溪洛渡拱壩強震動響應記錄處理分析

許亮華 ，高建勇

（1.中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京市 100048；2.水利部水工程抗震與應急支持工程技術研究中心，北京市 100048）

0 引言

大壩的強震動響應記錄是研究地震破壞作用和大壩抗震性能的重要數(shù)據(jù)來源，能夠作為分析大壩工程實際抗震性能的定量數(shù)據(jù)，可以用來校驗和復核大壩工程的結構的抗震設計。[1-2]大壩強震動響應記錄不僅直接體現(xiàn)大壩結構在強震下的響應，通過分析還可以獲得大壩結構動態(tài)特性。[3]

目前我國在大壩上獲得的強震響應記錄很少，即使2008年汶川大地震，大量中小型大壩遭遇地震影響，特別是震中附近的4座百米級高壩——紫坪鋪、沙牌、寶珠寺、碧口也經受了大地震的考驗，其中只有紫坪鋪大壩獲得了部分汶川地震時的強震響應記錄，而其他幾個大壩并沒有記錄到大壩的強震響應。

進入21世紀以來，我國在水力資源豐富的西部、西南部建設了許多200～300m級的特高壩工程，包括溪洛渡、白鶴灘、烏東德等300m級的特高壩工程。這些300m級特高壩工程壩址區(qū)均為地震高烈度區(qū)，相比200m級拱壩，地震動力效應會成倍增加，控制抗震安全難度巨大。[4]其抗震設計理論與依據(jù)只是借鑒了200m級高壩的抗震設計規(guī)程，因此實際的抗震能力和特性需要進一步在運行中進行驗證。目前，在這些特高壩上基本都完成了大壩強震動監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，如果能夠在日常運行中記錄到大壩的實際地震響應，可以利用這些記錄對特高壩的抗震性能進行復核和評估。

我國的200～300m特高壩都是20世紀90年代后開工建設的，實際投入運行的時間并不長，都未遭遇過較大地震。目前只有二灘拱壩（壩高240m）有記錄下十多次大壩強震記錄[5]，其他特高壩的大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)還尚未記錄到地震響應。

2018年5月8日23時11分，云南昭通市永善縣（北緯28.12°，東經103.47°）發(fā)生3.8級地震，震源深度13km，震中距離溪洛渡大壩工程大約24km。雖然這次地震只是小震，對工程安全并沒有影響，但是本次地震引起溪洛渡拱壩壩強震監(jiān)測系統(tǒng)中的10臺強震儀產生觸發(fā)記錄，這是第一次在300m級特高拱壩上獲得大壩強震加速度響應記錄，數(shù)據(jù)仍然有十分寶貴的研究價值。本文將對本次大壩地震響應記錄對大壩地震響應特征進行分析。

1 溪洛渡拱壩大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)

溪洛渡拱壩為混凝土雙曲拱壩，位于西南地區(qū)地震高烈度區(qū)的金沙江流域，壩頂高程610.0m，壩高285.5m，地震設防Ⅸ度，屬于300m級特高壩。[2]

為了能夠獲得大壩在強震下的真實響應，溪洛渡水電站在大壩上安裝了26臺強震儀用于大壩強震動響應監(jiān)測，強震儀布置情況見表1，分布示意圖見圖1。地震記錄儀由地震數(shù)據(jù)采集服務器和地震加速度計組成，所有儀器于2014年9月～2015年 6月期間安裝完成并進行監(jiān)測。

圖1 大壩強震儀布置示意圖Figure 1 Layout of strong motion instrument for dam

表1 大壩強震儀測點布置統(tǒng)計表Table 1 Statistical tables for measuring stations of dam strong motion seismograph

續(xù)表

強震儀設備安裝的X向朝向為沿大壩各廊道的水平弧線切向，Y向為沿大壩各廊道的水平弧線徑向，Z為垂直向。表1中給出了儀器安裝位置。

此外，為記錄壩址區(qū)地震自由場運動，在大壩下游1號公路洞口外側公路向上游約300m處安裝了1臺強震記錄儀。

2 2018年5月8日永善3.8級地震及大壩強震記錄

2.1 地震情況

2018年5月8日23時11分，云南昭通市永善縣（北緯28.12°，東經103.47°）發(fā)生3.8級地震，震源深度13km。地震發(fā)生時，上游水位568m，下游水位378m。

2.2 強震記錄

本次地震震級較小只有3.8級，震中距離壩址位置大約有24km，只引起溪洛渡大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)26臺強震儀中的10臺觸發(fā)記錄，具體觸發(fā)測點位置見圖1。其中：壩頂觸發(fā)2臺，壩肩觸發(fā)2臺，壩中間觸發(fā)6臺，自由場沒有觸發(fā)記錄，不同測點強震儀采集記錄到的地震動響應時長為9.7～30.6s。其中，610-22號測點觸發(fā)記錄不完整，地震動響應波形曲線見圖2，記錄到的地震響應時長只有9.7s，缺失了部分地震響應。而壩頂610-27號測點則記錄到完整的波形曲線，見圖3。另外，該測點X向記錄最大值只有0.138gal（1.0gal=1.0cm2/s），在數(shù)據(jù)量級上明顯不正確，因此，該點記錄存在明顯問題，需要對設備和參數(shù)進行重新檢查。其余測點記錄到的地震動時長基本都大于25s。除610-22號測點外的所有測點地震動響應波形曲線見圖4。

2.3 臺陣類型及未觸發(fā)原因分析

大壩強震監(jiān)測臺陣組成有兩類，一類是分散式采集臺陣，另一類是集中式采集臺陣。分散式采集臺陣：各測點布置一臺3通道強震儀進行監(jiān)測，一臺3通道強震儀只連接一個拾震器，每個強震儀均帶有GPS，通過 GPS校時保持儀器時間一致，溪洛渡強震監(jiān)測臺陣就屬于分散式采集臺陣。集中式采集臺陣：一臺強震采集儀可以連接多個拾震器，采集儀內部保持各通道同步采集[6]。

分散式采集臺陣的平時設備運行維護工作量要比集中式大，平時要經常關注每臺強震儀正常運行，并且臺陣內的各臺強震儀需在規(guī)定時間間隔內進行校時，如果未及時GPS校時，各儀器的內部時間會逐漸存在差異，反映到記錄上就造成時間不同步。這在本次地震記錄上（見圖4）就有體現(xiàn)。

雕塑的動態(tài)是指被封閉在雕塑造型中的動態(tài)幻覺，是通過造型的結構、趨勢、節(jié)奏、秩序等形態(tài)的張力串聯(lián)、制造出一種視覺上的運動感受。

圖2 610-22號測點地震動響應時程圖Figure 2 Time history diagram of seismic response of 610-22# measuring points

圖3 610-27號測點地震動響應時程圖Figure 3 Time history diagram of seismic response of 610-27# measuring points

圖4 原始波形記錄Figure 4 Original waveform recording

分散式采集臺陣布置在大壩不同測點的強震儀的觸發(fā)設置需要差別化設置，這是因為地震造成大壩上各測點地震響應各不相同，各測點的地震響應差異很大。臺陣內各臺強震儀設置的觸發(fā)閾值條件如果都一致，那么當?shù)卣鹆叶容^小時，大壩上有些測點地震響應幅值小，可能就達不到觸發(fā)條件而不能觸發(fā)。這也是本次3.8級地震中溪洛渡強震監(jiān)測臺陣中26臺采集儀只觸發(fā)了10臺的原因之一。

2.4 強震記錄的時間同步處理

為了分析各測點通道間數(shù)據(jù)的內部關系，對于監(jiān)測記錄中各點存在的觸發(fā)起點時間不一致的情況，需要進行同步處理。忽略地震波在大壩內部的傳播時間，將各測點的地震波初至時刻作為同步依據(jù)，對各通道波形進行時間同步處理，地震波時長統(tǒng)一取25.5s，加上震前5s，處理后獲得30.5s時長的數(shù)據(jù)，同步處理后各通道波形（見圖5）。

3 大壩強震記錄統(tǒng)計分析

3.1 時域分析

對各測點同步處理后的時程數(shù)據(jù)進行最大值統(tǒng)計，并計算相對于大壩基礎響應的大壩動力放大率。

（1）最大值統(tǒng)計（見表2）：本次已測測點響應中兩側壩肩測點響應最小，壩頂610m高程27號壩段測點的響應最大，最大響應僅為8.62gal，該加速度值遠小于能引起大壩混凝土的破壞的加速度值，因此，本次地震對大壩安全沒有任何影響。

圖5 同步處理后波形記錄Figure 5 Waveform recording after synchronous processing

表2 大壩地震動響應最大值統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of maximum seismic response of dam gal

（2）壩體動力放大率（見表3）：分析大壩沿不同高程的地震響應相對基礎響應的放大率，需要有自由場和大壩基礎測點的地震響應，本次地震中這些測點并沒有觸發(fā)記錄。已有測點中，左壩肩測點（610-L號）位于左岸壩肩山體上，也是地震響應最小的測點，該點地震響應值實際上肯定會大于大壩基礎的地震響應，但應該是本次記錄中最接近大壩基礎地震響應，將其作為參考測點，計算壩體的動力放大率。

表3 大壩地震動響應頻譜峰值頻率Table 3 Peak frequencys of dam seismic response spectrum Hz

從統(tǒng)計表3和圖6～圖7可以看出：沿壩體高程的增加，大壩的地震響應有明顯放大。本次地震壩頂切向最大放大率大于7倍，其余方向放大率在4倍左右。

可見，溪洛渡拱壩的壩頂區(qū)域有明顯的動力放大效應，因此壩頂區(qū)域抗震安全需要予以關注。另外，溪洛渡拱壩拱壩切向動力放大效應更明顯，表明，如果遭遇較強地震影響，壩頂區(qū)域切向運動放大效應導致的后果可能是產生橫縫張開或者橫縫擠壓的破壞。

3.2 頻域分析

因為實際地震能量較大，往往能激發(fā)出大壩的固有頻率特性，在頻譜上往往體現(xiàn)為大壩地震響應的頻譜峰值頻率，因此，通過分析判斷出頻譜峰值頻率，可以作為判斷大壩固有頻率特性的參考。

3.2.1 周期圖法頻譜分析

采用韋爾奇周期圖分析方法，先對時程數(shù)據(jù)進行固定長度分段（分段數(shù)據(jù)長度為2的N次方），每兩個分段之間有部分時段交迭。對每個分段數(shù)據(jù)加窗后再進行傅里葉變換，可以減少頻譜泄漏；最后將各個數(shù)據(jù)分段的頻譜進行疊加平均，得到平滑后的頻譜[7]。如果需要看頻譜細部，可再通過頻譜細化處理得到細化頻譜。

圖6 壩體不同高程測點最大值示意圖Figure 6 Diagram of maximum values of measuring points at different elevations of dam

圖7 壩體不同高程測點動力放大率示意圖Figure 7 Schematic diagram of dynamic magnification of measuring points at different elevations of dam

本次分析頻譜的設置參數(shù)：為了兼顧頻譜分辨率和平滑效果，對每個測點數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用1024點的分段分析（每段長度10s，頻譜分辨率0.1Hz），相鄰分段交迭512點，各段數(shù)據(jù)加hanning窗后進行功率密度譜分析，最后將各段頻譜疊加平均，并在0～35Hz頻帶內進行4096點的頻譜細化。

3.2.2 頻率特征分析

從頻譜峰值頻率統(tǒng)計表可知，壩體地震響應的頻率峰值均在10Hz以下。壩體豎直向響應卓越主頻在4.8Hz附近，切向響應卓越主頻在2.6Hz附近，徑向響應卓越主頻在4.3Hz附近。

從統(tǒng)計表（見表3）和頻譜圖（見圖8）看，左右岸壩肩頻譜有著明顯差異（610-L號為左壩肩，見圖8左圖；563-R號為右壩肩，見圖8右圖），表明兩岸山體特性差異較大，左岸頻譜主頻比右岸主頻高，表明左岸山體相對右岸山體剛性要大些。

圖8 兩岸壩肩測點頻譜圖Figure 8 Different Frequency spectrums of measuring points at dam abutment on both banks

而兩岸壩肩與壩體響應的頻譜有也存在明顯差異，表明地震中壩體相對兩岸山體有明顯的局部振動響應。

通過溪洛渡拱壩各測點卓越主頻特征初步判別頻率特征。

（1）豎直向響應卓越主頻4.8Hz：除了拱壩中部的527m高程15號壩段，該位置測點的垂直向主頻為3.79Hz，15號壩段兩側（10號壩段和22號壩段）的527m高程和470m高程的垂直向卓越主頻均為4.8Hz左右（見圖9），表明4.8Hz頻率一個結構特征頻率，而且該響應振型很可能是以中間壩段為節(jié)點。

圖9 測點豎直向頻譜圖Figure 9 Frequency spectrums of vertical direction of measuring points

（2）切向響應卓越主頻：有1.6Hz和2.6Hz兩個頻率，從頻譜圖（見圖10）中可以看出，壩體527m高程和470m高程的10號壩段和22號壩段測點的切向頻譜比較相似，且頻譜均有兩個主要峰值頻率，1.6Hz和2.6Hz，其中2.6Hz頻譜幅值略高于1.6Hz頻譜。而527m高程中部的15號壩段的切向響應卓越主頻為2.3Hz，但同樣含有1.6Hz和2.6Hz峰值頻率，2.6Hz與2.3Hz頻率接近，被2.3Hz卓越主頻掩蓋在而不易識別。因此，1.6Hz和2.6Hz也是大壩結構特征頻率，而2.3Hz可能只是大壩中部壩段的局部特征頻率。

（3）徑向響應卓越主頻在4.3Hz：從統(tǒng)計表（見表3）看出，527m高程和470m高程的10號壩段和22號壩段，以及15號壩段徑向響應的卓越主頻均是4.3Hz左右，且這些測點的頻譜曲線特征基本相似（見圖11），表明該4.3Hz頻率也是大壩結構特征頻率。

圖10 測點切向頻譜圖Figure 10 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

圖11 測點徑向頻譜圖Figure 11 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

4 結論

溪洛渡地震強震臺設計合理，運行也比較完善，通過實際地震的考驗，溪洛渡強震臺陣取得了一個珍貴的特高拱壩的地震響應記錄，但是本次地震記錄大壩測點記錄完整性不足：較多大壩測點沒有觸發(fā)，沒有獲得完整的拱壩地震響應。建議對未獲得記錄的設備進行檢查，并對各點觸發(fā)參數(shù)重新進行差別化的合理設置。從地震記錄的以上分析中有以下結論：

（1）本次地震震級小地震響應小對大壩安全沒有影響。

（2）拱壩壩體在地震中存在明顯的動力放大效應，隨高程增大放大效應越明顯，并且不同方向放大率也有較大差異。其中，豎向：470m高程放大率為2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。切向：470m高程放大率為2～4倍，527m高程3～5倍，610m高程7倍左右。徑向：470m高程放大率為2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。壩頂區(qū)域尤其是切向的放大效應最大有7.1倍，因此，未來大壩抗震安全控制需要關注壩頂區(qū)域，特別是強震下壩頂橫縫位置的安全。

（3）本次地震溪洛渡拱壩垂直向振動主頻4.8Hz左右；切向振動卓越主頻為1.6Hz和2.6Hz左右；徑向響應卓越主頻在4.3Hz左右。

下一步作者將利用大壩地震響應記錄做進一步的大壩模態(tài)特性分析，研究溪洛渡拱壩結構的實際地震下的模態(tài)頻率、阻尼和振型等動態(tài)特性。