汶川MS8.0地震河谷地形對漢源縣城高烈度異常的影響

李平， 劉紅帥， 薄景山， 李孝波， 于曉輝

1 防災科技學院， 河北三河　065201 2 地殼運動監測工程研究中心， 北京　100036

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汶川MS8.0地震河谷地形對漢源縣城高烈度異常的影響

李平1， 劉紅帥2*， 薄景山1， 李孝波1， 于曉輝1

1 防災科技學院， 河北三河065201 2 地殼運動監測工程研究中心， 北京100036

摘要漢源縣城位于汶川 MS8.0 特大地震六度區內唯一的八度異常區，為典型且罕見的遠震高烈度異常區.漢源縣城處于流沙河的河流階地之上，河谷地形對地震震害有顯著的影響.為定量分析河谷地形對汶川大地震漢源縣高烈度異常的影響，基于漢源縣城震害科學考察和場地勘察獲取的資料，根據震害分布特征和流沙河谷地形的特點，選取1條實測得到的橫切漢源縣城并垂直流沙河河谷方向的典型剖面作為計算模型，以脈沖作為基底輸入，采用有限差分方法研究了該剖面的場地放大效應，分析了地形對高烈度異常的影響.計算結果表明：漢源縣城場地對地震動放大效應的顯著頻段是1.0～10 Hz，且這一頻段老縣城場地的放大效應比新縣城場地顯著；漢源老縣城場地對汶川MS8.0地震主震的地震動有顯著的放大效應，地表峰值加速度大大超過了抗震設計規范的規定值；漢源場地地形放大效應顯著頻段與汶川MS8.0地震的能量集中頻段基本吻合，漢源老縣城建筑物的自振頻率恰恰位于該頻段，產生共振效應，從而造成更顯著的放大效應，這也是漢源震害異常的主要原因之一.由此可見，河谷地形對地表地震動有重要的影響，在工程選址和抗震設計時應考慮其影響.

關鍵詞汶川MS8.0地震； 河谷地形； 異常烈度； 地震動； 有限差分方法； 抗震設計

1引言

破壞性地震發生的烈度異常是一種常見現象.例如，國內典型的烈度異常有1976年唐山大地震的玉田Ⅵ度低烈度異常(劉曾武等，1982)以及北京地區高烈度異常(高振寰，1979；蔣溥等，1979)、麗江7.0級地震震害異常(韓新民和周瑞琦，1997)、伽師6.6級地震震害異常(李錳等，2000)、大姚6.2級地震震害異常等(非明倫等，2004).國外，最具有代表的是1985年9月19日墨西哥8.1級地震墨西哥城高烈度異常(Anderson et al.，1986).2008年5月12日14時28分，在中國四川省汶川縣發生了震級為MS8.0特大地震，在四川漢源和陜西渭河沿岸分別有Ⅷ度和Ⅶ度烈度異常區，在甘肅慶陽南部、云南昭通地區北部、重慶梁平、西安部分地區還有Ⅵ度異常區，如圖1所示(袁一凡，2008).其中漢源縣城遠距震中約200 km，為此次特大地震六度區內唯一的八度異常區，是十分典型且又罕見的遠震高烈度異常區，與國內以往多數地震震害異常相比，其比較突出的特點是該高烈度異常區的烈度高出所在大區兩度，這一罕見現象引起了學術界和工程界的廣泛關注.

2008年7月初，在中國地震局的組織和領導下，相關專業隊伍開展了汶川MS8.0地震現場科學考察工作，旨在查明汶川MS8.0地震的發震機理，獲取了活動斷層、地殼形變、地震地質災害、建筑震害和工程地震等方面的第一手資料.漢源縣烈度異常區場地條件的科學考察(下文簡稱烈度異?？瓶?是汶川MS8.0地震科學考察的任務之一，該任務由中國地震局工程力學研究所和防災科技學院共同組織完成，開展了震害、地質、地基和地震地質災害相關調查.基于地震應急和科考期間的資料，國內的一些學者對此烈度異常開展了研究，并取得了一些有意義的成果.高孟潭等(2008)從場地條件、近場區的地震構造背景、漢源縣地震臺震相特征以及震源過程等方面對該烈度異常的影響進行分析，給出了造成漢源縣城烈度異常的初步原因.薄景山等(2009)結合汶川MS8.0地震科學考察資料和數值模擬結果，指出了漢源背后山古滑坡復活和特殊的土層結構對地震動放大效應加重了漢源老縣城的震害.齊文浩等(2010)通過分析現場測試獲取的漢源縣城地脈動的卓越周期，指出漢源老縣城場地軟弱是造成震害異常的主要原因之一.李平等(2012)，李平(2013)基于場地勘察和原位試驗資料，采用一維土層地震反應分析方法進行了詳細的場地地震反應分析，結果表明場地的土層結構對地震動的放大效應加重了漢源老縣城震害.

漢源縣城位于長條形盆地底部邊緣.已有研究結果表明，地形地貌對地震動有顯著的影響(Gao et al.，2012；Bordoni et al.，2014；王海云等，2011；任葉飛等，2013； Rote et al.，2009；Tsuda et al.，2010；Zhang et al.，2012).汶川MS8.0地震河谷地形究竟對漢源縣城震害影響有多大，震時沒有獲取強震觀測資料.本文第一作者有幸作為烈度異?？瓶冀M成員并負責后期的場地勘察工作，整理分析了漢源縣城烈度異常區的場地條件資料，在此基礎上，選取1條實測得到的橫切漢源縣城并垂直流沙河河谷方向的典型剖面作為計算模型，以脈沖作為基底輸入，采用有限差分方法研究了該剖面的場地放大效應，分析了地形對高烈度異常的影響，對研究場地條件工程抗震影響有一定的促進作用，對提高工程抗震水平有著重要的理論意義和工程應用價值.

2漢源縣城地形地貌

漢源縣城位于橫斷山脈北段東緣，地處川西高原與四川盆地之間的過渡地帶，區內高山林立，溝壑縱橫.根據野外調查和現場測繪，繪制出了漢源縣城三維地形圖，如圖2所示.由圖2可知漢源縣城位于長條形盆地底部邊緣.地形上是周圍高中間低，高山環繞四周.漢源縣城所在的區域屬中低山區，絕對高程約為790～1230 m，相對高差約440 m.大渡河一側高山峭壁，陡崖多見；流沙河一側地勢開闊，坡度平緩，眾多沖溝發育，沖溝切割不深.地貌以重力地貌和流水地貌為主.重力地貌在大渡河和流沙河兩岸發育，構造較發育.汶川地震觸發的崩滑多出現在大渡河的北岸；流沙河的北岸第三系昔格達組泥巖，沉積厚度較大，易發生滑坡.流水地貌主要發育在流沙河，階地發育，流沙河發育一級和二級階地.勘察資料表明：一級階地是上疊式，階地上地層為細顆粒土，與此同時河漫灘下是河相沉積物；二級階地是基座式，地層主要以河相的砂卵礫石為主，下部泥巖或砂巖基座.漢源縣城主要坐落在大渡河與流沙河交匯的河流階地上.

3漢源烈度異?，F象

地震烈度多指標的綜合性、分等級的模糊性和以后果表示原因的間接性是其三大特點，即使按照相同的標準，不同的人對于同一地點的評定結果可能有很大的差別.由于上述原因，2008年7月，科考組對2008年5月汶川地震災害損失評估期間所評定的漢源縣城烈度(高孟潭等，2008)進行了認真的復核.科考人員對漢源縣城建筑物作了更為詳細的調查，并選取了33個典型樣本86棟建(構)筑物，根據調查結果繪制出漢源縣縣城建(構)筑物平均震害指數等值線圖(薄景山等，2009).震害調查表明老縣城震害較重，房屋建筑毀壞(如圖3所示)或嚴重破壞，調查結果顯示震害指數處于0.5的等值線范圍，老縣城烈度評定為Ⅸ度.新縣城位于大渡河與流沙河之間的蘿卜崗上，勘察資料表明該場地覆蓋土層較薄，震害較輕，房屋多為輕微破壞(如圖4所示)或基本完好，調查結果顯示震害指數0.2～0.5之間，漢源縣城新城區烈度評定為Ⅶ，綜合評定漢源縣城評定為Ⅷ.

圖1　汶川MS8.0地震烈度分布簡圖(第三稿)(據袁一凡(2008)圖修改)

從漢源的震害烈度評定結果可以發現，漢源縣城震害分布與其地形地貌特征有一定的關系，蘿卜崗上的新縣城震害較輕，盆地山前的老縣城震害較重.由于該縣城內未布設強震臺站，故不能直接采用強震記錄的方法來揭示河谷地形的影響.盡管該方法是被公認分析場地效應最有效的方法，但是河谷地形對漢源縣城震害的影響只能采用數值模擬方法.

圖2　漢源縣城三維地形圖

圖3　漢源老縣城倒塌的房屋

圖4　漢源新縣城輕微破壞的房屋

4計算模型及計算參數

根據汶川MS8.0地震漢源烈度異?？茖W考察野外調查及鉆探勘察得到的資料，選取了1條垂直流沙河河谷方向能反映其河谷地形及震害分布特點的剖面作為計算剖面，具體位置見圖5.考慮到波動數值模擬單元大小不同，影響地震動結果的有效頻段，為了保證在土層剪切波速為200 m·s-1時，頻率為10 Hz的波在一個波長內有10個單元，確定計算模型四邊形單元和等腰三角形單元邊長都為2.0 m，其相應的計算模型如圖6所示.為滿足計算穩定條件和保證10 Hz內有足夠的輸入分量，計算時輸入脈沖函數的寬度為0.1 s，時間步距為0.0001 s，這樣可使輸入波的頻段擴充到約20 Hz.

圖5　計算剖面

圖6　計算模型示意圖

計算模型中相關土體資料基于現場鉆探成果確定.勘探成果表明漢源縣城土層主要有填土、粉質黏土及卵礫石土組成.計算模型中土體密度和剪切波速數值是基于現場原位試驗統計分析得到，基巖相關計算參數根據經驗選取.計算模型所采用的參數如表1所示.

表1　模型土物理力學參數

5計算結果

計算方法采用二維顯式有限差分和多次透射人工邊界理論，具體方法闡述見文獻(李平，2013；廖振鵬等，1981,1984；廖振鵬，2002；廖振鵬和楊柏坡，1986；楊柏坡和陳慶彬，1992).計算分析時輸入脈沖函數，計算得到脈沖地震反應結果，如圖7所示.從脈沖地震反應震相追蹤結果可知，計算過程沒發生失穩，由此可見計算模型和選用的計算數據是合理的，從而計算結果是可信的.為了分析地形對地震動不同頻段的反應程度，計算得到了各觀測點場地傳遞函數曲線，如圖8所示.傳遞函數曲線可以得出場地放大效應顯著頻率及放大效應最大值(Amax)，如圖9所示.從圖9可知，場地各觀測點在(<1 Hz)低頻存在放大效應，觀測點號1—8放大效應最大值(Amax)相差不大，最小值為1.96，最大值為2.38，平均值為2.2，其值相對于觀測點號9—22值較小，與之相應的頻率在0.2～1 Hz之間，頻帶分布不規律；觀測點9—22號放大效應值Amax值分布范圍稍大，最小值為2.52，最大值為4.4，平均值為3.45，但絕大部分觀測點放大效應Amax值在2～4之間，與之相應的頻率都接近1 Hz.

圖7　各觀測點輸入脈沖地震反應圖

圖8　各觀測點傳遞函數曲線圖

各觀測點在(>1 Hz)高頻頻段內有顯著的放大效應，各觀測點的放大效應Amax值與觀測點位置存在一定的相關性.觀測點號1—8放大效應Amax值在2～5之間分布，最小值為2.4，最大值為4.58，平均值為3.6，相對于觀測點號9—22其值較小，與之相應的頻率在2.0～9.6 Hz之間；觀測點號9—22放大效應Amax值分布范圍較大，最小值為9.05，最大值為36.2，平均值為14.9，與之相應的頻率在1.7～8.2 Hz之間，頻段主要在1.7～5.5 Hz之間.由上述結果可知，漢源場地對地震動放大顯著的觀測點9—22號，即老縣城場地較新縣城場地放大效應更顯著，其Amax值更大；在放大頻段上(>1 Hz)高頻部分的地震動有顯著的放大效應.據鉆孔資料可知，老縣城的覆蓋層厚度最深達60 m，而新縣城覆蓋層厚度10 m左右，由于新老縣城的覆蓋層厚度相差較大(李平，2013)才導致了地震動分布不符合“邊緣效應”，因此，漢源縣場地對地震動不同的放大效應是覆蓋層厚度和地形效應共同作用的結果.

輸入地震動頻譜特性對場地放大效應的影響已被相關研究成果證實(蘭景巖等, 2012)，考慮到汶川MS8.0地震的頻譜特性，為了使輸入地震動盡量符合汶川MS8.0地震漢源場地情況，選用離漢源老縣城最近的九襄強震臺作為反演臺站，該強震臺站記錄到了汶川MS8.0地震主震強震記錄，共記錄到63459點，時間步長為0.005 s，其東西向(EW)峰值加速度為72.7 cm·s-2，南北向(SN)為80.35 cm·s-2，該強震記錄時程曲線如圖10a所示.由于九襄強震臺站建臺時進行了場地勘察、土動力學參數試驗和剪切波速測試，獲得了詳細的計算參數，所以采用一維等效線性方法反演基巖輸入地震動時程是可行的，得到的基巖輸入地震動時程曲線如圖10b所示(李平，2013).

將輸入地震動的傅里葉譜與場地各點傳遞函數相乘，得到相應各點地表反應的傅里葉譜，計算得到相應的時程，結果如圖11所示，從而得到各觀測點的峰值加速度.加速度放大倍數M定義為各觀測點的峰值加速度與其對應的基巖面峰值加速度的比值，相關計算結果如圖12所示.從圖12可知，輸入NS地震動所得到的峰值加速度、加速度放大倍數M比EW向的相應值大；觀測點1—8號之間峰值加速度和放大倍數曲線變化波動不大接近平直，這說明點號1—8場地對地震動放大效應相差不大，峰值加速度最小值為73.6 cm·s-2，最大值為98.5 cm·s-2，平均值為83.7 cm·s-2，放大倍數在2.02～2.52之間，平均值為2.21； 9號觀測點以后的峰值加速度值和放大倍數明顯增大，各觀測點值相差較大，場地地表峰值加速度最小值為152.1 cm·s-2，最大值為674.0 cm·s-2，平均值為272.8 cm·s-2，放大倍數在4.17～17.2之間，平均值為7.22.這說明觀測點9號以后的場地對汶川地震主震地震動有顯著的放大效應，即漢源老縣城場地對該地震動放大效應更顯著.由我國的抗震設計規范可知，漢源縣的抗震設防烈度為Ⅶ度(0.15g)，由計算結果可知漢源老縣城汶川地震時地表峰值地震動(平均值為272.8 cm·s-2)大大超過了設防烈度所對應的加速度值.

圖9　各觀測不同頻帶地震動的最大放大效應及其對應頻率

圖10　九襄強震記錄及其反演基巖地震動時程曲線

綜上所述，漢源老縣城場地對汶川MS8.0地震的地震動放大效應非常顯著.為了分析原因，計算得到了輸入地震動傅里葉峰值譜，如圖13所示，由圖可知汶川MS8.0地震主震地震動的能量主要集中在1～5 Hz頻段內.由圖9可知，觀測點1—8號除了6號觀測點外(漢源新縣城場地)對地震動放大顯著的頻段為5～10 Hz；觀測點號9—22的場地(漢源老縣城場地)對地震動放大效應顯著的頻段為1～5 Hz，通過地脈動測試得到該場地的卓越頻率約在1～3 Hz之間(齊文浩等，2010)，計算結果與測試結果接近.這說明漢源老縣城場地對地震動的放大效應顯著頻段與汶川MS8.0地震主震的地震動主要能量頻段基本吻合，所以導致漢源老縣城場地對汶川MS8.0地震主震地震動的放大效應更加顯著.同時通過汶川MS8.0地震漢源縣城震害異?？瓶假Y料可知，漢源縣城破壞嚴重和毀壞的房屋主要為多層砌體、土木和少量的框架等結構房屋建筑.根據相關文獻可知，這類房屋的自振頻率約在1.0～10 Hz(李平，2013；梁沙河和陳忠范，2006；王廣軍和樊水榮，1998)，而這一頻段正是該場地放大效應非常顯著的頻段，由此產生共振效應.

圖11　各觀測點地表地震動時程曲線

圖12　各觀測點峰值加速度與放大倍數

圖13　輸入地震動加速度傅里葉值譜

由此可見，河谷地形對漢源烈度異常有著重要的影響，顯著放大的地震動峰值大大超過了漢源縣設防烈度所對應的加速度值，導致了建(構)筑物的破壞，共振效應加重了漢源老縣城的震害.

6結論與討論

本文從地形地貌方面采用二維有限差分方法對漢源縣城震害異常進行分析，得到了以下結論：

(1)漢源縣場地地形對地震動放大效應顯著的頻段是1.0～10 Hz，在這一頻段老縣城場地放大效應比新縣城場地顯著；

(2)漢源老縣城場地對汶川MS8.0地震的地震動放大效應顯著，加大了地表峰值加速度值，其值超過建筑抗震設計規范設防烈度所對應的加速度值；

(3)汶川MS8.0地震主震地震動能量集中頻段與漢源河谷場地放大效應顯著頻段基本吻合，產生共振效應，進一步加重了震害.

因此，地形地貌對漢源震害異常有著重要的影響.漢源場地是盆地地形地貌和復雜地質條件的典型范例，本文僅從地形地貌一個方面研究了對烈度異常的影響.造成漢源烈度的原因不僅與場地條件有關系，還與地震波的傳播途徑和震源機制有著密切聯系.要科學合理地解釋漢源烈度異常的原因，還要對汶川地震地震波的傳播途徑及其震源機制進行深入研究，綜合三方面的研究成果才能得到漢源烈度異常的真正答案.同時，通過研究我們發現深厚覆蓋層河谷場地對地震動影響很大，在確定該類型場地設計地震動參數時應進行二維或三維場地地震反應分析，這樣才能更有效地考慮地形和覆蓋層的影響，確保設計地震動參數的科學性和合理性.

致謝地震科考期間，中國地震局汶川地震科學考察指揮部張培震研究員給予了熱情的指導和幫助；汶川地震漢源烈度異常防災科技學院科學考察組及國家強震動臺網中心為本項研究提供了相關資料；中國地震局工程力學研究所袁一凡研究員在數值計算方面給予了悉心的指導；審稿人提出了中肯的修改意見和建議.在此一并表示衷心的感謝.

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(本文編輯何燕)

基金項目中國地震局地震科技星火計劃項目(XH15067Y), 國家自然科學基金項目(51508096,41172293), 中央高?；究蒲袠I務專項資金(ZY20140206)資助.

作者簡介李平，男，1981年生，博士，主要從事場地效應及巖土工程抗震方面研究. E-mail：chinaliping1981@126.com *通訊作者劉紅帥，男，1975年生，博士，副研究員，主要從事地震工程的科研與咨詢工作. E-mail: 13810892160@163.com

doi:10.6038/cjg20160115 中圖分類號P315

收稿日期2015-01-27，2015-09-01收修定稿

Effects of river valley topography on anomalously high intensity in the Hanyuan town during the WenchuanMS8.0 earthquake

LI Ping1， LIU Hong-Shuai2*， BO Jing-Shan1， LI Xiao-Bo1， YU Xiao-Hui1

1InstituteofDisaster-Prevention,HebeiSanhe065201,China2NationalEarthquakeInfrastructureService,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China

AbstractThe Hanyuan town is located approximately 200 km to the macro-epicenter of the great Wenchuan MS8.0 earthquake. However, it is the only one within the intensity VIII zone, surrounded by a region of intensity VI. In landscape, this town lies on the second and third terraces of the Liusha River. The river valley topography has important influence on earthquake damage. Authors have obtained several geological profiles during the scientific survey and carried out the measurements of shear velocity in the typical boreholes in Hanyuan. To quantitatively analyze the effects of river valley topography on the intensity anomalies in this area, a profile, perpendicular to the Liusha River and passing through the town, is selected as the computation model reflecting the differences of damage. Taking the pulse waves as the base inputs, the site amplification effects of the selected profile are studied by employing the finite difference method of wave propagation to analyze the effects of river topography on the high intensity anomalies. The results show that the frequencies of 1.0 to 10 Hz are the most amplified by the site of Hanyuan town and the magnifying effects are more significant in the old town than in the new town. The sites in the old town have significant amplification effects on the ground motion of main shock during the Wenchuan MS8.0 earthquake and the peak accelerations of the old town greatly exceeded the specified value in the code of seismic design of buildings. The most significant frequencies amplified by the sites of the Hanyuan town are consistent with the concentrated energy frequency bands of the Wenchuan MS8.0 earthquake, and the natural frequencies of buildings in the old town are just within these frequencies, thus leading to resonance effects to cause more significant amplification effects. This is one of the main causes inducing the intensity anomalies in the town during the Wenchuan MS8.0 earthquake. Therefore, the valley terrain has important influences on the ground motion, which should be considered in selecting project sites and seismic design.

KeywordsWenchuan MS8.0 earthquake； Valley topography； Abnormal intensity； Ground motion; Finite difference method; Seismic design

李平， 劉紅帥， 薄景山等. 2016. 汶川MS8.0地震河谷地形對漢源縣城高烈度異常的影響.地球物理學報，59(1):174-184,doi:10.6038/cjg20160115.

Li P, Liu H S, Bo J S, et al. 2016. Effects of river valley topography on anomalously high intensity in the Hanyuan town during the WenchuanMS8.0 earthquake.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):174-184,doi:10.6038/cjg20160115.