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第三届全国岩土与工程学术大会论文集-汶川地震与工程抗震


第 七 篇
汶川地震与工程抗震

第七篇 汶川地震与工程抗震

甘肃陇南武都灾后重建地质安全与资源 保障程度评估
刘长礼1 周爱国2 侯宏冰1 裴丽欣1 王晶晶1 1 . 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 石家庄, 0 5 0 0 6 1 ; 2 . 中国地质大学( 武汉) , 武汉, 4 3 0 0 7 4 摘 要: “ 5 ·1 2 ” 汶川特大地震给陇南武都许多城镇与乡村造成了重大毁损, 灾后究竟在原地恢复重建或异地迁 建, 是极其重要且十分紧迫的问题。作者从地质安全性与资源保障性结合的全新角度, 利用已有详细的地形地貌、 地质、 水文与工程地质、 水资源、 土地利用等资料, 结合最新的地震( 余震) 、 地震后卫星遥感解译、 航空遥感调查、 地 质灾害应急排查和现场相关调查等取得的资料数据, 根据地震断裂活动性及地质灾害易发性, 论证陇南武都地质 安全性; 综合考虑地形地貌、 水资源与土地资源承载力等因素评估灾后重建的资源保障程度; 再将地质安全性与资 源保障程度结合, 综合评估灾区重建的地质环境适宜性。评价结果表明, 在维持现有生产方式规模与水平不变情 况下, 总体上陇南武都水土资源基本有保障, 但仅仅极少部分地区安全有保障, 如采取提高建筑防震标准及有效治 理与避让地质灾害条件下, 陇南武都境内绝大部分村镇可在原地规划重建; 陇南市区所在地发展空间及其有限且 地质安全没有保证, 应将陇南市搬到成县县城异地迁建。 关键词: 陇南武都 灾后重建 地质安全 水土资源保障

1  引言
陇南武都位于甘肃省东南部, 总面积46 8 3 k m, 辖区总人口 5 5 31 8 0人。“ 5 . 1 2 ” 特大汶川地震给灾 区造成了大量人员伤亡和财产损失, 陇南武都许多 2个重灾县( 市) 城镇与乡村受到了重大毁损, 为1 之一。灾后究竟在原地恢复重建或异地迁建, 是当 时极其重要紧迫的问题。根据国家汶川地震灾后重 建工作要求, 中国地质调查局组织有关专家于 2 0 0 8 年 5月到 6月, 开展极重灾县( 市) 的地质安全与水 土资源保障程度综合评估工作。本文为作者参加该 工作取得的成果之一, 从地震及其诱发地质灾害可 能性与水土可利用性结合的全新角度, 分别论证了 灾后重建规划的安全性及资源的保障程度, 回答了 陇南武都全区村镇及陇南市灾后是在原地重建或是 异地迁建的问题。


源保证。因此, 地质安全与资源保障的主要影响因 素为: 地震暨活动断裂分布、 地质灾害的易发程度、 此次地震诱发的地质灾害分布、 地形地貌、 土地资 源、 水资源等。 2 . 2  地质安全与资源保障程度评估思路、 技术路线 与方法 根据要实现的目标及地质安全与资源保障影响 因素, 确定评估思路、 技术路线与方法如图 1 。 2 . 3  地质安全评估指标体系 根据陇南武都实际情况, 确定表 1与表 2为地 质安全评估指标与标准, 将区域划分为不安全区和 相对安全区。
表1  主控因子评价标准与状态表 评价 等级 标准 与状 不安全区( 存在危险) 态 低于历史洪水位区, 存在淹没 危险。高于 26 0 0 m , 人类不宜居 陡坡地段, 坡度 > 2 5 ° 区 次不稳定区、 不稳定区 难治理的崩塌、 滑坡、 泥石流 等灾害影响地区 不稳定或潜在不稳定斜坡影响且 难以治理的地区

敏感因子

2  地质安全与资源保障程度评估思路 与方法
2 . 1  地质安全与资源保障影响因素分析 众所周知, “ 5 . 1 2 ” 特大汶川地震造成的人员伤 亡与财产毁损主要是由地震直接导致及地震诱发的 次生地质灾害引起, 地质安全与资源保障论证必须 综合考虑地震暨活动断裂、 地震诱发的地质灾害等 对生命财产安全的影响, 以及家园重建的环境与资

地表高程 地形坡度 活动断裂带 地质灾害 斜坡稳定性

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第三届全国岩土与工程学术大会论文集

图1  评估思路、 技术路线与方法 表2  重要因子评价标准与状态表 分级标准 评价要素 评价因子 依据 安全区 地貌类型 地形地貌 坡度 区域地壳稳定性 地质灾害 地基稳定性 工程地质条件 斜坡稳定性 稳定性分级 稳定区 基本稳定区 按平原、 山地等地貌 特征分级 按地形坡度分级 活断层 的 分 布、 地壳 稳定程度 地质灾害易发性 岩性 地表切割密度较低, 地形起 伏不大的台地、 斜坡 < 1 0 ° 或者次不稳定区 稳定区 / 地质灾害低易发区 坚硬基岩 基本安全区 地表切割密度较大, 地形起伏较 大的山地 1 0 ° ~ 2 5 ° 次稳定区 / 或者次不稳定区、 不稳 定区 地质灾害中易发区、 可以治理的 地质灾害高易发区 松散岩层

3  地质安全与资源保障程度评估
3 . 1  地质安全性评估 3 . 1 . 1  地形地貌 陇南武都总的地形特点是沟谷发育、 切割强烈、 0 0~ 地表起 伏 大、 山 势 陡 峻、 相对高差大( 达 10 15 0 0 m ) , 坡度大等。据坡度分区图可知, 武都 0~ 6 8 6

2 的区域面积为 2 8 6 . 4 7 k m , 占全县总面积的 1 0 °

4 . 3 3 %, 7 0 %多人口居住在坡度小于 1 0 ° 的地区, 而 0 0 m以上不 这些区域除了沟谷河流、 泥石流沟及 26
2 能居住的区域外, 剩余不到 7 0k m 区域人类居住,

而这些区域分布零星, 绝大部分不成片, 不适宜建乡
2 1 0 ° ~ 2 5 ° 的区域面积为 19 8 7 . 8 8 k m , 占全县总 镇;

面积的 4 2 . 4 5 %, 这样的区域为多为地质灾害中易

第七篇 汶川地震与工程抗震 5 ° 的陡坡区域为 发地区, 易受到地质灾害威胁; 超2
2 2 4 0 4 . 6 3 k m , 占总面积的 5 1 . 4 3 %, 这为地质灾害高

∶ 5 万地形、 安全性评估方法、 指标体系及标准, 在1 地质图上, 借助 M A P G I S的空间叠加分析功能进行 评估, 得到如图 3所示的结果, 相关统计数字如表 3 。
表3  陇南武都灾后重建城镇规划的地质安全分区表
面积及其 比例 不宜建区 面积 2 k m ) ( 占面积 %) 比例( 安全级别 不安全区 次安全区 17 8 7 . 7 2 2 9 . 5 0 安全区 总 计 6 1 7 . 8 7 46 8 3 6 . 7 8 1 0 0 %

发区。 3 . 1 . 2  活动断裂分布与区域地壳稳定性 陇南武都境内活动断裂发育, 地壳稳定性差, 活 断裂以白龙江断裂为代表, 走向北西 3 0 0 ° ~ 3 1 0 ° , 沿断裂有大量的滑坡、 泥石流等地质灾害发生。震 后现场考查和现有资料表明, 南坝断裂在本次地震 中活 动 明 显, 沿 断 裂 带 诱 发 大 量 次 生 地 质 灾 害。 “ 5 . 1 2 ” 汶川地震是沿龙门山活动断裂带发生的, 对 陇南武都影响较大, 损坏大量建筑物, 并诱发大量次 生地质灾害。总之, 陇南武都活动断裂发育, 整体地 壳稳定性都较差。 3 . 1 . 3  陇南武都地质灾害分布与易发性分区 图 2为陇南武都地质灾害分布与易发性分区 图, 该图揭示: 陇南武都绝大部分地区为地质灾害高
2 易发区及中易发区( 高易发区面积 32 8 4 . 3k m , 占

15 2 9 . 2 6 8 1 8 . 2 1 3 2 . 6 6 1 7 . 4 7

全县总面积的 7 0 . 2 %, 其中包括白龙江及其支流;
2 中易发区面积 12 1 5 . 1 k m , 占总面积的 2 5 . 9 %) ; 而 2 低易发区面积仅 1 8 3 . 6 k m , 占全区面积的 3 . 9 %。

汶川地震之前, 陇南武都共 3 7 0处 图 2还表明, 地质灾害隐患点主要分布在白龙江干流两岸以及北 峪河、 甘泉河、 五库河、 洛塘河河谷区; 地震之后, 地 质灾害点 9 8处, 分布于白龙江支流拱坝河右岸两水 镇及武都区城东侧, 威胁武都城区安全。

图3  陇南武都地质安全性分区图

总之, 从地质安全性考虑, 陇南武都仅极少部分
2 地区 为 安 全 区, 面积 6 1 7 . 8 7k m , 为总面积的 2 6 . 7 8 %, 但仍有 17 8 7k m 的次安全区, 若采取适当

的措施进行地震设防及地质灾害治理与避让, 区内 绝大部分村镇仍可原地重建。 3 . 2  资源保障程度评估 土地资源保障: 从恢复重建用地来看, 总体上陇 南武都土地资源承载力发展潜力不足, 城镇建设用 地更紧张, 发展余地不大, 仅能维持现有生产规模与 水平。
3 . 8 5亿 m , 水资源有保障: 可利用水资源量为 3

现状需水量占目前可利用水资源总量的 6 5 . 7 %, 水 资源还具有一定的生活生产发展保障潜力, 但水资
图2  陇南武都地质灾害易发性分区图

源分布不均, 主要集中在白龙江流域, 而高山、 坡地 地带水资源严重不足。 3 . 3  陇南武都灾后重建的地质环境适宜性综合评 6 8 7

3 . 1 . 4  陇南武都灾后重建规划的地质安全性评估 利用上述地震、 地质灾害等资料, 按照上述地质

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 估 在上述地质安全区划分的基础上, 结合资源保 障程度, 对陇南武都灾后重建的地质环境适宜性进 行评价, 适宜性分区如图 4 , 情况如下: 不适宜区: 基本上与前面划分的地质不安全区 5 ° 、 地质灾害高发易发、 活 吻合, 主要是坡度大于 2 动断裂密集分布及水土资源比较缺乏的地区。 勉强适宜区: 坡度大于 2 5度但地质灾害低发区 或不易发区, 为通过采取适当措施消除不安全因素 后可建区, 且水、 土资源有一定保障的地区。 5度且在地 基本适宜区: 主要指地形坡度小于 2 质灾害影响轻微且水、 土资源有保障的地区。 适宜区: 地形坡度小于 2 5度且地质灾害影响不 到, 且水、 土地资源都有足够保障的区域。一般现有 陇南市区( 武都县城) 、 乡或镇政府所在地及其他地 形比较平坦的沟谷地带都属于适宜区。 陇南武都地质安全性分区面积及相关统计数字 如表 4所示。

表4  武都灾后重建城镇规划的地质环境适宜性分区表 适宜性级别 面积及其比例 适宜区 面积( k m) 占面积比例( %)


基本适宜区 16 4 4 . 6 7 3 5 . 1 2 %

勉强适宜区 8 9 2 . 1 1 1 9 . 0 5 %

不适宜区 15 5 2 . 8 8 3 3 . 1 6 %

总 计 46 8 3 1 0 0 %

5 9 3 . 3 4 1 2 . 6 7 %

3 . 4  陇南市城区地质安全与水土资源保障 陇南市区究竟原地重建或异地迁建, 是迫切需 要回答的问题。本着“ 安全第一, 着重长远; 科学避 让, 强化抗震” 的原则, 本文认为: ( 1 ) 陇南市区地质上不安全: 陇南市区处于发 虽 震断裂地带、 Ⅷ度地震烈度及地壳稳定性差地区, 然通过提高建筑物的抗震标准可保部分建筑物安 全, 但由于处于地质灾害高易发区, 尽管采取适当治 理与避让措施可局部地防止地质灾害造成的危害, 可以确保局部地区建( 构) 筑物及生命财产的安全, 但如遇强震诱发地质灾害, 城市周围建筑物与居民 生命财产安全仍没有保障。 ( 2 ) 水资源虽有保障, 但发展空间极其有限: 武
3 都县城所在地可开采资源量为 1 5 4 8万 m , 需水量 3 为8 8 3万 m , 可见区水资源是有保障的。但该区位

丰富, 而高山、 坡地地带水资源不足。

于白龙江河流冲积阶地、 两面均为高山的峡谷地带 土地资源十分紧张, 发展空间几乎为零, 不能满足持 续发展需要。
图4  武都城镇重建地质环境适宜性分区图

( 3 ) 陇南市区处于地震断裂带上, 地震与地质 灾害高易发, 地质上不安全; 水资源虽然丰富, 但土 地资源紧张, 发展空间极其有限, 维持现有规模人 口、 生产规模已经比较勉强, 不能满足城区持续发展 需要。 ( 4 ) 建议将陇南市搬迁到成县县城所在位置, 以避开地震及其诱发的地质灾害, 而只保留武都县 城, 建设时避开地质灾害可能的威胁地带, 并控制县 城的发展规模。 ( 5 ) 建议在灾害调查、 地质安全及资源评估的 基础上, 制定灾后恢复重建规划的总体方案。重建 规划总体方案要强化防灾减灾规划、 新农村建设规

4  结论与建议
( 1 ) 陇南武都仅极少部分地区为安全区, 面积 6 1 7 . 8 7k m, 为总面积的 6 . 7 8 %, 分布零星; 但地质 环境适宜区与基本适宜区面积比较大, 总和为 22 0 0 多K m, 仍可通过提高建筑物的防震设计标准及对 地质灾害等采取治理与避让措施, 在武都县境内这 些地区绝大部分城镇、 乡村仍可原地规划重建。 ( 2 ) 总体上, 陇南武都土地资源承载力不足, 峡 谷阶地城镇建设用地更紧张, 发展余地不大; 水资源 有保障, 但水资源分布极为不均, 白龙江等沟谷地带 6 8 8
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第七篇 汶川地震与工程抗震 划、 基础设施与公共服务设施建设规划等专题规划 之间的科学协调。要开展地质环境影响评价, 重视 地质环境保护。 ( 6 ) 建筑物抗震设防应提高抗震标准 此次汶川大地震的破坏烈度高达 I X- X I 度, 毁 坏了大量建筑物, 但也有不少建筑物在地震废墟中 巍然屹立。这说明提高建筑设计标准与强化施工质 量管理, 是可以最大限度地减少地震造成的安全威 胁的。因此, 在重建时应建筑物的建设上增加了抗 震方面的投入, 提高建筑物的抗震等级标准与地震 烈度设防。 致谢: 本文为汶川地震灾后重建规划地质安全 与资源承载力评价组工作成果的一部分, 其中评价 思路与方法是包括周爱国等评价组专家在内的同志 们的共同心血结晶, 地震、 地质灾害、 地形地貌、 水文 地质、 工程地质、 土地资源等资料来源于评价组。作 者在此一并感谢!

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第三届全国岩土与工程学术大会论文集

某在建水库大坝震后安全评价分析
樊广利 刘双美 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院, 成都, 6 1 0 0 7 2 摘 要: 结合工程概况和地质情况, 通过对震后水库大坝安全评价的方法、 评价的内容、 评价的标准的分析, 得出了 评价结论及建议。 关键词: 地震 安全评价 水库大坝 地震地质灾害 监测

  2 0 0 8年 5月 1 2日 1 4时 2 8分, 在四川省汶川县 境内发生 8级特大地震, 震中烈度达 1 0度以上。自 水利部 5月 2 5日的消息说, “ 5 ·1 2 ” 地震造成四 8 0座, 险情主 川、 重庆、 陕西等 8省市水库出险 23 要为大坝裂缝、 坝体滑坡、 溢洪道毁坏、 泄水洞垮塌、 防浪墙断裂、 坝坡塌陷等。其中有 6 9座水库存在溃 坝险情, 存在高危险情、 次高危险情的水库分别达到 3 2 0座和 19 9 1座。 发生强烈地震时, 应立即对大坝进行震害检查, 结合大坝结构所设的监测仪器取得的监测记录数 据, 对大坝安全作出分析评价。若属危险大坝, 应上 报主管部门, 启动应急预案, 进行抗震抢险, 以防次 生水灾的发生。

工程地质问题之一。 由于印度板块与欧亚板块的碰撞, 青藏高原强烈 隆升, 地壳运动主要表现为大面积整体抬升, 形成了 著名的“ 世界第三极” 青藏高原, 受其影响, 断块间的 差异升降和相对水平运动等也较为明显。大、 小断块 之间的边界断裂一般为活动性断裂, 根据其不同的活 动强度, 存在发生 6级以上破坏性地震的可能性, 例 如, “ 炉霍—康定地震带” 、 “ 东川—嵩明地震带” 就是 与所谓的“ 川滇菱形块体” 的东部边界断裂— — —鲜水 河—安宁河—小江断裂带的活动密切相关。 西南地区各流域现今构造运动主要继承了上述 新构造运动特征。根据野外地质考察和 G P S对地 监测结果表明, 运动最为显著的是川滇菱形块体, 川 滇菱形块体周边断裂带及其次级块体的边界断裂是 该区域主要的强震活动带。历史地震记录和现代地 震监测表明: 8级及以上地震、 绝大部分 7~ 7 . 9级 地震均发生在大块体边界的活动断裂带内, 少数 7 ~ 7 . 9级地震和部分 6~ 6 . 9级地震也可能发生在 次级块体边界的活动断裂带上。汶川 8级地震就是 “ 龙门山断裂带” 最新逆冲右旋活动的结果。就整 个西南地区而言, 受断裂带活动和地震直接强烈影 响的区域 仍 是 有 限 的 狭 窄 条 形 区 域, 而活动断裂 ( 地震带) 之间的块体多数还是受到波及影响。 区内碳酸盐岩广泛出露, 主要碳酸盐地层为中
n n 统白石铺群观雾山组( D g ) 、 上统唐王寨群( D t ) 、 2 3 n 石炭系下 统 总 长 沟 群 ( C z ) 、 二叠系下统阳新组 1 P ) 及上统乐平组( P ) 、 三叠系下统飞仙关组十铜 ( 1 2 街子组( T f + L ) 、 中统嘉陵江组十雷口坡组( T j + 1 2 L ) 及天井山组( T L ) ; 主要的非可溶岩地层为中统 2 沙帽群( S 2- 3 ) 、 下统平驿铺群( D p n ) 罗惹坪群 - 1

1  工程概况
四川省某引水工程是四川省“ 西水东调” 总体 规划中确定的大型综合利用水利工程。工程共分二 期建设, 其中第一期工程包括取水枢纽、 总干渠和涪 梓灌区( 灌溉 1 2 6 . 9 8万亩) 渠系及沉抗囤蓄水库等 已于 1 9 8 7年复工建设、 2 0 0 0年底建成, 第二期工程 包括某水库、 西涪灌区( 灌溉 1 0 1 . 5 3万亩) 渠系和 金峰囤蓄水库等。 该水库坝址地处四川省绵阳市江油市武都镇以 北约 4 k m的涪江干流上, 北( 即库区尾山区) 临绵阳 市的平武县、 东( 即武引灌区) 在绵阳市的梓潼县、 南为绵阳市的江油市。坝址区位于该引水枢纽进水 闸上游的模银洞地段, 坝高 1 2 0 m , 库容 5 . 5 2亿立方 5万 k W, 为大( 一) 型一等水电工程。 米, 电站装机 1

2  地震地质条件
西南地区地壳活动强烈, 环境地质问题十分复 杂。一些断层的活动伴随着地震、 崩塌、 滑坡和泥石 流等自然灾害和地质灾害, 区域的地震地质条件和 地质灾害是影响西南地区水利水电工程建设的主要 6 9 0

侏罗系中统千佛岩组( J q ) , 沙溪庙组( J s ) , 遂宁组 2 2
n ( J s ) 及上统莲花口组( J 3 L ) 等地层。 2

区内碳酸盐岩层在长期地质历史及强烈的岩溶 作用下, 岩溶地貌发育较齐全, 岩溶形态石芽、 溶沟

第七篇 汶川地震与工程抗震 ( 槽) 、 峰丛、 岩溶漏斗, 落水洞、 岩溶洼地、 溶洞、 暗 河。泉水与暗河是区内地下水排泄的主要形式, 主 要分布在谷坡中部及侵蚀基准面附近, 分别向涪江、 平通河或其他深切冲沟排泄。区内各地层岩溶强度
n n n y 由强至弱的发育趋势是: C z t g →D →D →D 1 3 2 2 →

D g , 其主要岩性特征为: 灰岩为主 → 白云岩为主 → 1 灰岩、 白云岩夹泥灰岩及砂、 页岩为主→碎屑岩夹薄 层灰岩为主。区内岩溶发育的形式、 方向、 强度和地 下水径流形式基本一致, 垂直形态的岩溶多沿陡倾 角裂隙和构造线交汇部位发育。水平溶洞多沿北东 向岩层走向和向斜构造的纵张裂面发育。

安全和经济效益。 4 . 1  水库岸坡滑坡危险分析 白石沟覆盖层库岸段存在坍岸, 规模较小; 窝坑 里滑坡在蓄水运行期的各种工况下, 均属稳定状态, 即使发生塌岸后, 并考虑Ⅶ度地震作用, 滑坡体处于 临界稳定状态, 根据滑坡体前缘滑床形态及武 Z K 3 5 钻孔揭示滑床坡角 5 ° ~ 8 ° 判断, 该滑坡体整体失稳 可能性较小。但在蓄水运行期, 滑坡存在塌岸问题, 受塌岸影响滑坡体前缘存在局部失稳, 失稳形式为 前缘解体塌滑, 由于滑坡体所处河段较宽阔, 且距坝 址1 9 k m , 河道蜿蜒曲折, 即使滑坡前缘局部失稳, 不 会危及大坝安全运行。但是, 在该滑坡塌岸范围内 有4 0余人居住, 建议移民搬迁。 近坝库岸岸坡段( 柳林子 - 坝前) : 岩质岸坡和 断层破碎带岸坡蓄水后, 局部地段有坍岸的可能, 因 该岸坡段处于右坝肩部位, 对大坝安全有一定影响, 建议对其进行工程处理。综上所述, 只要按设计要求 进行处理, 加强监测, 岸坡滑坡危险性是可以消除的。 4 . 2  地震液化、 震陷崩塌危险性分析 坝体基本置于 D 2 5白云岩地基上, 不存在坝肩 液化、 震陷的可能。该水库库岸主要为岩质边坡, 以 横向河谷为主, 其整体稳定性好; 在椒圆子一带长约 3 . 5 k m的顺向河谷段, 据赤平投影分析, 边坡也属稳 定结构类型, 整体稳定性较好; 坝肩岩体质量较好, 如该部位遇个别崩塌不稳定岩体, 可通过一定的施 工措施排除, 以确保施工人员及工程安全。由于地 震震害影响沿高程方向有增加趋势, 坝肩及以上部 位有必要进行一定量的补充勘测工作。 4 . 3  水库诱发地震的可能性分析 该水库具备诱发水库地震的有利条件, 坝区至 白石铺库段诱发构造型水库地震的可能性较小, 考 虑最不利条件的组合, 水库地震的震级上限预测为 M s 4 . 5级, 震中烈度为 Ⅵ 度, 即使地震发生在 F 5断 层距坝址最近的地方, 大坝所受影响烈度也不会超 过Ⅵ度; 坝区至白石铺库段诱发岩溶塌陷型水库地 震的可能性较大, 最大震级可按 M s 3 . 0级考虑, 震 中一个很小的范围内地震烈度可能达到 Ⅳ ~Ⅵ 度。 白石铺至平驿铺库段诱发岩溶型水库地震的可能性 较大, 强度 M s < 3 . 0 , 震中烈度 Ⅳ ~Ⅴ 度; 该库段诱 发构造型水库地震的可能性极小。平驿铺至沙湾库 段诱发地震的可能性极小。综合以上分析成果, 水 库诱发地震不会构成对各水工建筑的安全威胁。

3  洪水漫坝及溃坝危险性分析
暴雨、 洪水是威胁水库大坝安全的重大危险因 素。由于水库蓄水量较大, 流域内降雨时空分布很 不均匀, 上 游 山 区 多 年 平 均 降 水 量 达 12 0 0~1 4 0 0 m m中 游 的 三 台、 盐亭等县仅为 8 5 0~9 0 0 m m 。 9月, 占全年降水量的 7 0 %以 降水量多集中在 6~ 上, 年际变化也较大。最大年降水量为最小年降水 量的 1 . 7倍。涪江流域内洪灾、 旱灾频繁, 流域内雨 洪关系十分密切, 受鹿头山暴雨区控制, 干支流上游 不同的暴雨控制范围, 将在干流中下游发生不同规 模的局部洪水或流域性的大洪水、 特大洪水。历史 上1 9 0 2年、 1 9 4 5年 1 9 5 4年及 1 9 8 1年等大洪水即为 典型。上游洪水过程多以洪水涨落快, 洪峰多以单 峰为特点; 中下游则以洪水过程平缓, 峰型以单峰与 复峰出现为主。暴雨导致的洪水灾害已严重威胁了 中下游国民经济的发展。汛期, 如果工程枢纽遭遇 下列情况: 抬高水位, ①超标洪水, ②泥沙淤积河床, 冲沙、 泄洪闸门失去操作电源, 冲沙、 泄洪闸门 ③ ④ 启闭失灵或其他误操作 …… 都能导致洪水漫坝事 故。根据该水库工程各类建筑物级别, 按《 水利水 电工程等级及洪水标准 S L 2 5 2- 2 0 0 0 》 , 本工程大坝 设计洪水标准为 5 0 0年一遇, 校核洪水标准为 20 0 0 年一遇, 发电厂房设计洪水标准为百年一遇, 校核洪 水标准为 2 0 0年一遇。该工程的设计和核核洪水标 准均符合上述规程的规定。洪水计算采用的方法是 合适的, 计算成果符合该河道实际成果, 工程能防范 洪水威胁的。

4  地震地质灾害危险性分析
水库岸坡地质稳定分析主要是指暴雨、 地震和 库水位大幅骤变引起的库岸的滑坡、 崩塌、 泥石流 等。其突发性强, 危害性大, 直接关系到水工建筑物

5  地震安全性分析
汶川特大地震的发震构造为“ 龙门山断裂带” 。 6 9 1

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 该断裂带 中 段 由 灌 县—江 油 断 裂 ( 前 山 断 裂) 、 映 秀—北川断裂( 中央断裂) 和汶川—茂县断裂( 后山 0 0 k m , 断裂带总体走向北 3 0 ° 断裂) 组成, 总长约 5 ~ 5 0 ° 东, 倾向北西, 倾角 3 0 ° ~ 7 0 ° , 为全新世( 约1 万年) 活动断裂, 本次汶川地震主震即部分余震分 布见图 1 。有历史记载以来, 沿该断裂带未发生过 6 . 5级以上的强震, 之前已有的研究成果也未显示 该 沿该断裂带具备发生 8级大地震的潜能。因此, 地震为一个重现期较大的罕遇地震。汶川地震的另 一个特点就是主震发生后, 沿龙门山断裂带北东走 k m/ s 的速度向北东方向破裂, 形成持续时 向以约 3 间长达 8 0~ 9 0 s 的强烈震动, 对建筑物产生严重的 破坏。 四川省地震局复核和国家地震局审定批复, 地震基 地震动峰值加速度为 0 . 1 1 g , 工程区 本烈度为Ⅶ度, 属基本稳定区。该水库工程其主要建筑物的级别除 坝后式电站为 3级外, 其余均为 1级。挡水建筑物 地震设防类别为甲类, 可按地震基本烈度Ⅶ度设防。 考虑建筑物级别较高, 根据项目建议书审查评估和 可研审查意见, 按Ⅷ度设防。 5 . 1 2 ” 汶川大地震及其余 该工程场地所受到“ 震的影响, 局部区域的地震构造环境、 区域现代构造 应力场、 区域地球物理场、 地震的历史记录已经发生 一些改变, 有必要对该工程重新进行地震加速度及 抗震设防烈度复核, 按照认定结果进行抗震设计施 工, 确保工程抗震安全。

6  大坝震后安全现状
6 . 1  震后大坝混凝土开裂现状 “ 5 . 1 2 ” 汶川地震发生后, 检测发现已施工的大 0条裂 坝发生混凝土开裂现象, 在坝体廊道内共有 1 缝, 长度 2~ 8 9 m不等, 裂缝宽度 0 . 5- 8 m m , 主要部 9 位在廊道拱顶和底板, 部分裂缝有渗水现象。在 1 # ~ 2 0 # 坝段 E L . 5 6 9高程, 有 4条裂缝, 1 6 # 坝段护坦 E L . 5 4 9 . 5有 2条裂缝, 裂缝均顺水流方向分布, 长 几米至一百余米, 宽度为毫米级, 2 0 # 坝段上游面有 8条裂缝, 近垂直分布, 较密集, 间距 2 0~ 3 0 c m , 缝 0 . 2 m m 左右, 最长的两条从底部一直贯通至顶部, 1 0- 1 1 # 坝段 5 8 0 . 5层共 5条缝, 宽 1~ 2 m m , 顺水流
图1  四川汶川主震及部分余震分布图

6~ 7 # 坝段 6 2 7层共计 6条缝, 缝宽最大 1 0 m m 分布, ( 系混凝土未初凝) , 分布零乱。 6 . 2  震后大坝安全观( 监) 测评价 为监测本水库工程施工期和运行期的工作性 态, 保证各建筑物的正常安全运行, 本工程的监测项 目分安全性观测和专门性观测两类, 各观测结果见 表1 。 综合各部位监测成果, 受5 . 1 2地震的影响, 各 个坝段变形监测沉降、 裂缝和接缝、 应力应变、 渗透 压力都有一定的变化, 就目前震前震后监测资料来 看, 大坝各个监测项目观测结果无明显异常变化, 坝 体基本上未受到影响。
初步评价 无明显异常

由于主震发生后持续的地表破裂, 导致汶川地 震重灾区的范围超过 1 0万 k m, 形成沿龙门山断裂 带北东走向的长条形极震区, 使远离震中数百公里 外的甘肃、 陕西等省区产生强烈震感并导致建筑物 的破损。 由于汶川地震为小概率事件, 导致在相当大范 围内的地震影响烈度大于以往确定的基本烈度。伴 随地震产生强烈的地表破裂, 进一步加剧了对破裂 带附近建筑物的破坏。 该引水二期工程水库摸银洞坝址区位于龙门山 前陆逆冲楔与四川前陆筋地的交界部位, 2 0 0 2年经
观( 监) 测方法 沉降位移变形观测 震前、 震后观测结果


表1  各观( 监) 测方法成果评价表

绝对位移量普遍在 ± 2~ 3 m m以内, 比较各测点在本月 5月 1 2日遭受大 地震后 的 观 测 值 与 震 前 各 点 测 值, 最深测点位移最大相对变化量 ± 0 . 0 2 m m , 其余各点变化幅度在 ± 0 . 3 m m

6 9 2

第七篇 汶川地震与工程抗震
观( 监) 测方法 裂缝观测 震前、 震后观测结果 测值在 - 0 . 0 5 m m左右, 裂缝呈闭合状态, 震前后测值基本无变化, 变化 量在 ± 0 . 0 2 m m , 震前后测值基本无变化 各坝段处 埋 设 的 基 岩 与 砼 接 缝 的 观 测 值 有 一 定 的 波 动 变 化, 变幅在 - 0 . 1~ 0 . 1 m m 之 间, 震 前 与 震 后 测 值 无 明 显 差 异, 相对测值变化在 ± 0 . 0 3 m m以内 坝体上游部位基础. 基础砼分界面渗压计测值普遍在 0 . 1 2~ 0 . 1 5 M P a 以 . 1 M P a 以内, 目前 内, 下游部位基础及基础砼分界面渗压计测值普遍在 0 测值波动仅为 ± 0 . 0 2 M P a , 但整体测值变幅不大。大部分渗压计震后测 值与震前测值相比, 测值略有变化, 测值较震前变幅 0 . 0 l M P a 以内 应变、 应力计的观测, 测值变化主要随着大坝砼的浇筑加高, 应变计受混 凝土自身荷载. 温度影响, 目前大部测值基本在 - 4 0~ 1 0 0以内。震前震 1 0左右 后无明显变化, 变化幅度在 ± 变化规律是测点温度值随监测孔中深度增加而下降, 现阶段最低测值为 2 0 ℃, 从观测结果来看温度变化规律是初期上升到最高后逐步缓慢下 降, 期间受上层砼浇筑及其他施工等因素的影响测值有一定幅度波动, 但基本规律为先升后降 初步评价 无明显异常

接缝观测

正常

渗流监测

正常

砼应力. 应变监测

无明显异常

温度监测

正常

7  工程安全的现状分析评价
7 . 1  工程防洪安全评价 根据目前大坝形象面貌, 河床段大坝 1 0~ 2 1 # 坝段仅完成 E L . 5 6 0~E L . 5 8 0 . 5 m 高程, 高度仅 2 2 , 高出原河床仅几米, 目前处于施工期, 大 ~ 3 9 . 5 m 坝并未挡水, 河水由导流洞下泄, 水库没有蓄水, 不 存在大坝失稳溃坝威胁下游的条件, 即使出现超标 洪水, 也可以翻坝自然泄洪, 不会造成安全威胁, 目 前工程防洪是处于安全状态的。 7 . 2  地震对场地的破坏影响评价 汶川“ 5 ·1 2 ” 8 . 0级地震的类型是“ 主震余震 型” , 其总体特征是衰减趋势, 但其持续时间较长,

而且还会有一些起伏。虽然龙门山地震带距离工程 6 5 k m 场地较近, 由于主震震中距工区直线距离约 1 左右, 工程场地位于该地震带等烈度椭圆衰减的短 轴方向, 地震烈度和地震加速度衰减快, 因此主震及 其余震对工程场地的破坏影响有限。 该工程 所 处 区 域 诱 发 震 级 不 大, 上限预测为 M s 4 . 5级; 坝基没有液化、 震陷的可能, 坝肩岩体级 别较高, 整体稳定性较好。 7 . 3  大坝的震害影响评价 大坝震害是多种多样的。根据震害考察的经 验, 将大坝的震害划分为四个等级, 地震震害等级 S j ( j = 1 , 2 , 3 , 4 ) 的震害描述见表 2 。

表2  大坝震害等级描述 震害等级 S j 完好( S 4 ) 轻微( S 3 ) 震害描述 无明显震害 大坝仅产生几条规模不大的纵横向裂缝或兼有沉陷, 局 部隆起; 防浪墙裂缝; 输水管管身或溢洪结构轻微裂缝 等。凡产生上述一种或一种以上震害者, 均属“ 轻微” 外观 完好 保持完好 运行功能 正常 基本正常 修复难度 直接可用 短时间内即可修复使 用

较重( S 2 )

大坝坝基渗漏量稍有增加; 纵横向裂缝 1 0~ 2 0条以下, 宽度及长度不大, 或兼有沉陷和局部隆起; 护坡块石稍 有松动; 防浪墙裂缝; 输水管启用塔身裂缝稍有倾斜; 溢 局部震损 洪道结构发生裂缝等, 凡产生上述两种或以上震害者, 均属“ 较重” 大坝发生滑坡或滑裂; 坝坡渗水; 坝基渗漏量明显增大; 0~ 2 0条以 冒水喷砂; 库水位下降; 坝体纵横向裂缝在 1 上; 缝宽 5~ 1 0 c m以上且缝长几十至百余米; 输水管及 损坏严重 管周围严重渗水; 启闭塔塔身断裂倾斜, 影响闸门启用 等

需限制 使用条件

1年之内可修复使用

严重( S 1 )

基本丧失

3年之内可修复使用

  根据震后大坝混凝土开裂现状和目前大坝的安 全监测数据分析, 受5 . 1 2地震的影响, 仅在坝体廊 道内有 1 0条裂缝, 长约 2~ 8 9 m 不等, 宽度 0 . 5~

8 m m , 主要部位在廊道拱顶和底板部分, 裂缝有渗水 现象, 结合各个坝段监测沉降、 裂缝和接缝、 应力应 变、 渗透压力都有一定的变化, 就目前震前震后监测 6 9 3

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 资料来看, 大坝各个监测项目观( 监) 测结果无明显 异常变化。 5 . 1 2 ” 大地震考 以上说明该在建大坝经受了“ 验, 震害等级介于基本“ 完好” 与局部“ 轻微” 破坏之 间。 果。加强库区数字强震台网布设, 特别是在坝体结 构上需布设强震仪, 以有效监控坝体响应, 这样不仅 可以为快速判断实情、 排险加固提供减轻灾害的参 考依据, 还可以为水工建筑物的抗震研究提供依据。 2 ) 尽快进行大坝震后裂缝检测工作, 对裂缝 ( 的性状进行深入分析, 提出检测成果, 尽早完成裂缝 处理方案并实施, 具体检测方法见表 3 。

8  建议
( 1 ) 继续加强大坝监测工作, 及时分析, 提出成

表3  检测方法及作用 检测目的 围岩裂隙的贯通性 岩体结构面强度 围岩与衬砌结合状况 围岩岩级状况 混凝土质量 坝体低速带 检测方法 压水试验 岩体剪切实验 地质雷达 钻孔声波 电视、 变模 声波 面波测试 检测参数 吕荣渗透系数 c 反射界面 声波波速 钻孔描述 声波波速 面波波速      作  用 了解裂隙的贯通性, 为水库渗透性评价, 为震后围岩固结灌 浆施工提供参数 了解震后岩体强度变化, 为震后大坝及围岩整体与局部稳 定性分析提供参数 了解围岩与衬砌的胶结状况, 为震后回填灌浆处理提供依 据 为了解震后岩体状况, 为震后有限元抗震稳定分析提供参 数 评价震后混凝土质量及裂隙深度 了解地震对已经施工大坝的影响

  ( 3 ) 建议对工程抗震设防烈度和地震加速度进 一步复核, 以指导工程震后复工建设。 ( 4 ) 根据勘测、 震害调查结果、 裂缝状况、 结构

面状况、 检测结果等资料, 设计单位应分别进行渗透 分析评价, 水库大坝整体与局部稳定性分析评价, 震 害调查表详见表 4 。

表4  震害调查表 调查部位 调查项目 两岸坝肩区 坝基 下游坝脚 坝体与岸坡交接处 灌浆及基础排水廊道 坝顶 上游面 坝体 下游面 廊道 排水系统 观测设备 泄洪设施、 引水发电系统 边坡 水库 进水口、 闸门、 过水、 消能设施 竖井、 管道压力钢管 工程边坡近坝区堆积体边坡 水库包括库区和库边 堆积 绕渗、 管涌、 裂缝, 滑坡、 集中渗流、 渗漏水水质、 管涌、 沉陷、 坝基淘刷 脱离 坝体与岩体接合处错动、 排水量变化, 浑浊度、 水质 坝面及防浪墙裂缝、 错动、 坝体位移、 不均匀位移、 伸缩缝、 止水 伸缩缝开合 裂缝、 膨胀、 松软、 脱落、 裂缝、 露筋 裂缝、 漏水、 伸缩缝开合情况 排水通畅情况、 排水量变化 仪器工作状况 塌方、 滑坡, 渠道边坡稳定, 护坡混凝土裂缝、 沉陷; 冲刷、 变形; 危 及坝基的淘刷 混凝土衬砌剥落、 裂缝、 漏水; 围岩崩塌、 掉块、 淤积; 排水孔堵塞。 漏水及钢衬损坏 裂缝、 鼓胀、 扭变; 坡体开裂、 松动、 错台、 滑移、 塌方、 脱离、 滚石, 涌水、 渗水 水库渗漏、 塌方、 库边冲刷、 断层活动以及冲击引起的水面波动等 现象, 尤应注意近坝库区的这些现象 调查内容

  ( 5 ) 由于我们还不能充分地、 系统地、 全面地认 识地震对水库大坝的破坏作用, 在经历“ 5 . 1 2 ” 汶川 大地震后, 对于水库大坝工程可能出现的“ 正常事 6 9 4

故” 应予以重视; 对于坝体混凝土结构及其他结构 部位出现的裂缝需加强观测; 对于水库大坝地震地 质灾害, 应贯彻及时发现、 及时监测、 及时治理的原

第七篇 汶川地震与工程抗震 则; 在检测方式上, 应优先采用原位测试手段, 首先 考虑物探无损方法; 针对该工程距离龙门山断裂带 较近的特点, 应坚持“ 概念” 设计思想, 不断总结, 开 发抗震加固新技术; 对地震活动的不确定性、 长时间 的强烈震动、 地震波传播方向和方式、 地表破裂的影 响等因素, 均需要在今后水电工程的防震抗震工作 中给予重视和深入研究。 参考文献
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6 9 5

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

汶川地震山体崩塌破坏特征的分析与启示
张 鹏1 李宁2 陈新民1 王旭东1 1 . 南京工业大学土木工程学院, 南京, 2 1 0 0 0 9 ; 2 . 西安理工大学岩土工程研究所, 西安, 7 1 0 0 4 8 摘 要: 本文根据对都江堰、 彭州、 绵竹、 绵阳、 北川、 青川、 平武、 江油等地的重灾区以及公路沿线的大量地震山体地质灾 害点进行的滑坡灾害现场测绘、 灾害信息数字影像采集、 地震滑坡灾害评估的现场调查工作, 对汶川地震灾区山体崩塌破 坏的分布特征、 破坏模式、 与近断层地震动、 地貌特征、 地震力作用的关系进行了系统分类与分析, 研究表明汶川地震崩塌 破坏具有明显的近场地震动的破坏特征, 地貌上的地震波放大效应, 地震崩塌破坏特殊性与地震力作用关系。有必要在 今后研究工作中针对近断层地震动的大脉冲效应、 S H波、 崩塌破坏特征的岩体动力学方面展开系统研究。 关键词: 汶川地震 地震滑坡 近断层地震动 破坏特征

1  引 言
汶川大地震诱发的地质灾害规模之大、 数量之 多、 影响之严重, 均为世界地震灾害史所罕见
[ 1 - 6 ]

2  崩塌破坏的主要类型
从紫坪铺水利枢纽、 漩口镇、 小鱼洞镇、 银厂沟、 白鹿镇、 红白珍、 汉旺镇、 擂鼓镇、 北川县、 陈家坝镇、 平通镇、 南坝镇、 青川县、 平武县等山体地质灾害现 象的总结来看, 汶川地震诱发崩塌破坏形式多样, 主 要有: 崩塌抛落型、 崩塌解构型、 崩塌滚石型、 崩塌碎 屑流、 崩滑型( 崩滑直线型、 崩滑推力型、 崩滑基岩 型) 、 崩塌残积物在降雨后形成泥石流等。这些类 型的划分主要由崩塌破坏体的规模、 破坏高程所决 定崩塌演化后续破坏形式而划分的。 崩塌破坏主要发生在山脊末端或山梁的突出部 位, 表现为岩体结构发生肢解, 并大面积散落, 无明显 滑动面。这一类型的滑坡破坏的基本形态如图1 ( a ) 。 崩塌滚石型滑坡主要发生在高高程的山脊侧面 且地貌起伏不大处, 岩体结构肢解与散落面积较小, 破坏残余物质由高高程向低高程跌落与滚滑。这一 类型的滑坡是灾区最为普遍的滑坡形式, 其典型形 态如图 1 ( b ) 。 崩滑型发生在高高程的山脊末端或山梁突出部 位, 先由高高程山脊末端或山梁突出部位发生崩塌破 坏, 破坏残余物质在一定高程堆积形成堆载, 从而诱发 中低高程边坡发生推力式滑坡。这种滑坡形式往往破 坏的规模很大, 灾害比较严重。其典型形态如 1 ( c ) 。 崩塌抛落型如图 1 ( d ) 所示, 比较典型的就是北 0 0多人被埋死亡, 数百间 川县城西的滑坡, 造成 16 房屋被毁。其地层由寒武纪砂页岩、 片岩构成, 为逆 向坡, 距主中央断裂约 5 0 0 m 。浅层为崩塌堆积体, 在地震动影响下, 发生甩出抛落, 其破坏分区分为高 位抛滑区、 滑覆区、 气浪冲毁区。( 高位抛滑区: 体
3 0 0万 m , 从8 0 0~ 10 0 0 m 高程处高位抛出; 积约 2



0 0k m 、 宽3 0k m 范围内, 地震 从汶川到青川的长 5 导致了绵延数百公里的地表破裂、 大面积山体崩塌、 滑坡、 泥石流以及由于山体失稳破坏而引发的堰塞 湖险情。这些地质灾害不仅造成了城市、 村镇建筑 的损毁, 并且直接造成六千余人死亡, 而且致使几乎 所有的交通、 通信等生命线工程都遭到了不同程度 的破坏, 救灾队伍和救援物资无法运送, 给救灾工作 带来了巨大的困难。 依据现有汶川地震地质灾害研究成果表明, 在 诸多地震诱发的地质灾害中以崩塌破坏的数量是最 多。据文献[ 1 ] 中统计, 相对于震前, 四川 4 2个受 灾县( 市) 的地质灾害中崩塌破坏的灾害增加了 6 1 7 %, 而滑坡仅增加 1 2 3 %, 泥石流由于受气象水 力条件的影响, 也只增加了 1 5 2 %, 远远小于崩塌破 坏的数量。而本次汶川地震中崩塌破坏的数量为何 会急剧增加?崩塌破坏的特点和与地震诱发的关系 均值得进一步地研究。 本文在笔者对都江堰、 彭州、 绵竹、 绵阳、 北川、 青川、 平武、 江油等市( 县) 的极重灾区和重灾区进 行的山地地质灾害调查工作的基础上。着重系统分 析地震诱发崩塌破坏的破坏模式、 破坏成因以及其 与地貌特征的关系, 并结合地震工程学中的近断层 地震动理论, 得出崩塌破坏与近断层地震动的规律 性联系, 最后初步对开展近断层地震动下山体崩塌 破坏的研究提出了一些启示性想法。

6 9 6

第七篇 汶川地震与工程抗震 0 0 m ; 气浪击毁区: 定向雁 滑覆区: 气垫效应飞行约 4 列状击毁碎片区, 破坏前缘前方 1 0 0 m范围。 )

图1  汶川地震重灾区滑坡的主要破坏类型

  崩塌基岩型滑坡和崩滑型类似, 不同是崩塌残 余物质堆积物沿着基岩面固定滑面发生滑坡。一般 发生在坡度较陡, 有一定的坡积覆盖层, 但是坡积覆 盖层较浅的情况。其典型形态如图 1 ( e ) 中。 地震与降雨形成的泥石流主要发生在汇水形成 的水力通道上, 地震作用使得该通道成为滑坡残余 物滑滚主要路径, 在震后降雨时汇水流将夹带残余 物形成泥石流。其典型形态如图 1 ( f ) 。 当然, 在山体实际破坏过程中, 一般不可能仅以 单一的一种破坏或运动形式发展, 往往是以复合或 混合破坏模式发生。有学者就汶川地震触发滑坡与 常见滑坡进行比较, 发现震区滑坡滑床往往不具连 续平整的滑面, 大致有: 勺型滑床、 凸型滑床、 阶型滑 床, 且具有“ 尖点撞击” 的共性。而这一现象也进一 步表明在汶川地震滑坡中, 以滑动为主要特征的破 坏过程中也伴随着以显著的水平向作用特征的崩塌

作用。

3  近断层地震动对崩塌的影响
近场地震动是指当震源距较小时, 震源辐射地 震波中的近场和中场项不能忽略的区域的地震动, 其强烈地依赖于断层的破裂机制。近断层地震动具
7 , 8 ] 有以下明显的基本特征 [ : 集中性; 地表破裂和永

久位移; 方向性效应; 速度大脉冲; 上盘效应。 3 . 1  集中性的影响 2 ] 中灾害点分布与距发震断层距离 根据文献[ 的关系表, 2 0 k m范围内地质灾害分布密度呈增大趋 0 k m范围内呈急剧增大趋势; 根据统计 势, 其中在 1 的1 0 5个大型崩塌滑坡灾害点分布表明, 距离发震 断层小于 5 k m的有 8 0个, 占7 6 %, 距离发震断层小 于1 0 k m的有 9 8个, 占9 3 %。而依据文献[ 2 ] 中根 据地质灾害点与 1 ∶ 5 00 0 0数字高程 D E M 的坡度分 6 9 7

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 0 ° ~ 5 0 ° 时, 对应的灾害点 级统计表明在地形坡度 4 密度最大, 显然在此坡度下主要发生以崩塌为主控 因素的山体破坏。密度最大也表明其更主要分布于 近断层区域。显然, 崩塌破坏的机制主控于近断层 强烈地震动的作用, 其分布形式与强烈程度与近断 层地震动集中性的地震动随断层距的增加快速衰减 特性密切关联。 3 . 2  地表破裂与崩塌破坏的共生性 地表破裂延伸也与崩塌破坏发育程度存在密切 关系, 地表破裂带表征着断层地震动最为剧烈的区 域, 是地震能量释放的主要集中区域, 地表破裂带与 发震的地震断裂带基本重合, 但是地表破裂带比地 震断裂带短很多, 本次汶川地震地表破裂发生在龙 门山构造带中的北川—映秀断裂之映秀南西—平武 南坝石坎子段, 彭县—灌县断裂的都江堰向峨—安 县 桑 枣 段 也 发 生 了 同 震 地 表 破 裂, 前者长度为 2 0 0 k m , 最大同震位错为 6 m 左 右, 后者长度为 1 0 0 k m , 最大同震位错为 2 m 。笔者在实地调查破裂 带沿线的映秀镇、 小鱼洞镇、 擂鼓镇、 北川县城、 陈家 坝镇、 平通镇、 南坝镇、 白鹿镇、 八角镇、 汉旺镇等地, 发现在这些地表破裂出露地表附近都会伴生崩塌滑 坡现象。例如, 图1 ( a ) 的小鱼洞大桥左岸突出山梁 崩塌破坏, 在其一致方向上便出露了地表破裂缝, 与 0 0 m , 地表破裂位错为 1 . 4 m左右。这些反 其距离 2 映地表破裂与崩塌破坏存在着共生发育性。 3 . 3  方向性效应 近断层地震动地表破裂具有方向性
[ 7 ]

“ 撞击崩裂”-“ 高速崩滑” 三个阶段特征。将巨型 岩土体抛投起来, 显然需要巨大震动荷载, 这与近断 层地震动的短持时的长周期脉冲密切相关。 3 . 5  上盘效应 2 ] 也已表明汶川地震上、 下盘效应在地 文献[ 震灾害发育程度上表现是极其显著的。这不仅是近 断层地震动的一个重要特征, 还主要是本次地震是 逆冲断层的缘故。

图2  崩塌滑坡与地震动的方向性

图3  崩塌局部破坏的方式

, 这是由

于垂直于断层面方向的地震动幅值大, 而平行于断 层面方向的地震动幅值相对较小。无论是从文献 [ 2 ] 所展示的宏观地质灾害在空间上分布与密度呈 以震中东北向分布, 且远大于西南向, 还是在局部破 坏形态上, 崩塌破坏崩抛方向与地表破裂垂直, 如图 2所示, 同一坡向的山梁坡脚整齐地发生了崩塌破 坏, 宛如被一刀切掉, 而该组崩塌破坏的破坏面方位 恰好大致 E N方向。而距离 2 0 0~ 3 0 0m 附近山梁 由于坡向偏差, 仅仅发生局部崩塌破坏现象; 及小鱼 洞大桥左岸突出山梁崩塌破坏, 也存在与上一致方 向, 上述这些应该超出了耦合巧合的成分, 应可以说 明地震动的方向性与崩塌破坏存在着某种方向上的 关系。这中间应该还有后续要提到的地貌上的联 系。 3 . 4  速度大脉冲 从目前收集到的大量汶川地震崩塌滑坡的资料 来看, 这些失稳破坏基本上均具有 “ 地震抛投”- 6 9 8
图4  山地地貌特征对地震诱发滑坡的影响

4  地貌特征对崩塌的影响
文献[ 2 ] 将地貌特征分解为高程与地形坡度两 个特征参量进行地质灾害点分布研究, 分布密度最 大的区域分别是高程在 10 0 0~ 20 0 0 m ; 坡度在 4 0 ° ~ 5 0 ° 。通过分析, 显然可以发现这两者是存在一定 联系的, 对应龙门山地区的处于我国第一地形台阶 与第二地 形 台 阶 转 折 地 带 的 地 形 与 地 貌 特 征, 在 10 0 0~ 20 0 0 m高程部位往往是峡谷的地形由缓变 陡的转折部位, 故坡度既不是大于 5 0 ° 近于垂直悬 崖峭壁, 也不是小于 4 0 ° 的缓坡段, 显然这一地形是

第七篇 汶川地震与工程抗震 崩塌破坏的主要地貌特征。当然从实地调查看, 在 单薄的山脊末端或山梁的突出部位以及边坡表面起 。我们 伏强烈的区域均是发生崩塌滑坡, 详见图 4 可以推测很可能上述的地貌特征对于地震波具有明 显的放大效应, 相近的地质条件下, 这些地貌特征下 易于崩塌滑坡的发生。 型( 崩滑直线型、 崩滑推力型、 崩滑基岩型) 、 崩塌残 积物在降雨后形成泥石流等。 2 ) 汶川地震崩塌破坏具有明显的近场地震动 ( 的破坏特征, 近断层地震动的集中性、 地表破裂和永 久位移、 方向性效应、 速度大脉冲、 上盘效应均在崩 塌破坏的分布特征与破坏模式中得到体现, 表明要 解释汶川地震崩塌破坏机制, 必须从诠释近断层地 震动效应入手。 ( 3 ) 崩塌破坏分布与形态表明, 地震波在复杂 地貌条件下其放大效应非常明显, 采用场地加速度 去分析地震条件的边坡稳定性问题会低估其地震动 效应。 ( 4 ) 崩塌破坏形态表明, 崩塌破坏的地震力作 H 剪切 用非常复杂, 应重视大脉冲短持时体波与 S 波, 以及相应波型下岩体动力学性质研究。 ( 5 ) 鉴于遥感影像揭示, 强震区崩塌破坏为主 要山体破坏形式, 其破坏后果对人民生命与财产、 防 灾与抗灾活动影响重大, 有必要深入研究崩塌破坏 的判别标准、 计算方法与防治手段。 参考文献
[ 1 ]  殷跃平. 汶川特大地震地质灾害研究[ C ] . 中国科协 2 0 0 8防灾减灾论坛. 2 0 0 8 . 9郑州 [ 2 ]  黄润秋, 李为乐. “ 5 . 1 2 ” 汶川大地震触发地质灾害的 发育分布规律研究[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 8 , 2 7 ( 1 2 ): 2 5 8 5 2 5 9 2 [ 3 ]  林良俊, 方成, 李小杰, 等. 5 . 1 2汶川地震灾区地质灾 害情况初步分析[ J ] . 水文地质工程地质, 2 0 0 8 , ( 4 ): 1 6 [ 4 ]  何宏林, 孙昭民, 王世元, 等. 汶川 M S8 . 0地震地表破 裂带[ J ] . 地震地质, 2 0 0 8 , 3 0 ( 2 ): 3 5 9 3 6 2 [ 5 ]  崔鹏, 韦方强, 何思明, 等. 5 . 1 2汶川地震诱发的山地 J ] . 山地学报, 2 0 0 8 , 2 6 ( 3 ): 2 8 0 灾害及减灾措施[ 2 8 2 [ 6 ]  周荣军, 黄润秋, 雷建成, 等. 四川汶川 8 . 0级地震地表 破裂与震害特点[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 8 , 2 7 ( 1 1 ): 2 1 7 3 2 1 8 3 [ 7 ]  王海云, 谢礼立. 近断层强地震动的特点[ J ] . 哈尔滨 工业大学学 报, 2 0 0 6 , 3 8 ( 1 2 ): 2 0 7 0- 2 0 7 6 [ 8 ]  刘启方, 袁一凡, 金星, 等. 近断层地震动的基本特征 [ J ] . 地震工程与工程振动, 2 0 0 6 , 2 6 ( 1 ): 1- 1 0

5  崩塌地震力作用的讨论
文献[ 1 ] 中观察到崩塌滑坡附近的震毁建筑物 的垂直震动非常明显, 认为上部山体受到了抛物线 特征的地震力, 并建议在地震滑坡稳定性分析中应 考虑竖直向地震力的作用。地震波最先到达地面的 是体波( 压缩波) , 按照铅直于地表方向传播 到 地 表, 由于山体地表的倾斜性, 压缩波作用确实存在竖 直向与水平向两个分量方向。然而从过对于完全崩 与局部崩塌破坏( 图 3中) 的破坏 塌破坏( 图 2中) 形式进行对比分析, 可以发现崩塌破坏并不像通常 我们认为的, 是一种纯粹“ 拉” 破坏, 若仅仅是抛投 作用那么应该在覆盖层较薄的坡顶部位发生破坏, 但是无论是文献[ 2 ] 中灾害点分布的高程统计, 还 是大量的实地调查的图片展示, 坡顶部位都不是地 质震害最密集频繁的区域。而在( 1 ) 、 地形坡度由 缓变陡 的 过 渡 转 折 部 位; ( 2 ) 、 单 薄 山 梁 脊 部 位; 3 ) 、 孤立山头或多面临空的山体部位等区域由于 ( 剪切波作用或者由体波转化为面波在地貌特征的放 大作用下沿着山脊突出部位发生“ 剪切” 破坏, 其破 坏形式表现为破坏由突出部位的两侧向核心逐步发 展。这样的现象可以解释为: 地震动体波中 P波由 于山体体形巨大, 刚度很大, 所以造成指向坡外的位 移较小; 而 S波则在山脊的突出部位由于“ 鞭梢效 应” 得到了放大。大量崩塌破坏是在主震与余震的 多种地震波多次叠加作用产生的。而这中间剪切波 起到了崩解、 肢解山体的作用。

6  结论与启示
本文根据地震灾区现场调查工作与相关文献分 析的基础上, 对汶川地震灾区山体崩塌的分布特征、 破坏模式、 与近断层地震动、 地貌特征、 地震力作用 的关系 进 行 了 系 统 分 类 与 分 析。得 到 一 些 结 论: 1 ) 汶川地震诱发崩塌破坏形式多样, 主要有: 崩塌 ( 抛落型、 崩塌解构型、 崩塌滚石型、 崩塌碎屑流、 崩滑

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第三届全国岩土与工程学术大会论文集

浅论“ 汶川” 大地震对建筑工程破坏的 因素及防治措施
詹述荣 川煤集团勘设勘建公司, 广元, 6 2 8 0 1 7 摘 要: 本文针对 2 0 0 8年 5月 1 2日汶川大地震的实际情况, 分析论述了汶川大地震对建筑工程破坏的主要因素, 提出一些地震对建筑工程破坏的防治措施, 有利于促进我国建筑业的健康发展。 关键词: 汶川大地震 建筑工程破坏 因素 防治措施

  根据有关资料, 2 0 0 8年 5月 1 2日汶川大地震, 这一次千年不遇的特大地震再一次向人类展示了自 然灾害的强大破坏力。此次地震震级 8级, 震源浅 1 0 k m左右, 烈度高达 1 1度, 断层带以阿坝州汶川县 映秀镇为中心, 向东北方向一直延续至广元市青川 县、 陕西省宁强县一带, 向西南方向一直延续至成都 市都江堰一带, 竟然造成长达 3 0 0多 k m 的地表破 裂, 破裂时间持续约 8 0秒, 地震裂缝、 地震鼓包、 同 震隆起等地面破坏现象随处可见, 最大地面隆起达 到 6米。断层穿过之处山河为之改观, 道路、 桥梁、 房屋等各类建筑物更是损失惨重。初步调查统计, 5 0多万间房屋倒塌, 23 0 0 多万 汶川大地震已造成 6 间房屋损坏, 北川县城、 汶川县映秀镇等部分城镇夷 为平地。针对上述情况, 作者就汶川大地震对建筑 工程破坏的因素进行分析论述, 提出一些地震对建 筑工程破坏的防治措施。若有不妥请同仁批评指 正。

度大于震级, 震级越大, 烈度越高。 1 . 2  第二个因素是建筑工程所在地区的场地与地 基条件 根据有关资料, 这次大地震的震中区造成的地 表位移达几米。如果建筑工程正好位于断层上, 这 样大的位移量, 即使非常坚固的建筑工程也会被破 坏。相反, 如果建筑工程不在断层上, 造成的破坏就 相对轻一些。在某乡镇的同一条街上, 位于断层带 上的建筑工程全部倒塌, 而离断层仅几十米的建筑 工程虽然有破坏, 却没有倒塌。 这次大地震使饱和砂土或粉土发生液化, 形成 软土震陷现象, 表现在某一些建筑工程的基础地基 正好位于饱和砂土或粉土上, 地震致使建筑工程沉 陷, 3~ 4层变成为底层。 汶川大地震发生的区域位于青藏高原向成都平 原过渡地带, 地质构造与自然地理条件十分复杂, 地 震造成的崩塌、 滑坡等次生灾害因而非常严重。崩 塌、 滑坡堵塞了河道, 形成许多极具威胁的堰塞湖, 而局部地区还因为滑坡而掩埋或砸坏大量的房屋, 进一步加剧了灾害损失。 1 . 3  第三个因素是建筑工程结构 从汶川大地震对建筑结构的影响来看, 主要危 害是地震产生的水平剪切运动, 同样的地面运动, 开 间比较大的房间所承担的力就比较大, 也相对比较 容易破裂和倒塌。汶川大地震区域的某些学校与医 院的建筑结构破坏就说明这一点。 1 . 4  第四个因素是建筑工程的施工质量 任何地区的建筑工程是有一定的基本设防烈 度, 在建筑质量没问题的情况下, 如果发生的地震对 某个地区造成的烈度在基本设防烈度内, 建筑工程 应当没有问题, 出现问题一般是施工质量的问题, 质 量不好的建筑工程一般比较容易损毁。但是, 如果

1  汶川大地震对建筑工程破坏的主要 因素
  地震对建筑工程的破坏, 作者认为不能单纯从 地震本身的性质去分析, 除地震强度外, 还取决于场 地及地基条件、 建筑工程结构等一些综合因素。 1 . 1  首要因素当然是建筑工程所在地区的地震震 级及地震烈度 震源浅为 1 0 k m 这次汶川大地震的震级是 8级, 左右, 震中区烈度高达 1 1度, 造成的破坏很严重。 但震中区外围的成都市区仅有 7度, 损失就相对较 小。此外, 一些距震中较远的局部地区, 烈度高于 7 度以上, 甚至达 9~ 1 0度, 造成的破坏也相当严重, 原因与当地的地质条件有关。对于浅源地震, 震级 为 4级及 4级以上, 震中烈度随震级增大而提高, 烈 7 0 0

第七篇 汶川地震与工程抗震 地震造成的烈度高于基本设防烈度, 如汶川大地震 1度, 而该地区设防烈度是 7~ 8度, 震中区烈度达 1 这些地区房屋倒塌就不一定是由于建筑施工质量的 问题造成的。 1 . 5  第五个因素是《 建筑抗震设计规范》 实施时间 1 9 7 4年, 国家颁布《 建筑抗震设计规范》 至今并 四度改版, 在这以前的建筑工程没有考虑设防烈度。 总体来说, 汶川大地震造成建筑工程在执行《 建筑 抗震设计规范》 以前的破坏较严重, 特别是学校、 农 房。 新中国成立后我国制定过四代地震区划图, 图 中划分出每个城市、 乡镇的抗震设防烈度, 成为工程 抗震设防的基础和前提条件。 从我国实际发生的大地震情况来看, 地震区划 图上界定的地震区范围基本符合实际, 但也有相当 多的地震发生在区划图上的低烈度区或其附近, 而 实际地震烈度比区划图中的设防烈度要大很多。 综合考虑我国经济实力和提高结构抗震设防标 准可能增加的费用, 可适当调整地震区划, 减轻建筑 工程破坏。 2 . 4  及时复核和调整工程建设的抗震设防标准 既然地震不能避免、 地震预报又是目前尚未解 决的世界难题, 那我们就应将关注的重点放在如何 提高建筑工程的抗震性能上, 随着我国经济实力的 提高, 依据我国实际发生大地震的情况, 及时复核和 调整工程建设的抗震设防标准, 修订抗震设计规范, 提高建筑工程的抗震性能。 2 . 5  建筑工程的施工质量 勘察、 设计、 施工、 监理等各相关业主必须严格 执行国家现行建筑工程质量有关法律法规条例, 特 别是建筑工程的施工过程中每一道程序要严把质量 关, 推行国家质量体系认证制度, 确保建筑工程质 量, 提高其抗震能力。 2 . 6  研制采用新材料, 创新抗震技术 在我国现行高等教育中, 材料类专业应加强抗 震新材料的研究, 建筑业、 岩土工程行业广泛采用轻 质、 高强建筑新材料, 创新技术, 可减轻地震对建筑 工程的破坏。

2  地震对建筑工程破坏的防治措施
从“ 汶川” 大 地 震 发 生 来 看, 科学研究已经证 明, 地震是伴生着地球的一种自然现象, 只要地球存 在一日, 地震就存在一天, 时刻威胁着人类。地震灾 害虽然有它的不可知性, 却有其一定的规律性。我 们只要科学把握地震灾害发生的本质和规律, 从地 震灾害中总结经验和教训, 采取有效的防治措施, 就 有可能更多地减轻建筑工程破坏。  2 . 1  建筑工程结构设计应坚固耐震 据中国建筑科学研究院工程抗震研究所原所长 王亚勇介绍, 在我国, 工程技术人员吸取历次大地震 的经验教训, 在工程建设中, 提出了适合国情的各类 建筑工程结构抗震技术。 从1 9 6 6年邢台地震以后提出的“ 基础深一点、 墙壁厚一点、 屋顶轻一点” 的概念, 到1 9 7 6年唐山地 震以后创造的砖房加“ 构造柱圈梁” 技术, 直到今天 的“ 小震不坏, 中震可修, 大震不倒” 的“ 三水准” 抗 震设防理论, 工程抗震设计的规范标准不断得到改 进和完善。  2 . 2  新建房屋的选址一定要避开这些可能发生 地震的断层或地震可能产生次生地质灾害的地方 在目前世界科技水平下, 人类还很难避免地震 灾害的发生。在地震断层带上建房屋, 即使非常坚 固, 也很难避免损毁。新建房屋的选址若不避开地 震可能产生次生地质灾害的地方, 地震时建筑工程 也将受到损毁。据悉, 2 0 0 8年出台的《 汶川地震灾 后恢复重建条例》 对此已经有了明确规定: 重新选 址时, 应当避开地震活动断层或者生态脆弱和可能 发生洪灾、 山体滑坡、 崩塌、 泥石流、 地面塌陷等灾害 的区域以及传染病自然疫源地。 2 . 3  适当调整地震区划

3  结束语
2 0 0 8年 5月 1 2日汶川大地震对建筑工程的破 坏, 作者认为不能单纯从地震本身的性质去分析, 除 地震强度外, 还取决于场地条件、 建筑工程结构等一 些综合因素; 提出一些地震对建筑工程破坏的防治 措施, 目的是更好地贯彻落实我国防震减灾法, 促进 建筑业的健康发展。 参考文献
[ 1 ]  建筑抗震设计规范. ( G B 5 0 0 1 1- 2 0 0 1 ) 2 0 0 8年版 [ 2 ]  注册岩土工程师专业考试复习教程. ( 第三版) 北京: 中国建筑工业出版社

7 0 1

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

向家坝水电站进水口岩质高边坡随 5 ·1 2汶川大地震响应的监测分析
, 2 唐军峰1  唐雪梅1 徐国元3

1 . 中南大学资源与安全工程学院, 长沙, 4 1 0 0 8 3 ; 2 . 中南勘测设计研究院, 长沙, 4 1 0 0 1 4 ; 3 . 华南理工大学土木与交通学院, 广州, 5 1 0 6 4 1 摘 要: 5 ·1 2汶川大地震对向家坝水电工程进水口岩质高边坡造成了一定程度的影响。结合工程地质条件, 分析 了地震前后的多项现场监测数据, 从位移和应力角度研究了岩质高边坡在地震中的响应。结果表明, 地震作用导 致边坡岩体产生少量的位移; 锚杆和锚索应力在地震中有突变, 震后基本恢复到震前水平; 边坡本身的爆破作业也 会产生同样的效果; 随着高度的增加, 岩体受地震作用力具有放大效应。 关键词: 汶川地震 岩质高边坡 响应 监测

1  工程概况
在建的向家坝水利枢纽工程, 位于中国西南部 金沙江最下游河段, 枢纽区建( 构) 筑物主要由混凝 土重力坝、 左岸坝后引水发电系统、 右岸地下引水发 电系统、 通航建筑物及灌溉取水口等组成。电站装 机容量 64 0 0 M W, 是西电东送骨干电源点之一。 0 0 m , 开挖 进水口高边坡位于右岸, 坡顶高程 6 坡底高程 3 1 4 m , 开挖高度 2 0 0 m左右。进水口所处 0 5 ° , 自然坡度约 3 0 ° , 设计 山坡的自然坡走向约为 1 开挖坡度, 高程 3 6 0 m 以下垂直开挖洞脸, 高程 3 6 0 ~ 4 2 0 m之间, 每2 0 m 设一级 3 m 宽马道, 开挖坡比 为1 ∶ 0 . 3 , 高程 4 2 0 m 以上, 每1 5 m 设一级 3 m 宽马 ∶ 0 . 7 5 ( 图1 ) 。 道, 开挖坡比 1 2 0 0 8年 5月 1 2日, 汶川发生特大地震, 由于地 震震源距地表浅( 1 0~ 2 0 k m ) , 震级达里氏 8 . 0级, 烈度大( 最大 1 1度) , 波及中国 2 0多个省市, 甚至 周边国家都有震感。伴随地震发生了 1 . 5万个左右 的滑坡、 崩塌和泥石流, 到1 2月 1 1日止, 4级以上 余震发生了 2 8 5次, 最大的为 6 . 4级
[ 1 , 2 ]

图1  边坡开挖及仪器埋设剖面图

2  边坡区工程地质情况
2 - 6 3 工程 边 坡 主 要 由 T 和 T 3 3 等 地 层 构 成。 2 - 6 T 岩性以巨厚层细至中细粒砂岩为主夹少量泥 3

, 多个已建

和在建水电工程可能受地震影响, 造成了不同程度 的震损。向家坝水电工程与汶川地震震源直线距离 3 0 0多 k m , 5月 1 2日 1 4 : 2 9 : 5 1 , 坝址生活区监测得 到的最大地震振动速度 1 2 . 7 m m/ s 。为研究汶川地 震对进水口岩质高边坡的影响程度, 本文从工程区 地质条件出发, 结合现场的监测资料, 研究了高边坡 在地震作用下的响应, 以期找出一些规律性的东西, 为工程服务。

岩、 粉砂质泥岩, 岩层总厚度达 1 6 0~ 1 9 0 m , 岩石完 Q D为 8 2 . 7 %, 纵波速度为 43 0 0~ 整性好, 平均 R 50 0 0 m/ s , 大部分为 Ⅰ、 Ⅱ 类围岩。该层含多个夹
3 T 8~ 层, 破碎夹泥, 遇水软化, 失水崩解; 3 岩组厚 8

, 岩性为薄至中厚层状的中细砂岩、 细砂岩、 粉 1 1 0 m 砂岩 夹 泥 质 粉 砂 岩、 粉 砂 质 泥 岩 和 泥 岩, 含煤线 ( 层) 。其 中 有 7层 成 层 较 好 的 煤, 单 层 厚 度 5~ 2 0 c m , 煤层有民间采挖历史, 开采后留下多个煤洞。
3 3 基于 T T 3 岩层的特点, 3 岩层对于进水口和尾水出

7 0 2

第七篇 汶川地震与工程抗震 口的边坡稳定有很重要的影响。 工程区无大的断层, 结构面主要为层面、 软弱夹 层和节理裂隙, 层面倾向山里偏下游, 产状一般为 6 0 ° ~ 8 0 ° / S E 5 ° ~ 2 0 ° , 走向与开挖边坡走向的夹 ∠1 角约为 0 ° ~ 2 0 ° , 属反倾向边坡。夹层产状与层面 同。边坡发育陡倾角卸荷裂隙, 优势节理有两组, 产 状分 别 为 3 3 0 ° / 0 °~6 0 ° 和2 0 °~4 0 ° / 0 °~ ∠5 ∠6 , 长度一般 6~ 1 5 m , 节理间距 8~ 1 0 m 。 7 0 °

3  监测仪器布置情况
为了解边坡在施工过程中的岩体变形和应力变 化情况, 对边坡布置了一系列监测和观测设备和观 测点, 主要监测项目包括钢筋桩应力应变监测、 锚杆 ( 锚索) 应力监测、 岩体内部的变形监测和边坡坡面 的变形观测等。具体的监测仪器布置见图 1和图 2 所示。

图2  边坡监测结果平面图

4  岩质高边坡在地震下的响应
总体上, 进水口边坡经历了 5 . 1 2汶川大地震的 作用以及以后的余震, 宏观上没有表现出坡面开裂 等岩体破坏现象, 但坡体内岩体的应力和位移在地 震前后表现出一定的差异, 以下分别从这两个方面 分别进行分析。 4 . 1  位移分析 位移包括坡面观测位移、 岩体内多点位移计和 测斜管监测得到的位移。 1 ) 坡面位移 ( 图2 ) , 其中 4 6 5 m马道上 坡面布置观测点 9个( 三个( J 2 2 、 J 4 2 A和 J 5 2 ) , 震前( 5月 1 1日) 变形速率 为0 . 0 8~ 0 . 1 2 m m/ D , 震后( 5月 1 5日) 变形速率为 0 . 2 2~ 0 . 3 0 m m/ D ; 4 3 5 m马道上布置测点三个( J 2 3 、 J 4 3和 J 5 3 ) , 震前变形速率 0 . 0 4~ 0 . 0 9 m m/ D , 震后

速率变为 0 . 2 3~ 0 . 2 5 m m/ D ; 另外三个的震前震后 变形 速 率 分 别 为 0 . 0 6~0 . 1 1 m m/ D和 0 . 0 7~ 0 . 2 6 m m/ D 。由此可见, 边坡的震后变形速率普遍 大于震前。 ( 2 ) 多点位移计位移

图3  M c 3- 1多点位移计曲线图

7 0 3

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 边坡不同高程的多个多点位移计监测曲线表现 出类似的变化趋势。 3 ) 测斜管位移 ( 与多点位移计不同, 测斜管一般垂直埋设, 主要 用于监测竖直向钻孔内不同深度多个测点在水平方 向上的位移变化情况, 从而可以比较全面地了解距 边坡面一定水平深度岩体在施工和运行中的变形。 进水口边 坡 测 斜 管 的 布 置 情 况 见 图 1 ( 以 I N c表 示) 。以 4 6 5 m高程马道的 I N c - 4和 4 3 5 m的 I N c -
图4  M c 3- 2多点位移计曲线图

测得地震前后两个测斜管各点位移随深度 5为例, 的变形情况见图 5和 6 ( 图中, X 代表河流流向方 向, Y代表河床方向) 。
3 其中, I N c - 4孔深近 4 0 m , 主要位于 T 3 岩层, 2 - 6 3 地层。由前面分析可知, T 最底部嵌入 T 3 3 层岩

工程边坡在 3 8 4 m及其以上的各级马道均埋有 多点位移计。多点位移计从坡面钻孔水平埋设, 钻 孔深度达 4 0 m , 以最深处( 这里为 4 0 m ) 的点为基准 m( 孔口) , 4 m , 1 2 m和 2 4 m 点, 分别测量距离孔口 0 处各点相对该点位移变化( 图1 ) 。 总体上, 地震作用对边坡多点位移计的作用甚 微。图 3和图 4分别给出了两个多点位移计 M c 3- c 3- 2距孔口不同水平深度的位移时程曲线。 1和 M 由图, 地震( 2 0 0 8年 5月 1 2日) 前后, 距坡面不同深 度的各点岩体位移稍有变化, 但量值不大, 最大值出 现在 M c 3- 1的 0 m测点, 即坡面孔口, 其值从 5月 6 日的 1 . 2 2 m m增至 5 月1 3 日的 1 . 6 8 m m , 随后的监测 资料显示该位移曲线基本恢复至震前水平。后续的 变形基本上由边坡的下卧爆破施工引起( 图3 , 图4 ) 。

性偏软, 含有薄煤层和煤洞, 夹有软弱岩层。根据现 m为一层面, 而在 1 3 m和 场地质资料, 在孔口以下 6 3 0 m深度左右为软弱夹层。监测资料( 图5 ) 显示, 软弱夹层是产生边坡岩体变形的主要部位: 5月 1 9 日的观测结果表明, 5 . 1 2汶川地震致使 1 3 m深度的 0 m m ) , 而更深 软弱夹层产生较大的水平位移( 约1 处( 距孔口约 3 0 m ) 夹层基本不受这次地震的影响。 5月 2 5日的观测结果显示水平位移基本无变化, 曲 线与 5月 1 9日的曲线重合。

图5  测斜孔 I N c - 4位移观测曲线

  I N c - 5也表现出类似的变化趋势, 但由于该测 斜管位于较好的厚至巨厚层 T 7 0 4
2 - 6 3

的变形不明显, 相对于 I N c - 4 , I N c - 5的位移量要 小得多。由图 5 , 5月 1 5日的测值基本与震前重合, 而 6月初, 由于近坡脚高程 3 3 0~ 3 4 5 m高程的梯段

砂岩层中, 岩体质

量较好, 不连续面以层面为主, 因此在强地震作用下

第七篇 汶川地震与工程抗震 爆破施工, 导致整个测斜管深度的岩体产生了水平 Y向约 1 m m的整体变形( 图6 ) 。

图6  测斜孔 I N c - 5位移观测曲线

4 . 2  应力分析 进水口边坡布置有多项应力监测仪器, 包括锚 杆应力计、 钢筋桩钢筋计和锚索测力计。 1 ) 锚杆应力 ( 锚杆布置垂直开挖设计坡面( 以A s 表示) , 主 8 4高程以上边坡 要以加固边坡表面岩体为目的。3 锚杆采用 Ф 2 8 , 长4 . 5 m/ 9 m 间隔布置, 间排距 2 m , 3 8 4 m高程以下边坡锚杆采用 Ф 3 2 , 长6 m/ 9 m 相间 布置, 间排距 2 m 。 监测资料显示, 锚杆应力多为正值, 表现为拉应 力。由监测平面布置图( 图2 ) , 三个监测断面( C 2 - C 2~ C 4- C 4 ) 上, 5月 1 3日的监测结果显示, 地 震前后锚杆应力变化量较大的部位位于高程 4 0 4 m
2 - 6 - 4 3 马道 以 上 的 T 和 T 变化量在 1 0~ 3 3 地 层,

由此可见, 随着边坡高度的增大, 锚杆应力变化 量也不断增加, 锚杆应力随地震作用的变化主要与 所处的边坡高度有关, 而与岩性好坏没有太大的关 系。5月 1 7日及其以后的监测结果显示, 所有的锚 杆应力基本恢复到震前水平。 2 ) 钢筋桩钢筋应力 ( 与锚杆相似, 钢筋桩也是起到一种加固边坡岩 体的作用。向家坝水电站进水口边坡钢筋桩由三根 3 2的钢筋与一根灌浆钢管绑扎而成, 外部套一根 Ф 1 1 0钢管, 施工时灌浆形成桩, 具有较强的刚度和 Ф
3 、 4 ] 韧性, 在水电和公路工程边坡中普遍使用 [ 。由 3 于进水口边坡的 T 3 地层由中细砂岩和一些较软岩

组成, 对边坡稳定不利, 加固设计时在高程 4 3 5 m及 其以上马道均有布置( 以R c 表示) 。进水口边坡钢 0 m , 间距 3 m , 垂直布置于马道表面。 筋桩长度 2 监测资料显示, 地震后( 2 0 0 8年 5月 1 3日) , 钢 筋桩应力计普遍表现为增大趋势, 变化较大的为高 程4 6 5 m马道的 R c - 5 、 R c - 6和 R c - 1 1 , 变化量分 0 . 0 6 M P a , 7 9 . 5 8 M P a 和9 6 . 2 4 M p a , 另有 5支 别为 7 钢筋计测值变化在 1 0 M p a 到2 0 M p a 之间, 均位于边 坡的中上 部, 其余部位钢筋桩应力变化量均小于 1 0 M P a ( 图2 ) , 可见, 地震作用导致边坡中上部钢筋 桩钢筋应力发生较大变化, 而边坡下部的钢筋桩受 7日观测结果显示, 基本上所有钢 影响程度较小。1 筋计测值均恢复到地震前的水平。图 8为钢筋桩

3 0 M P a 之间, 而高程 4 0 4 m 马道以下的锚杆变化量
2 - 6 - 4 均小于 1 0 M P a 。另外, 对比分析还发现, T 岩层 3 3 中的锚杆应力变化量大于 T 图2 ) 。 3 岩层(

图7  典型的锚杆应力时程曲线

R c - 5和 R c - 6的应力时程曲线。 7 0 5

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 1 2 m左右的软弱层发生水平错动 ( 1 0 m m ) , 而距孔 口较深( 3 0 m ) 的软弱层基本不受影响( 图5 ) 。岩性
2 - 6 相对较好的 T 层岩体稳定主要受层面控制, 从监 3

测结果来看, 基本不受地震作用的影响。4月 2 1和 5月 1 5的水平位移值基本无变化, 而该测斜管( 编 号I N c - 5 ) 在 6月 1 0日的监测值发生了约 1 m m的 水平位移, 分析认为主要是由于后续的边坡爆破施 工作用引起( 图6 ) ;
图8  钢筋桩钢筋计变化时程曲线

( 3 ) 锚索应力 锚索布置于马道附近, 部分与进水口排水洞对 穿。采用粘结型预应力锚索, 设计荷载 1 5 0 0 k N , 以
p D 图1 、 2 ) 。 c 表示(

( 2 ) 坡面的锚杆应力、 钢筋桩钢筋计和锚索应 5 . 1 2前后, 边坡越高, 岩性越差, 力监测结果表明, 地震前后的应力变化量也越大, 随着高度的增加, 岩 体受地震作用力具有放大效应。5月 1 7日及其以 后的应力值基本恢复到震前水平( 图 7~ 9 ) , 同时, 后续的边坡下部大药量爆破开挖也易造成类似的应 ) 。 力变化( 图9

5 . 1 2地 震 后, 锚 索 均 表 现 为 拉 应 力 增 大。其
P P 4和 D 7 , 增加荷 中, 增量最大的两根锚索为 D C- C-

载量为 3 3 . 2 k N和 4 3 . 3 k N , 均处于边坡最高的 4 8 1 m 高程马道。这也是两只仪器自 2 0 0 7年 5月 2 1日锁 定以来荷载首次出现这么大的变化。边坡其余部位
P 锚索的变化量均小于 1 0 k N 。图 9给出了 D 4和 C- P D 7的锚索应力时程曲线, 由图, 两个锚索的变化 C-

趋势基本同步, 具有较好的一致性。另由图, 震后 7 月1 9的 较 大 应 力 突 变 为 边 坡 下 部 高 程 3 3 0 m~ 3 4 5 m的大药量梯段爆破开挖引起( 图9 ) 。
P P 图9  D 4和 D 7锚索应力变化时程曲线 C- C-

5  结论
水电站进水口边坡距离 5 . 1 2汶川地震震源较 远, 宏观上没有出现边坡破坏现象, 但坡体内的岩体 受地震作用的影响表现出一定的异常, 可以从多项 位移与应力监测资料得到反映: ( 1 ) 5 . 1 2大地震及余震导致坡面位移变形速率 明显大于震前速率; 多点位移计各点的位移在 5 . 1 2 大地震中有突变, 震后逐步恢复到震前水平; 在岩性
3 相对较软、 边坡位置较高的 T 软弱夹层是造 3 地层,

参考文献
[ 1 ]  h t t p : / / w w w . s c i o . g o v . c n / x w f b h / x w b f b h / w q f b h / 2 0 0 8 / 0 9 0 4 / 2 0 0 8 0 9 / t 2 1 5 2 4 5 . h t m [ 2 ]  h t t p : / / w w w .c s n d m c .a c .c n / n e w w e b / w e n c h u a n / w e n ? c h u a n _ a f t e r s h o c k s . h t m [ 3 ]  于景波. 钢筋桩与锚索在溢洪道岩锚墙稳定处理中的 应用[ J ] . 贵州水力发电, 2 0 0 3 , 1 7 ( 5 ) : 5 1- 5 4 [ 4 ]  姚华明. 龙滩水电站钢筋桩施工技术 [ J ] . 中国水运 ( 学术版) , 2 0 0 6 , 6 ( 0 9 ) : 9 7- 9 8

成边坡在地震中发生较大位移的薄弱环节, 测斜管 位移监测结果显示, 5月 1 2日的地震造成距孔口

7 0 6

第七篇 汶川地震与工程抗震

地震作用下边坡安全系数时程计算方法
, 2 , 2 康永君1   杨   军1

1 . 清华大学土木工程系, 北京, 1 0 0 0 8 4 ; 2 . 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室, 北京, 1 0 0 0 8 4 摘 要: 本文提出一种计算地震作用下边坡动力安全系数时程的方法, 该方法以动力有限元时程分析得到应力场, 再使用遗传算法搜索每个时刻下的临界滑裂面, 进而确定其安全系数, 从而得到边坡在动力作用下的安全系数时 程, 其物理意义明确。通过算例验证了方法的可靠性, 并且与拟静力计算结果进行了比对分析。算例表明, 本文方 法求得的安全系数可信, 临界滑裂面可用于判断滑裂区域, 拟静力计算得到的安全系数偏于保守。 关键词: 边坡稳定 动力 安全系数 时程 遗传算法

1  概述
地震很可能触发天然边坡或人工边坡失稳, 而边 坡失稳造成的巨大人员伤亡和财产损失甚至超过地
1 ] 震本身[ 。目前边坡的动力稳定计算主要有拟静力

刻下的临界滑裂面, 确定其安全系数, 从而得到边坡 在动力作用下的安全系数时程。算例表明, 该方法 结果可靠, 意义明确。

2  有限元计算
有限元动力计算已在边坡动力稳定中广泛应 用, 边坡的动力计算特别是地震计算, 主要需考虑边 界问题, 如果边界截取的范围过大会导致结构计算 模型太大, 浪费计算时间, 甚至无法完成计算, 而直 接截取的范围太小又会使散射波在人工边界上产生 反射而导致计算结果存在较大误差甚至错误。目前 最常用的解决方法是在截取的足够大的有限域上设
5 ] 置人工边界, 本文中使用刘晶波 [ 推导的一致黏弹

算法和有限元时程分析两种方法, 其中拟静力算法将 整个地震作用简化成拟静力加速度一个参数, 地震反 应的时程特性没有得到反映。有限元计算虽然结果 更丰富, 能够体现地震的时程作用, 但缺乏一个良好 的安全指标, 目前主要以坡顶位移作为安全判据, 但 由于没有一个统一的标准对坡顶位移限值作出规定, 所以其结果的指导意义不大。因此, 有必要研究地震 作用下边坡安全系数时程的计算方法。
2 ] 薄景山 [ 使用有限元分析得到动力作用下的

性人工边界, 该边界具有简便、 精度良好以及参数稳 定的特点, 且便于大型通用有限元软件使用。本文 动力时程分析采用 A b a q u s 软件。

应力场, 再分别对每一时刻下确定的折线滑裂面和 圆弧滑裂面上的抗滑力和下滑力进行积分, 得到了 安全系 数 时 程 曲 线。刘 汉 龙
[ 3 ]

在 此 基 础 上, 使用

0 . 6 1 8 法对每个时刻的圆弧滑裂面进行搜索, 得到最 小安全系数, 进而得到临界滑裂面下的安全系数时 程曲线, 并提出以最小平均安全系数作为动力安全 评价。陈玲玲
[ 4 ]

3  遗传算法搜索安全系数计算
3 . 1  临界滑裂面搜索 边坡安全系数随滑裂面的变化而变化, 同样工 况下的, 安全系数最小的滑裂面就是临界滑裂面。 临界滑裂面的搜索分为确定性方法和不确定性方 法。确定性方法包括枚举法、 单纯形法、 负梯度法
6 ] 等[ 。但地震作用下边坡应力分布较为复杂, 使用

提出以最大剪应力面上抗滑力和

下滑力的比值作为抗剪断强度比值, 将抗剪断强度 比值较小的单元连成可能滑裂面, 进而将可能滑裂 面上各单元的抗剪断强度比值加权平均得到抗剪断 强度储备比值, 并计算其相应时程曲线。这些方法 使用有限元动力计算, 进而获取安全系数时程曲线, 为边坡的动力安全给出了一个物理意义的评价。 在地震作用下, 边坡的应力行为复杂, 简单的圆 弧滑裂面往往难以描述所有时刻的临界滑裂状况, 而对于动力作用下滑裂面形状研究的缺乏, 使得我 们无法通过经验设定可能的滑裂面。本文提出使用 多段折线描述滑裂面, 并通过遗传算法搜索每个时

确定性方法通常会出现许多安全系数的局部极值, 因此, 动力滑裂面的搜索必须具有很好的整体性。
7 ] [ 8 ] [ 9 ] 均提出了不同的随机算法进行整体 文献 [ 1 0 ] 搜索, 但尚不成熟, 并未推广。肖专文 [ 等首先采

用遗传算法, 对圆弧滑裂面进行边坡稳定优化计算。
1 1 ] 丰土根 [ 基于圆滑滑裂面, 分别考虑静力计算和拟

静力计算, 通过遗传算法与 0 . 6 1 8优选法计算结果 的比较, 说 明 了 遗 传 算 法 的 全 局 优 化 特 性。弥 宏 7 0 7

第三届全国岩土与工程学术大会论文集
1 2 ] 使用上限解斜条分法的非圆弧滑裂面, 利用遗 亮[

2 ) 以i 点深度 x - 1 点深度的上界 u p 。 ( i作为 i ( 3 ) 按照以下公式随机给出 i -1点的深度: x p-r a n d o m -( u p-l o w ) i - 1 =u ( i -1 )-i l =x i -r a n d o m ·[ x x ]( 1 ) i- i i -i l

传算法和单纯形法联合求解, 取得了很好的效果。 3 . 2  遗传算法介绍 遗传算法最早由美国 J o h nH . H o l l a n d 教授首先 提出, 用于模拟生物的进化过程, 通过优胜劣汰、 杂 交、 突变等技术, 实现了自适应的搜索功能。 在临界滑裂面搜索中, 以滑裂面对应的安全系 数为目标函数, 以滑裂面形状控制参数为基因, 通过 遗传算法的搜索, 找到目标函数最小的基因, 即安全 系数最小的临界滑裂面。 本文采用十进制编码的遗传算法对最小安全系 : 数的滑裂面进行搜索, 其流程如图 1
  随机生成符合要求的滑裂面   ↓   读入有限元计算的该时刻的应力场   ↓   计算每个滑裂面的安全系数   ←? ? ? ↓ ?   选择一定数量滑裂面组成新的群体   ? ? ↓ ?   按照概率对某些滑裂面进行杂交   ? ? ↓ ?   按照概率对某些滑裂面进行突变   ?
? ? ? ? ?

图3  任意滑裂面的生成方法

达到左边界 i 再按同样方法, 向右依次生成 l后, 滑裂面右半部分。这样生成的任意滑裂面, 即避免 了圆弧滑裂面的局限性, 又满足了外凸的要求。 3 . 4  安全系数计算 边坡安全系数的定义有很多, 考虑有限元的输 出结果和物理意义, 定义安全系数为抗滑力与滑动
1 3 ] : 力的比值 [

f s=

) ·l t g φ ∑ ( c+σ i i ·l ∑τ i i

图1  遗传算法搜索滑裂面流程图

式中 σ l τ i, i, i均对应于滑裂面的每一段 S i, l 其中, σ τ i为 S i段的几何长度, i, i为 S i段滑裂面 方向上的正应力和剪应力( 图4 ) : σ= s i n2 σ α 1 2 τ= 1( )s i n2 c o s 2 α-σ α 1 2 1 1 -σ 2 2 2 σ 1( 1( ) + )c o s 2 α+ 1 1 +σ 2 2 1 1 -σ 2 2 2 σ 2 σ ( 2 ) ( 3 )

3 . 3  任意滑裂面生成 圆弧滑裂面用圆心和半径两个参数来表示, 定 义简单, 搜索容易, 但是适应面窄, 难以满足复杂土 层和动力作用下的各种情况。 本文采用任意滑裂面, 其形状由若干控制点来 表示, 每个控制点的坐标用该点距离边坡表面的深 度x 所有的控制点的深度组成深度向量 i 表 示,
{x }


。真实的滑裂面还需满足外凸的要求, 计算中

通过随机生成的 4个控制参数来控制: 左边界 i 右 l、 最深处 i 最深处深度 x 图2 ) 。 边界 i r、 m a x、 m a x(

图4  滑裂面上的应力

图5 ) : σ i j的大小按所在有限元的网格取值(
图2  任意滑裂面形状参数和控制参数

根据这四个随机生成的参数, 从滑裂面最深点 i m a x 按照以下步骤依次向左生成滑裂面左半 部 分 ( 图3 ) : ( 1 ) 连接 i 点和 i 点, 并以此作为 i - 1 点深度的 l o w。 下界 l 7 0 8
图5  滑裂面上的应力取值方法

第七篇 汶川地震与工程抗震
( a ( b ) l a + b σ σ i j [ i j ·l S ( P 到 P ) : = σ i - 1 i - 1 i i j l a + l b ( c ) S P : σ σ i( i到 P i + 1) i j= i j

这是由于有限元网格划分不够精细, 而遗传算法的 搜索只是一种逼近搜索, 在靠近临界滑裂面附近, 各 个形状相近的滑裂面的安全系数相差并不大, 所以, 遗传算法搜索得到的滑裂面的安全系数很准确, 而 滑裂面形状却不能完全吻合。

4  算法验证
为了验证本文安全系数的计算方法以及遗传算 法的搜索能力, 利用岩土有限元软件 P l a x i s 进行比 对验证。P l a x i s 采用强度折减法计算静力和拟静力 下的安全系数。

图6  算例边坡形状

边坡形状如图 6 , 参数见下表, 分别建立静力和 拟静力两种工况。其中拟静力加速度沿水平方向:
密度 16 0 0k g / m


黏聚力 1 0k N/ m


摩擦角 2 0 °

拟静力加速度 0 . 2 g 图7  静力荷载下滑裂面

  对两种工况分别使用以下三种方法计算: a . 使用 P l a x i s 的强度折减法计算安全系数; b . 使用 A b a q u s 有限元计算应力场, 沿P l a x i s 计 算的滑裂面对抗滑力和下滑力积分, 计算安全系数; c . 使用 A b a q u s 有限元计算应力场, 沿遗传算法搜 索的滑裂面对抗滑力和下滑力积分, 计算安全系数。 得到安全系数如下:
安全系数 计算方法 拟静力工况 a b c 2 . 9 5 2 2 . 9 7 8 5 2 . 9 7 8 9 静力工况 1 . 5 6 4 1 . 5 8 4 4 1 . 5 9 9 1 图8  拟静力荷载下滑裂面

5  边坡动力安全系数算例
考虑边坡承受地震荷载, 计算地震作用下的安 全系数时程。边坡形状同静力算例, 单元尺寸 0 . 5 m ( 图9 ) , 两侧边界添加黏弹性边界, 基地输入 E l - c e n t r o 地震波加速度 ( 图1 0 ) , 计算时间 4 0 s , 使用 A b a q u s 软件进行动力计算并计算安全系数, 另使用 P l a x i s 软件进行动力计算和静力、 拟静力安全系数 求解, 作为参照。

  比较三种方法计算的安全系数, 以P l a x i s 的强 度折 减 法 计 算 的 结 果 为 基 准, 按 P l a x i s 滑裂面用 A b a q u s 应力场计算的安全系数精度很好, 静力工况 下和拟静力工况下误差分别为 0 . 9 %和1 . 3 %, 可 b a q u s 有限元计算的应力场以及本文使用 见使用 A 的安全系数定义来计算安全系数的方法是准确的。 而根据遗传算法搜索的滑裂面计算的安全系数相差 也不大, 静力工况下和拟静力工况下误差分别为 0 . 9 1 %和2 . 2 %, 说明遗传算法对滑裂面的搜索是 成功的。 对比 P l a x i s 计算的滑裂面( 图7 、 图8 ) , 遗传算 法搜索的滑裂面与 P l a x i s 计算结果并不完全吻合,

图9  有限元网格划分

7 0 9

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 b a q u s 计算的边坡顶 点 位 移 时 程 曲 线, 与 取A P l a x i s 计算结果比对( 图1 1 ) , 整个地震时程中两者 均能 很 好 吻 合, 其中 A b a q u s计 算 最 终 位 移 为 2 . 8 0 m , P l a x i s计 算 最 终 位 移 为 2 . 8 3 m , 相对误差 1 . 1 0 %, 表现出了良好的计算精度。从位移的累积 过程可以看出, 坡顶位移随地震加速度的波动而波 动。 按0 . 5 s 的时间间隔, 根据 A b a q u s 计算的应力 场, 搜索每个时刻的临界滑裂面, 计算每个时刻的安 全系数, 得到动力安全系数时程( 图1 2 ) , 作为比较, 同时给出 P l a x i s 计算的静力安全系数和拟静力安全 系数, 其中拟静力加速度取地震加速度峰值。 1 . 1 4 6 7 , 在6 s 出现, 而按地震加速度峰值计算的拟 静力安全系数为 0 . 9 9 4 , 小于动力安全系数的最小 值, 但相差不大, 这是拟静力计算方法不考虑地震加 速度变化的结果。 图1 3给出了在动力时程中遗传算法搜索出的 典型的非圆弧滑裂面形状, 在t = 1 0 s 时, 地震惯性 力沿边坡逆坡方向, f . 1 3 3 1, 安全系数较大, 相 s =5 应的滑裂面靠近坡顶。在 t = 2 6 s 时, 地震惯性力沿 f . 1 6 7, 安全系数较小, 相应的 边坡顺坡方向, s =1 滑裂面靠近坡脚。各滑裂面形状虽然并不完全准 确, 但反映了地震中的可能的滑动区域。

图1 0  E l - c e n t r o 地震加速度记录

图1 3  动力分析中典型的滑裂面形状

6  结论
本文通过有限元动力计算, 得到边坡在动力时 程下的应力场, 再使用遗传算法搜索临界滑裂面, 计 算每个时刻的安全系数, 从而得到安全系数的时程。 该方法对安全系数的计算是比较准确的, 但由于网 格划分精度和安全系数相对于临界滑裂面变化的不 敏感, 搜索的滑裂面形状并不完美。然而, 其对滑裂
图1 1  坡顶位移时程

区域和滑裂形状的大致判断是可信的, 可以用于动 力作用下边坡危险滑动区的划定。 算例表明地震加速度的变化对安全系数的大小 有显著的影响; 按地震加速度峰值计算的拟静力算 法对加速度时程特性的忽略将会导致计算结果偏于 保守。关于边坡动力安全系数时程曲线的解读尚需 进一步研究。 参考文献
[ 1 ]  R o b e r t H , D i n a n dA , G e r a r dK , e t a l . I n f l u e n c eo f e a r t h ? [ J ] . E n g i n e e r i n gG e o l o ? q u a k e s o nt h es t a b i l i t yo f s l o p e s g y , 2 0 0 7 , 9 1 ( 1 ) : 4- 1 5 [ 2 ]  薄景山, 徐国栋, 景立平. 土边坡地震反应及其动力稳 J ] . 地 震 工 程 与 工 程 振 动. 2 0 0 1 , 2 1 ( 2 ) : 定性分析 [ 1 1 6- 1 2 0 [ 3 ]  刘汉龙, 费康, 高玉峰. 边坡地震稳定性时程分析方法 [ J ] . 岩土力学. 2 0 0 3 , 2 4 ( 4 ) : 5 5 3- 5 6 0

图1 2  安全系数时程

安全系数时程曲线可以看出, 在地震加速度突 然增大的 3 s 、 6 s 、 1 3 s 、 2 6 s 附近, 安全系数相应下降, 低于静力下安全系数, 而其他时刻, 随着加速度方向 不断变化, 安全系数的大小也在静力安全系数的上、 下波动, 说明了地震加速度的变化将显著地影响安 全系数的大小。 整个地震作用时程中, 动力安全系数最小值为 7 1 0

第七篇 汶川地震与工程抗震
[ 4 ]  陈玲玲, 陈敏中, 钱胜国. 岩质陡高边坡地震动力稳定 分析[ J ] . 长江科学院院报. 2 0 0 4 , 2 1 ( 1 ) : 3 3- 3 5 [ 5 ]  刘晶波, 谷音, 杜义欣. 一致黏弹性人工边界及黏弹性 J ] . 岩 土 工 程 学 报. 2 0 0 8 , 2 8 ( 9 ) :1 0 7 0- 边界单元[ 1 0 7 5 [ 6 ]   陈 祖 煜. 土 质 边 坡 稳 定 分 析—原 理 · 方 法 · 程 序 [ M] . 北京: 中国水利水电出版社, 2 0 0 3 [ 7 ]  C h e nZY . R a n d o mt r i a l s u s e di nd e t e r m i n i n g g l o b a l m i n i ? [ J ] . C a n a d i a nG e o t e c h n i ? m u mf a c t o r s o f s a f e t yo f s l o p e s c a l J o u r n a l . 1 9 9 2 , 2 9 ( 2 ) : 2 2 5 -2 3 3 [ 8 ]  M a l k a w i AI H . , H a s s a nW F , S a r m aSK . G l o b a l s e a r c h m e t h o df o r l o c a t i n g g e n e r a l s l i ps u r f a c e u s i n g M o n t e C a r l o [ J ] . J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l a n dG e o e n v i r o n ? t e c h n i q u e s m e n t a l E n g i n e e r i n g , A S C E , 2 0 0 1 , 1 2 7 ( 8 ) : 6 8 8- 6 9 8 [ 9 ]  邹广电. 边坡稳定分析条分法的一个全局优化算法 [ J ] . 岩土工程学报. 2 0 0 2 , 2 4 ( 3 ): 3 0 9 -3 1 2 [ 1 0 ]  肖专文, 张奇志, 梁力等. 遗传进化算法在边坡稳定 J ] . 岩土工程学报. 1 9 9 8 , 2 0 ( 1 ) : 4 4 性分析中的应用[ - 4 6 [ 1 1 ]  丰土根, 刘汉龙, 高玉峰等. 遗传算法在边坡抗震稳 定性分析中的应用[ J ] . 岩土力学. 2 0 0 2 , 2 3 ( 1 ) : 6 3- 6 6 [ 1 2 ]  弥宏亮, 陈祖煜. 遗传算法在确定边坡稳定最小安全 系数中的应用[ J ] . 岩土工程学报. 2 0 0 3 , 2 5 ( 6 ) :6 7 1 - 6 7 5 [ 1 3 ]  史恒通, 王成华. 土坡有限元稳定分析若干问题探讨 J ] . 岩土力学. 2 0 0 0 , 2 1 ( 2 ) : 1 5 2- 1 5 5 [

7 1 1

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

中国西北某区活动断裂特征初步研究
袁革新1 陈剑杰1李军2 吴润江1 高为超1 1 . 西北核技术研究所, 西安, 7 1 0 0 2 4 ; 2 . 新疆地震局, 乌鲁木齐, 8 3 0 0 0 0 摘 要: 地震活动及断裂构造是放射性废物地质处置工作中区域稳定性评价的重要因素。本文讨论了含长寿命核 素中低放废物处置中活动断裂研究的时间尺度问题, 指出放射性废物地质处置工程选址中区域稳定性研究内容应 按处置废物的不同类型而有所侧重。对西北某区放射性废物地质处置场选址中能动断裂活动时间和运动特征及 其地震构造判别与评价进行了初步研究, 认为在西北某区放射性废物地质处置安全期内, 将长期影响处置场地质 屏障安全的重要地质因素是邻近的具有地震构造特征的晚更新世之后活动的断裂, 即兴地断裂和蜻蜓山 - 青石山 断裂, 尤其是具有产生大的地震活动能力的兴地断裂。 关键词: 中低放废物 处置场 长寿命核素 选址 区域稳定性 活动断裂

1  引言
西北某场地预期有大量中低放废物需要选址处 置。选址工作涉及诸多因素, 区域地壳稳定性是选 址过程中首先要解决的问题。目前我国对重大工程 的选址工作大致可分为: 区域预选、 地区预选、 场地 预选、 场地特性评价和场地确认等 4个阶段。区域 地壳稳定性一般在区域预选、 地区预选和场地预选 阶段以研究深度不同逐级开展。 区域地壳稳定性评价是确定在内、 外动力地质 作用的综合影响下某一地区的现今地壳及其表层的 相对稳定程度。如果处置场设在地壳不稳定地区, 一旦有地震发生, 很可能导致处置库系统的破坏, 废 物中的放射性核素就有向生物圈乃至大气圈快速转 移的可能, 因而会危及人类的生活, 破坏生态环境。 孙叶等( 1 9 9 8 ) 提出区域地壳稳定性评价以构 造稳定性评价为主
[ 1 ]

场址稳定性研究的时间尺度和内容的侧重。 对于含有部分长寿命放射性核素的中低放废物 的处置, 应当依据低、 中水平放射性废物近地表处置 设施的选址规范, 但也要关注长寿命放射性核素长 期存在的事实。因此, 在区域稳定性研究中对于活 动断裂活动的时间研究就要适当放长了。 在研究的时间尺度上, 美国原子能委员会针对
3 ] , 明确规定能动断裂为 核电工程抗震设防的要求 [

在3 5 k a 中至少有一次地表错动, 或者在过去 5 0 0 k a 中有重复性活动; 具有足够的仪器观测资料表明, 宏 观地震与断裂有直接关系等。 I A E A的 R A D WAS S
6 系列文件中谈及低中放废物处置场关闭后 1 0 年以 3 ] 上这一时间段内, 评价是不可靠的 [ 。《 低、 中水平

放射性废物近地表处 置 设 施 的 选 址》 ( H J / T2 3-
[ 4 ] ) 中谈到在场址确定阶段应该分析场址历史 1 9 9 8

上的地震活动情况; 该场址内第四纪断层( 即活动 断层) 的出露情况及其最近一次活动的时间; 剧烈 构造地质活动的证据; 在该地质构造条件下最大可 能地震的估计。 综上考虑, 西北某区区域稳定性研究中主要考
5 虑小于 1 0 a ( 即全新世、 晚更新世) 曾发生活动的断

, 刘国昌教授提出影响区域稳
[ 2 ]

定的最主要因素是地震

。地震的发生与当地的

地壳活动有着直接的关系, 世界上绝大多数地震是 由构造变动引起, 它是断裂快速活动的一种表现形 式。因此, 活动断裂及地震活动是影响处置场安全 的重要因素之一。 但是, 不同寿命期以及涉及不同危害期的工程 选址中区域稳定性研究的时间尺度问题, 目前还没 有得到很好解决。 放射性废物种类不同, 半衰期不同, 处置工程应 考虑的安全时间就应该不同。区域稳定性应根据不 同工程安全要求来评价, 所需数据也有所不同。研 究程度的深浅和考虑因素多少应满足不同工程的要 求。因而放射性废物处置安全期的长短, 也影响到 7 1 2

裂。本文所研究的主要断裂是指具有产生较大地震 活动构造条件的活动断裂。

2  西北某区活动断裂活动特征
西北某区在大地构造单元上, 处于塔里木—华 北板块北边部库鲁克塔格陆缘地块和塔里木中间地
5 ] 块[ ( 如图 1 ) , 即库鲁克塔格—北山轻微隆起和罗

布泊微弱坳陷内, 是区域内新构造运动强度相对较 弱的地区。区域现代构造应力场受北北东—北东向

第七篇 汶川地震与工程抗震 的挤压应力场控制。

5 〕 图1  区域大地构造单元划分示意图 〔

  1缝合线 2构造单元界线 3构造单元编号 4工作区 Ⅰ哈萨克斯坦—准噶尔板块: Ⅰ1准噶尔地体, Ⅰ11博格达晚古 生代弧后盆地; Ⅰ12哈尔里克晚古生代岛弧; Ⅱ 塔里木—华北板块: Ⅱ1伊犁—伊塞克湖微板块, Ⅱ11依连哈比尔尕古生代沟弧系; Ⅱ12
3 4 博罗科努古生代岛弧; 哈尔克早古生代沟弧系; 萨阿尔明晚 Ⅱ1 Ⅱ1 1 麦丹塔乌 -克孜尔塔格 古生代沟弧系; Ⅱ2塔里木北缘活动带: Ⅱ2 2 晚古生代陆缘地块: 康古尔塔格晚古生代沟弧系; Ⅱ2 Ⅱ23中天山变 1 库鲁克塔格陆缘地块; 质地体; Ⅱ3 Ⅱ32塔里木中间地块。

图2  研究区活动断裂位置示意图
青石山断裂 ①兴地断裂 ②蜻蜓山 -

2 . 1  兴地断裂 兴地断裂全长大于 4 0 0 k m , 为区域性壳断裂, 属 全新世活动断裂。以下从遥感影像和现场古地震调 查分别论述。 ( 1 ) 遥感影像特征 兴地断裂走向 N E E , 由西向东贯穿工作区, 在 E T M 影像图中表现为清晰的亮白色条带, 线性特征 十分明显( 图3 ) 。沿断裂发育有晚更新世冲洪积 扇, 断裂穿过的地段扇体明显受到构造变形, 形成南 高北低的线性陡崖地貌。在工作区中部一带, 断裂 切割山前冲洪积扇和现代河流, 影像上表现为断裂 两侧的冲洪积扇不对称, 发生右旋扭动, 现代河流也 有不同程度的水平错动。

在该区域针对放射性废物处置, 开展了区域稳 定性研究。 在西北某区的地壳稳定性评价以构造稳定性评 价为主, 采用地震地质学和地震学的思路和研究方 法, 把活动构造和地震活动特征作为构造稳定性评 价的主导因素。而活动断裂和地震活动又与所处的 区域地质构造环境、 新构造运动、 地球物理场、 深部 构造等有着紧密的内在联系。通过对这些影响构造 稳定性的主要因素的调查研究, 分析它们的内在特 点和规律, 从而对区域地壳稳定性作出一个宏观评 价, 判定工作区在区域中的相对地壳稳定程度。在 此基础上, 进一步对工作区地质地貌、 活动构造、 地 震活动、 新构造运动特点等作较详细的调查研究, 进 行工作区地震危险性分析, 确定地震动衰减关系和 计算工作区地震动参数, 以获取一些定量数据。选 取了地质构造、 地球物理场、 地震、 活动断裂、 新构造 为工作区地壳稳定性评价的主要指标, 确定评价分 级, 采用多因素模糊综合评判方法对工作区地壳稳 定性进行分区和评价
[ 6 ]

图3  兴地断裂断错冲洪积扇

由影像图上可以看出该断裂有右旋走滑特征, 山前的河流冲沟分别被右旋错动几百米, 通过对河 流发育时间的研究, 可以估算出断裂右旋滑动速率。 经分析后, 大致认为该断层在全新世活动过。 ( 2 ) 断裂活动特征及古地震活动时间 兴地断裂在区内全长近 6 0 k m , 总体走向 N E E , 沿断裂形成宽广的沟谷地貌, 现代河流冲沟和山前 的冲洪积平原均受到不同程度错动变形, 形成南高 7 1 3



在区域稳定性研究中, 对西北某区活动断裂特 征及其地震构造条件进行了分析。通过调查, 工作 区活动断裂一般走向近东西—北东东, 其中影响最 大的是兴地断裂和蜻蜓山 -青石山断裂( 图2 ) , 主 要为全新世、 晚更新世活动断裂。

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 北低的断裂陡坎, 线性影像十分清晰。跨断层陡坎 实地测量了多条地形面, 显示出陡坎形态基本特征。 该断裂断错了晚第四纪沉积物, 形成高度不同 的断裂陡坎。实测山前冲洪积扇上的陡坎形态剖面 显示山前冲洪积扇上的陡坎坡角一般在 2 0 ° 以下, 但在陡坎下部存在坡度更陡段, 最大角度可达 4 0 ° 左右。同一陡坎上这种坡度的变化构成了陡坎上的 坡折现象, 反映了断裂的多次活动。断裂下盘存在 断塞塘, 其沉积厚度达 1 m以上, 所以原始陡坎的高 度可能达到 2 . 5 m左右。 根据野外调查, 山前冲洪积扇由灰黑色的角砾 石组成, 砾石磨圆差, 分选差, 最大粒径达 2 5 c m , 已 半胶结。估计该套砾石层的年龄可以与区域上的Ⅲ 级阶地相类比, 其形成年龄距今约 3万 ~ 4万年左
[ 7 ] 右( 邓起东等, 2 0 0 0 ) , 根据其最大断错高度为 3 .

图4  兴地断裂某探槽剖面
  ①灰黄色含细砾的砂、 粉砂; ② 灰色含细砾的砂层; ③ 灰褐色砾 石层; ④灰色含砂砾石层; ⑤灰褐色砾石层; ⑥含砾的粉土; ⑦灰色砾 石层; ⑧灰色含砂砾石层; ⑨褐灰色含细砾的砂层; ⑩ 灰褐色角砾石 堆积; 1 1灰色砾石、 砂的堆积; 1 2灰色细砾石层; 1 3灰绿色、 褐色凝 灰岩; 1 4元古界基岩破碎带。

2 . 2  蜻蜓山 - 青石山断裂 蜻蜓山 -青石山断裂是一条较复杂的断裂带, 全长约 5 0 k m , 地 大致沿蜻蜓山 -青石山南麓展布, 表出露并不连续, 沿断裂有泉水溢出。 ( 1 ) 遥感影像特征 蜻蜓山 -青石山断裂是一条走向 N WW -N E 的隐伏断裂。该断裂大部分被第四纪堆积物所覆 盖。通过卫片上基岩区地层错断、 沿线陡坎断续出现 和泉水出露等可以大致判定该断裂的存在( 图5 ) 。 2 ) 断裂活动特征及古地震活动时间 ( 在蜻蜓山南麓冲沟内, 进行了该断裂的剖面编 录( 图6 ) 。剖面显示, 该断裂带宽达

4 m计算得到该断裂晚更新世晚期以来的平均垂直 滑动速率约为 0 . 1 1 m m/ a 左右。 河流冲沟和最新一级洪积扇上的剖面陡坎形态 比较宽缓, 角度一般在 1 0 ° 以下。该级地貌面是由 灰黑色角砾石层组成, 砾石分选差, 较松散, 估计应 为距今 1万 ~ 2万年的上望峰冰期的产物, 由此计 算得到晚更新世末期 - 全新世早期以来断裂的平均 垂直滑动速率在 0 . 0 6~ 0 . 1 1 m m/ a 以上。 该断裂还具有明显的右旋走滑特征, 山前的河 流冲沟分别被右旋错动达 3 0 0~ 8 5 0 m , 这些河流发 育在早更新世山间盆地堆积以后, 可能与中更新世 大冰期活动有关, 距今约 0 . 7 3~ 0 . 5 M a , 由此估计断 . 2~ 1 . 7 m m/ a 。 裂的最大右旋滑动速率为 1 兴地断裂晚第四纪以来多次活动, 运动性质较 复杂, 跨断裂开挖的探槽揭示了其运动性质和断裂 带的详细结构特征( 图4 ) 。剖面显示, 该断裂为一 倾向 N的高角度正断层, 断裂带宽 1~ 2 m , 但在断 裂上盘, 发育有多条倾向相反的次级逆断层, 将层③ 错动, 这些 次 级 逆 断 层 错 距 较 小, 一般在 1 0 c m左 右。该剖面大致反映了两次古地震事件: 层 ④ 堆积 前, 断裂发生第一次快速错动, 并形成充填楔 ( 层 1 1) ; 断裂第二次活动发生在层 ③ 堆积后, 断裂运动 性质较复杂, 主断面表现为正断性质, 上盘还发育 3 条错距 1 0 c m 左 右 的 逆 断 层, 错动面被地表厚约 0 . 5 m 左右的堰塞塘堆积物( 层 ①) 所覆盖。堰塞塘 堆积物( 层 ①) 发育在与断裂走向近于平行的现代 沟谷之中, 应为全新世堆积, 初步判定该断裂最后一 次活动发生在全新世。 7 1 4

图5  蜻蜓山 - 青石山断裂影像图

图6  蜻蜓山 - 青石山断裂剖面图
  ①中更新统土黄色河湖相沉积粉土层;②中更新统灰黑色砾石 层, 底部为土黄色粉土层和细砂层的互层; 灰绿 ③ 中更新统浅黄色、 色湖相沉积粉土层夹灰绿色细砂层; ④褐灰色卵砾石层; ⑤石炭系紫 红色、 灰绿色砂岩夹粉砂岩。

6 5 m , 是由多条活动性质不同的断裂组成。主 断面为一顺层滑动的正断裂, 其产状为 1 5 5 ° 5 ° , ∠6 将基岩顶面垂直断错 5 m 左右, 主断裂破碎带宽度

第七篇 汶川地震与工程抗震 0~ 1 5 c m , 由弱胶结的红褐色断裂泥组成。剖面 为1 中段是由多条倾向不同的正断裂组成的地堑形态, 其错距从 0 . 2 5~ 3 m不等。这些断裂的累加错距达 到 9~ 1 0 m , 由此估计中更新世以来该断裂的垂直滑 动速率至少为 0 . 0 1 m m/ a 。剖面南侧有一北倾的逆 冲断层, 将层①错断 0 . 4 m , 断裂直通地表, 大致反映 出断裂最新活动性
[ 6 ]

2 ) ( 兰州地震研究 裂带长度与震级间的经验公式(
[ 8 ] 所, 1 9 9 6 ) 和公式( 3 ) ( 冯先岳, 1 9 9 7 ) :

M= 3 . 3+ 2 . 1 1 l g L M= 6 . 6 2 6+ 0 . 5 5 5 l g

( 2 ) ( 3 )

其中, M 为震级, L 为形变带长度( 单位: k m ) 。 由此可以估算得到该断裂曾发生过 7 . 2级左右 的地震, 与利用公式( 1 ) 计算得到的结果大体一致, 由此可以判定, 该断裂最后一次古地震事件的震级 为7 . 0~ 7 . 2级。综合判定, 工作区范围内的兴地断
6 ] . 2级地震的构造条件 [ 。 裂具备发生 7



. 5 m 。该冲沟 在冲沟中主断面被右旋错动达 7 形成于距今 1 4 0~ 1 7 0 k a , 由此估计, 晚更新世以来, . 0 5 m m/ a 。 断裂的右旋滑动速率约为 0 在青石山南麓, 该断裂为倾向北西的高角度逆 断裂, 北盘侏罗系砂岩、 砾岩地层向南逆冲到中更新 统湖相沉积的粉土夹砾石层之上, 造成中更新统产 生明显的牵引变形, 沿断裂走向断层三角面等地貌 标志十分明显。 综上可以看出, 蜻蜓山 -青石山断裂断错中更 新统地层, 应为晚更新世活动断裂。

4  结束语
地质发展演化进程相对于放射性废物处置工程 安全期是缓慢的, 而能够直接影响工程稳定的地质 因素主要是活动断裂及其可能产生的地震。放射性 废物处置安全期是由废物的放射性总量和核素放射 性衰变的速率决定的, 对于西北某区的中低放废物,
5 应适当延长处置安全的研究时限至 1 0 a ( 即全新

3  地震构造条件的初步评价
对于放射性废物处置场选址来说, 研究区全新 世活动过的兴地断裂和晚更新世活动过的蜻蜓山 - 青石山断裂是影响区域稳定的重要构造。 根据调查结果和区域地震构造的标志, 最终确 青石 定工作区内的地震构造为兴地断裂。蜻蜓山 - 山断裂虽然属于晚更新世活动断裂, 但其规模相对 较小, 活动强度偏弱, 而且没有中小地震发生的记 录, 初步认为该断裂是发生 6级以下地震的地震构 造。 兴地断裂是大规模活动断裂, 工作区内显示全 新世活动特征。实地测量得到该断裂最低一级陡坎 高度( 最新一次古地震事件的垂直位错量) 为 1~ 1 . 1 m , 可以初步判定最低一级陡坎高度是一次古地 震形成的。对于在新疆及邻区挤压构造区的逆断 裂, 其错动距离( D ) 与震级( M) 之间存在如下关系
[ 8 ] ( 冯先岳, 1 9 9 7 ) :

世、 晚更新世) 。因此。在西北某区放射性废物处 置安全期内, 长期影响处置场地质屏障安全的重要 地质因素是邻近的具有地震构造特征的晚更新世之 后活动的断裂, 即兴地断裂和蜻蜓山 - 青石山断裂, 尤其是具有产生大的地震活动能力的兴地断裂。 参考文献
[ 1 ]  孙叶. 区域地壳稳定性定量化评价( 区域地壳稳定性 地质力学) [ M] . 北京: 地质出版社, 1 9 9 8 [ 2 ]  刘国昌. 区域稳定工程地质[ M] . 北京: 地质出版社, 1 9 9 3 [ 3 ]  张红庆, 董瑞林. 中低放废物的近地表处置( 一)[ J ] . 辐射防护通讯, 1 9 9 7 , 1 7 ( 2 ) [ 4 ]  H J / T2 3- 1 9 9 8低、 中水平放射性废物近地表处置设 施的选址[ S ] . 北京: 中国标准出版社, 1 9 9 8 [ 5 ]  张良臣. 中国新疆板块与动力学特征[ A ] . 见: 王福同 主编. 第三届天山地质矿产学术讨论会论文集[ C ] . 乌 鲁木齐: 新疆人民出版社, 1 9 9 5年 [ 6 ]  袁革新, 李军. 西北某区地壳稳定性初步研究[ A ] . 见: 钱七虎主编. 中国岩石力学与工程学会首届废物地下 处置学术讨论会论文集[ C ] , 2 0 0 6 [ 7 ]  邓起东. 天山活动构造[ M] . 北京: 地震出版社, 2 0 0 0 [ 8 ]  冯先岳. 新疆古地震[ M] . 乌鲁木齐: 新疆科技卫生出 版社, 1 9 9 7

M= 6 . 9 7 2+ 1 . 1 7 7 l g D . 0级左右。 古地震事件的震级应在 7

( 1 )

根据上述公式( 1 ) , 大体判定该断裂最后一次 在研究区内无论是第四纪松散堆积物的覆盖 区, 还是裸露的基岩山区, 该断裂均具明显的线性影 像特征, 连续性较好, 并可以清晰地分辨出断裂崖、 断坎等地貌, 其总长度可达 4 5 k m 左右, 根据地震破

7 1 5

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

氡测试技术在秦岭造山带 隐伏断裂活动性研究中的应用
王亮 西安工业大学建筑工程系, 西安, 7 1 0 0 2 1 摘 要: 采用氡测试技术, 对秦岭造山带的七条主要断裂进行了土氡测试。首先对研究区内典型氡气测试成果剖 面进行了研究分析, 确定断裂的空间分布位置及其相对活动强度, 进而得出影响研究区地壳稳定性的主控断裂; 然 后结合三条氡气测试路线, 对比研究后, 得出研究区断裂相对活动强度的空间分布特征。 关键词: 氡测试 断裂 相对活动强度 秦岭造山带

1  引言
氡测试技术, 是一种放射性勘探地球物理技术 及方法, 其基本原理是以 中 U衰变产生的 气和水中, 随着
2 3 8 2 3 8 2 2 2 2 2 2

着重要的基础指导意义。 当岩石中存在断裂破碎带时, 它们成为自由气 体良好的储存场所和运输通道, 氡气也会沿着这些 通道集中运移和扩散, 而使其上覆土层孔隙中氡含 量出现异常, 基于此原理, 本文将氡测试技术应用于 秦岭造山带隐伏断裂活动性研究中, 用于推断隐伏 断裂的位置与活动性评价。研究区位于秦岭东西纬 向构造带, 区内主要断裂共有七条, 依次为: F 1 : 兰 桥- 三要断裂、 F 2 : 北秦岭山前断裂、 F 3 : 涝峪 -草 坪断裂、 F 4 : 广货街断裂、 F 5 : 山阳 -青山断裂、 F 6 : 旬阳坝断裂、 F 7 : 略阳 -宁陕断裂。研究区东起西 万公路, 西至 1 0 8国道, 北接长安区, 南临安康、 汉中 一线。由于区内断裂为东西向展布, 故本次野外测 试区, 主要沿横贯秦岭南北的三条公路布设, 由东向 西依次为: 西万公路( 线1 ) 、 涝峪口战备路( 线2 ) 、 1 0 8国道( 线3 ) , 以达到控制断层剖面的效果。本 文在野外测试的基础上, 首先作了典型测试成果剖 面的解释分析, 然后进行了测试成果剖面的对比分 析及评价, 得出研究区内断裂的空间分布位置、 相对 活动强度及活动水平等有关活动性问题, 最后经归 纳与总结, 给出断裂活动强度在空间上的分布特征。 R n为示踪元素, 自然界
2 2 2

R n , 广泛分布于岩体、 土壤、 空 R n部分

U的不断衰变, 产生的

被束缚在岩石中, 部分则逸散到上覆岩石的孔隙以 及大气中成为自由的气体原子, 即所谓的射气作用。 过去该技术主要应用于铀矿资源的勘探中, 近些年 来对氡气释放、 运移、 赋存介质等方面的研究取得了 长足的进步, 受益于此, 氡测试技术得到了更广泛的 o r s t e n d o r f e r 、 贾文懿等 应用。国内外学者 P
[ 1 - 4 ]

都对

氡及其子体运移规律与机理进行了深入的研究, 曹 玲玲在文献 5中对国内氡迁移机理研究进展做了全 面的概述, 孙凯男
[ 6 ]

通过在北京、 贵阳等地对土壤

氡气的实测研究, 进一步探讨了土壤性质对土壤氡 浓度及 地 表 氡 析 出 率 的 影 响。在 应 用 方 面, 周雄 华 懿
[ 7 ]

通过分析氡测试的原理和氡气异常与不同地 将氡测试技术应用于寻找基岩地下水、 地热和

质现象的关系, 提出了氡异常的判据与特征, 贾文
[ 8 ]

工程地质中。 秦岭造山带位于中国大陆中部, 呈东西向展布, 是地理上南方、 北方的分界山脉, 也是长江、 黄河两 大水系的分水岭, 是南北交通线的必经之地, 我国最 1 8 . 4 5 2 k m ) 、 长的铁路隧道— — —西康铁路秦岭隧道( 国道 1 0 8线上西安 -汉中的三座特长公路隧道、 亚 洲最长的公路隧道— — —西安至安康高速公路的秦岭 1 8 . 0 2 0 k m ) 等重大工程场地 终南山特长公路隧道( 都位于此处, 秦岭造山带已成为国内工程界最关注 的区域, 因此了解和正确评价秦岭造山带隐伏断裂 活动性的规律和强度, 对已建、 在建和拟建工程都有 7 1 6

2  测试工作概述
本次在研究区跨活动断层( 带) 布设氡气测试 剖面 1 4条、 长度共计 12 0 0 m , 测点 1 3 5个。测试剖 面线基本上跨断裂( 带) 垂直布设。测试点距一般 0 m , 个别测点加密至 5 m , 放宽至 2 0 m 。测试选 为1 用仪器为 H D S - 1快速数字闪烁测氡仪。测试时段 选用脉冲 1 m i n 定量测试, 测试数据采集选用分显计 量。测试取 气 深 度 为 5 0 c m 以 下, 取气次数为 2 0 次。

第七篇 汶川地震与工程抗震 测试资料的处理依次为: 计算氡含量; 分析确定 背景值; 分析确定异常值; 计算异常值与背景值之 差; 确定最大异常值的位置; 绘制测试剖面曲线图; 判别对比同一路线断裂的相对活动强度; 归纳总结 研究区内断裂相对活动强度的空间分布特征。 R n F / R n B为 4 . 0 。

3  典型测试成果剖面分析
3 . 1  北秦岭山前断裂测氡成果剖面 ) 由北向南布设, 位于沣峪口以西 该剖面( 图1 0 0 m , 测点 1 2个。在测线 6 0- 环山公路路南, 长2 8 0 m 、 1 2 0 m处显示出氡异常, 其呈现两个不对称的 单峰曲线形态, 故应为两条断裂组成的宽约 6 0 m之 R n F ) 为1 2 . 1 6 , 背景值( R n B ) 为1 . 5 , 断裂带。峰值( 峰值高出背景值 1 0 . 6 6 , R n E m a x 与R n E m i n之差为 1 2 . 1 6 , R n F / R n B为 8 . 1 。
图3  广货街断裂( F 4 ) 测氡成果剖面

3 . 4  山阳 - 青山断裂测氡成果剖面 该剖面( 图4 ) 由北向南布设, 位于西万公路旁 k m , 长2 5 0 m , 测点 1 2个。在测线 7 0 m 江口街以南 5 处显示出氡异常, 其呈现单峰曲线形态, 故应为一条 断裂。峰值( R n F ) 为1 0 , 背景值( R n B ) 为4 . 5 , 峰值 高出 背 景 值 5 . 5 , R n E m a x与 R n E m i n之 差 为 1 0 , R n F / R n B为 2 . 2 。

图1  北秦岭山前断裂( F 2 ) 测氡成果剖面

图4  山阳 - 青山断裂( F 5 ) 测氡成果剖面

3 . 2  涝峪 - 草坪断裂测氡成果剖面 该剖面( 图2 ) 由北向南布设, 位于涝峪口 -两 河公路与该断裂交汇处, 长3 0 m , 测点 7个。在测线 1 5 m 、 2 5 m处显示出氡异常, 其呈现“ M” 型的双峰曲 线形态, 故应为 两 条 断 裂 组 成 的 宽 约 1 0 m之断裂 R n F ) 为9 , 背景值( R n B ) 为5 , 峰值高出 带。峰值( 背景值 4 , R n E m a x与 R n E m i n之差为 9 , R n F /R n B 为1 . 8 。

3 . 5  旬阳坝断裂测氡成果剖面 该剖面( 图5 ) 由南向北布设, 位于 1 0 8国道与 该断裂交汇处, 长4 0 m , 测点 9个。在测线 1 5 m 、 3 0 m 处显示氡异常, 呈不对称双峰曲线形态, 故为两断裂 组成的宽约 1 5 m 的断裂带。峰值( R n F ) 为7 . 0 , 背 R n B ) 为2 . 2 5 , 峰值高出背景值 4 . 7 5 , R n E m a x 景值( 与R n E m i n 之差为 6 . 0 ,R n F / R n B为 3 . 1 。

图2  涝峪 - 草坪断裂( F 3 ) 测氡成果剖面

图5  旬阳坝断裂( F 6 ) 测氡成果剖面

3 . 3  广货街断裂测氡成果剖面 该剖面( 图3 ) 由南向北布设, 位于 1 0 8国道与 该断裂交汇处, 长2 0 m , 测点 6个。在测线 8 m处显 示出氡异常, 其呈现单峰曲线形态, 故应为一条断 R n F ) 为6 . 0 , 背景值( R n B ) 为1 . 5 , 峰值 裂。峰值( 高出背景值 4 . 5 , R n E m a x与 R n E m i n之 差 为 5 . 0 ,

4  研究区氡测试成果分析
将本次秦岭造山带隐伏断裂氡测试成果列于表 1 , 并分别分析三条路线的测试成果: 4 . 1  西万公路测试路线 该路线沿着西万公路, 由沣峪口向南至宁陕县, 7 1 7

第三届全国岩土与工程学术大会论文集
表1  秦岭造山带主要断裂氡气测试成果
所处 序号 路线 断裂 1 2 3 4 5 6 7 8 9 线1 线3 线1 线2 线1 线2 线1 线2 线3 F 1 F 1 F 2 F 2 F 3 F 3 F 4 F 4 F 4 F 5 F 6 F 6 F 7 F 7 R n E m a x - 最大异常 R n F- R n B R n F / R n B n F R n E m i n 值R 8 . 8 4 6 . 0 1 2 . 1 6 1 9 4 3 9 . 0 7 . 8 9 . 0 6 . 0 1 0 2 2 7 . 0 8 . 0 8 . 0 6 . 8 4 4 . 0 1 0 . 6 6 1 1 . 4 3 7 4 . 0 1 . 0 4 . 0 4 . 5 5 . 5 1 9 4 . 7 5 1 9 5 . 0 4 . 4 2 3 . 0 8 . 1 2 . 5 7 . 1 7 1 . 8 7 . 8 1 . 8 4 . 0 2 . 2 7 . 3 3 . 1 8 . 0 2 . 6 7 8 . 8 4 5 . 0 1 2 . 1 6 1 8 4 3 9 . 0 7 . 8 9 . 0 5 . 0 1 0 2 2 6 . 0 8 . 0 7 . 0

4 . 2  涝峪口战备路测试路线 该路线沿着涝峪 -两河公路, 由涝峪口向南至 宁陕县两河乡, 限于该路线交通状况较差, 我们仅对 三条断裂开展了氡气测试工作, 同样只选用 R n F / 带) 相对活动强度的评 R n B作为研究区内各断裂( 判指标。比较结果见图 7 。

图7  断裂相对活动强度比较图( 线2 )

1 0 线1 1 1 线1 1 2 线3 1 3 线1 1 4 线3

与图 6路线 1中的各断裂相对活动强度关系 F 4 2> F 3相比, 在路线 2中上述三条断裂的相对 ≈F , F 4>F 2>F 3 , 这 活动强度关系发生了变化, 如图 7 说明广货街断裂 F 4在该段比 F 2相对活动强度加 9 5 7年以来弱震不断, 达七次 大。地震显示, 此带 1 之多, 1 9 5 7年在九华山以南曾发生过 4级地震。这 与图 7取得了很好的一致性。该断裂发生于前震旦 纪, 中生代及新生代均有活动。 4 . 3  1 0 8国道测试路线 该路线沿着 1 0 8国道, 由户县向南至佛坪县, 结 合路线情况, 我们对四条断裂开展了氡气测试工作, 同样只选用 R n F / R n B作为研究区内各断裂相对活 动强度的评判指标。比较结果见图 8 。

横贯南北秦岭。良好的交通条件有助于对研究区七 条主要断裂的活动性进行观察和测试。由于各测试 点所处位置场地条件( 覆盖层厚度、 含水量、 破碎带 埋深等) 的不同和秦岭地区岩性变化的复杂程度, 造成该区 7条断裂背景值的较大变化, 故这里我们 n F / R n B作为研究区内各断裂相对活动强 仅选用 R 度的评判指标, 比较结果见图 6 ,F 1相对活动强度 明显比其他六条断裂低, 结合其他资料获得以下认 识: 在地理位置上, 蓝田 -三要断裂( F 1 ) 处于渭河 盆地北缘, 而F 2~ F 7这六条断裂地处秦岭山地; 在 构造体系虽同属秦岭东西向构造体系, 但F 1更多地 充当了渭河地堑与秦岭东西向构造体系的分界断 裂, F 1发生较早, 在前震旦纪或震旦纪即已开始。 已有资料显示 F 1主要控制了渭河盆地新地层的沉 积, 并未提及 F 1对其他六条断裂的控制作用。 F 1 断裂在研究区倾向北, 据形变资料, 其南盘下降幅度 大梯度大, 因此南盘下降, 北盘相对上升, 这些从侧 面说明在上述七条断裂中, F 1并非是主控断裂。

图8  断裂相对活动强度比较图( 线3 )

5  研究区断裂活动性评价
在线路比较的基础之上, 我们可以把研究区内 断裂( 带) 相对活动强度的对比从线路扩展到平面 ) , 可以看到区内东西走向的断裂带相对 上( 见图 9 活动强度在空间上呈现出东强西弱的整体特征, 由 东向西三条路线呈现出“ 强 -弱 -中” 的变化规律, 即路线 1 ( 研究区东部) 断裂带相对活动强度最大, ( 研究区西部) 次之, 路线 2 ( 研究区中部) 最 路线 3

图6  断裂相对活动强度比较图( 线1 )

小。在建的西汉高速秦岭Ⅲ号隧道工程场地基本处 于研究区中部, 所以可以认为在研究区范围内, 秦岭 该 Ⅲ号隧道工程场地受区域断裂活动性影响较小, 工程场地属于研究区内的“ 安全岛” , 并具有相对较 好的地壳稳定性条件。

北秦岭山前断裂 F 2发生虽较 F 1略晚( 始于加 里东期) , 但新生代以来继续活动达到高潮, 监测资 F 2断裂 料显示近期又进一步活动。本文作者认为: 是秦岭东西向构造带中的主控断裂。 7 1 8

第七篇 汶川地震与工程抗震
[ 4 ]  乐仁昌, 贾文懿, 吴允平. 理想条件下氡及其子体运移 新理论及其运移方程[ J ] . 物理学报, 2 0 0 3 , 5 2 ( 1 0 ) : 2 4 5 7- 2 4 6 1 [ 5 ]  曹玲玲, 王宗礼, 刘耀炜. 氡迁移机理研究进展概述 [ J ] . 地震研究, 2 0 0 5 , 2 8 ( 3 ) : 3 0 2- 3 0 6 图9  不同路线断裂相对活动强度比较图 [ 6 ]  孙凯男, 等. 土壤物理性质对土壤氡浓度及地表氡析 出率的影响. [ J ] . 中华放射医学与防护杂志, 2 0 0 5 , 2 5 ( 1 ) : 7 8- 8 0 [ 7 ]  周雄华, 等. 氡气测量在工程地质中的应用[ J ] . 铀矿 地质, 2 0 0 4 , 2 0 ( 1 ) : 4 5- 5 0 [ 8 ]  贾文懿. 氡气测量及其在寻找基岩地下水、 地热和工 程地质中的应用[ J ] . 物探与化探, 1 9 8 7 , 1 1 ( 5 ) : 4 8 9- 4 9 1

参考文献
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7 1 9

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

基于声发射监测的岩石破裂孕震模式实验研究
, 2 赵兴东1  刘建坡1 李元辉1 田军1

1 . 东北大学资源与土木工程学院, 沈阳, 1 1 0 0 0 4 ; 2 . 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, 成都, 6 1 0 0 5 9 摘 要: 本文应用声发射监测技术, 在单轴压缩荷载作用下, 实验研究了花岗岩、 大理岩、 砂岩以及黑云母片麻岩破 裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、 萌生、 繁衍和扩展过程。实验结果表明, 声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展 产生的, 随应力应变变化表现出不同的特征, 主要分为平静区、 稳定增长区、 活跃区。在初始加载阶段直至裂纹初 始之前, 其声发射活动不是很明显, 为声发射活动的平静区; 一旦岩样出现初始裂纹, 在相应的应力点声发射事件 明显增多; 裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏之前, 属于声发射活动的稳定增长区; 在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩 石破坏瞬间, 声发射活动变得异常活跃, 声发射事件变化率最大, 为声发射活动的活跃区。由于不同成岩类型的岩 石、 同一成岩类型不同岩石的破坏不完全相同, 通过对声发射率随加载时间变化关系分析, 将单轴压缩条件下岩石 破裂过程的孕震模式划分为六种类型, 此六种孕震模式反映了岩石单轴加载过程裂纹初始、 扩展、 贯通的时间非线 性关系, 但单单借助声发射一种监测方式预测岩石破坏发生的可能性很小, 对于地震前兆的研究应在综合各种监 测手段得到监测结果的同时, 需要借助地震孕育、 发生过程的应力迁移规律来研究地震发生的可能, 更具备现实意 义。 关键词: 声发射 岩石破裂 单轴加载 孕震模式 实验研究

1  引言
岩石受载过程是一个非平衡和不可逆的过程, 其受力后的变形损伤直至破坏的演化过程是非线性 特征的表现, 致使其破裂失稳过程力学性质复杂多 变, 因而造成对其破裂失稳的前兆研究变得非常困 难。但由于岩石在加载过程中, 其内部微裂纹的产 生、 扩展、 累积和聚合会导致破坏的发生, 在其破坏 之前会表现出明显的临界行为,这些临界行为可以 看作是岩石材料灾变性破坏以及地震发生的前兆。 应用声发射监测系统 连续监测荷载作用下岩石 等脆性材料破裂损伤演化过程, 已被广泛应用于研 声发射技术可在地震模拟岩石实验中, 通过对 试验样品的设计、 微破裂源定位结果分析、 对震源机 制的探讨、 微破裂聚集成核和地震序列特征等研究
4 ~ 5 ] 中得到广泛应用 [ , 达到对野外断层构造和震源 分布成核的模拟; 早在 2 0世纪 6 0年代, M o g i [ 4 ] 就 [ 1 ~ 3 ]

式断层标 本 变 形 破 坏 过 程 中 的 声 发 射 特 征; 陈忠
9 ] 等人对两岩体相互作用下的声发射模式进行 辉[ 1 0 ] 通过对各种脆性岩石材料的 了研究。茂木清夫 [

破裂实验, 发现了其声发射模式的三种基本类型: 主 震- 后震型、 前震 - 主震 - 后震和群震型, 并且认为 不同的声发射模式与岩石的均质程度有密切的关
1 1 ~ 1 2 ] 系。刘力强 [ 等研究构造对声发射活动序列的

影响。 本文在以上研究成果的基础上, 通过对四种不 同岩石进行单轴加载, 实验研究加载过程声发射率 变化与裂纹扩展之间的关系, 同时分析声发射率随 加载时间的变化规律, 进而界定岩石破裂过程的孕 震模式。根据现有的大量震前异常观测事实和实验 室岩石力学的试验结果, 建立孕震模式, 以便最终实 现根据孕震模式预测地震。

究岩石等脆性材料的破裂前兆信息。

2  声发射系统简介
本次实验采用的声发射仪器是由加拿大 E S G 公司生产的, 该仪器是一个综合的、 全波形采集处理 系统, 同时, 很多源参数( 声发射事件源半径、 时间 发生事件、 静压力下降等参数) 也被实时计算。此 整个声发射系 声发射仪器具有 8个数据采集通道, 统的采样频率设为 1 0 M H z , 其门槛值设定为 8 0 m v 。 所采用的声发射探头为 N a n o 3 0型, 其频域为 1 2 5 H z ~ 7 5 0 k H z ;前置放大器型号为 12 2 0 A A S T , 其增

发现在大地震出现之前, 地震的活动性会显著增强, 特别是中等地震会明显增加, 做了一系列声发射模 c h o l z 研究了岩石 式的试验来研究地震发生机理。 S 破裂前膨胀现象中的声发射规律
[ 6 ]

, 陈?应用声发

射技术对在地震序列和岩石破裂中的研究进行较全 5 ] 7 ~ 8 ] , 蒋海昆等 [ 研究了不同围压条件下 面的论述 [ 花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特征及含雁列 7 2 0

第七篇 汶川地震与工程抗震 0 d B ;后置放大器的增益为 0~ 2 0 d B 。整个声 益为 4 发射系统能够实现声波信号的采集、 空间定位、 波形 处理及事件发生时间确定, 同时本系统还可以对整 个实验过程中, 所发生的事件总数进行统计, 声发射 仪器及其定位原理详见文[ 1 3 ] 。 样的声发射活动规律不尽相同。在加载过程中, 声 发射率大小变化直观地反映了岩石内部微裂纹的扩

3  岩样制作、 加载条件
3 . 1  岩样制作 实验选用了花岗岩、 大理岩、 砂岩、 花岗片麻岩 4种脆性岩石, 共计 1 2组试样, 试样的分类和具体 规格见表 1 。严格按照国际岩石力学学会 建 议 方 法, 在实验室内加工岩样。岩样两端平整度0 . 5 m m , 尺寸 误 差 ± 0 . 3 m m ,两 端 面 垂 直 于 轴 线 误 差 ± 0 . 2 5 ° 。岩样尺寸及 P波波速见表 1 。
表1  试样尺寸及力学特征 编号 G S - 1 G S - 2 G S - 1 1 M S - 1 M S - 4 M W S 1 S 3 H 1 H 2 H 3 H 4 岩性 花岗岩 花岗岩 花岗岩 大理岩 大理岩 大理岩 砂岩 砂岩 片麻岩 片麻岩 片麻岩 片麻岩 尺寸( m m ) 7 0× 7 2× 1 5 4 7 0× 7 0× 1 4 9 7 0× 7 2× 1 5 0 7 2× 7 4× 1 5 1 7 0× 7 6× 1 5 2 7 0× 7 0× 1 3 2 7 0× 7 2× 1 4 5 6 8× 7 1× 1 4 4 7 4× 7 5× 1 4 8 6 8× 7 2× 1 5 2 7 2× 7 2× 1 5 3 7 5× 7 8× 1 4 9 波速 V p ( m/ s ) 40 1 5 40 4 0 40 8 0 46 8 0 58 0 0 67 0 0 44 8 0 44 9 0 47 6 0 60 6 0 49 2 0 59 1 0 图1  岩石声发射实验系统示意图

展程度, 同时也反映了声发射活动平静区、 稳定增长 期、 活跃期。从实验结果声发射率与应力位移变化 关系曲线( 图2 ) 可以看出, 花岗岩样在初始加载阶 段处于声发射活动的平静区, 无裂纹的扩展; 当花岗 8 %、 3 9 %、 岩样 分 别 加 载 到 各 自 峰 值 强 度 的 2 5 0 . 5 %以后, 声发射开始进入稳定增长期, 声发射几 乎以恒定的速率增长, 岩样内部微裂纹同样稳定扩 展, 直至加载至峰值强度 8 8 %、 8 8 %、 9 6 % 时, 花岗 岩样进入声发射活动的活跃期直至其破坏, 裂纹处 于不稳定扩展阶段, 其声发射率变化无明显规律。 M S 4大理岩其破坏过程与前述花岗岩相接近。 而M S - 1号大理岩在整个加载过程, 其声发射 率达到三个峰值强度, 岩样产生三次劈裂, 每次劈 裂, 位移都会有明显增加而载荷增加很小, 加载到载 荷强度的 2 6 %以后声发射率开始反映剧烈, 此后声 发射率比较稳定一直到载荷强度的 9 2 %, 达到最大 声发射变化率, 试样突然猛烈破坏, 完全失去其强度 并发出强烈的炸裂声。M W 号白色大理岩含有明显 8 M P a 。在加载初期, 试样的 的节理, 其峰值强度为 6 声发射率曲线有多个峰值点, 主要由于试样中的节 理面被压缩, 但在此阶段监测到的声发射事件很少。 当加载到峰值荷载的 3 5 % 以后, 此时的声发射率开 8 % 以后, 声发射率 始反映剧烈。达到载荷强度的 8 达到最大变化率, 直到破坏。 在加载初期, S 1号砂岩产生的声发射很少, 声 发射率 也 很 小, 无 裂 纹 产 生。加 载 到 载 荷 强 度 的 4 5 %时, 试样出现微破裂, 声发射率明显增加, 主要 由于微破裂引起颗粒在断裂面上摩擦而产生的声发 射明显增加, 声发射率明显增大。到加载后期, 试样 又发生了 3次微破裂, 裂纹扩展, 直至破坏。在此过 程中, 声发射数不断增加, 声发射率的阵发式变化, 说明砂岩的破坏是一个微裂纹不断扩展成大裂纹, 再 汇合成更大裂纹, 不断更替累积, 最终破坏的过程。 7 2 1

3 . 2  加载条件 为对岩石受载过程岩石声发射活动的非线性活 动进行实验研究, 在东北大学岩石失稳与控制实验 室设计一套试验系统: ( 1 ) 加载系统: Y A G- 30 0 0 微机控制岩石刚度试验机 ( 垂向最大试验力 30 0 0 k N ) ;( 2 ) 声发射监测系统; ( 3 ) 数据采集系统: 采用 应力传感器和动态应变仪对岩石所加荷载和纵向变 形进行量测。为消除压力机压头对声发射事件的影 响, 在压头与试件接触部分采用滤纸进行隔离。

4  实验结果分析
4 . 1  岩石加载过程声发射活动特性 通过对四种岩石分别进行单轴加载, 其各自岩

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

图2  声发射率与应力位移关系变化曲线

7 2 2

第七篇 汶川地震与工程抗震   H 1号黑云母斜长片麻岩在加载初期, 产生的声 发射很少, 声发射率出现了一个峰值, 这可能是局部 受力不均引起某部分塌陷或岩石试样表面崩落。到 试样载荷的强度的 5 0 % 以后, 声发射变化率较大。 在载荷强度 5 0 %~ 7 0 % 之间, 声发射率开始下降, 进入下降区。到载荷强度 7 0 % 时试样发出劈裂声, 声发射率又一次达到了峰值直到试样破坏。 H 3号 黑云母斜长片麻岩在加载初期, 监测到的声发射极 少, 声 发 射 率 几 乎 为 零。 超 过 试 样 载 荷 强 度 的 4 7 . 5 %以后声发射开始明显增加, 声发射变化率剧 烈变化。在试样峰值荷载的 5 9 %~ 7 3 % 之间声发 射率有所下降。超过试样峰值荷载 9 0 % 以后, 试样 开始断裂, 声发射率达到了峰值直到试样破坏。 4 . 2  岩石加载过程的孕震模式 本文通过对不同岩样进行声发射实验, 得出图 3实验结果, 依据声发射活动随时间非线性变化, 分 为以下六种孕震模式: 第Ⅰ种孕震模式, 试样在加载 初期便有声发射产生, 但声发射率都很低, 当分别达 到峰值强度的 9 2 . 6 %、 9 7 . 7 %、 9 6 . 6 %、 8 5 . 6 % 时声 发射率突增到峰值, 增加幅度在 5倍左右。第 Ⅱ 种 孕震模式, 试样只有 H 2黑云母片麻岩, 在加载初期 没有声发射, 到载荷 强 度 的 7 3 %时才有声发射事 件, 加载到峰值荷载 8 0 % 时, 声发射率变化最大值, 试 此后随着载荷的增加而降低。第 Ⅲ 种孕震模式, 样从加载初始产生声发射事件, 且声发射率达到峰 值, 之后声发射率随着载荷的增加而降低。第 Ⅵ 种 1试样在加载初期便有声发射事 孕震模式, 只有 S 件, 随着载荷的增加声发射率也增加, 达到峰值荷载 4 . 1 %时, 声发射率变化最大并持续到峰值荷载 的6 的9 4 %, 之后声发射率便随着载荷的增加而降低。 试样在加载初期声发射率很小, 随 第Ⅴ种孕震模式, 着载荷的增加都出现了较高的声发射变化率, 分别 在峰值荷载的 7 7 . 6 %、 3 1 . 3 %、 4 5 % 时出现了声发 射最大变化率, 第二次声发射最大变化率出现在试 样达到峰值荷载。第 Ⅳ 种孕震模式, 试样在加载初 期声发射率很小, 随着载荷的增加, 声发射率也增 加, 当分别达到载荷强度的 3 0 %、 3 9 %、 3 6 . 7 % 时, 声发射率达到一个峰值, 之后声发射率便随着载荷 的增 加 而 降 低, 当分别达到载荷强度的 6 6 . 7 %、 8 8 . 7 %、 9 0 %时, 声发射率达到了第二次声发射最大 变化率, 随后发射率便随着载荷的增加而降低直到 试样破坏。 从此实验结果可以看出, 岩石的破坏受岩样种 类、 加载方式、 岩石结构特征、 成岩类型、 构造分布特 通过应用声发射监测技术, 实验研究了花岗岩、 大理岩、 砂岩以及黑云母片麻岩四种岩样分别进行 单轴压缩实验, 其内部微裂纹孕育、 萌生、 繁衍和扩 展过程。实验研究发现: 声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生 的, 随应力应变变化表现出不同的特征, 主要分为平 静区、 稳定增长区、 活跃区。 不同岩样产生的声发射表现出不同的活动特 性, 岩石本身的均质性对声发射活动特征影响比较 大。声发射事件突然增加, 声发射率变化非常明显; 岩石初始裂纹产生位置是随机的; 初始裂纹形成及 其扩展是诱发岩样裂纹贯通的主要原因; 通过对声发射率随加载时间变化关系分析, 将 单轴压缩条件下岩石破裂过程的孕震模式划分为六 种类型, 此六种孕震模式反映了岩石单轴加载过程 裂纹初始、 扩展、 贯通的时间非线性关系。 从此研究结果可以看出, 对于地震前兆的研究 单单借助一种监测方式预测其发生的可能性很小, 应在综合各种监测手段得到监测结果的同时, 需要 借助地震孕育、 发生过程的应力迁移规律来研究地 7 2 3
图3  岩石加载过程的孕震模式

征等多因素的影响, 不同成岩类型的岩石、 同一成岩 类型不同岩石的破坏不完全相同, 为此, 单单借助一 种监测方式预测岩石破坏发生的可能性很小。对于 地震前兆的研究在综合各种监测手段得到监测结果 的同时, 需要借助地震孕育、 发生过程的应力迁移规 律来研究地震发生的可能, 更具备现实意义。

5  结论

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 震发生的可能, 更具备现实意义。 参考文献
[ 1 ]  L o c k n e r DA . T h e r o l e o f a c o u s t i c e m i s s i o ni nt h e s t u d y o f r o c kf a i l u r e[ J ] . I n t . J . r o c km e c h . M i n . S c i . a n dG e o ? m e c h . A b s t r . , 1 9 9 3 , 3 0( 7 ) : 8 8 3 8 9 9 [ 2 ]  L o c k n e r D . A . B y e r l e eJ . D . K u k s e n k oV . e t a l . Q u a s i - s t a t i cf a u l tg r o w t ha n ds h e a rf r a c t u r ee n e r g yi ng r a n i t e [ J ] . N a t u r e , 1 9 9 1 , 3 5 0 ( 7 ) : 3 9 4 2 [ 3 ]  赵兴东, 唐春安, 李元辉, 等. 花岗岩破裂全过程的声 发射特性研究[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 6 , 2 5 ( 增 2 ) : 3 6 7 3 3 6 7 8 [ 4 ]  M o g i K . S t u d yo f e l a s t i cs h o c k s c a u s e db yt h ef r a c t u r eo f b e t t e r o g e n e o u s m a t e r i a l a n di t s r e l a t i o nt o e a r t h q u a k e p h e ? n o m e n a [ J ] . B u l l o f t h e E a r t h q u a k e R e s . I n s t . , 1 9 6 2 , 4 0 : 1 6 8 1 8 0 [ 5 ]  陈?, 阎红. 实验室中岩石破裂的变形前兆[ J ] . 地球 物理学报, 3 2 ,S u p p . 1 : 2 4 6 2 5 1 [ 6 ]  C . H . S c h o l z , E x p e r i m e n t a l s t u d yo f t h ef r a c t u r i n gp r o c e s s i nb r i t t l e r o c k[ J ] , J . G e o p h y s . R e s , 1 9 6 8 , 7 4 ( 4 ) : 1 4 4 7 1 4 5 4 [ 7 ]  蒋海昆,张流,周永胜. 不同围压条件下花岗岩变形 破坏过程中的声发射时序特征[ J ] . 地球物理学报,4 3 ( 6 ) , 2 0 0 0: 8 1 2 8 2 6 [ 8 ]  蒋海昆,张流,周永胜. 不同温度条件下花岗岩变形破 J ] . 地震, 2 0( 3 ) , 2 0 0 0 : 8 7 4 坏及声发射时序特征[ 9 [ 9 ]  C h e nZ . H . a n dT a n g CA ,AD o u b l e R o c kS a m p l e M o d e l f o r R o c kB u r s t s [ J ] ,I n t . J o u r n a l o f R o c kM e c h a n i ca n d , 3 4 ( 6 ) : 9 9 1 1 0 0 0 M i n i n gS c i e n c e . 1 9 9 7 [ 1 0 ]  胜山邦久编著; 冯夏庭译. 声发射( A E ) 技术的应用 [ M] , 北京: 冶金工业出版社, 1 9 9 6 [ 1 1 ]   刘力强,马胜利,马瑾等. 三轴压缩下不同构造花岗 J ] . 科学 岩的微破裂时空分布特征及其地震学意义[ 通报, 4 4( 1 1 ) : 1 9 9 9 ( 1 ) 1 9 4 11 9 7 [ 1 2 ]   刘力强,马胜利,马瑾等. 岩石构造对声发射统计特 征的影响[ J ] . 地震地质, 2 1 ( 4 ) , 1 9 9 9 : 3 7 6 3 8 6 [ 1 3 ]  赵兴东, 李元辉, 袁瑞甫, 等. 基于声发射定位的岩石 破裂动态演化过程研究[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 7 , 2 6 ( 5 ) : 9 4 4 9 5 0

7 2 4

第七篇 汶川地震与工程抗震

准饱和土特性对地震波的传播影响分析
周新民1 刘真2 夏唐代3 张忠苗3 1 . 浙江省地震局, 杭州, 3 1 0 0 1 3 ; 2 . 杭州电子科技大学, 杭州, 3 1 0 0 1 8 ; 3 . 浙江大学岩土工程研究所, 杭州, 3 1 0 0 2 7 摘 要: 基于三相准饱和土波动理论, 全面分析准饱和土中波的传播特性, 对比准饱和土中已有波速试验成果, 应 用数值方法详细研究了准饱和土参数对地震波传播的影响, 并浅析了汶川地震中波的传播及衰减特征。结果表 明, 饱和度和频率等参数对弹性波传播特性有重要影响, 文中结论对认识地震波传播特性以及工程抗震有重要的 理论和实践意义。 关键词: 准饱和土 地震波 传播特性 衰减 饱和度

1  引言
地震波传播特性的研究是地震工程领域重要的 研究课题, 对工程抗震有重要的理论价值和实践意 义。以往对地震波的研究通常都是将土体视为单相 介质, 自B i o t 饱和土波动理论建立后, 对饱和土中 波的传播研究已有几十年的历史。然而, 近地表的 天然土体是工程中最常见的准饱和土, 由固相骨架 和孔隙流体( 水, 气) 组成的三相介质, 尽管少量气 体对流体以及饱和沉积物中声波速度和衰减的影响 很早就已经被研究者所注意并在试验结果基础上得 到了一些经验关系式
[ 1 ]

土体的压缩性、 渗透性等性质; 另一方面, 气泡本身 也将产生振动效应, 因此准饱和土波动特性与饱和 土波动特性相比表现出很大差异, 动力学研究中对
4 ] : 准饱和土作如下假设 [ ( 1 ) 固体土骨架假设 为 理 想 弹 性 多 孔 连 续 介

质, 土体具有统计各向同性且均匀; ( 2 ) 孔隙中的气体仅 以 气 泡 的 形 式 存 在 于 水 中, 与液体共同形成各向同性混合流体, 液体与气体 之间不存在质量交换、 压力差和相对位移; ( 3 ) 土体中孔隙相互连通, 流体在孔隙中的流 动满足 D a r c y 定律; ( 4 ) 考虑等温条件, 以及土颗粒、 水和气体的压 缩。

, 但由于三相介质之间相互

作用的复杂性, 尚没有系统的理论来解决这一问题。 近年来, 研究者通过对 B i o t 理论进行修正, 将准饱 和土视 为 两 相 介 质 研 究 准 饱 和 土 中 波 的 传 播 性
2 ] [ 3 ] 质[ , 但没有从根本上解决作为三相介质的准饱

3  波动方程及问题求解
4 ] 准饱和土的动力控制方程用位移表示为 [ : 2 ′ M) ( ·u ) λ+G+μ μ ? G u+( ? ¨ ′ M ( ·W) =( u ¨+ρ W) ?    +μ ρ f ( 1 ) ? M ( ·u )+M ( ·W) μ ? ? f? ?     =ρu ¨+b W +ρ W 2¨ f

和土中地震波的传播问题, 汶川地震中地震波的传 播特征也存在许多有争议的研究点。 基于以上分析, 本文基于准饱和土波动理论, 视 准饱和土为三相介质, 全面分析了准饱和土中波的 传播特性, 结合前人对准饱和土中波速的试验成果, 详细研究了孔隙率、 饱和度、 频率等对弹性波传播特 性的综合影响, 在此基础上浅析了汶川地震波的传 播及衰减特征。

式中: ( 1-n ) 为土体总体积密度, ρ=ρ ρ 2+ s,
? M =1 / ′ =1 - / ρ ρ α 珔 μ γ; μ=α 珔 γ=β β 2 =n f; 1 2; 1 1; s ; ( 1-n ) ; α 珔 α α α; α =β β β= 1 1 =n+ 1; 1 =1- p/ f 1 / ( G ); ; 1-α ) b =ρ g / k λ+2 β β β 1 =( s; f d; f= ( 1+s n / P ); n 为孔隙率; β β β w a 0 w s为土颗粒材料的 压缩系数; β β w 为水的压缩系数; p 为由接触点上的

2  准饱和土特性
准饱和土是指土体中气体不连续, 气体以气泡 形式分布于土体孔隙中的高饱和度土。由于在准饱 和土中气体不独立, 在工程上考虑静力问题时将准 饱和土作为饱和土处理可能不会出现太大误差, 但 在动力学中, 一方面气体的存在将影响孔隙流体和

集中力引起的土颗粒的压缩系数;β为土骨架的排 水压缩系数; S 为流体混合物质量密 ρ ρ ρ f =S r w+ a a, 、 和 分别表示土颗粒、 水和气体的质量 度; ρ ρ s ρ w a 密度; k d 为土体动力渗透系数。 其中 φ 引入势函数 φ φ ψ s、 f和 ψ s、 f, s和 ψ s为 7 2 5

Δ Δ

Δ Δ

Δ Δ

Δ Δ

Δ

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 和ψ 为流体势函数。并对波动方 土骨架势函数, φ f f 程( 1 ) 求解并化简后可得准饱和土中压缩波和剪切 波的弥散方程为
4 2 [ 4 ]

7 ] 实测结果的对比, 计算中取频率 f =1 . 5 k H z , 献[ 剪切模量 G =9 0 0 MP a , 由图可知, 本文结果与文献 [ 7 ] 结果基本一致。




A( l ) +B( l ) +C =0 ω ω p/ p/ D( l / ) +C =0 ω s

( 2 ) ( 3 )

式中: A=λ M; +2 G ); λ λ+ L L =( B =( ′ -ρ ) M -η ( ′ M ); ρ μ+ρ μ λ μ μ f 2 L+
f C=η - D=- G; i b / ρ ρ ρ η η=ρ ω。 f 2; f- 由弥散方程可知, 准饱和土中存在三种体波, 两

个压缩波和一个剪切波, 根据式( 2 ) 和式( 3 ) 可求得 两个压缩波的波矢量 l l 从 1、 2 和剪切波波矢量 l s, 而得到三种体波的传播速度及衰减。 压缩波速度与衰减分别为: l I m ( l ) 1 j j - 1 =R e( ), Q j =1 , 2( 4 ) , j =2 V R e ( l ) ω j j 剪切波速度与衰减分别为: l I m ( l ) 1 s s - 1 =R e( ), Q s =2 V R e ( l ) ω s s ( 5 )
图1  波速与饱和度的理论与实测关系曲线

以上各式中下标 1 , 2和 s 分别对应于 P 波、 P 1 2 波和 S 波; “R e ( )” 和“I m( )” 分别表示对复数取 实部及虚部。

4  准饱和土中弹性波传播特性
本节将通过具体算例, 讨论准饱和土中各项参 数对波速的影响及相互作用关系, 并力求得到各种 影响结果在物理机制上的合理解释。主要参数列于 表 1中。
表1  准饱和土特性计算参数 基本量 土颗粒密度 / k g ·m
3 水密度 / k g ·m- - 3

符号 ρ s ρ w
- 3

数值 2 6 5 0 10 0 0 1 . 2 9 2 6 . 1
- 1 0 4 . 5x 1 0

气体密度 / k g ·m

ρ a G β w P 0
- 1

土骨架剪切模量 / MP a 水的压缩系数 / P a
- 1

绝对孔隙压力 / k P a 土颗粒压缩系数 / P a

1 0 0
- 1 1 2 . 8 x 1 0 - 1 2 2 . 8 x 1 0

β s β p

- 1 粒间应力引起的压缩系数 / P a

4 . 1  波传播与饱和度、 频率的关系 取准饱和土中孔隙率 n = 0 . 4 5, 泊松比 ν = - 4 - 2 0 . 2 3, 渗透系数 k 1 0 m/ s , 频率 f =1 0 ~ d =4× 1 0H z , 饱和度 S . 9 ~1 . 0。 r =0 图 1给出了本文理论计算结果与文献[ 6 ] 和文 7 2 6


图2  波速与频率和饱和度的关系曲线

如图 2所示, 为准饱和土中频率与饱和度对波 速影响的三维数值曲线。由图可见, 饱和度对压缩 波影响显著, 而对剪切波基本无影响。饱和度变化 主要影响土体的密度和孔隙流体压缩模量,P 波速 1

第七篇 汶川地震与工程抗震 度随饱和度的微量减小显著降并快速低至完全饱和 / 1 0 。饱和度在 0 . 9 9>S 0 . 9 5变化时 P 波 时的 1 r> 2 速度降低显著, 当S 0 . 9 5时, P 波速度约为完全 r < 2 饱和时的 1 / 3 。说明在饱和土中 P 波主要受流体控 1 制, P 波主要受土骨架控制, 而在准饱和土中刚好与 2 此相反, 主要是因为土骨架在饱和土中相对于水为 弱骨架而在准饱和土中相对于气水混合流体则为刚 性骨架。剪切波基本不受饱和度的影响, 说明了剪 切波主要反映土骨架特性的事实。 波在准饱和土中传播时, 频率对波速有重要影 P 波的频散度受饱和度影响显著, 随着饱和度的 响, 1 减小而迅速降低。当 0 . 9 5<S 0 . 9 9时, P 波的 r < 2 频散度随饱和度的减小而减小。准饱和土中 P 2波 仅在高频时才为真实波, 低频段由于孔隙流体和固 体骨架的高黏性耦合作用而无 P 2波传播。在准饱 和土中剪切波仍然为低频散波。 频率与饱和度对波衰减影响的三维数值曲线见 图3 。图中表明, 准饱和土中波的衰减受频率的影 响规律与饱和土中的情况基本一致。P 波和 S波衰 1 减存在一个明显的衰减峰值, 该峰值对应的频率与 B i o t 定义的特征频率(f n / 2 k ) 相一致。当 π ρ c =η f 频率离开特征频率, P 波和 S波衰减迅速减小。 P 1 2 波衰减随频率的增加而减小, 在低频段 P 波有很高 2 波和 S 波衰减。 的衰减, 远大于 P 1 饱和度对 P 波衰减影响显著, 在特征频率段随 1 着饱和度的减小, P 波衰减迅速减小, 而后略有增加。 1 P 波和 S 波衰减随饱和度的变化不大, 随着饱和度的 2 减小, P 波衰减略有增加而 S 波衰减略有减小。 2

5  汶川地震波传播特性浅析
2 0 0 8年 5月 1 2日发生在四川汶川的 8 . 0级特 大地震, 能量波及很广, 我国大部均有震感, 通过近 场地表破坏及房屋建筑破坏调查, 这次地震波传播 及地震破坏反映出如下特点: ( 1 ) 等震线呈狭长的 椭圆形, 地震波传至地表后在近河流地区沿短轴方 向能量衰减很快, 距离几百米以外, 地表破坏程度降 低显著; ( 2 ) 地表破坏以剪切波作用为主, 包括极震 3 ) 河流的减震作用 区建筑物均以剪切破坏为主; ( 明显, 主要反映了河流对地震波在地表传播的阻隔。 汶川地震中, 覆盖层薄, 河流密布, 近河流的土 层饱和度高, 对地表的地震波有较大的吸收作用, 分 析可推测土体的特征频率与地震波实际频率接近, 这两种因素的结合是地震波在地表传播迅速衰减的 重要原因。
图3  波衰减与频率和饱和度的关系曲线

6  结语
  本文全面分析了准饱和土中三种体波的传播特 性, 与试验研究进行了对比验证, 并讨论了汶川地震 中地震波的传播特点。研究表明:   ( 1 ) 在准饱和土中土骨架相对于气水混合流体 为刚性骨架, 饱和土中 P P 1波主要受流体控制, 2波 主要受土骨架控制, 而在准饱和土中刚好与此相反。 2 ) 饱和度对压缩波传播有显著影响, P ( 1波速 度随饱和度的微量减小显著降低; 饱和度在 0 . 9 9~ 0 . 9 5范围减小时, P 波速度降低明显。压缩波的频 2 散度随着饱和度的减小而降低; 剪切波速度和频散 度基本不受饱和度影响。 7 2 7

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 3 ) 地震波在高饱和土中传播且频率接近特征 ( 频率段时具有很高衰减特性, 汶川地震中波在地表 土层的高衰减现象是与理论分析相吻合的。 参考文献
[ 1 ]  A n d e r s o n , A . L . a n dL . D . H a m t o n . A c o u s t i c so f g a s- J ] . A ? b e a r i n gs e d i m e n t s I I . M e a s u r e m e n t sa n dm o d e l s[ c o u s t i c a l s o c i e t yo f A m e r i c a , 1 9 8 0 , 6 7 ( 6 ) : 1 8 6 5- 1 8 8 9 [ 2 ]  Y a n g , J . S a t u r a t i o nE f f e c t so f S o i l so nG r o u n dM o t i o na t J ] . J o u r n a l o f F r e eS u r f a c eD u et oI n c i d e n t S VWa v e s[ E n g i n e e r i n gM e c h a n i c s , 2 0 0 2 , 1 2 8 ( 3 ) : 1 2 9 5- 1 3 0 3 [ 3 ]  李保忠, 蔡袁强. 饱和度对横观各向同性准饱和多孔 介质中弹性波传播的影响[ J ] , 水利学报, 2 0 0 3 , ( 9 ) : 9 4- 1 0 1 [ 4 ]  周新民. 准饱和土波动特性及动力响应研究[ 博士学 位论文] [ D ] , 浙江, 浙江大学, 2 0 0 6 . [ 5 ]  N u r , A . , G . M a v k oa n dJ . D v o r k i ne t a l . C r i t i c a l p o r o s i t y : ak e yt or e l a t i n gp h y s i c a l p r o p e r t i e st op o r o s i t yi nr o c k s [ J ] . L e a d i n gE d g e , 1 9 9 8 , ( 1 7 ) : 3 5 7- 3 6 2 [ 6 ]  M u r p h y , W. F . I I I . E f f e c t s o f p a r t i a l w a t e r s a t u r a t i o no na t ? t e n u a t i o ni nM a s s i l o ns a n d s t o n ea n dV y c o rp o r o u sg l a s s [ J ] . J . A c o u s t . S o c . A m . , 1 9 8 2 , 7 1 ( 6 ) : 1 4 5 8- 1 4 6 8 [ 7 ]  Z h u p i n g , L . A c o u s t i cv e l o c i t ya n da t t e n u a t i o no f u n c o n s o l ? i d a t e ds a n d s- a ne x p e r i m e n t a la n dm o d e l i n gs t u d y [ D ] . P h Dd i s s e r t a t i o n , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , B e r k e l e y . ( 2 0 0 2 )

7 2 8

第七篇 汶川地震与工程抗震

预应力锚杆地震反应分析
姜朋明 盛欢 许为强 江苏科技大学土木工程学院, 镇江, 2 1 2 0 0 3 摘 要: 建立预应力锚杆和岩体共同作用的有限元分析模型, 输入实测地震波, 求解预应力锚杆在地震作用下的动 力响应。得到锚杆单元的主应力和锚固体与岩体接触剪应力的时程曲线。计算结果表明: 在地震作用下锚杆预应 力瞬时损失较大, 同静力情况相比接触剪应力变化也较大, 对被加固体稳定性有较大影响。 关键词: 岩石力学 预应力锚杆 地震 有限元 地震响应

1  引言
预应力锚杆加固技术已广泛应用于岩土加固工 程的各个领域, 它在改善岩土体的应力状态, 提高岩 土体的承载力和稳定性等方面的作用已为大量工程 实践所证实。 通过锚杆的作用, 实现边坡岩体条件的转化或 改造; 锚杆的锚固力改变了滑动面上的应力状态及 滑动稳定条件。一方面预应力锚固力为滑动面提供 了抗滑力, 这种抗滑力增量是锚固力沿滑动方向的 切线分量与法向分量所产生的抗滑力之和; 另一方 面锚杆本身的强度还可以提供一部分抗滑力, 这些 都使被锚固的潜在滑动体的稳定性得以提高。由于 锚杆的预应力作用, 可以有效地限制被锚固体的变 形量, 从而增加岩土体的稳定性。 预应力锚杆作用机理的研究非常复杂, 许多学 者开展锚固作用对岩土体的物理力学性质的影响和 锚杆与岩体( 土体) 之间的相互作用的研究
[ 1 ]~ [ 4 ]

2  计算原理
地下 结 构 的 地 震 反 应 是 一 个 瞬 态 动 力 学 问 题
[ 6 ] [ 7 ]

, 在动荷载作用下, 有限元体系在 t + t 时刻 Δ

的运动平衡方程为: M¨ u u u t + t +C? t + t +K t + t =F t + t Δ Δ Δ Δ 式中: M 为体系的总质量矩阵; C为体系的总阻 尼矩阵; K为体系的总刚度矩阵;u ¨ t + t为体系的节 Δ ? u 点加速度向量;u t + t为体系的节点速度向量; t + t Δ Δ 为体系的节点位移向量;F 此处 t + t为外荷载向量, Δ 为地震荷载向量, 可由基岩加速度确定。 l o u g h非比例阻尼矩 体系的总阻尼矩阵采用 C 阵, 即假设岩石与锚杆体系分别服从瑞利阻尼 : C =α M +β K 式中 α、 常数, 可按两种不同的振动频率下测 β 得的阻尼比 ξ 加以确定; 然后各阻尼矩阵组装成总 阻尼矩阵, 形成 C l o u g h非比例阻尼矩阵, 该阻尼矩 阵不可解耦, 只能采用逐步积分法求解。 e w m a r k-β法求解运动平衡方程, 本文采用 N 并取 γ =0 . 5,β =0 . 2 5, 从而确保积分无条件稳 定。在积分时间步长 Δ t =T 1 0 0时( T 为体系 m a x/ m a x 的最大周期) , 能得到较满意的结果。



对于永久边坡, 锚杆作用的长期效应及动载效应对 边坡稳定性将产生较大的影响。在动力荷载( 如爆 破产生的冲击波、 地震) 等作用下的锚杆受力性能以 及锚杆和被锚固体的相互作用关系研究的比较少。 有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定性评价 中应用最早的方法之一, 可以用来求解弹性、 弹塑 性、 黏弹塑性、 黏塑性等问题, 可以考虑边坡岩体的 非均质和不连续性, 可以得到岩体的应力、 应变大小 和分布, 可以模拟锚杆和岩体的共同作用
[ 5 ]

3  数值模拟
3 . 1  有限元计算模型 预应力锚固体系由外锚头、 锚索体( 也称自由 段或张拉段) 和内锚固段组成。预应力一方面通过 外锚头作用于岩体表面, 另一方面通过锚索内锚固 段与岩体之间的砂浆黏结作用于岩体, 其结果使锚 杆同岩体成为多种介质相互作用的复合体。 3 . 1 . 1  几何模型 0m× 4 0m× 4 0m 的立 锚固体的计算模型取 4 方块, 锚 索 布 置 在 模 型 的 中 心。锚 索 采 用 Φ 2 8× 7 2 9

, 根据

应力、 应变规律去分析边坡的变形破坏机制。 本文在考虑拉力型锚杆和边坡的相互作用基础 上, 构建有限元模型, 输入实测地震波, 对锚杆的地 震反应进行分析。

第三届全国岩土与工程学术大会论文集 1 1 0 0 0 m m , 孔径 1 1 0 m m , 内锚固段长度为 3m , 外锚 头混凝土垫墩的作用简化为岩体表面的分布力, 内 锚固段锚索采用杆单元模拟, 自由段锚索则简化为 内锚段端部的集中力。靠近外锚头的岩体表面为自 由面, 中部 0 . 5m半径范围内作用有垂直方向的均 布力, 均布力的大小根据预应力锚索不同的张拉力 来确定; 其他部位的岩体表面均采用法向约束条件。
8 ] 岩体采用 8节点的六面体单元模拟 [ 。

3 . 2  输入地震波 荷载是以地震加速度时程方式输入, 分析中采
6 ] 用了实测甘肃省玉门地震加速度 [ , 如图 2所示。 2 地震波的最大振幅为 1 . 0 m/ s , 相当于烈度为 7度

的地震。

3 . 1 . 2  锚索模拟 锚索的轴向行为特性采用一维杆模型描述, 轴 向刚度 K由下式给出: K= A E L
图2  玉门实测地震波

式中: A为杆单元的横截面积, K为弹性模量, L 为杆单元的长度。 3 . 1 . 2  接触界面力学模型
[ 9 ]

3 . 3  计算参数
表1  材料的力学参数 材料 岩体 砂浆 锚索 弹性模量 / M P a
4 1 . 2 x 1 0 4 2 . 3 x 1 0

在锚固段和岩体之间, 采用弹簧 -滑块系统来 描述锚杆、 砂浆及岩体之间的相互作用关系, 如图 1 所示。该模型反映了锚杆与岩体界面( 浆体) 之间 的剪切特性。界面之间可能产生的最大剪切力取决 于浆体的剪切刚度, 单位厚度浆体的剪切刚度 k 由 g 下式给出: k g = 2 G π l n( 1+2 t / D )

泊松比 0 . 3 0 . 2 0 . 2

重度 / 黏聚力 / 内摩擦角 / 3 M P a ( ° ) k N/ m 2 4 . 5 2 5 . 0 7 8 . 0 0 . 4 1 . 5 3 0 1 2

2 . 0 x 1 0



4  锚杆地震反应分析
4 . 1  预应力作用下锚杆应力 为了便于比较, 首先利用上述模型对锚固段锚 杆轴向应力和锚固体与岩体之间的摩擦应力分布进 行了计算。图 3 、 图 4分别为 1 0 0 k N预应力作用下, 锚固体中心轴向应力和接触面剪应力分布。

G为浆体的剪切模量; t 为浆体环的厚度: 式中: D为钢筋索的直径。

图1  锚杆的接触面力学模型

浆体界面的剪应力 τ g 可按下式求得: τ g = G u Δ ( D/ 2+t )l n( 1+2 t / D )
图3  锚固体中心轴向应力曲线

为浆体与岩体间的相对位移, 其他符 式中: △u 号同前。浆体单位长度所能承受的最大剪应力由下 列公式确定:
m a x F L=( c a nφ ) ·p s / g +σ mt g s

4 . 2  锚杆应力动力响应 现在取距锚固段底 1 . 5 m 处的锚索截面为研究 对象, 计算其在地震作用下的动力响应。其时程曲 线如图: 预应力锚杆在地震作用下, 锚杆应力变化较大, 预应力瞬时损失大, 最小值不到静力解的一半。剪 应力波动相对呈周期性, 较有规律性。 由于锚杆轴向应力, 锚杆和岩体的摩擦力在地

式中: c 、 φ g g 分别为浆体的黏结强度和摩擦角, p 为浆体与锚单元或岩体接触的实际周长, σ s m 为有 效围压。界面材料特性假定为理想弹塑性, 采用莫 库仑准则作为屈服准则。 尔- 7 3 0

第七篇 汶川地震与工程抗震 应, 也可根据需要求得其它岩体和锚杆单元的时程 曲线。通过构建合理模型也可直接计算加固体稳定 性的动力响应。 ( 2 ) 通过进一步计算得知, 增加预应力、 锚固体 直径和锚固段长度等, 对提高岩体抗震稳定性将有 较大作用。 ( 3 ) 对于预应力锚杆作用机理和抗震效应的研
图4  接触剪应力曲线

究非常复杂, 本文重点研究锚杆在地震作用下动力 响应, 最终还需要对加固效果进行研究, 尚有大量工 作要做。 参考文献
[ 1 ]  何思明, 李新波. 预应力锚杆作用机理研究[ J ] , 岩石 2 0 0 6 , 2 5 ( 9 ) : 1 8 7 6- 1 8 8 0 力学与工程学报, [ 2 ]  贾金庆, 郑卫锋. 预应力锚杆柔性支护技术数值分析 [ J ] , 岩石力学与工程学报, 2 0 0 5 , 2 4 ( 2 1 ) : 9 8 2- 9 8 7 [ 3 ]  陈建功, 张永兴, 李英民. 完整锚杆低应变动力响应问 J ] . 世 界 地 震 工 程, 2 0 0 4 , 2 0 题的半 解 析 解 及 分 析 [ ( 3 ) : 5 6- 6 1 [ 4 ]  汪明武, 王鹤龄. 锚固质量的无损检测技术[ J ] . 岩石 力学与工程学报, 2 0 0 2 . 2 1 ( 1 ) : 1 2 6- 1 2 9 [ 5 ]  朱亚林, 孔宪京. 深基坑预应力锚杆柔性支护的非线 J ] , 岩土力学, 2 0 0 5 , 2 6 ( 2 ) : 3 2 3- 3 2 7 性有限元分析[ [ 6 ]  高峰, 石玉成, 韦凯, 秋仁东. 锚杆加固对石窟地震反 应的影响[ J ] . 世界地震工程, 2 0 0 6 , 2 2 ( 2 ) [ 7 ]  胡聿贤. 地震工程学[ M] . 北京: 地震出版社, 1 9 8 8

图5  锚杆应力时程曲线

图6  接触剪应力时程曲线

[ 8 ]  董涛. 预应力锚杆锚固段应力计算模型研究[ 硕士学 位论文] [ D ] . 镇江: 江苏科技大学, 2 0 0 7 [ 9 ]  丁秀丽, 盛谦, 韩 军, 等. 预应力锚索锚固机理的数值 模拟试 验 研 究 [ J ] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 2 0 0 2 , 2 1 ( 7 ) : 9 8 0- 9 8 8

震作用下的变化, 将严重影响被加固体的稳定性, 在 设计时应引起高度重视, 特别是在永久加固体中。

5  结语
  ( 1 ) 本文重点讨论锚杆在地震作用下动力响

7 3 1

第三届全国岩土与工程学术大会论文集

江西地震岩土工程地质研究与防灾展望 — — —兼谈汶川大地震对江西今后抗震救灾的启示
熊孝波1 桂国庆1 许建聪2 王宝军3 马淑芝4 赵其华5 1 . 井冈山大学工学院, 吉安, 3 4 3 0 0 9 , 2 . 同济大学土木学院, 上海, 2 0 0 0 9 2 , 3 . 南京大学地球科学系, 南京, 2 1 0 0 9 3 , 4 . 中国地质大学工程学院, 武汉, 4 3 0 0 7 4 , 5 . 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, 6 1 0 0 5 9 摘 要: 江西省南部地处华南沿海地震带, 主要受河源 - 邵武断裂带与南岭纬向构造带控制; 北部地处长江中游地 庐江断裂带和扬州 - 铜陵断裂带控制, 地质构造复杂, 新构造及现代构造运动活跃, 历史上曾 震带, 主要受郯城 - 多次发生破坏性地震。江西地质构造复杂, 根据现有地质资料, 省内计有 4条大断裂带和 1 4条小断裂带, 有多组 断裂相互交汇, 第四纪以来部分断裂仍有活动, 具有发生破坏性地震的背景。根据国家标准《 中国地震动参数区划 图》 G B 1 8 3 0 6- 2 0 0 1和《 江西省地震动参数区划工作用图》 的规定, 江西省抗震设防区及省地震重点监视防御区共 涉及 8个设区市的 4 3个县( 市) 。寻乌县、 会昌县抗震设防烈度为 7度, 设计基本地震加速度值为 0 . 1 0 g ; 永修县、 丰城市、 于都县等为省地震重点监视防御区县( 市) 。归纳和分析了砌体结构房屋的震害特征及原因, 提出了相应 0 0 8年 5月 1 2日的汶川大地震做到了一系列的实时现 的抗震措施及我国村镇房屋在防震减灾方面的具体建议。2 场抗震救灾措施, 从而减少了大量的伤亡和损失。瑞昌—九江地震中, 死亡人员无避震常识, 都是被房屋倒塌掩埋 而死。今后, 应加强防震减灾知识、 灾害自救互救常识普及教育, 提高公众应对突发事件的心理能力。深入开展村 镇房屋有关抗震理论和技术研究, 接受科学建房思想, 逐步提高乡镇和农村房屋的抗震能力。 关键词: 江西省 九江 - 瑞昌 地震工程 工程地质 防灾区划

1  江西省区域地质概况
1 . 1  地壳结构 江西省地壳结构主要通过区域重力数据反演和 人工爆炸地震观测计算分析得到。其中以人工爆炸 地震观测获得地壳结构比较精确。根据 1 9 7 8年江 西永平千吨级工业爆破及 2 0世纪 8 0年代石城) 古 雷等人工爆破地震观测结果, 揭示江西地壳具大陆 型三层( 速度) 结构。上地壳由沉积岩、 变质岩和花 1~1 3 k m 。下 界 面 速 度 为 岗岩组 成。地 壳 厚 度 1 6 . 0 2~ 6 . 0 3 k m/ s , 底界面西深东浅。中地壳由花岗 岩和高角闪岩相、 麻粒岩相变质岩石组成( 称硅铝 2~1 4 k

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第三届全国岩土与工程学术大会将在成都召开_论文.pdf
第三届全国岩土与工程学术大会将在成都召开 - 为了充分交流我国岩土与工程领域所取得的成就,共同面对西部的机遇与挑战,全面推动岩土与工程领域的科技进步,中国地质...
第三届全国岩土与工程学术大会_图文.ppt
第三届全国岩土与工程学术大会 - 隧道高压突涌水实时预报预警 与辅助决策系统及其
751-第三届全国岩土与工程学术大会.pdf
751-第三届全国岩土与工程学术大会 - 第三届全国岩土与工程学术大会 GeoE
上部土钉墙_下部桩锚支护结构整体计算模型研究.pdf
[ 2] 李曼, 涂杰楠. 桩锚与土钉墙联合支护锚杆深部平 马平, C]/ / 第三届全国岩土与工程学术大会 面滑动失稳分析[ 论文集. 北京: 中国科学院地质与...
第三届全国岩土与工程学术大会2009年6月11日召开_论文.pdf
第三届全国岩土与工程学术大会2009年6月11日召开 - 据悉第三届全国岩土与工程学术大会(GeoEng China 2009)将于2009年6月11日在四川成都召开。本次会议主办单位...
第四届全国岩土与工程学术大会会议纪要_图文.pdf
第四届全国岩土与工程学术大会会议纪要 - 第四届全国岩土与工程学术大会会议纪要 第四届全国岩土与工程学术大会于 2013 年 11 月 4 日-5 日在浙江杭州举行, ...
岩土地震工程学习总结.doc
岩土工程学等学科的相关知识,主要研 究地震动作用下岩土截至中的弹性波、土动力特性与本构关系、场地地震效应、 地基抗震技术、土与结构动力相互作用、地下工程抗震...
2011建筑抗震设计规范GB50011_2010_疑问解答2_图文.pdf
( 中国建筑科学研究院工程抗震研究所, 北京 100013 ...地震出版社, 第三届全国建筑结构技术交流会征文通知...会议论文经过学术委员 计与施工技术中 的热点、难点...
第十二届土力学及岩土工程学术大会-特邀报告摘要.pdf
第十二土力学及岩土工程学术大会-特邀报告摘要_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。第十二土力学及岩土工程学术大会论文集-特邀报告摘要 ...
第四届全国岩土工程学术大会在杭州召开_论文.pdf
第四届全国岩土工程学术大会在杭州召开_建筑/土木_工程科技_专业资料。21(6)
环境岩土工程分会简报第一期pdf_图文.pdf
岩土工程抗震设计趋势国际工作站会议在南京召开 第...汶川地震紫坪铺大坝地震受损 美国密西西比河爆发特...学术会议信息第二届全国环境岩土工程与土工...
第二届全国岩土与工程学术大会_图文.pdf
第二届全国岩土与工程学术大会 - 第二届全国岩土与工程学术大会 (第一号通知. 征集论文) 会议主题及议题 会议以科学发展为指导,主要研讨岩土与工程的理 论、...
水电学秘字[2006]第39号.pdf
第三届全国水工抗震防灾学术交流会(第一轮会议通知...热诚欢迎全国水工、岩土地震工程的设计、 科研、...会议将由 中国水利水电出版社正式出版论文集(论文...
第九届全国土动力学学术会议_图文.pdf
中国力学学会岩土力学专业委员会? 中国地震学会地震工程专业委员会? 中国建筑学会...第九届全国土动力学学术会议立足于交流近年 来我国土动力学、岩土工程抗震领域...
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