林 子 鈺,范 剛,2,陳 骎,周 家 文,2

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)

0 引 言

滑坡是最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一,滑坡體堵截河床或河谷后會(huì)形成堰塞湖,堰塞湖一旦發(fā)生潰決,將會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的次生災(zāi)害,中國(guó)西南山區(qū)是滑坡堰塞湖災(zāi)害鏈發(fā)生的重災(zāi)區(qū)[1-2]。系統(tǒng)揭示滑坡運(yùn)動(dòng)過程和堰塞壩潰決過程對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和災(zāi)后救援工作都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,但由于滑坡堰塞湖災(zāi)害往往發(fā)生在人煙稀少的山區(qū),具有明顯的突發(fā)性和隱蔽性,導(dǎo)致應(yīng)急救援部門在災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)識(shí)別上具有滯后性。例如2018年發(fā)生在西藏的加拉滑坡和白格滑坡,均發(fā)生在深夜且地處無人區(qū),現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段均無法給出其災(zāi)害發(fā)生的具體時(shí)間[3-4]。滑坡堰塞湖災(zāi)害過程的動(dòng)態(tài)信息難以掌握是制約人們研究其成生過程和及時(shí)制定應(yīng)急搶險(xiǎn)方案的關(guān)鍵因素。

近幾十年來,隨著環(huán)境地震學(xué)的發(fā)展,從地震動(dòng)信號(hào)本身出發(fā)來識(shí)別滑坡堰塞湖的產(chǎn)生過程逐漸成為一種新的方法。災(zāi)害發(fā)生過程中產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)是目前少有的能直觀反映其在運(yùn)動(dòng)過程中相關(guān)信息的數(shù)據(jù),目前中國(guó)已經(jīng)建成了覆蓋全國(guó)的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),為地震動(dòng)信號(hào)分析提供了充足的數(shù)據(jù)來源[5-6]。近些年,學(xué)者們?cè)诘卣饎?dòng)信號(hào)頻譜分析方面已開展了諸多研究,如陸菜平等[7]利用短時(shí)Fourier變換分析了一處礦區(qū)的頂板和煤層卸壓爆破微震動(dòng)信號(hào)的頻譜特性,但該方法無法準(zhǔn)確描述此類信號(hào)的局部特征;趙國(guó)彥等[8]嘗試?yán)妙l率切片小波變換技術(shù)對(duì)典型的礦山巖體微震信號(hào)和爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析,但該方法仍然受制于頻率切片函數(shù)的選擇。隨著新算法的不斷涌現(xiàn),Huang 等提出了Hilbert-Huang變換方法(HHT),該方法在分析和處理非線性非平穩(wěn)的瞬態(tài)信號(hào)方面較傳統(tǒng)方法展現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性[9-10]。Fan等[11-12]借助HHT方法在處理地震波這一隨機(jī)信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì),對(duì)地震作用下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的震損過程進(jìn)行了識(shí)別;Song等[13]基于HHT方法,分析了含不連續(xù)面巖質(zhì)邊坡地震破壞機(jī)理;徐強(qiáng)等[14]則利用該方法對(duì)汶川地震及其余震的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。HHT作為一種新興的時(shí)頻分析方法,為研究滑坡堰塞湖成生過程提供了有效的技術(shù)手段。

在基于地震動(dòng)信號(hào)的滑坡災(zāi)害識(shí)別方面,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已進(jìn)行了諸多嘗試。Vilajosana等[15]的研究證實(shí)了地震方法監(jiān)測(cè)滑坡的可行性和有效性,并準(zhǔn)確地確定了滑坡的位置和規(guī)模。Chen等[16]利用實(shí)時(shí)記錄的寬頻帶地震信號(hào)快速確定了發(fā)生在臺(tái)灣的12次巖崩的時(shí)間和位置,并通過對(duì)高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和階段劃分來描述巖崩的發(fā)生過程。趙娟等[17]基于地震動(dòng)信號(hào)分析揭示了千將坪高速滑坡啟動(dòng)后的滑體運(yùn)動(dòng)特征。此外,眾多學(xué)者通過震相分析,揭示了2017年發(fā)生的茂縣新磨滑坡的運(yùn)動(dòng)過程[18-20]。雖然現(xiàn)有研究在利用地震動(dòng)信號(hào)識(shí)別滑坡成災(zāi)過程方面進(jìn)行了一些有益的探索,取得了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)認(rèn)識(shí),但是在利用地震動(dòng)信號(hào)識(shí)別滑坡-堰塞湖災(zāi)害鏈形成過程方面的研究相對(duì)缺乏。

為此,本文選取了具有代表性的2018年白格滑坡堰塞湖作為研究對(duì)象,基于臺(tái)站實(shí)測(cè)地震動(dòng)信號(hào),采用HHT信號(hào)分析方法獲得白格滑坡運(yùn)動(dòng)和堰塞湖潰決過程所激發(fā)的地震動(dòng)信號(hào)的頻譜特征,進(jìn)而精準(zhǔn)還原了白格滑坡堵江和堰塞壩潰決過程,以為今后此類滑坡堰塞湖災(zāi)害的精準(zhǔn)識(shí)別提供技術(shù)參考。

1 研究場(chǎng)地和數(shù)據(jù)

1.1 白格滑坡堰塞湖概況

2018年10月10日和11月3日,在西藏自治區(qū)江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村金沙江右岸先后發(fā)生兩次大型山體滑坡,堵塞金沙江上游干流河段,形成堰塞湖。此處河谷呈“V”形谷,滑坡區(qū)邊坡基巖為元古界雄松群片麻巖組,巖性為淺灰、深灰色黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角閃片巖、灰綠色蛇紋巖以及夾白云石英片巖,片理產(chǎn)狀變化較大。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,地震多發(fā),巖體完整性差[4,21]。

白格“10·10”滑坡是一個(gè)高位、高剪出口、高速非完全楔形體基巖滑坡,滑坡物源區(qū)產(chǎn)生約2.1×107m3的巖土體,在重力作用下失穩(wěn)掉落并刮鏟裹挾約3×106m3的巖土體,形成的堰塞體頂寬約270～320 m,順河向長(zhǎng)約1 330 m,堰塞壩總體左側(cè)高,右側(cè)低,平均坡度約38°。在堵塞金沙江近2 d后,堰塞湖蓄水量達(dá)到峰值,約2.9億m3,湖水漫頂溢流后自然泄洪,逐漸沖刷形成泄流槽,至10月13日18:00左右,險(xiǎn)情得到有效控制。

白格“11·3”滑坡是牽引區(qū)的部分巖土體在起阻滑作用的碎裂巖體漸進(jìn)解體后下滑的結(jié)果,滑源物質(zhì)體積約3.7×106m3,沿第一次滑坡的運(yùn)動(dòng)路徑向下刮鏟帶走約4.8×106m3的松散堆積體,堵塞原堰塞壩泄流槽并形成規(guī)模更大的堰塞體。形成的堆積體橫河向最大寬度約300 m,頂部順河向長(zhǎng)約195 m,底部順河向長(zhǎng)度約300 m,顆?？傮w較細(xì),與第一次堆積物接近。在堵塞江水近9 d后,堰塞湖蓄水量達(dá)到峰值(5.24 億m3),經(jīng)人工干預(yù)開挖導(dǎo)流槽泄流后,至11月15日08:00,險(xiǎn)情緩解[22-24],如圖1所示。兩次白格滑坡和堰塞壩潰決的具體過程如表1所列。

表1 白格滑坡堰塞湖災(zāi)害過程

圖1 2019年應(yīng)急處置后的白格滑坡堰塞湖現(xiàn)場(chǎng)

1.2 地震動(dòng)數(shù)據(jù)

本次研究使用的地震動(dòng)數(shù)據(jù)均從國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(http:∥www.seisdmc.ac.cn)獲取,共計(jì)選取了災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)周圍10個(gè)測(cè)震臺(tái)站記錄到的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,各臺(tái)站具體信息詳見圖2。在進(jìn)行地震動(dòng)信號(hào)分析前,首先需要利用SAC對(duì)測(cè)震臺(tái)站記錄的原始地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行必要的預(yù)處理:為降低信號(hào)干擾,首先需要去除臺(tái)站儀器響應(yīng);同時(shí)為便于波形識(shí)別,本研究將地震儀記錄到的東西分量(E)和南北分量(N)的地震動(dòng)信號(hào)旋轉(zhuǎn)到災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)到各測(cè)震臺(tái)站點(diǎn)的徑向(R)和切向(T)上。

2 原始地震動(dòng)信號(hào)頻譜分析

2.1 HHT基本理論和方法

信號(hào)分析技術(shù)的基礎(chǔ)是Fourier變換(FT),其本質(zhì)是將信號(hào)分解成不同頻率的諧信號(hào)疊加,但該方法受分析的信號(hào)必須是嚴(yán)格周期或平穩(wěn)的所限。事實(shí)上,滑坡堰塞湖災(zāi)害產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)是一種典型的非線性、非平穩(wěn)信號(hào),FT方法并不適用,而在其基礎(chǔ)上發(fā)展出的一系列新的信號(hào)分析方法如短時(shí)Fourier變換、Wigner-Ville分布、小波變換等,都沒有從根本上擺脫FT理論的束縛,仍然需要假定信號(hào)在一個(gè)很短的時(shí)間窗內(nèi)是偽平穩(wěn)的。Huang等[9]提出的Hilbert-Huang變換很好地規(guī)避了這一問題,可以直接處理非平穩(wěn)和瞬態(tài)問題。

由于非平穩(wěn)信號(hào)的頻率是隨時(shí)間變化的,因此HHT方法中引入了“瞬時(shí)頻率”的概念。瞬時(shí)頻率揭示了某一時(shí)刻信號(hào)能量在頻率集中程度的一個(gè)度量,基于此而對(duì)信號(hào)所施加的限制條件就構(gòu)成了HHT方法的核心步驟——經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的本質(zhì)是對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理,其結(jié)果是將信號(hào)分解成一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列,每個(gè)序列稱為一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(IMF),即原始信號(hào)X(t)可由n階IMF分量和一個(gè)殘余值rn(t) 構(gòu)成:

再對(duì)單個(gè)IMF分量ci(t)進(jìn)行Hilbert變換并疊加后即可得到原始信號(hào)的Hilbert時(shí)頻譜,這是一種聯(lián)合幅值-頻率-時(shí)間的三維分布圖像,其物理意義是坐標(biāo)中的某個(gè)點(diǎn)代表著在整個(gè)時(shí)間歷程中的該時(shí)刻,局部出現(xiàn)了此頻率的波動(dòng)。再將時(shí)頻譜對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行積分可得到邊際譜,Hilbert邊際譜表征了信號(hào)能量幅值在頻率軸上的分布,其物理意義是:在某一頻率上存在著能量意味著具有該頻率的波在信號(hào)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)某一時(shí)刻出現(xiàn)的可能性較高,即邊際譜具有一定的概率意義[9]。

2.2 第一次白格滑坡地震信號(hào)頻譜分析

以“10·10”白格滑坡產(chǎn)生的垂向地震動(dòng)信號(hào)為例,各測(cè)震臺(tái)站記錄的原始地震動(dòng)信號(hào)如圖3所示,其中信噪比效果最好的是GZI臺(tái)站。本文選取GZI臺(tái)站在滑坡發(fā)生前后共400 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解,可以得到7階IMF分量以及1個(gè)殘差,如圖4所示。

圖4 EMD分解結(jié)果

將GZI臺(tái)站垂直分量的單個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換并疊加后得到三維Hilbert時(shí)頻譜,如圖5所示。圖5表明,信號(hào)頻率以低頻為主,集中出現(xiàn)在110～220 s之間。

圖5 第一次滑坡激發(fā)的垂向地震動(dòng)信號(hào)的Hilbert時(shí)頻譜

將時(shí)頻譜對(duì)時(shí)間軸積分后得到Hilbert邊際譜,如圖6所示?；庐a(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)頻率主要出現(xiàn)在0.001 2～0.376 2 Hz范圍內(nèi),其中0.008～0.06 Hz為主要組成成分;垂向上的信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.017 Hz,徑向和切向上的峰值均出現(xiàn)在0.035 Hz,說明該頻率的信號(hào)在滑坡的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的概率最大。

圖6 第一次滑坡的Hilbert邊際譜

2.3 第二次白格滑坡地震信號(hào)頻譜分析

以同樣方法對(duì)“11·3”白格滑坡地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,以GZI臺(tái)站垂直分量為例,其Hilbert時(shí)頻譜如圖7所示。兩次滑坡產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜特征基本一致,信號(hào)集中出現(xiàn)在140～240 s之間,但由于第二次滑坡的規(guī)模較小,因此信號(hào)的信噪比更低。

圖8為GZI臺(tái)站的Hilbert邊際譜,從圖中可以看出信號(hào)頻率主要出現(xiàn)在0.001 2～0.379 9 Hz范圍內(nèi),其中0.008～0.06 Hz為主要組成成分;垂向上的信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.009 Hz,徑向上的信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.016 Hz,說明該頻率的信號(hào)在滑坡的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的概率最大;切向上的信號(hào)峰值不明顯,在0.003～0.025 Hz范圍內(nèi)的信號(hào)出現(xiàn)概率大致相等。

3 滑坡堰塞湖運(yùn)動(dòng)特征分析

3.1 “10·10”白格滑坡運(yùn)動(dòng)特征分析

地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生過程中會(huì)引起地表震動(dòng),產(chǎn)生明顯的地震動(dòng)信號(hào),但不同的地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍不同。根據(jù)頻譜分析結(jié)果,本次研究將地震動(dòng)信號(hào)劃分為低頻地震動(dòng)信號(hào)(f≤0.03 Hz)、中頻地震動(dòng)信號(hào)(0.03 Hz0.1 Hz)?；麦w作為一個(gè)整體在斜坡上做加速和減速運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生低頻和中頻地震動(dòng)信號(hào),而高頻地震動(dòng)信號(hào)的激發(fā)源一般認(rèn)為與滑坡內(nèi)部顆粒之間、滑體與滑動(dòng)面之間的摩擦和碰撞以及彈性介質(zhì)中局部小尺度的速度擾動(dòng)有關(guān)[25]。

選取信噪比最高的GZI臺(tái)站作為研究對(duì)象,截取滑坡發(fā)生前后共200 s的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)原始地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行兩組無限脈沖帶通濾波,選擇4階雙通道Butterworth濾波器,以垂直分量為例,如圖9所示。第一組的濾波范圍為0.008～0.030 Hz,此處未選擇更低頻的地震動(dòng)信號(hào),這是因?yàn)槠涑隽怂械卣鹋_(tái)站響應(yīng)曲線的衰減范圍,且噪聲在這個(gè)周期段被放大從而降低了滑坡地震動(dòng)信號(hào)的信噪比[25],第二組的濾波范圍為0.1～1 Hz。為校正滑坡發(fā)生時(shí)間,取地震波傳播速度為3.24 km/s。

圖9 “10.10”GZI臺(tái)站垂向地震動(dòng)信號(hào)

白格第一次滑坡共持續(xù)約112 s,從圖9(b)可以看出,滑坡產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)先以低頻信號(hào)的形式出現(xiàn)并逐漸增大。將低頻信號(hào)開始出現(xiàn)的時(shí)刻定義為0點(diǎn),隨后伴隨高頻信號(hào)的出現(xiàn)迅速增大到峰值后再緩慢降低到噪聲水平。結(jié)合高、低頻信號(hào)的對(duì)比,可將滑坡運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段:高位滑坡連續(xù)滑落階段、滑體破碎解體階段、散落堆積階段。

第①階段(第0～28 s):高位滑坡連續(xù)滑落階段,持續(xù)時(shí)間約28 s。不穩(wěn)定巖土體在重力作用下加速下滑,盡管滑坡體從啟動(dòng)階段就開始逐漸分解,但由于此時(shí)滑動(dòng)的土石體沒有在空間上被拉長(zhǎng),仍然作為一個(gè)整體在斜坡上運(yùn)動(dòng),因此產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)以低頻為主。

第②階段(第28～78 s):滑體破碎解體階段,持續(xù)時(shí)間約50 s。該階段滑坡體在下滑過程中受到側(cè)翼山體阻擋,在空間上被拉長(zhǎng),滑體開始大量破碎,整體性被破壞。隨著滑坡體對(duì)側(cè)翼的不斷刮鏟裹挾,侵蝕區(qū)域山體逐漸失穩(wěn)塌陷,滑坡體內(nèi)部小尺度塊體之間的碰撞隨側(cè)翼被侵蝕而顯著增加,開始激發(fā)明顯的高頻信號(hào)并迅速增大到峰值。隨后,滑體呈碎屑流狀態(tài)迅速滑入金沙江,前端物質(zhì)在后方物質(zhì)的沖擊作用下繼續(xù)向?qū)Π镀屡栏遊23]。

第③階段(第78～112 s):散落堆積階段,共持續(xù)約34 s。此時(shí)滑坡主運(yùn)動(dòng)基本停止,因此高頻信號(hào)的振幅顯著降低。部分爬高塊體在重力作用下回落到金沙江,未沖上對(duì)岸的物質(zhì)沿金沙江上下游滑動(dòng)并最終停止運(yùn)動(dòng),地震動(dòng)信號(hào)逐漸恢復(fù)到噪聲水平。

3.2 “11·3”白格滑坡運(yùn)動(dòng)特征分析

圖10為GZI臺(tái)站垂直分量上的地震動(dòng)信號(hào),濾波范圍同上。白格第二次滑坡持續(xù)時(shí)間為102 s,同樣以低頻信號(hào)開始出現(xiàn)的時(shí)刻定義為0點(diǎn),比較圖10(b)、(c)可以看出第二次滑坡產(chǎn)生的低頻信號(hào)的振幅明顯比高頻信號(hào)小,但兩次滑坡產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)的特征基本相同。將滑坡運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段:滑坡啟動(dòng)階段、滑體破碎解體階段、散落堆積階段。

第①階段(0～24 s):滑坡啟動(dòng)階段,持續(xù)時(shí)間約24 s。原滑坡點(diǎn)后緣的不穩(wěn)定巖土體失穩(wěn)后沿第一次滑坡的滑床向下崩落,對(duì)滑床產(chǎn)生猛烈的沖擊碰撞作用,產(chǎn)生明顯的低頻信號(hào),信號(hào)振幅持續(xù)增大。

第②階段(24～68 s):滑體破碎解體階段,持續(xù)時(shí)間約44 s?；w裹挾第一次滑坡殘留的物質(zhì)后呈碎屑流狀滑入金沙江,但由于第二次滑坡的動(dòng)能較小,未出現(xiàn)向?qū)Π抖钙屡栏叩默F(xiàn)象[23],此階段的特征是產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻地震動(dòng)信號(hào)。

第③階段(68～102 s):散落堆積階段,持續(xù)時(shí)間約34 s。此時(shí)滑坡堆積形態(tài)已初步形成,以小規(guī)模塊體局部緩慢減速運(yùn)動(dòng)為主,最終停止運(yùn)動(dòng)并再次阻斷金沙江,信號(hào)逐漸恢復(fù)到噪聲水平。

3.3 第一次堰塞壩潰決運(yùn)動(dòng)特征分析

由于GZI臺(tái)站在這段時(shí)間內(nèi)有部分信號(hào)缺失,因此選擇效果更好的BTA臺(tái)站進(jìn)行分析,以垂直地震動(dòng)信號(hào)為例,如圖11所示,選定的濾波范圍為0.008～0.03 Hz。

根據(jù)地震動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果,結(jié)合調(diào)查資料,可將白格堰塞壩潰決過程分為4個(gè)階段:過流孕育階段、侵蝕階段、潰口加速擴(kuò)展階段以及水沙再平衡階段[26]。

第①階段:過流孕育階段。此階段以10月10日22:07滑坡阻斷金沙江為起始,至10月12日17:30潰口緩慢發(fā)展至堰塞體自然溢流為止,共持續(xù)約43.5 h。期間堰塞壩迎水坡水位逐漸上升,由于水流對(duì)壩體的侵蝕作用較小,水流挾沙能力弱,因此無明顯的地震動(dòng)信號(hào)。

第②階段:侵蝕階段。此階段以12日17:30潰口貫通為起始,至13日00:45堰塞湖水位回落為止,共持續(xù)約7 h,如圖11(b)所示。在潰口剛剛貫通的一段時(shí)間內(nèi),壩體頂部的上游來水貼于潰口底部徐徐流出,下泄時(shí)會(huì)攜帶背水坡壩頂位置的顆粒物質(zhì)到背水坡下游,但尚不足以攜帶大顆粒物質(zhì),與該階段前期無明顯的振動(dòng)信號(hào)的情況相符;由于此時(shí)天然流量仍然大于下泄流量,堰塞湖水位持續(xù)上升,且隨著迎水坡水位不斷上升,下泄流量也會(huì)不斷增大,在這段時(shí)間內(nèi)潰口共發(fā)生兩次較大規(guī)模的坍塌和兩次小規(guī)模的局部坍塌,產(chǎn)生4 段明顯的振動(dòng)信號(hào)。

第③階段:潰口加速擴(kuò)展階段。此階段以13日00:45堰塞湖水位回落為起始,到13日09:30潰口形態(tài)基本不再變化為止,共持續(xù)約8.5 h,如圖11(c)所示。隨著下泄流量不斷增大,潰決水流的挾沙能力變強(qiáng),水流不斷沖刷坡腳,使堰塞壩穩(wěn)定性降低。從06:00 左右開始,潰口不斷發(fā)生明顯的坍塌,持續(xù)產(chǎn)生較為明顯的地震動(dòng)信號(hào),在07:00左右達(dá)到下泄流量峰值,堰前水位快速降低,在09:00左右,潰口共發(fā)生了2次大規(guī)模的坍塌,產(chǎn)生2段非常強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào),與現(xiàn)場(chǎng)右岸攏口被完全沖開、壩體高度驟降的實(shí)際情況一致,此時(shí)的信號(hào)振幅在堰塞壩潰決的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大。

第④階段:水沙再平衡階段。此階段以13日09:30 堰前水位迅速下降為起始,至當(dāng)日18:00壩下水位平穩(wěn)為止,共持續(xù)約8.5 h,如圖11(d)所示。潰決水流對(duì)壩體物質(zhì)持續(xù)沖刷,期間產(chǎn)生了1段明顯的振動(dòng)信號(hào),但由于水流的侵蝕能力逐漸減弱,信號(hào)振幅也隨之減小,最后逐漸穩(wěn)定在噪聲水平。

3.4 第二次堰塞壩潰決運(yùn)動(dòng)特征分析

采用同樣的濾波方法對(duì)GZI臺(tái)站記錄的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,以垂直分量為例,如圖12所示。盡管受到人工干預(yù),但兩次堰塞壩潰決過程大致相似,仍然分為4個(gè)階段:過流孕育階段、侵蝕階段、潰口加速擴(kuò)展階段、水沙再平衡階段。

圖12 GZI臺(tái)站垂向地震動(dòng)信號(hào)加速度時(shí)程

第①階段:過流孕育階段。此階段以11月3日17:22滑坡阻斷金沙江為起始,到11月12日10:50堰塞湖通過人工開挖導(dǎo)流槽開始過流為止。由于此次堰塞壩的規(guī)模較大,因此從8日起,通過人工開挖導(dǎo)流槽進(jìn)行搶險(xiǎn)工作,在8～10日期間,GZI臺(tái)站記錄的地震動(dòng)信號(hào)會(huì)突然出現(xiàn)非常強(qiáng)烈的振動(dòng),振幅范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在自然條件下產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào),因此為便于觀察,僅展示從12日2:00～10:50的地震動(dòng)信號(hào),如圖12(b)所示。由于受到人為因素的干擾,堰塞壩已經(jīng)不斷出現(xiàn)局部小規(guī)模的坍塌,能夠監(jiān)測(cè)到明顯的振動(dòng)信號(hào),期間堰塞湖水位持續(xù)上漲,以溯源侵蝕為主。在12日04:45之后,水位已經(jīng)高于導(dǎo)流槽底坎,直至10:50白格堰塞湖正式通過人工開挖的導(dǎo)流槽開始過流,由于水流的沖擊作用,此時(shí)潰口發(fā)生了一次較大規(guī)模的坍塌。

第②階段:侵蝕階段。此階段以12日10:50人工導(dǎo)流槽開始過流為起始,到13日08:55導(dǎo)流槽被大幅沖開為止,共持續(xù)約22 h,如圖12(c)所示。從圖中可以觀察到4段明顯的振動(dòng)信號(hào),說明潰口在此期間共發(fā)生了4次較大規(guī)模的坍塌,其中振幅最大的一次大致出現(xiàn)在13日07:00～09:00,與現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)流槽被大幅沖開的情況吻合?，F(xiàn)場(chǎng)專家曾估算,湖水從過流到?jīng)_刷導(dǎo)流槽形成較大缺口大約需要20 h,將形成較大規(guī)模泄流,信號(hào)振動(dòng)結(jié)果與專家預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

第③階段:潰口加速擴(kuò)展階段。此階段以13日08:55導(dǎo)流槽被大幅沖開為起始,到14日20:30導(dǎo)流槽被完全沖開為止,共持續(xù)約35.5 h,如圖12(d)所示。這一階段內(nèi)堰塞壩共發(fā)生了8次規(guī)模較大的坍塌,其中規(guī)模最大的一次發(fā)生時(shí)間接近14日20:30,此時(shí)人工導(dǎo)流槽被完全沖開,堰前水位迅速下降,因此產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)。

第④階段:水沙再平衡階段。此階段以14日20:30 堰前水位急速下降為起始,到15日08:00壩下水位平穩(wěn)為止,共持續(xù)約11.5 h。期間壩前水位持續(xù)降低,水流的侵蝕能力逐漸減弱,不再產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào),最終金沙江水位基本穩(wěn)定,潰壩險(xiǎn)情解除,信號(hào)恢復(fù)到噪聲水平。

4 結(jié) 論

本文對(duì)2018年兩次白格滑坡堰塞湖災(zāi)害激發(fā)的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了頻譜特征和災(zāi)害發(fā)展過程分析,得到如下結(jié)論。

(1) 地震動(dòng)信號(hào)時(shí)程分析結(jié)果表明:第一次白格滑坡的發(fā)生時(shí)間是10月10日22:05:41,結(jié)束時(shí)間是22:07:33,共持續(xù)112 s;第二次滑坡的發(fā)生時(shí)間是11月3日17:21:15,結(jié)束時(shí)間是17:22:57,共持續(xù)102 s。

(2) 兩次白格滑坡激發(fā)的地震動(dòng)信號(hào)的頻率主要分布在0.008～0.06 Hz范圍內(nèi),以低頻信號(hào)為主。其中第一次滑坡垂向信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.017 Hz,徑向和切向峰值均出現(xiàn)在0.035 Hz;第二次滑坡垂向信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.009 Hz,徑向信號(hào)峰值出現(xiàn)在0.016 Hz,切向信號(hào)峰值不明顯,在0.003～0.025 Hz范圍內(nèi)的信號(hào)出現(xiàn)概率大致相等。

(3) 兩次白格滑坡產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)均先以低頻信號(hào)的形式出現(xiàn)并逐漸增大,隨后出現(xiàn)強(qiáng)烈高頻信號(hào),并迅速增大到峰值后再緩慢降低到噪聲水平。以強(qiáng)烈高頻地震動(dòng)信號(hào)的出現(xiàn)和消失為節(jié)點(diǎn),可將滑坡的運(yùn)動(dòng)過程分為3個(gè)階段:第一次滑坡包括高位滑坡連續(xù)滑落階段(28 s)、滑體破碎解體階段(50 s)、散落堆積階段(34 s);第二次滑坡包括滑坡啟動(dòng)階段(24 s)、滑體破碎解體階段(44 s)、散落堆積階段(34 s)。

(4) 兩次堰塞壩潰決的過程均可分為4個(gè)階段:過流孕育階段、侵蝕階段、潰口加速擴(kuò)展階段、水沙再平衡階段,第一次堰塞湖漫頂后自然泄流與第二次人工引導(dǎo)泄流在過流孕育階段產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)存在較大差異。

(5) 基于測(cè)震臺(tái)站實(shí)時(shí)記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)可以對(duì)此類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),直觀反映災(zāi)害發(fā)生過程中的一些動(dòng)態(tài)信息,可為滑坡堰塞湖災(zāi)害的精準(zhǔn)識(shí)別和災(zāi)后救援工作提供參考,也為后續(xù)深入揭示滑坡堰塞湖災(zāi)害激發(fā)低頻地震動(dòng)信號(hào)的物理源機(jī)制及災(zāi)害過程動(dòng)力特征參數(shù)反演奠定了基礎(chǔ)。