某水電站大壩強震監測資料分析研究

江曉濤，袁文揚，樓加丁，王宇航

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081；2.天津城建大學地質與測繪學院，天津市 300000；3.四川省地震局，四川省成都市 610000）

某水電站大壩強震監測資料分析研究

江曉濤1，袁文揚2，樓加丁1，王宇航3

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081；2.天津城建大學地質與測繪學院，天津市 300000；3.四川省地震局，四川省成都市 610000）

本文以2015年5月21日20時零7分在貴州省貞豐縣鎮寧布依族苗族自治縣交界處發生的3.0級地震為背景，從工程應用的角度介紹了水工建筑物強震動加速度記錄及數據處理分析的方法。強震動加速度記錄經過數據校正、濾波、降噪、積分、譜分析后，可得到速度、位移、場地卓越周期以及水工建筑物安全指數等，通過對震源的評估以及強震動參數值的計算，能快速對水電站大壩水工建筑物的安全進行震害評估。經計算，強震動記錄值在本次地震中，最大峰值加速度值為53.1418Gal，最大加速度響應值周期為0.1s左右，傅里葉變換后得到的主頻值在8～14Hz，水工建筑物安全指數ya=1.06＞1。綜合分析后，判定本次地震對大壩結構安全無影響。

強震加速度；震源；譜分析；水工建筑物安全指數

0 引言

某水電站壩高150m，為混凝土面板堆石壩，總庫容9.55億m3。大壩抗震設防為甲類，抗震設計烈度為7度。根據《水工建筑物強震動安全監測技術規范》（DL/T 5416—2009）的要求，應在水電站大壩上布設強震動結構反應臺陣。大壩強震監測臺陣測點布置如圖1所示，臺陣采用GL-A三分向加速度計和EDAS-24GN3/6通道數據采集器。

2015年5月21日20時零7分，在貴州省貞豐縣鎮寧布依族苗族自治縣交界處發生的3.0級地震共觸發15個采集通道，得到15條強震記錄。這些記錄均分布在壩頂以及大壩的不同高程位置，其中徑向（東西向）記錄5條，切向（南北向）記錄5條，豎向（垂直向）記錄5條，如圖2所示，各強震監測點記錄到的加速度值見表1。通過表1可以看到，壩頂3個測點的加速度值大于壩體中部和底部的兩個測點加速度值，表明壩體具有一定的放大效應，隨著壩體高程增加，放大效應越強。

表1 各強震測點記錄加速度值

1 震源估計

圖1 大壩強震監測儀器布置示意圖

由于大壩強震加速度記錄不能進行震中定位，為了快速進行震害評估，從而采取相應的應急措施，有必要進行震源估計，粗略判定震中位置距大壩、廠房等重要建筑物的距離，分析該地震是否為水庫地震。震源估計原理：因為P波沿同一路徑傳播時間比S波速度快，P波先到，S波隨后到達，利用P波、S波到達時刻不一樣的特性，可以估計出地震的震中距。

震中距估計公式：

式中：d——震中距；

T—— P波來臨時刻和S波來臨時刻的間隔時間；

vp、vs——P波和S波的波速[1]。

2015年5月21日20時零7分（北京時間），庫區大壩強震臺陣記錄到一次地震事件（見圖2）。從記錄到的波形可知地震的P波、S波來臨的時刻及地震持續時間。從記錄中可知，S波與P波到達時間差不足1s，估算出這次地震的震中距大壩最多不超過8km。為了驗證我們的判斷，利用大壩庫區測震臺網記錄到的事件（見圖3）進行分析，這次地震發生具體地點是北緯25.5°，東經105.7°，震源深度為4km，位于貴州省貞豐縣鎮寧布依族苗族自治縣交界處，距庫區大壩6km，這表明我們用強震記錄進行震源估計具有一定準確性。

2 強震加速度分析處理[2]

圖2 實測大壩強震加速度記錄

圖3 測震臺網記錄的地震事件

通過對強震加速度記錄進行分析處理，可以得到速度、位移、卓越周期、加速度反應譜等強震動參數值，最后結合水工建筑物危險指數、安全指數來對大壩安全指數進行綜合分析，壩1測點位于大壩壩頂且加速度值最大；壩5位于大壩斷面底部，兩個測點具有代表性，基于以上本文選取壩1測點和壩5測點加速度峰值進行震害評估計算分析（見圖4）。

圖4 壩1、壩5加速度時程曲線

2.1 數據校正

儀器在自動記錄過程中，受到外界電信號干擾，會出現異常數據，因此，需要對波形記錄產生的錯點進行剔除。同時，為了提高信噪比，通常采用低通濾波器對波形進行濾波降噪處理，消除低頻干擾信號和低頻率的電干擾對壩體震動前幾階信號的擾動。經對錯點剔除和濾波降噪處理后，對記錄到的加速度值進行基線校正，基線校正包括了零漂和直線趨勢校正兩個方面。

2.1.1 零漂校正

波形基線的平行漂移即稱為零漂現象，零漂現象的校正只要將記錄值減去期望值即可。校正公式如下：

式中：x′i——零漂校正后的數據；

xi——校正前的數據；

E（x）——校正前數據的期望值。

2.1.2 直線趨勢校正

當波形零線有一定角度偏移時需進行直線趨勢校正，通常用最小二乘法求出趨勢偏轉的基線函數，再從原記錄中減去趨勢項進行校正。直線趨勢校正的方法可將波形基線的平移和偏轉現象同時消除。

圖4是壩1和壩5處測點記錄加速度值在經過錯點剔除、濾波降噪、基線校正等一系列處理后得到的加速度時程曲線，圖中可以看到，經過校正后，波形清晰，震相清楚。圖4顯示壩1測點的垂直向加速度最大，東西向次之，南北向最小，最大加速度峰值為53.1418Gal；壩5測點東西向加速度最大，南北向次之，垂直向最小，最大峰值加速度為16.877Gal。

2.2 速度和位移時程

經數據校正得到強震動加速度真值后，為了能獲得結構的速度反應和位移反應信息，采用梯形公式對加速度一次積分后得到速度時程，對加速度二次積分后得到位移時程，采樣率均選取200Hz。加速度通過積分獲得速度和位移公式為：

式中：ai——加速度采樣記錄；

vi——一次積分獲得的速度；

si——二次積分獲得的位移；

?t——采樣間隔。

令v0、s0等于0，i≥1。

圖5和圖6是壩1測點和壩5測點經過積分后得到的速度時程和位移時程曲線。通過對位移時程曲線分析得到，壩1測點和壩5測點地動位移均在0.1cm以內，且峰值加速度出現在12s左右，位移峰值均表現為東西向最大。表2是經計算得到的大壩強震各監測點位移，其值表明地震動對地面和結構物的輸入能量較小，地面及結構物的變形和破壞可忽略不計。

圖5 速度時程曲線

圖6 位移時程曲線

表2 各強震測點位移計算結果

2.3 反應譜分析

地震加速度反應譜[3]反映了地震加速度時程的頻率特性，是自振周期為T和阻尼比為x的單質點體系在水平地震作用下反應的最大值隨周期而變的函數[4]。為了獲取與震源模型對應的地震動參數，我們對數據校正后的加速度記錄計算了5個阻尼比值（0，0.02，0.05，0.1，0.2）。圖7和圖8是通過計算不同阻尼比值得到的壩1測點加速度和壩5測點加速度反應譜曲線，可以看出，兩個不同測點處的加速度反應譜曲線具有一定的共性：

（1）反應譜的加速度隨阻尼的增大而減小。

（2）不同阻尼比之間的差異隨著時間增大而逐漸減小，圖中顯示曲線在1.2s以后幾乎重疊在一起，并且反應譜加速度值隨時間增大也在減小。

圖7 壩1測點加速度反應譜分析

圖8 壩5測點加速度反應譜分析

（3）兩個測點處加速度反應譜曲線顯示：最大加速度響應值所對應的周期均在0.1s附近，因此本次地震產生的地震波對自振周期較短的結構體會產生一定的影響，特別是自振周期在0.1s附近的結構體會產生一定的影響，而對于自振周期是中長周期的結構體產生的影響較小。

（4）兩個測點不同之處在于壩1測點反應譜曲線較壩5測點反應譜曲線光滑，壩5測點3個方向反應譜曲線均有多峰值現象，推測與該測點所處壩體位置有關。

（5）可以注意到，反映譜曲線不能反映地震動持時，而地震動持時是大壩震害評估的重要指標，我們可以通過時程曲線來得到，圖4加速度時程曲線顯示壩1、壩5測點除了最大加速度附近時段對應的加速度值較大外，其余時段加速度值較小，地震動持時較短。

2.4 傅里葉變換

傅里葉變換可將信號從時域轉換到頻率域，從頻譜圖上可知數據記錄的主頻點，以及每個頻率的組成分布情況[5，6]，圖9和圖10是壩1測點和壩5測點處的加速度傅里葉譜和功率譜，從傅里葉譜分析可知各分向主頻分布范圍均在中低頻段，峰值清晰。在地震激勵下，測點處3個分向均表現出多峰值現象，三分向幅值對應的主頻集中在8～14Hz，場地卓越周期在0.07～0.125s。對比3個方向的傅里葉譜還可以看到，震動在垂直方向的分量較水平向的大，頻帶較寬，垂直方向對大壩結構體的影響比東西和南北方向要大。功率譜中顯示，強震動能量主要集中在8～14Hz的頻段內。根據DL 5073《水工建筑物抗震設計規范》中對于不同類別場地特征周期Tg的劃分[7]，若場地卓越周期遠離大壩自振周期，則不會產生共振效應，對大壩無影響。

圖9 壩1測點、壩5測點加速度值三分向傅里葉譜

3 大壩震害評估分析

根據《水工建筑物強震動安全監測技術規范》對震后大壩建筑物安全程度進行評價。通過統計、分析每個測點通道的加速度、速度、位移最大值和地震動持時，計算出震害危險指數和安全指數，對強震后水工建筑物進行震害評估[8]，震害評估可分為安全、警惕、危險3個等級，震害等級評估可以參考表3。

水工建筑物震害危險指數：

式中：yw——水工建筑物震害危險指數；

ac——強震反應的最大加速度記錄值；

al—— DL 5073抗震設計規范計算求得的相應測點能抗御的最大加速度值。

當yw值有大于1時，水工建筑物將可能出現破壞。yw值越大，工程破壞可能性越大[9]。

水工建筑物安全指數：

圖10 壩1測點、壩5測點加速度值三分向功率譜

式中：ya——水工建筑物安全指數；

ac——最大加速度記錄值；

ad—— 最大加速度0.05g（混凝土建筑物）或0.025g（土石建筑物）或者取抗震計算求得的相應點最大加速度值。

表3 震害等級評估表

該水電站大壩強震臺精確記錄到2015年5月21日20時零7分在貴州省貞豐縣鎮寧布依族苗族自治縣交界處發生的3.0級地震，本次地震的強震動加速度中去掉本底噪聲后的最大峰值加速度值為53.1418Gal（0.0531418g），取混凝土建筑物最大加速度0.05g作為ad值進行估計，安全指數ya=1.06＞1，根據震害等級評估表，大壩水工建筑物處于警惕狀態，應對水工建筑物進行震害檢查，但是綜合速度、位移、卓越周期、地震持時以及加速度反應譜等強震動參數分析，可以初步判定大壩依然處于安全允許范圍內。

4 結束語

本文以貴州省貞豐縣鎮寧布依族苗族自治縣交界處的3.0級地震為背景，通過對大壩強震監測臺陣記錄到的強震記錄進行分析，得到以下認識：

（1）大壩壩頂3個測點的加速度較壩體中部和底部的兩個測點加速度值反應強烈，加速度存在沿壩體高程增加逐漸放大的現象。通過積分得到速度和位移時程表明，地震對地面上建筑物的輸入能量較小，各測點位移反應均在0.1cm以下。

（2）對校正后的加速度記錄進行反應譜分析表明：該次地震對短周期結構體會產生一定的影響，對中長周期結構體影響較小。在進行反應譜分析時，也注意到反應譜不能反應地震動持時，這是其局限性。

（3）傅里葉變換表明：在地震動激勵下，大壩表現出多個振型的振動，在3個分向上均有多峰值現象，加速度反應主頻集中在8～14Hz。

（4）利用記錄到的最大峰值加速度進行快速震害評估，雖然安全指數ya=1.06＞1，但是綜合分析速度、位移、地震持時、加速度反應譜等強震動參數后，得出本次地震后大壩仍然處于安全狀態。

[1] 許亮華，郭永剛，杜修力.水工建筑物強震動加速度記錄的分析處理[J].地震工程與工程振動，2012，32（5）：26-32.

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[9] 國家能源局.DL/T 5416—2009 水工建筑物強震動安全監測技術規范[S].北京：中國電力出版社，2000.

江曉濤（1986—），男，工程師，主要研究方向：水庫地震監測與大壩安全監測。E-mail: jxtgreat@163.com

袁文揚（1993—），男，主要研究方向：地質與測繪方面研究工作。E-mail: 522176765@qq.com

樓加?。?962—），男，教授級高工，主要研究方向：水利水電工程物探研究及管理工作。E-mail: jbb2ybb@163.com

王宇航（1988—），男，工程師，主要研究方向：深部地球物理勘探和航空電磁正反演等。E-mail: 244165461@163.com

Strong Motion Acceleration Recorded in Hydropower Dam Safety Monitoring Applied Research

JIANG Xiaotao1，YUAN Wenyang2，LOU Jiading1，WANG Yuhang3
（1.Power China Guiyang Engineering Corporation Limited，Guizhou 550081，China; 2.School of Geology and Geomatics，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300000，China; 3.Sichuan Earthquake Administration，Chengdu 610000，China）

This paper took the 3.0 magnitude earthquake happened at 20：07：00 on May，21，2015 in Zhenfeng County，Zhenning Buyi and Miao autonomous prefecture，Guizhou province as the background and then introduced the correct treatment analysis method of hydraulic structure strong motion acceleration record. The integration and spectral analysis were conducted after the data correction along with filtering and denoising of strong motion acceleration record to obtain the velocity，displacement as well as the hydraulic structure security index. We carried out rapid earthquake disaster assessment on the hydraulic structure of hydropower dam through focus evaluation and calculation of strong motion parameter values.It was calculated that the maximum peak acceleration of the strong motion acceleration record value was 53.1418Gal in this earthquake，maximum acceleration response cycle is about 0.1s，Fourier transform frequency value is about 8～14Hz with the hydraulic structure security indexya=1.06>1.After comprehensive analysi，we determinethat this earthquake had no impact on the dam.

strong motion acceleration; focus; spectral analysis;hydraulic structure security index