大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及震損快速評(píng)估方法

胡 曉，張艷紅，常廷改 ，許亮華 ，蘇克忠，曾 迪

（1.水利部水工程抗震與應(yīng)急支持工程技術(shù)研究中心，北京 100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 引言

1.1 國(guó)外強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)歷史回顧強(qiáng)震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間很短，往往只有幾十秒，但破壞力極強(qiáng)。人們對(duì)地震破壞作用的認(rèn)識(shí)，過(guò)去僅僅依賴于宏觀調(diào)查，只見(jiàn)到地震破壞的結(jié)果，而觀察不到地震運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程。為了能取得地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)和工程結(jié)構(gòu)反應(yīng)的第一手資料，為工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)數(shù)據(jù)，于是開(kāi)展了用儀器監(jiān)測(cè)強(qiáng)震動(dòng)的工作。

1923年9月1日，日本發(fā)生關(guān)東8.3級(jí)大地震，東京和橫濱蒙受重大損失。建筑物抗震問(wèn)題急待解決，為此提出了如何度量地震運(yùn)動(dòng)破壞問(wèn)題。日本著名地震學(xué)家末廣恭二設(shè)計(jì)了一個(gè)記錄地震加速度時(shí)間過(guò)程的儀器方案。1931年，他應(yīng)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)邀請(qǐng)到美國(guó)加州講學(xué)，介紹了他的加速度記錄儀器。美國(guó)工程界和地震界對(duì)此十分重視，以美國(guó)海岸大地測(cè)量局為主，開(kāi)始了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的研制工作。1932年，美國(guó)成功研制出第一臺(tái)VSCGS標(biāo)準(zhǔn)型強(qiáng)震動(dòng)加速度儀，并于次年3月10日在加州的長(zhǎng)灘地震中取得了第一個(gè)地震加速度記錄，從而開(kāi)創(chuàng)了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)的新紀(jì)元。

目前，美國(guó)、日本、俄羅斯、意大利、加拿大、墨西哥、智利、中國(guó)、印度、澳大利亞和新西蘭等幾十個(gè)多地震國(guó)家都建立了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)站。以美國(guó)、日本強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)站最多，已形成強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和專用的密集臺(tái)陣，取得了大量的強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄。1971年2月9日，美國(guó)發(fā)生6.6級(jí)圣費(fèi)爾南多地震，有100多臺(tái)強(qiáng)震儀同時(shí)取得加速度記錄，最大峰值加速度1.14g。1995年1月17日，日本發(fā)生阪神7.3級(jí)大地震，有近100臺(tái)強(qiáng)震儀同時(shí)取得加速度記錄［1］。隨著強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，工程抗震分析方法由靜力法發(fā)展到反應(yīng)譜法，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，已進(jìn)入考慮地震時(shí)程的全動(dòng)力分析，對(duì)于減輕地震災(zāi)害發(fā)揮了重大作用。

1.2 我國(guó)大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展我國(guó)水利水電資源70%以上集中分布在西南、西北地區(qū)，這些地區(qū)又是地震頻發(fā)的高烈度區(qū)，因此，大壩的抗震安全成為當(dāng)前我國(guó)水利水電建設(shè)中亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題之一。我國(guó)大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)從1962年開(kāi)始，其進(jìn)展大致可劃分為4個(gè)階段。

（1）第一階段（1962—1991年）：強(qiáng)震觀測(cè)階段。1962年，我國(guó)廣東新豐江水庫(kù)誘發(fā)了6.1級(jí)強(qiáng)震，使新豐江混凝土大頭壩上部108 m高程處出現(xiàn)水平裂縫，為了研究水平裂縫產(chǎn)生的原因，提出抗震加固方案，研制出多通道電流計(jì)式強(qiáng)震儀，并建立了我國(guó)第一個(gè)試驗(yàn)性水工建筑物強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站，也是我國(guó)強(qiáng)震觀測(cè)工作的開(kāi)始。以后，陸續(xù)建立了黃壁莊、密云、官?gòu)d、豐滿、江都、丹江口、劉家峽和陡河等10余座大壩強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站。

該階段強(qiáng)震觀測(cè)的特點(diǎn)是，觀測(cè)儀器多為用感光紙或感光膠片直接記錄的強(qiáng)震加速度儀，如我國(guó)的RDZ-1型、SG-68型、GQ-2型多通道電流計(jì)式強(qiáng)震儀和GQ-3型光直記錄的強(qiáng)震儀。儀器的主要缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，記錄“丟頭”和記錄的處理分析慢。后期生產(chǎn)使用了模擬磁帶式強(qiáng)震儀，即被稱為第二代強(qiáng)震儀，提高了記錄的處理分析速度，但其他缺點(diǎn)依然存在。

隨著強(qiáng)震觀測(cè)的開(kāi)展，取得了不少的強(qiáng)震記錄，利用這些強(qiáng)震記錄，科技人員計(jì)算了反應(yīng)譜曲線，獲得了符合我國(guó)場(chǎng)地特性的“平均反應(yīng)譜”或“設(shè)計(jì)反應(yīng)譜”，使反應(yīng)譜分析得以真正用于工程設(shè)計(jì)，從而使我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)從“靜力”法過(guò)渡到以反應(yīng)譜為中心的“動(dòng)力”分析方法階段。

（2）第二階段（1992—2000年）：強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)階段。1992年，我國(guó)研制并生產(chǎn)了數(shù)字磁帶記式強(qiáng)震儀，又開(kāi)發(fā)了水工建筑物強(qiáng)震加速度記錄處理分析程序，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震觀測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)分析緊密結(jié)合，使強(qiáng)震觀測(cè)進(jìn)入強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)的新階段。我國(guó)先后在官?gòu)d、三門(mén)峽、龍羊峽、東江、水口、李家峽和小浪底等大壩上建立了大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)階段的特點(diǎn)是，監(jiān)測(cè)儀器采用數(shù)字磁帶記錄式加速度強(qiáng)震儀。這類儀器采用了瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器，使儀器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到90～102 dB，采用了預(yù)存儲(chǔ)器，解決了記錄“丟頭”問(wèn)題，保證了記錄波形的完整。數(shù)字磁帶記錄的強(qiáng)震動(dòng)的處理分析首先是對(duì)取得記錄的磁帶，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的回放裝置連接微機(jī)直接讀取記數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震觀測(cè)記錄能在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)分析，使強(qiáng)震觀測(cè)進(jìn)入強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)新階段。

（3）第三階段（2000—2009年）：大壩震害速報(bào)階段［2］。大壩震害速報(bào)階段的特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)儀器升級(jí)采用了數(shù)字固態(tài)存儲(chǔ)式加速度強(qiáng)震儀。加速度計(jì)采用力平衡式，有效地提高了儀器的頻響特性。使低頻端接近0 Hz，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上。記錄器應(yīng)用微處理器，采用24bit的A/D變換，使儀器動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上。目前，強(qiáng)震動(dòng)記錄的讀取十分快捷便利，通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)便可獲得強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件系統(tǒng)的設(shè)置，強(qiáng)震儀強(qiáng)震動(dòng)記錄可自動(dòng)傳輸?shù)焦芾碇行牡闹鳈C(jī)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析處理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和評(píng)估建筑的可能震害。主管部門(mén)根據(jù)速報(bào)信息，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，減輕或防止地震次生水災(zāi)的發(fā)生。二灘拱壩、克孜爾土石壩和三峽大壩上均建成了大壩數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并取得珍貴而豐富強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)。

在這一階段，我國(guó)大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)已取得和積累了一批有價(jià)值的、具有影響的記錄數(shù)據(jù)，其中包括新豐江、黃壁莊、密云、官?gòu)d、陡河、劉家峽、龍羊峽、克孜爾和二灘等大壩，為大壩抗震設(shè)計(jì)積累了寶貴的資料。

（4）第四階段（2009年—至今）：基于水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范和物聯(lián)網(wǎng)的大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與震損評(píng)估階段。鑒于2008年汶川地震時(shí)［3］，許多重要的水工建筑物由于沒(méi)有設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或由于管理方面的問(wèn)題，沒(méi)有取得強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄的現(xiàn)狀［4］，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院主編了水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，分別由電力行業(yè)和水利行業(yè)在2009年、2011年頒布實(shí)施，從而使水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)有技術(shù)法規(guī)可循［5-6］。水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范主要內(nèi)容包括：強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣布置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與技術(shù)要求、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試安裝與驗(yàn)收、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理與維護(hù)、強(qiáng)震動(dòng)記錄的處理分析、震害調(diào)查等內(nèi)容。隨著對(duì)大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)認(rèn)識(shí)的提高以及《水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)規(guī)范》的有效實(shí)行，新完工的重要水庫(kù)大壩工程均建立了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升了大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平［7］。

2 強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

由于目前大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)主要由業(yè)主負(fù)責(zé)管理和運(yùn)行，強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣分布范圍廣以及管理人員專業(yè)化程度所限，往往運(yùn)行成本高而且強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用效益較低。強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備屬于養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)，如果平時(shí)不加強(qiáng)維護(hù)管理，一旦遇到地震不能有效取得地震記錄，將造成難以彌補(bǔ)的損失。根據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)許多高壩大庫(kù)的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備處于不良狀態(tài)，急需加強(qiáng)管理與維護(hù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化程度提高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，使得大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和快速高效利用成為可能［8］。 遠(yuǎn)程管理中需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制操作，不同類型設(shè)備組網(wǎng)需要運(yùn)用不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。串口是早期計(jì)算機(jī)上非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。以往的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦，基本上包含RS-232串口。串口的通訊模式是按位（bit）進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，即按位發(fā)送和接收。RS-232串口協(xié)議其傳輸理論傳輸距離只有10 m；采用RS485串口協(xié)議，無(wú)中繼設(shè)備，最大傳輸距離為1000多米。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備盛行之前，串口設(shè)備非常多，與計(jì)算機(jī)通信通過(guò)RS232來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，到目前仍然有大量設(shè)備采用串口通信。隨著網(wǎng)絡(luò)普及，許多設(shè)備的管理都提升到遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程管理，將這部分串口設(shè)備納入網(wǎng)絡(luò)管理，也成為網(wǎng)絡(luò)改造的一部分。

串口服務(wù)器就是提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口功能的設(shè)備，通過(guò)該設(shè)備，不需要改造RS-232/485/422串口設(shè)備，便可以給串口設(shè)備提高網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接功能。串口服務(wù)器特點(diǎn)是一端串口接口，另一端為網(wǎng)絡(luò)接口，在串口服務(wù)器內(nèi)部安裝有IP，TCP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及串口協(xié)議。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿罱?jīng)串口服務(wù)器直接轉(zhuǎn)換成串口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)串口與網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，因此服務(wù)器與串口設(shè)備在連接串口服務(wù)器后，立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，原先的程序和命令可以不用修改就可以很便利地實(shí)現(xiàn)設(shè)備internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

通過(guò)串口服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的遠(yuǎn)距離監(jiān)控；可以實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)服務(wù)器管理多個(gè)串口設(shè)備。串口服務(wù)器應(yīng)用前需要安裝虛擬串口軟件，對(duì)串口服務(wù)器IP地址、通訊模式進(jìn)行必要設(shè)置，對(duì)串口特性參數(shù)：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)等參數(shù)。串口服務(wù)器工作方式：（1）1.TCP/UDP通訊模式。該模式下，串口服務(wù)器成對(duì)的使用，一個(gè)作為server端，一個(gè)作為client端，兩者之間通過(guò)IP地址與端口號(hào)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個(gè)串口設(shè)備之間的原先是串口連接控制，改造為T(mén)CP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。（2）使用虛擬串口通訊模式。該模式下，一個(gè)或者多個(gè)串口服務(wù)器通過(guò)路由器或網(wǎng)關(guān)與電腦建立連接。由電腦上的虛擬串口軟件管理的串口服務(wù)器。該模式適用于電腦設(shè)備采用串口協(xié)議控制串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)串口端口擴(kuò)展，一臺(tái)電腦便可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制多臺(tái)串口設(shè)備，原先的串口協(xié)議控制軟件也不需要修改。（3）基于網(wǎng)絡(luò)通訊模式。該模式下，電腦上的應(yīng)用程序基于SOCKET協(xié)議編寫(xiě)了通訊程序，在轉(zhuǎn)換器設(shè)置上直接選擇支持SOCKET協(xié)議即可。這種方式需要重新編寫(xiě)控制軟件，軟件采樣網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編寫(xiě)控制命令，通過(guò)串口服務(wù)器，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議命令轉(zhuǎn)換成串口設(shè)備能夠接收的串口協(xié)議命令。圖1是利用串口服務(wù)器對(duì)三通道的串口強(qiáng)震儀組網(wǎng)控制的示意圖。

圖1 串口設(shè)備組網(wǎng)

云智慧在線監(jiān)測(cè)是應(yīng)用大量的軟件和嵌入式系統(tǒng)，發(fā)展人腦工程的各種智慧的專家系統(tǒng)，與互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)高性能數(shù)采儀、智能傳感器等高端技術(shù)融合在一起，形成云智慧監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，主要由強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件、智能數(shù)據(jù)采集儀器、服務(wù)器和客戶端組成。該系統(tǒng)是一套完全基于局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的大型監(jiān)測(cè)和測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它基于采集器/服務(wù)器/瀏覽器的先進(jìn)架構(gòu)方式，在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中建立大型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)多臺(tái)強(qiáng)震儀進(jìn)行統(tǒng)一管理，允許多人通過(guò)服務(wù)器同時(shí)對(duì)各臺(tái)儀器和數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)限的查詢和設(shè)置等操作，并且均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程及無(wú)線操控。建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常適合于對(duì)大型水工建筑物的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的基于強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的震損快速評(píng)價(jià)技術(shù)構(gòu)成如圖3所示。

圖2 云智慧在線監(jiān)測(cè)

圖3 基于強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的震損快速評(píng)價(jià)框架

3 利用強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速震損評(píng)估方法

在強(qiáng)烈地震作用下，大壩會(huì)受到損傷，從而導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)的剛度受到削弱。剛度的變化必然引起大壩動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。利用大壩的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)快速傅里葉變化及模態(tài)識(shí)別技術(shù)，分析得到大壩的動(dòng)態(tài)特性變化并據(jù)此進(jìn)行快速的震損評(píng)價(jià)［9］。大壩結(jié)構(gòu)的特征方程為：

式中：M 為質(zhì)量矩陣，n×n階正定、對(duì)稱；K為剛度矩陣，n×n階正定、對(duì)稱；ω為角頻率； {}φ為實(shí)振型列陣，n×1階。

將正則化振型及其轉(zhuǎn)量矩陣分別乘以質(zhì)量矩陣、剛度矩陣的二側(cè)，則有：

結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程在s域可表示為：

頻響函數(shù)H(s)=Z(s)-1。令s=jω，從而有位移阻抗矩陣：

相應(yīng)的頻響函數(shù)矩陣：

從而有：

H(ω)為對(duì)稱矩陣時(shí)，有：

當(dāng)取bj為剛度矩陣中的元素kij時(shí)，有

其中(eij)表示僅第i行j列元素為1，其他元素均為零的方陣。將之代入式（7），得：

頻響函數(shù)無(wú)論對(duì)剛度、質(zhì)量或阻尼的靈敏度的模的曲線，在共振峰附近的值最大，即共振峰附近頻響函數(shù)的變化最能反映系統(tǒng)物理參數(shù)的變化情況。多自由度系統(tǒng)存在多個(gè)共振峰，頻響函數(shù)的敏感區(qū)域也有相應(yīng)的個(gè)數(shù)。頻響函數(shù)對(duì)阻礙尼的變化不甚敏感。振型是比較敏感的參數(shù)，尤其是在節(jié)點(diǎn)附近，但節(jié)點(diǎn)附近信號(hào)的信噪比較小。因此混凝土大壩震損快速評(píng)價(jià)選用頻響函數(shù)進(jìn)行是比較合適的。

大壩某些模態(tài)之間耦合嚴(yán)重，為了得到壩體純模態(tài)參數(shù)，必須進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。因此首先求出基于加速度輸入的頻響函數(shù)表達(dá)式。利用基于優(yōu)化算法的計(jì)算機(jī)識(shí)別方法，采用最小二乘準(zhǔn)則。如果測(cè)試值在多次試驗(yàn)中具有一定隨機(jī)性，則采用加權(quán)最小二乘準(zhǔn)則。求得大壩完好狀態(tài)與有局部剛度削弱，表明大壩有局部損傷的二種典型情況的動(dòng)力模態(tài)參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)包含了所有的動(dòng)力特性，一般來(lái)說(shuō)頻響函數(shù)在共振區(qū)頻率附近還比單一的動(dòng)力參數(shù)對(duì)剛度變化的敏感度大到十幾倍以上。將大壩完好狀態(tài)與損傷狀態(tài)下得到的頻響函數(shù)之差Hlp(ω)-Hlp(ω)?，按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得：

當(dāng)大壩損傷較小時(shí)上述方程可取一階近似：

上式中只有ΔKrs未知，其余均可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量求得，rs必須遍歷所有的加速度測(cè)點(diǎn)。取一系列頻率點(diǎn)ω1，ω2，ω3，ω4…把各點(diǎn)分別代入方程，得一系列包含ΔKrs的方程，通過(guò)求解方程得到ΔKrs，由此可以判斷大壩的地震損傷程度及部位。

4 三峽重力壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及震損模型試驗(yàn)研究

三峽工程攔河大壩為混凝土重力壩，大壩軸線長(zhǎng)2309 m，壩頂高程185 m，最大壩高175 m，正常蓄水位175 m。三峽典型壩段強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置有5個(gè)強(qiáng)震儀，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為：高程185 m、高程130 m、高程94 m、高程72 m、高程33.87 m的各廊道內(nèi)。考慮到地震波是由基巖傳入上部壩體，故在基巖內(nèi)高程-15 m處的鉆孔底部（在高程33.87 m廊道內(nèi)鉆φ219 mm鉆孔，孔深48 m）布設(shè)一個(gè)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)對(duì)大壩的地震動(dòng)輸入信號(hào)。

為了研究三峽重力壩在強(qiáng)烈地震作用下的震損情況，以3號(hào)泄洪壩段為試驗(yàn)原型，研發(fā)了與原型力學(xué)特性相似的模型材料。通過(guò)重力壩模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)大壩受強(qiáng)震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)和損傷結(jié)果進(jìn)行了研究，以揭示三峽重力壩模型損傷與其固有頻率、傳遞函數(shù)等動(dòng)力特性之間的變化規(guī)律［10］。

試驗(yàn)的主要步驟：（1）按照相似理論設(shè)計(jì)和制作一個(gè)縮比為1/300的三峽重力壩結(jié)構(gòu)模型，動(dòng)力壓力以基于Westergaard公式計(jì)算的附加配重的形式施加；（2）進(jìn)行模型材料力學(xué)特性試驗(yàn)，包括立方體和棱柱體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并得到彈性模量和應(yīng)力應(yīng)變曲線，使之與原型材料特性相似；（3）用地震模擬振動(dòng)臺(tái)激振揭示大壩模型經(jīng)歷不同地震作用下出現(xiàn)裂縫與整體頻率、傳遞函數(shù)的發(fā)展規(guī)律。

重力壩的動(dòng)力破壞試驗(yàn)，其相似理論要求任何物理特性及外部作用都應(yīng)滿足相似率，依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行的量綱分析表明，所有物理量中的量綱只有3個(gè)是基本量綱，其它均為導(dǎo)出量綱。選定幾何比尺、密度比尺、彈性模量比尺為3個(gè)獨(dú)立基本物理量的相似比尺后，其它物理量的相似比尺也隨之確定。傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧弦话悴捎檬?、硬橡膠等材料加工而成，這些材料用于作為結(jié)構(gòu)模型破壞全過(guò)程動(dòng)力試驗(yàn)的模擬材料并不合適。石膏材料雖然彈性模量和強(qiáng)度均較低，斷裂脆性很好，但其密度低，雖然能通過(guò)加入鉛粉等配料改變其材料密度，但其破壞過(guò)程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系與大壩全級(jí)配混凝土材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線相差過(guò)大，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度，濕度等條件非常敏感。仿真的模型破壞試驗(yàn)材料要求模型能夠反映原型結(jié)構(gòu)經(jīng)歷彈性階段，彈塑性階段直至破壞斷裂階段，亦即滿足全過(guò)程結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力破壞應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線相似的試驗(yàn)要求。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s比SL=LmLp為1/300，模型材料配比采用水泥∶砂∶石膏∶機(jī)油∶水=1∶0.5∶0.45∶0.45∶1.3，其彈性模量比尺為0.04。縮比后結(jié)構(gòu)模型的平面外形尺寸為長(zhǎng)417 mm、寬35 mm、高584 mm。經(jīng)測(cè)試該模型材料比重相似比尺均約為Sρ=ρmρp為0.9。選定模型破壞試驗(yàn)的3個(gè)基本相似量長(zhǎng)度SL、彈性模量SE和比重Sρ后，其他主要相似參數(shù)可通過(guò)公式推導(dǎo)得出其相似關(guān)系，參見(jiàn)表1模型相似關(guān)系。

表1 模型相似關(guān)系

本文選用泄洪壩段中的3號(hào)典型壩段作為研究對(duì)象，大壩壩段可按平面應(yīng)變問(wèn)題處理。圖4為根據(jù)長(zhǎng)度比尺縮小的壩段模型尺寸。

考慮到模型的基頻超出一般的液壓振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍，該試驗(yàn)選用DYS-600-5-05電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)如下：頻率范圍：2～2000 Hz；最大加速度：12.9g（空載）、3g（滿載）；激振方向：順河向單向激振。試驗(yàn)主要量測(cè)壩體模型在模擬地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，觀察模型的裂縫發(fā)展與動(dòng)力特性變化的規(guī)律情況。試驗(yàn)量測(cè)采用加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)兩種傳感器。模擬試驗(yàn)方案如表2。

圖5顯示為換算到原型后的加速度放大倍數(shù)。從圖5可以看出，8度地震激勵(lì)時(shí)，大壩順河向的最大響應(yīng)沿高度從上至下其值呈現(xiàn)由大變小的趨勢(shì)，為典型的懸梁臂特征；9度地震作用下，由于壩體縱縫下游折坡出現(xiàn)貫穿性裂縫，壩體上部加速度放大系數(shù)顯著減小，表明壩體剛度嚴(yán)重?fù)p失。

圖4 壩段模型尺寸（單位：mm）

表2 模型加載方案

壩體模型分縫見(jiàn)圖6。8度地震作用下，模型表面無(wú)裂紋。此時(shí)測(cè)得最大應(yīng)變值為71.7 με，位于縫Ⅰ上端的折坡處。9度地震作用下，壩體模型縱縫Ⅰ張開(kāi)，縫Ⅰ上端沿下游面出現(xiàn)長(zhǎng)約20 cm的貫穿性裂縫，離裂縫距離最近的應(yīng)變計(jì)最大值為133.3 με。

圖5 地震波激勵(lì)時(shí)加速度放大倍數(shù)

圖6 壩體模型分縫

空庫(kù)時(shí)，掃頻結(jié)果顯示大壩初始基頻為127 Hz。施加鉛塊配重后，固有頻率為99 Hz。滿庫(kù)時(shí)第一基頻下降明顯，降低比例為22%。當(dāng)輸入地震波加速度峰值相當(dāng)于原型0.2g后，掃頻發(fā)現(xiàn)此時(shí)的模型整體頻率仍保持與初始滿庫(kù)時(shí)的頻率相同，表明無(wú)剛度折減，壩體也無(wú)明顯裂縫出現(xiàn)。大壩順河向的最大加速度響應(yīng)沿高度從上至下其值呈現(xiàn)由大變小的趨勢(shì)，為典型的懸臂梁特征，壩體傳遞函數(shù)虛部曲線如圖7所示。施加加速度峰值相當(dāng)于原型0.4g的9度地震作用下，此時(shí)壩體縱縫Ⅰ張開(kāi)，縫上端沿下游面出現(xiàn)貫穿性裂縫。此時(shí)模型已經(jīng)被縱縫Ⅰ及其上端部的裂縫貫穿為兩個(gè)獨(dú)立部分，固有頻率下降，壩體損傷嚴(yán)重。三峽大壩動(dòng)力破壞試驗(yàn)為強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)并實(shí)施快速損傷評(píng)價(jià)提供了定量化指標(biāo)［11］。

圖7 地震作用后傳遞函數(shù)（黑色代表7度地震作用；紅色代表9度地震作用）

5 結(jié)論

（1）我國(guó)水工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展已經(jīng)過(guò)4個(gè)階段，監(jiān)測(cè)儀器已經(jīng)升級(jí)到數(shù)字固態(tài)存儲(chǔ)式加速度強(qiáng)震儀。加速度計(jì)采用力平衡式，有效地提高了儀器的頻響特性。記錄器應(yīng)用微處理器，采用24bit的A/D變換，使儀器動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上。通過(guò)軟件系統(tǒng)的設(shè)置，強(qiáng)震儀強(qiáng)震記錄可自動(dòng)傳輸?shù)焦芾碇行牡闹鳈C(jī)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理分析，為大壩震害速報(bào)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)已取得和積累了一批有價(jià)值的、具有影響的記錄數(shù)據(jù)。其中包括廣東新豐江水電站［12］、河北黃壁莊水庫(kù)、北京密云水庫(kù)、北京官?gòu)d水庫(kù)、河北陡河水庫(kù)、甘肅劉家峽水電站、青海龍羊峽水電站［13］、新疆克孜爾水庫(kù)［14］和二灘大壩等。這些大壩強(qiáng)震動(dòng)記錄為相關(guān)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)積累了寶貴的資料。今后有必要對(duì)獲取的珍貴的水工程強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)收集、整理、研究分析和規(guī)律統(tǒng)計(jì)，不斷完善強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）以三峽重力壩3號(hào)泄洪壩段為試驗(yàn)原型，研發(fā)了與原型力學(xué)特性相似的模型材料。通過(guò)重力壩模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)大壩受強(qiáng)震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)和損傷結(jié)果進(jìn)行了研究，揭示了三峽重力壩模型損傷與其固有頻率、傳遞函數(shù)等動(dòng)力特性之間的變化規(guī)律，驗(yàn)證了震損的評(píng)估理論與方法。建議對(duì)重要大壩進(jìn)行極限地震作用下不潰壩研究，包括大壩動(dòng)力破壞模型試驗(yàn)得到震損的定量化指標(biāo)，建立震損評(píng)估專家系統(tǒng)。一旦發(fā)生地震，對(duì)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，做出震損評(píng)估，及時(shí)采取應(yīng)急措施。

（4）如果平時(shí)對(duì)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備不加強(qiáng)維護(hù)管理，一旦遇到地震不能有效取得地震記錄，將造成難以彌補(bǔ)的損失。根據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)許多高壩大庫(kù)的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備處于不良狀態(tài)，急需加強(qiáng)管理與維護(hù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化程度提高，使得大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速高效利用成為可能，建議充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)已有強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行管理（特別是梯級(jí)高壩大庫(kù)），保證其有效、專業(yè)化運(yùn)行。