王偉

1)中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2)防災(zāi)科技學(xué)院，燕郊065201

地震動(dòng)的山體地形效應(yīng)

王偉1，2)

1)中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2)防災(zāi)科技學(xué)院，燕郊065201

地震動(dòng)的山體地形效應(yīng)問題屬于局部場地條件對地震動(dòng)的影響范疇。汶川地震之后，記錄到了大量主、余震山體地震動(dòng)記錄，結(jié)合“明燈一號”人工爆破山體地形地震動(dòng)記錄以及汶川地震震后現(xiàn)場與地形效應(yīng)相關(guān)的震害調(diào)查資料，本文對地震動(dòng)的山體地形效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，取得了一些認(rèn)識和結(jié)論。

通過對山體地形效應(yīng)地震動(dòng)記錄的處理分析，得到了山體地震動(dòng)的加速度、均方根加速度、90%持時(shí)以及頻譜的基本特點(diǎn)。針對觀測記錄中相當(dāng)數(shù)量山頂?shù)牡卣饎?dòng)反應(yīng)水平低于山底的異?，F(xiàn)象，本文分析了山底水平自由地表覆蓋土層、輸入地震動(dòng)頻譜特性以及山體卓越頻率特性對山底和山頂?shù)卣饎?dòng)反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平自由地表場點(diǎn)有覆蓋土層時(shí)，在低水平地震動(dòng)輸入下，覆蓋土層未進(jìn)入強(qiáng)烈非線性狀態(tài)，因此對地震動(dòng)輸入中不同頻段范圍的頻率成分產(chǎn)生不同程度的放大作用，從而對水平自由地表覆蓋土層地震動(dòng)反應(yīng)產(chǎn)生放大，而山體由于其振動(dòng)特性的緣故，對高于其卓越頻率的地震動(dòng)頻率成分產(chǎn)生明顯的濾波作用，從而導(dǎo)致山體的地震動(dòng)反應(yīng)水平低于水平自由地表。

山體地震動(dòng)反應(yīng)水平與地震動(dòng)輸入中的頻率成分有直接關(guān)系，當(dāng)頻率成分與山體卓越頻率相近時(shí)則容易引起山體共振，從而對輸入地震動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng);當(dāng)頻率成分高于山體卓越頻率時(shí)，山體對地震動(dòng)中的高頻成分產(chǎn)生明顯的濾波效應(yīng)，從而對地震動(dòng)產(chǎn)生抑制作用;山體對地震動(dòng)中低于其卓越頻率的頻率成分沒有明顯的影響。

針對傳統(tǒng)傅氏譜譜比在確定山體地形效應(yīng)影響方面的缺點(diǎn)，通過對地震動(dòng)反應(yīng)譜譜比進(jìn)行分析，本文基于能量譜的概念提出了均方根反應(yīng)譜譜比的方法。結(jié)果表明，該方法消除了傳統(tǒng)傅氏譜譜比方法基于某一頻率點(diǎn)的放大幅值來確定山體地形效應(yīng)的隨機(jī)性和不合理性，可以作為一個(gè)合理的方法來確定山體地形對輸入地震動(dòng)中某一頻段范圍內(nèi)地震動(dòng)能量的放大效應(yīng)。

山體地震動(dòng)的偏振效應(yīng)與山體的幾何形狀有很大關(guān)系，孤立的圓形山包很難發(fā)生偏振，而狹長的山梁則容易發(fā)生偏振。通過將地形效應(yīng)觀測臺陣的兩水平向加速度記錄按照山體走向和橫向進(jìn)行分解，對山體走向、橫向地震動(dòng)的幅值、90%持時(shí)和頻譜進(jìn)行分析，得到了山體偏振效應(yīng)的基本特點(diǎn)。對輸入地震動(dòng)頻譜特性和山體走向、橫向的振動(dòng)特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，山體發(fā)生偏振效應(yīng)與輸入地震動(dòng)中的頻率成分有很大關(guān)系，山體的橫向地震動(dòng)反應(yīng)水平并不總是大于走向。例如竇圌山，在大震作用下山體橫向偏振大于走向，而在近場小震作用下，則是走向偏振大于橫向，其原因是在大震作用下，輸入地震動(dòng)的中低頻和中高頻含量都很豐富，由于山體橫向的卓越頻率偏向中低頻，因此大震容易引發(fā)山體橫向共振，而近場小震中的高頻含量非常豐富，中低頻含量很少，因此不容易引起橫向共振，而且山體橫向會對小震高頻成分產(chǎn)生濾波作用，從而導(dǎo)致山體橫向地震動(dòng)反應(yīng)變?nèi)酰襟w走向的卓越頻率偏向中高頻，在小震作用下，山體走向更容易發(fā)生共振效應(yīng)，從而對輸入地震動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng)。另外，山體振動(dòng)的偏振效應(yīng)與不同頻率成分的地震動(dòng)能量大小也有關(guān)系。

通過對陡坎、山梁兩種典型地形進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，討論了P波和SV波垂直入射以及斜入射條件下不同坡度地形模型的地震動(dòng)反應(yīng)特征，并分析了地形模型自由地表覆蓋土層對地震動(dòng)反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，地形對自由地表的地震動(dòng)反應(yīng)影響明顯。

對于陡坎模型，在水平方向上，斜坡坡腳對地震動(dòng)反應(yīng)有明顯的抑制作用，坡角越大，抑制作用越強(qiáng)。斜坡上的地震動(dòng)水平隨著高程的增加而變大;陡坎地形頂部前緣對地震動(dòng)有明顯的放大作用，坡角越小，放大作用越明顯，而隨著與坡頂距離的變大，放大作用逐漸減弱，在遠(yuǎn)離陡坎斜坡的兩側(cè)，地震動(dòng)反應(yīng)逐漸接近水平自由地表反應(yīng)。

對于山梁模型，在山體兩側(cè)斜坡上，決定其地震動(dòng)反應(yīng)水平大小的是入射波傳播方向與斜坡坡面的夾角，夾角越大，山體在水平方向上的地震動(dòng)反應(yīng)水平越高，而在豎直方向上的地震動(dòng)反應(yīng)水平越低。通過對地震波斜入射條件下不同位置的地震動(dòng)反應(yīng)時(shí)程進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)由斜入射產(chǎn)生的水平自由地表行波效應(yīng)明顯。

通過對在SV波垂直入射條件下，兩種地形不同位置上覆土層對自由地表地震動(dòng)反應(yīng)的影響進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，水平自由地表覆蓋土層的地震動(dòng)反應(yīng)水平有可能高于地形與其上覆土層綜合作用下的地震動(dòng)反應(yīng)。上覆土層的地形斜坡地震動(dòng)反應(yīng)相對于無覆蓋土層的巖石斜坡地震動(dòng)反應(yīng)并沒有明顯的放大，其原因是覆蓋土層位于傾斜的斜坡，入射地震動(dòng)的傳播方向相對于土層為斜入射，在這種情況下，土層對入射的地震動(dòng)放大系數(shù)與入射角度有很大關(guān)系，對于SV波，土層的放大系數(shù)隨著入射角度的增加而變小，在臨界入射角度處達(dá)到最小值。

(作者電子信箱，王偉:wwwiem@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.008

山體地形效應(yīng);覆蓋土層;均方根反應(yīng)譜譜比方法;地震影響系數(shù);偏振效應(yīng);斜入射