川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.020

现代地质 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (01): 38-46.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.020

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

权雪瑞¹(), 黄靥欢¹, 刘春¹(), 郭长宝²

1. 南京大学地球科学与工程学院 ,江苏南京 210023
2. 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081

收稿日期:2020-05-05 修回日期:2020-07-15 出版日期:2021-02-12 发布日期:2021-03-12
通讯作者: 刘春
作者简介:刘春,男,副教授,硕士生导师,1984年出生,地质工程专业,主要从事计算工程地质领域研究。Email: chunliu@nju.edu.cn。
权雪瑞,女,硕士研究生,1997年出生,地质工程专业,主要从事工程地质数值模拟研究。Email: quanxr@smail.nju.edu.cn。
基金资助:
中国地质调查局地质调查项目(DD20190319);国家自然科学基金项目(41761134089);国家自然科学基金项目(41977218);江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(RJFW-003)

Numerical Simulation Study on Seismic Magnification Effect of V-shaped Deep-cut Valley on Sichuan-Tibet Railway Line

QUAN Xuerui¹(), HUANG Yehuan¹, LIU Chun¹(), GUO Changbao²

1. School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210023,China
2. Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China

Received:2020-05-05 Revised:2020-07-15 Online:2021-02-12 Published:2021-03-12
Contact: LIU Chun

摘要/Abstract

摘要：

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。

关键词: 离散元, 地震波, 河谷放大效应, 数值模拟, MatDEM, 深切河谷, 川藏铁路

Abstract:

V-shaped river valleys can produce ground motion amplification effects, and aggravate the destructive and disaster effects of earthquakes. Based on the high-performance discrete element software MatDEM, a numerical simulation study on the amplification effect of regular V-shaped valleys and real valley topography is carried out. The results show that for regular V-shaped valleys, when seismic waves are incident horizontally, the back-wave slope produces an obvious amplification effect of ground motion acceleration, and it is most intense near the valley bottom. The amplification effect increases as the valley slope angle increases. The numerical simulation results are consistent with analytical solutions in the trends and patterns, and agree with the field observation. The model is further applied in the analysis of the Rizha deep-cut valleys. It is found that small turning would affect wave propagation, and the acceleration amplification effect near the valley bottom is basically consistent with that of regular terrains. The discrete element method can effectively simulate the propagation, reflection, and scattering of seismic waves in river valleys. It can also be used for the analysis of dynamic and disaster effects under the complex conditions along the Sichuan-Tibet railway line.

Key words: discrete element, seismic wave, valley amplification effect, numerical simulation, MatDEM, deep-cut valley, Sichuan-Tibet railway

中图分类号:

P642

权雪瑞, 黄靥欢, 刘春, 郭长宝. 川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟[J]. 现代地质, 2021, 35(01): 38-46.

QUAN Xuerui, HUANG Yehuan, LIU Chun, GUO Changbao. Numerical Simulation Study on Seismic Magnification Effect of V-shaped Deep-cut Valley on Sichuan-Tibet Railway Line[J]. Geoscience, 2021, 35(01): 38-46.

图/表 13

图1 堆积颗粒离散元模型

Fig.1 Stacked particle discrete element models

表1 天然岩心宏观物理力学性质

Table 1 Macroscopic physical and mechanical properties of natural core

材料类型	纵波波速V_p/ (km/s)	横波波速V_s/ (km/s)	杨氏模量 E/GPa	泊松比λ	剪切模量 G/GPa	体积模量 K/GPa	密度 $ρ$ / (kg/m³)
岩石	5.234 5	3.364 8	61.635 7	0.147 9	26.846 9	29.178 2	2 371

表1 天然岩心宏观物理力学性质

Table 1 Macroscopic physical and mechanical properties of natural core

材料类型	纵波波速V_p/ (km/s)	横波波速V_s/ (km/s)	杨氏模量 E/GPa	泊松比λ	剪切模量 G/GPa	体积模量 K/GPa	密度 $ρ$ / (kg/m³)
岩石	5.234 5	3.364 8	61.635 7	0.147 9	26.846 9	29.178 2	2 371

表2 离散元模型的平均单元参数

Table 2 Average element mechanical parameters of the discrete element model

材料类型	切向刚度K_s/(kN/m)	法向刚度K_n/(kN/m)	断裂位移X_b/m	抗剪力F_s0 /GN	摩擦系数μ_p	单元半径/m	总单元数
岩石	22.5×10⁶	61.7×10⁶	7.82×10^-8	5.04	0.12	5	107 186

图2 V形河谷模型(a)和河谷中监测点位置(b)

Fig.2 V-shaped valley model(a) and location of the monitoring point in the valley(b)

图3 河谷中侧向正弦P波入射时X轴向速度场

Fig.3 X-axis velocity field of a laterally incident sine wave in the river valley

图4 水平入射时不同坡角河谷中不同位置的放大系数

Fig.4 Magnification factor of different positions in the river valley with different slope angles under horizontally incident wave

图5 不同频率水平入射时河谷各位置的加速度最大值绝对值

Fig.5 Absolute value of maximum acceleration at different positions of the river valley under horizontal incidence of different frequencies

图6 日扎河谷区域地质构造剖面图[26]

Fig.6 Geological and structural profile of the Rizha river valley[26]

图7 边坡模型 (a)整体模型;(b)监测点

Fig.7 Slope model

图8 规范反应谱

Fig.8 Standard response spectrum

图9 人工合成地震波 (a)加速度时程曲线;(b)位移时程曲线

Fig.9 Artificial synthetic seismic wave

图10 不同时刻河谷X轴方向速度场

Fig.10 X-direction velocity field in the river valley at different time

图11 地震加载至2.88 s时刻河谷X轴方向加速度放大系数

Fig.11 X-direction acceleration magnification factor of the river valley when the earthquake loaded to 2.88 s

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川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

Numerical Simulation Study on Seismic Magnification Effect of V-shaped Deep-cut Valley on Sichuan-Tibet Railway Line

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