Three⁃Dimensional Seismic Ground Motion IBEM Simulation of Mountain⁃Sedimentary River Valley in Chengguan Town, Wen County, Gansu Province

LIU Zhongxian; LU Feilong; BIAN Yukai; HUANG Zhenen

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20241005001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Three⁃Dimensional Seismic Ground Motion IBEM Simulation of Mountain⁃Sedimentary River Valley in Chengguan Town, Wen County, Gansu Province

更新时间：2025-03-10

- Three⁃Dimensional Seismic Ground Motion IBEM Simulation of Mountain⁃Sedimentary River Valley in Chengguan Town, Wen County, Gansu Province
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 1, Pages: 1-12(2025)
- 作者机构：
  
  1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384
  2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384
  3.天津大学建筑工程学院，天津 300354
  4.北京构力科技有限公司，北京 100013
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20241005001
  CLC： TU443
- Received：05 October 2024，
  
  Revised：2024-12-02，
  
  Published：15 February 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
刘中宪,卢飞龙,边煜凯等.甘肃文县城关镇山体‑沉积河谷三维地震动IBEM模拟[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):1-12.

LIU Zhongxian,LU Feilong,BIAN Yukai,et al.Three⁃Dimensional Seismic Ground Motion IBEM Simulation of Mountain⁃Sedimentary River Valley in Chengguan Town, Wen County, Gansu Province[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):1-12.
刘中宪,卢飞龙,边煜凯等.甘肃文县城关镇山体‑沉积河谷三维地震动IBEM模拟[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):1-12. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241005001.

LIU Zhongxian,LU Feilong,BIAN Yukai,et al.Three⁃Dimensional Seismic Ground Motion IBEM Simulation of Mountain⁃Sedimentary River Valley in Chengguan Town, Wen County, Gansu Province[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):1-12. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241005001.

摘要

针对镇域尺度甘肃文县城关镇山体‑沉积河谷三维地震动模拟问题，利用边界元法求解无限域弹性波动问题时降维和自动满足弹性波无限远辐射的优势，将间接边界元法拓展到城关镇山间河谷场地三维地震动模拟。根据钻孔资料及高精度地形数据建立三维精细化模型，以平面P波和SV波作为输入，在频域内分析了城关镇山间河谷地形对地震动的放大效应。为提高计算效率，在计算耗时严重的散射波场构造和虚拟荷载求解部分采用OpenMP（Open Multi‑Processing）并行编程，并通过与半解析解对比验证了方法的准确性。城关镇的模拟结果表明：（1）沉积河谷和山体均会放大地震动，但沉积河谷的放大效应更为明显，在P波入射下，沉积河谷和山体观测点的位移放大系数（地震动位移与入射波位移幅值的比值）最大值分别为19.64和3.66，SV波入射下则为14.13和3.48；（2）两侧山体对地震波的反射会加剧山间河谷的边缘效应，河谷边缘的地震动放大系数最大可达19.64；（3）沉积河谷地震动的空间分布随频率变化明显，随着频率的升高，强震区从河谷中心逐渐往边缘转变。研究可为此类场地的地震区划和抗震设防提供一定参考。

Abstract

This study aims to address the issue of the three-dimensional seismic motion simulation for the mountain-sedimentary river valley in Chengguan Town

Wen County

Gansu Province

at the town scale. By leveraging the advantages of boundary element method in reducing dimensionality and automatically satisfying far-field radiation condition for elastic waves when solving elastic wave propagation problems in an infinite domain

the indirect boundary element method (IBEM) was extended to simulate the three-dimensional seismic ground motion in the mountainous and river valley sites of Chengguan Town. Based on the drilling data and high-precision terrain data

a three-dimensional refined model was established. Plane P waves and SV waves were used as inputs to analyze the amplification effect of the mountain river valley terrain in Chengguan Town on the seismic motion in the frequency domain. In order to improve calculation efficiency

OpenMP (Open Multi-Processing) parallel programming was used in the time-consuming processes of constructing the scattered wavefield and solving virtual loads. The accuracy of the method was verified by comparison with the semi-analytical solutions. The simulation results of Chengguan Town showed that: (1) both the sedimentary river valleys and the mountains amplified seismic motion

but the amplification effect in the sedimentary river valleys was more pronounced. Under P wave incidence

the maximum displacement amplification coefficients (the ratio of seismic motion displacement to incident wave displacement amplitude) at observation points in the sedimentary river valleys and the mountains were 19.64 and 3.66

respectively

while under SV wave incidence

they were 14.13 and 3.48

respectively. (2) The reflection of the seismic waves by the mountains on both sides would aggravate the edge effect of the mountain river valley

with the maximum seismic motion amplification coefficient at the edge of the river valley reaching 19.64. (3) The spatial distribution of seismic motion in the sedimentary river valleys varied significantly with frequency. As the frequency increased

the strong seismic zone gradually shifted from the river valley center to the edge. The findings can provide certain reference for seismic zoning and earthquake-resistant design for such sites.

关键词

Keywords

references

薄景山，齐文浩，刘红帅，等 . 汶川特大地震汉源烈度异常原因的初步分析［J］. 地震工程与工程振动， 2009 ， 29 （ 6 ）： 53 - 64 .

Bo J S ， Qi W H ， Liu H S ， et al . Abnormality of seismic in tensity in Hanyuan during Wenchuan earthquake ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2009 ， 29 （ 6 ）： 53 - 64 . （in Chinese）

齐文浩，王振清，薄景山，等 . 汶川地震汉源县城震害分布与场地反应分析［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2020 ， 41 （ 3 ）： 383 - 389 .

Qi W H ， Wang Z Q ， Bo J S ， et al . Study on earthquake disaster distribution and site response of Hanyuan abnormal intensity during the Wenchuan earthquake ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 383 - 389 . （in Chinese）

袁丽侠 . 场地土对地震波的放大效应［J］. 世界地震工程， 2003 ， 19 （ 1 ）： 113 - 120 .

Yuan L X . The amplifying effect of ground soil to earthquake wave ［J］. World Earthquake Engineering ， 2003 ， 19 （ 1 ）： 113 - 120 . （in Chinese）

王亚勇，皮声援 . 台湾9·21大地震特点及震害经验［J］. 工程抗震， 2000 （ 2 ）： 42 - 46，2 .

Wang Y Y ， Pi S Y . The Sep.21 of 1999 great Taiwan earthquake： main features and building damges ［J］. Engineering Seismic ， 2000 （ 2 ）： 42 - 46，2 . （in Chinese）

唐晖，李小军，李亚琦 . 自贡西山公园山脊地形场地效应分析［J］. 振动与冲击， 2012 ， 31 （ 8 ）： 74 - 79 .

Tang H ， Li X J ， Li Y Q . Site effect of topograghy on ground motions of Xishan park of Zigong city ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2012 ， 31 （ 8 ）： 74 - 79 . （in Chinese）

高玉峰 . 河谷场地地震波传播解析模型及放大效应［J］. 岩土工程学报， 2019 ， 41 （ 1 ）： 1 - 25 .

Gao Y F . Analytical models and amplification effects of seismic wave propagation in canyon sites ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2019 ， 41 （ 1 ）： 1 - 25 . （in Chinese）

刘启方，于彦彦，章旭斌 . 施甸盆地三维地震动研究［J］. 地震工程与工程振动， 2013 ， 33 （ 4 ）： 54 - 60 .

Liu Q F ， Yu Y Y ， Zhang X B . Three-dimensional ground motion simulation for Shidian basin ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2013 ， 33 （ 4 ）： 54 - 60 . （in Chinese）

巴振宁，赵靖轩，吴孟桃，等 . 基于逆断层动力学模型的三维山体地震动谱元法模拟［J］. 地震工程与工程振动， 2021 ， 41 （ 3 ）： 32 - 42 .

Ba Z N ， Zhao J X ， Wu M T ， et al . Three-dimensional ground motion spectral element method simulation based on inverse fault dynamics model ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 32 - 42 . （in Chinese）

刘中宪，武凤娇，王冬 . 沉积盆地-山体耦合场地对平面P波、SV波和Rayleigh波的二维散射分析［J］. 工程力学， 2016 ， 33 （ 2 ）： 160 - 171 .

Liu Z X ， Wu F J ， Wang D . Two dimensional scattering analysis of plane P， SV， and Rayleigh waves by coupled alluvial basin-mountain terrain ［J］. Engineering Mechanics ， 2016 ， 33 （ 2 ）： 160 - 171 . （in Chinese）

卢育霞，刘琨，王良，等 . 基于台阵记录的土层山体场地效应分析［J］. 地震学报， 2017 ， 39 （ 6 ）： 941 - 954 .

Lu Y X ， Liu K ， Wang L ， et al . Site effect of unconsolidated soil hill based on seismic array records ［J］. Acta Seismologica Sinica ， 2017 ， 39 （ 6 ）： 941 - 954 . （in Chinese）

梁瑞锋 . 白水江流域滑坡地质灾害危险性评价研究［D］. 成都：成都理工大学， 2017 .

Liang R F . Hazard assessment of landslide geological disaster in Baishui river basin ［D］. Chengdu ： Chengdu University of Technology ， 2017 . （in Chinese）

Liu Z X ， Zhou T ， Meng S B ， et al . 2-D FM-IBEM Simulation of broadband ground motions on near-fault mountain-valley coupling site ［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements ， 2022 ， 145 ： 224 - 241 .

章小龙，李小军，周正华，等 . 武都盆地效应三维有限元数值模拟［J］. 振动工程学报， 2018 ， 31 （ 5 ）： 811 - 820 .

Zhang X L ， Li X J ， Zhou Z H ， et al . Three-dimensional simulations of seismic-wave propagation in the Wudu basin with realistic topography based upon the finite-element method ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2018 ， 31 （ 5 ）： 811 - 820 . （in Chinese）

Zhang W ， Shen Y ， Chen X . Numerical simulation of strong ground motion for the M s 8.0 Wenchuan earthquake of 12 May 2008 with realistic surface topography ［J］. American Geophysical Union ， 2008 ， 36 （ 3 ）： 424 - 427 .

于彦彦，芮志良，丁海平 . 三维局部场地地震波散射问题谱元并行模拟方法［J］. 力学学报， 2023 ， 55 （ 6 ）： 1342 - 1354 .

Yu Y Y ， Rui Z L ， Ding H P . Parallel spectral element method for 3D local-site ground motion simulation of wave scattering problem ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2023 ， 55 （ 6 ）： 1342 - 1354 . （in Chinese）

Sánchez-Sesma F J ， Campillo M . Topographic effects for incident P， SV and Rayleigh waves ［J］. Tectonophysics ， 1993 ， 218 （ 1-3 ）： 113 - 125 .

Wong H L . Effect of surface topography on the diffraction of P， SV， and Rayleigh waves ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1982 ， 72 （ 4 ）： 1167 - 1183 .

Sanchez-Sesma F J ， Luzon F . Seismic response of three-dimensional alluvial valleys for incident P， S， and Rayleigh waves ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1995 ， 85 （ 1 ）： 269 - 284 .

刘中宪，刘佳乔，黄磊 . 近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射［J］. 防灾减灾工程学报， 2020 ， 40 （ 4 ）： 556 - 565，605 .

Liu Z X ， Liu J Q ， Huang L . Scattering of plane SH wave by lining tunnel in near fault site ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2020 ， 40 （ 4 ）： 556 - 565，605 . （in Chinese）

张健飞，姜弘道 . 适合于求解边界元方程组的GMRES算法的实用化和并行化研究［J］. 计算力学学报， 2004 ， 21 （ 5 ）： 620 - 624 .

Zhang J F ， Jiang H D . Study on the utilization and parallelization of the GMRES algorithm for BEM systems solution ［J］. Computational Mechanics ， 2004 ， 21 （ 5 ）： 620 - 624 . （in Chinese）

严成增，郑宏，孙冠华，等 . 基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法［J］. 岩土力学， 2014 ， 35 （ 9 ）： 2717 - 2724 .

Yan C Z ， Zheng H ， Sun G H ， et al . Parallel analysis of two-dimensional finite-discrete element method based on OpenMP ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2014 ， 35 （ 9 ）： 2717 - 2724 . （in Chinese）

Mossessian T K ， Dravinski M . Amplification of elastic waves by a three dimensional valley. Part 1： Steady state response ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 1990 ， 19 （ 5 ）： 667 - 680 .

刘中宪，尚策，王小燕，等 . 三维沉积盆地对地震动的放大效应——间接边界元法模拟［J］. 地震学报， 2017 ， 39 （ 1 ）： 111 - 131，155 .

Liu Z X ， Shang C ， Wang X Y ， et al . Simulation on the amplification effect of a three-dimensional alluvial basin on the earthquake ground motion using the indirect boundary element method ［J］. Acta Seismologica Sinica ， 2017 ， 39 （ 1 ）： 111 - 131，155 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Amplification Effect Analysis of Substructure on Seismic Response of Large⁃Span Spatial Hub Structure

Related Author

Zhongxian LI

Yingying WU

Yang DING

Yundong SHI

Liang ZONG

Related Institution

Key Laboratory of Coast Civil Structures Safety of Ministry of Education, Tianjin University

⁰