大壩強(qiáng)震動(dòng)響應(yīng)參數(shù)放大效應(yīng)研究

，　，

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)，貴州 都勻　558000；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng)　550025； 3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)　550081)

1　研究背景

大壩是水電工程的一級(jí)建筑物，具有重要的擋水功能，安全系數(shù)要求較高，大壩在地震條件下的安全直接關(guān)系到下游沿岸整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的安全，安全作用和社會(huì)影響意義重大。隨著我國(guó)對(duì)水利電力資源的開(kāi)發(fā)、對(duì)大壩安全的重視以及強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以研究大壩在強(qiáng)震動(dòng)條件下的反應(yīng)特征為目的而開(kāi)展的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為相關(guān)法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。

強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)是用專(zhuān)門(mén)的儀器記錄強(qiáng)震作用下工程結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地的地震反應(yīng)，為評(píng)估水工建筑物安全而進(jìn)行的監(jiān)測(cè)。自1932年世界上第一個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)以來(lái)，在數(shù)據(jù)處理方面，徐宏林等[1]提出選擇低頻截止頻率對(duì)強(qiáng)震記錄處理方法進(jìn)行改進(jìn)；許亮華等[2]在前人的基礎(chǔ)上從工程應(yīng)用角度詳細(xì)介紹了現(xiàn)階段較為準(zhǔn)確的加速度處理分析的方法原理，并將其應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)資料分析中。相關(guān)研究學(xué)者[3-4]借助地震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，系統(tǒng)研究了地震作用下巖質(zhì)高陡邊坡動(dòng)力特性的影響因素，如坡面角度、地震烈度、地震波輸入類(lèi)型、坡體類(lèi)型以及局部坡體性態(tài)等，也有對(duì)爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)的研究[5-6]、計(jì)算巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)穩(wěn)定性[7]，但鮮有在壩體上開(kāi)展高程放大效應(yīng)研究工作。

本文以大壩在強(qiáng)震作用下沿高程的反應(yīng)特征為切入點(diǎn)，基于某水電站大壩完整的加速度記錄，對(duì)大壩在強(qiáng)震作用下不同高程處測(cè)點(diǎn)記錄的加速度時(shí)程反應(yīng)，進(jìn)行大壩強(qiáng)震響應(yīng)參數(shù)特征的高程放大效應(yīng)研究，剖析大壩在強(qiáng)震作用下響應(yīng)參數(shù)與高程的關(guān)系。

2　工程概況

水電站樞紐工程規(guī)模為二等大(2)型，攔河壩和泄洪系統(tǒng)為1級(jí)建筑物，最大壩高150 m，大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程于2011年11月份完成建設(shè)并開(kāi)始正常監(jiān)測(cè)。

工程區(qū)地處云貴高原東南部，在大地構(gòu)造上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔南臺(tái)陷、望謨北西向構(gòu)造變形區(qū)北部，主要構(gòu)造形跡為褶皺和裂隙，區(qū)內(nèi)裂隙多為60°～70°陡傾角，剪性構(gòu)造裂隙較多，少量張性卸荷裂隙。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為7度。壩址場(chǎng)地抗震設(shè)計(jì)烈度為7度，工程抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)。

壩址河段河谷呈開(kāi)闊的“V”型，河流總體流向自北向南，巖層總體傾向E或SE，傾角14°～45°，傾向下游偏左岸，為斜向谷。地層巖性以中三疊統(tǒng)邊陽(yáng)組(T2b)的鈣質(zhì)類(lèi)砂巖和鈣質(zhì)類(lèi)泥巖為主，為非可溶巖區(qū)。庫(kù)區(qū)屬于地下水補(bǔ)給河水型，以基巖裂隙水為主。

3　強(qiáng)震儀參數(shù)及其布置

根據(jù)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)站布置要求[8]，測(cè)點(diǎn)依據(jù)水工建筑物的動(dòng)力特性以及地震反應(yīng)而布置，測(cè)點(diǎn)布置的部位一般都是水工建筑物各階振型的最大值、地震反應(yīng)較大以及重要的動(dòng)力特征部位。河谷自由場(chǎng)主要反映地震動(dòng)輸入?yún)?shù)的情況。其中，水電站大壩上5個(gè)測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)主壩表面的地震反應(yīng)，自由場(chǎng)1個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄局部自由場(chǎng)地的地震反應(yīng)。當(dāng)有感地震發(fā)生時(shí)，儀器自動(dòng)觸發(fā)、記錄、計(jì)算其烈度。各觀測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1　強(qiáng)震儀平面布置Fig.1　Plane arrangement of strong-motion instruments

臺(tái)陣采用TDA-23三分向加速度計(jì)和 TDE-324CA三通道數(shù)據(jù)采集器。

三分向力平衡加速度計(jì)的關(guān)鍵參數(shù):測(cè)量范圍為±2g；滿(mǎn)量程輸出為±5 V DC，雙端輸出；靈敏度為2.5 V/g；動(dòng)態(tài)范圍為>100 db；頻帶寬為DC-200 Hz。

數(shù)據(jù)采集器關(guān)鍵參數(shù):3通道數(shù)；動(dòng)態(tài)范圍為120 db；FIR數(shù)字濾波器；通帶波動(dòng)<0.1 db；采樣速率為100 Hz。

4　強(qiáng)震資料分析方法

自從1933年取得世界上第一張強(qiáng)震記錄到20世紀(jì)80年代初，強(qiáng)震記錄處理和分析方法主要是針對(duì)模擬強(qiáng)震儀記錄的[1]。強(qiáng)震儀從模擬式到數(shù)字磁帶記錄式，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄分析處理過(guò)程如下[2]，本文選用Seismosignal軟件對(duì)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

(1)當(dāng)臺(tái)網(wǎng)中心接收到通訊系統(tǒng)傳來(lái)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)信號(hào)后，首先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定處理轉(zhuǎn)換成加速度值，即進(jìn)行單位換算；并對(duì)波形出現(xiàn)異常突出的“毛刺”剔除，消除信號(hào)處理結(jié)果的影響，尤其是高頻分量的影響。

(2)然后進(jìn)行預(yù)處理很關(guān)鍵的步驟，即基線(xiàn)校正和濾波處理。波形信號(hào)一般在0值上下波動(dòng)，這條零值平衡線(xiàn)即為零線(xiàn)或基線(xiàn)，基線(xiàn)受直流電影響會(huì)發(fā)生平行偏移或偏轉(zhuǎn)。由于水工建筑物和山體基巖均為低頻振動(dòng)，工程上也更關(guān)心前幾階振動(dòng)頻率的獲得，并且采集信號(hào)常出現(xiàn)50 Hz的電干擾，需進(jìn)行50 Hz以下的低通濾波。另外，由于采集器電壓信號(hào)數(shù)字化時(shí)可能帶來(lái)低頻噪聲，也需要進(jìn)行高通濾波。鑒于加速度計(jì)本身也有頻帶范圍的限制，綜合進(jìn)行帶通濾波處理。

(3)最后進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析。首先由地震加速度記錄一次、二次積分獲得壩體各部位地震速度和位移的時(shí)程曲線(xiàn)。再通過(guò)快速傅里葉變換，將強(qiáng)震記錄曲線(xiàn)時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為傅里葉譜，以分析加速度過(guò)程的頻率成分，分析各部位加速度主振頻率等頻域特征反應(yīng)量。

5　大壩高程放大效應(yīng)

本次研究放大效應(yīng)的地震震中位于水電站下游左岸，距離水電站大壩6.3 km。布設(shè)在大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)均記錄到此次地震，共觸發(fā)18個(gè)采集通道，得到18條強(qiáng)震記錄。這些記錄均分布在壩頂以及大壩的不同高程位置，其中東西向記錄6條，南北向記錄6條，垂直向記錄6條。

根據(jù)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄，取得大壩在強(qiáng)震作用下不同高程處測(cè)點(diǎn)記錄的加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行大壩響應(yīng)特征的高程放大效應(yīng)研究。定義以大壩壩腳測(cè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，對(duì)壩體各個(gè)高程處三分量加速度、傅里葉譜幅值分別與參考點(diǎn)三分量對(duì)比所得的值，稱(chēng)為地震動(dòng)放大系數(shù)。由于測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5位于大壩下游斜坡不同高程處，以測(cè)點(diǎn)5為參考點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)4相對(duì)高程為26 m，測(cè)點(diǎn)2相對(duì)高程為65 m，對(duì)于研究大壩響應(yīng)特征的高程放大效應(yīng)具有代表性。

本文從以下2個(gè)方面進(jìn)行研究：①取各個(gè)方向上傅里葉譜沿高程的幅值反應(yīng)進(jìn)行分析；②分別取加速度值和傅里葉譜幅值相對(duì)于參考點(diǎn)的高程放大系數(shù)進(jìn)行分析。

5.1　三分量傅里葉譜沿高程的幅值反應(yīng)

對(duì)復(fù)雜的地震加速度時(shí)程按離散傅里葉變換技術(shù)展開(kāi)為N個(gè)不同頻率的組合，對(duì)時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行快速傅里葉變換得到傅里葉譜。圖2給出了測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5三個(gè)方向的傅里葉譜。頻域分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2　不同測(cè)點(diǎn)豎直向、橫河向、順河向傅里葉譜Fig.2　Fourier spectra in vertical, transverse, and longitudinal directions of different monitoring points

測(cè)點(diǎn)編號(hào)相對(duì)高程/m方向主頻率/Hz主周期/s傅里葉譜幅值/(cm·s-1)豎直向6．494140．1539823．0306450橫河向7．421880．1347416．43610順河向3．759770．2659714．92817豎直向4．833980．2068727．96403426橫河向3．881840．2576121．18070順河向3．857420．2592422．93324豎直向3．662110．2730732．62461265橫河向2．392580．4179644．36690順河向2．221680．4501141．44805

圖2顯示，傅里葉譜幅值具有明顯的峰值特性。3個(gè)方向幅值峰值主頻率集中在2～8 Hz內(nèi)，主周期集中在0.2～0.5 s之間。

豎直向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz內(nèi)。隨著高程的增加，第1階主頻帶的幅值逐漸增加，第2階頻帶逐漸明顯，頻帶范圍變寬，傅里葉譜幅值略有增加，且呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象；橫河向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz內(nèi)，隨著高程的增加，2個(gè)主頻帶范圍內(nèi)的幅值逐漸增加，第2階頻帶幅值逐漸趨于穩(wěn)定；順河向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～10.0 Hz內(nèi)，隨著高程的增加，頻帶內(nèi)幅值逐漸增加并趨于穩(wěn)定。這主要是由于地震過(guò)程中壩頂運(yùn)動(dòng)與大壩整體運(yùn)動(dòng)存在相位差導(dǎo)致的。

豎直向、橫河向、順河向3個(gè)方向上，主頻率帶主要集中在1.5～12.0 Hz范圍內(nèi)，隨著高程的增加，頻帶內(nèi)幅值逐漸增加并趨于穩(wěn)定。且在1.5～6.5 Hz頻率帶范圍內(nèi)幅值具有明顯的放大作用，同時(shí)說(shuō)明強(qiáng)震動(dòng)引起的高程放大效應(yīng)隨高程的增加而逐漸增加，這與表1所示的譜幅值主頻率(2～8 Hz)相吻合。并且在5.0～10.0 Hz頻帶范圍內(nèi)譜幅值呈現(xiàn)出由單峰值向多峰值演變的現(xiàn)象，隨后幅值趨于穩(wěn)定?？梢酝茰y(cè)：本次地震壩體主頻率為5 Hz左右，對(duì)地震波中(5±2)Hz周?chē)l帶具有放大作用，對(duì)其他頻率帶范圍起到濾波作用。

5.2　壩體峰值加速度、傅里葉譜幅值放大效應(yīng)

基于對(duì)水電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)整理結(jié)果，總結(jié)加速度和傅里葉譜幅值沿高程的放大效應(yīng)規(guī)律。以測(cè)點(diǎn)5為參考點(diǎn)，將不同高程處的測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)2在3個(gè)方向上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別與參考點(diǎn)比值作為地震動(dòng)放大系數(shù)，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)在豎直向、橫河向、順河向3個(gè)方向上的加速度放大系數(shù)和傅里葉譜幅值放大系數(shù)見(jiàn)表2和圖3。

表2　壩體峰值加速度、傅里葉譜高程放大效應(yīng)Table 2　Amplification effect of the peak of accelerationand Fourier amplitude with elevation

圖3　峰值放大系數(shù)Fig．3　PeakamplificationfactorofaccelerationandFourieramplitude

從表2可看到，在豎直向加速度放大系數(shù)1～1.141，傅里葉幅值放大系數(shù)1～1.926；在橫河向加速度放大系數(shù)1～2.668，傅里葉幅值放大系數(shù)1～2.699；在順河向加速度放大系數(shù)1～4.473，傅里葉幅值放大系數(shù)1～2.776。從圖3可以看出隨著高程的增加，加速度和加速度傅里葉譜幅值放大系數(shù)逐漸增加，放大效應(yīng)也逐漸增強(qiáng)，具有明顯的高程放大效應(yīng)，壩頂放大效應(yīng)明顯。并且順河向高程放大效應(yīng)強(qiáng)于橫河向，豎直向最弱。

6　結(jié)　論

通過(guò)實(shí)測(cè)大壩強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算不同高程測(cè)點(diǎn)的2個(gè)大壩強(qiáng)震動(dòng)典型響應(yīng)參數(shù)(加速度和傅里葉譜)，得到以下結(jié)論：

(1)豎直向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz內(nèi)，橫河向上幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz內(nèi)，順河向上幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～10.0 Hz內(nèi)。3個(gè)方向上，主頻率帶主要集中在1.5～12.0 Hz范圍內(nèi)，并在1.5～6.5 Hz頻率帶范圍內(nèi)幅值具有明顯的放大作用，傅里葉譜幅值呈現(xiàn)出由單峰值向多峰值演變的現(xiàn)象，隨后趨于穩(wěn)定。推測(cè)本次地震事件中壩體主頻率為5 Hz左右，對(duì)地震波中(5±2)Hz周?chē)l帶具有放大作用，對(duì)其他頻率帶范圍起到濾波作用。

(2)隨著高程的增加，加速度和傅里葉譜幅值放大系數(shù)逐漸增加，相應(yīng)的壩體反應(yīng)增強(qiáng)，具有明顯的高程放大效應(yīng)，壩頂放大效應(yīng)明顯。另外，順河向高程放大效應(yīng)強(qiáng)于橫河向，豎直向最弱。

觀測(cè)到的這一現(xiàn)象與大壩內(nèi)部和外部觀測(cè)存在何種關(guān)聯(lián)關(guān)系，還有待下一步收集相關(guān)資料后作更深入的研究。由于選取數(shù)據(jù)僅為一條強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，研究結(jié)論可借鑒性有限。

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