计的数字强震动仪.山顶(6#)与山底(0#或1#)台站之间的最大高差为72m.其中,0#台站位于山底土层之上,用于土层反应研究,简称土层场地;1#台站位于山底的基岩上,作为参考场地;其他6个台站位于山脊不同高度的侏罗系基岩上,用于地形反应研究,简称地形场地(图 1(b,c)).

图 1 自贡地形台阵位置(a)及其台站分布平面图(b)和剖面图(c) Fig. 1 The location of the Zigong topographic array (a) and air-view (b) and section (c) of station distribution
表 1 自贡地形台阵参数表 Table 1 The parameters of the Zigong topographic array

汶川地震中,自贡地形台阵记录了良好的主震加速度时程(图 2).其中,土层场地上地震动的加速度峰值PGA最大,EW、NS和UD地震动的PGA分别为54.989、47.729和19.873cm/s2;参考场地上地震动的PGA最小,EW、NS和UD地震动的PGA分别为23.153、-26.48和14.714cm/s2.地形场地上地震动的PGA随高度增加有增加的趋势(图 3).

图 2 自贡地形台阵记录的汶川地震主震加速度时程(单位:cm/s2) Fig. 2 The acceleration time histories of the Wenchuan earthquake's mainshock recorded by the Zigong topographic array
图 3 自贡地形台阵记录的汶川地震主震加速度峰值(PGA)随高度的变化 Fig. 3 The relationships between the Wenchuan earthquake mainshock's PGA recorded in the Zigong topographic array and the elevation
4 结果

选择自贡地形台阵中1#台站的场地作为参考场地,基于强震观测记录采用传统谱比法分析了地形和土层场地的放大效应.

图 4表 2可见,地形场地在低频(<1Hz)的放大效应不明显,各台站的最大放大效应分布在一个狭窄的范围内,EW、NS和UD地震动的最大放大效应的分布范围分别为1.14~1.24、1.10~1.15和1.09~1.17.地形场地在高频(>1Hz)的放大效应明显,各台站的最大放大效应分布范围较大,在1.0~10Hz频带,EW、NS和UD地震动的最大放大效应的分布范围分别为2.09~4.15、1.56~3.61和1.78~2.41,而且,山顶上地震动的放大效应最大(6#台站),EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为4.15、3.61和2.41,对应频率分别为5.72、6.46Hz和7.44Hz;其次为靠近山顶的山脊上地震动的放大效应(5#台站),EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为3.07、3.00和2.33,对应频率分别为8.72、3.95Hz和8.68Hz;在10~20Hz频带,EW、NS和UD地震动的最大放大效应的分布范围分别为1.61~9.10、1.89~5.56和1.20~2.52,而且,靠近山顶的山脊上某个地震动分量的放大效应最大,即7#台站的EW和NS地震动、5#台站的UD地震动在该频带的放大效应最大.

图 4 自贡地形台阵中地形场地对地震动的放大效应 Fig. 4 The amplitication of the topographic sites on ground motions in the Zigong topographic array

表 2可见,地形场地的最大放大效应在0.1~20Hz频带,水平向地震动大于竖向地震动;在0.1~10Hz频带,EW地震动大于NS地震动(表 2).

表 2 自贡地形台阵中地形场地不同频带地震动的最大放大效应及其对应频率 Table 2 The maximal amplification factors and their corresponding frequencies of different frequency-band ground motions of the topographic sites in the Zigong topographic array

图 5可见,地形场地的最大放大效应随高度有增加的趋势,且在0.1~10Hz频带随高度增加的趋势更加明显.

图 5 自贡地形台阵中地形场地不同频带地震动的最大放大效应随地形高度的变化 Fig. 5 Relationships between the maximal amplification factors of different frequency-band ground motions of the topographic sites and the elevation in the Zigong topographic array

图 6可见,土层场地水平向地震动在2Hz以上开始明显放大,竖向地震动在4Hz以上开始明显放大;EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别为13.4、12.168和6.0,对应频率为6.94Hz、7.55Hz和10.8Hz.地震动的最大放大效应显然有EW>NS>UD的关系,而且水平向是竖向的2倍以上.

图 6 自贡地形台阵中土层场地的放大效应 Fig. 6 Amplification of soil site in the Zigong topographic array

土层场地与地形场地的放大效应相比较,前者显著大于后者.0#台站和6#台站在1~10Hz频带相比较,0#台站EW、NS和UD地震动的最大放大效应分别是6#台站相应方向地震动最大放大效应的3.28、3.37和2.49倍.

5 讨论

自贡地区处于川南丘陵区,地形地貌为浅切割丘陵区,山丘遍布,沟谷纵横.地势由西北向东南倾斜,一般海拔高度在250~500m之间,城区海拔高度为280~400m左右,但地面相对高差不大,浅丘地区一般为20~50m,部分中丘地区可达50~100m.同时,在一些河流沿岸及冲沟低地有零星的阶地平坝[15].

该区位于扬子地台四川台向斜南缘的自流井凹陷.主要出露侏罗系地层和第四系松散沉积物,多数地带基岩裸露.侏罗系地层主要为块状长石粉-细砂岩夹凸镜状泥岩及砾岩[16].第四系地层主要有三类:(1)基岩遭受风化剥蚀形成的残积层,厚度较薄,常常分布于残丘和台地前缘地带;(2)釜溪河、威远河和旭水河及其支沟内沉积了粘土及淤泥质粘土为主的冲洪积层,不整合沉积在侏罗系地层之上;(3)低洼地区填埋的人工填土.总体而言,第四系覆盖层厚度较薄,仅局部地段大于10m[17].

自贡地形台阵所处的西山公园是潜在的不稳定滑坡易发地,基岩遭受风化剥蚀形成的残积层厚度为2~4m,主要成份是碎石、砂和粘土[16].

自贡地形台阵是自贡地区地形地貌和复杂地质条件的典型范例.自贡地区特殊的地形地貌以及第四系松散沉积的较薄覆盖层,均会对地震动产生放大作用,加剧山顶以及土层之上建(构)筑物的震害.尤其是第四系土层之上的建(构)筑物,可能会遭受到更为严重的破坏.如果地形和土层的放大作用同时作用于建(构)筑物上,遭受的破坏将更加严重.

长期以来,自贡地区的地质灾害主要有山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等.地质灾害易发区主要分布在中部(自贡市郊)和西部(荣县境内)[16].

汶川地震中自贡市大部分乡镇均有强烈震感.城区少数房屋发生破坏,个别已成危房;农村及乡镇地区,出现溜瓦、落梁等破坏现象,土坯房屋部分倒塌,砖混房屋轻微破坏或基本完好;生命线系统也出现不同程度的破损;教育系统部分教室破坏较严重.西秦会馆、吉成井盐文化遗址、荣县大佛等重点文物遭到不同程度的损坏.全市已排查出161处地质灾害,例如:荣县四个镇(旭阳镇、双古镇、墨林镇和东兴镇)发生多处危岩崩塌,荣县一个镇(高山镇)发生大面积浅表层蠕动性滑坡.

毫无疑问,上述震害均是由该次地震的地震动造成的.危岩崩塌主要与地形对地震动的放大触发有关;对于滑坡,除了地形的放大作用之外,还有土层的放大作用,是二者共同作用触发的结果.对于建(构)筑物的震害,应视建(构)筑物的抗震能力及其所处场地条件具体分析.

6 结论

地震动是震源破裂过程、波在地壳中的传播过程和场地反应3个物理过程组成的一种复杂系统的产物.场地反应对地震动的影响较大.除了考虑避让活断层带,场地反应是建(构)筑物选址及其抗震设防必须考虑的重要问题,以避免或者减轻未来地震中建(构)筑物的震害.

利用自贡地形台阵记录的汶川地震主震加速度时程,基于传统谱比法分析、研究了台阵中地形和土层场地放大效应,得出以下主要结论:

(1)土层场地上地震动的PGA最大,参考场地上地震动的PGA最小,地形场地上地震动的PGA随高度增加有增加的趋势.

(2)地形场地在低频(<1Hz)的放大效应不明显,而在高频(>1Hz)的放大效应较显著.在1.0~10Hz频带,山顶地震动的放大效应最大,其次为靠近山顶的山脊上地震动的放大效应.在10~20Hz频带,靠近山顶的山脊上某个地震动分量的放大效应最大.地形场地的最大放大效应随高度有增加的趋势,且在0.1~10Hz频带随高度增加的趋势更加明显.

(3)土层场地与地形场地的放大效应相比较,前者显著大于后者,对于水平向地震动,前者至少是后者的3倍以上;对于竖向地震动,前者至少是后者的2.5倍以上.

(4)无论是地形场地还是土层场地,地震动的最大放大效应均有水平向大于竖向的特征.

自贡地形台阵是自贡地区地形地貌和复杂地质条件的典型范例.自贡地区特殊的地形地貌以及第四系松散沉积的较薄覆盖层,均会对地震动产生放大作用,是地震中加剧地形和土层之上建(构)筑物震害,引发山体或危岩崩塌、滑坡等地质灾害的主要内在因素.自贡地区建(构)筑物的抗震设防必须考虑地形和土层场地的放大效应,以避免或减轻其震害.

致谢

感谢国家强震动台网中心(CSMNC)提供自贡地形台阵记录的汶川地震主震加速度时程.感谢匿名评阅人对本文的审阅和提出的建议.

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