溪洛渡拱壩強震動響應(yīng)記錄處理分析

許亮華 ，高建勇

（1.中國水利水電科學(xué)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(yīng)急支持工程技術(shù)研究中心，北京市 100048）

0 引言

大壩的強震動響應(yīng)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(fù)核大壩工程的結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。[1-2]大壩強震動響應(yīng)記錄不僅直接體現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)在強震下的響應(yīng)，通過分析還可以獲得大壩結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。[3]

目前我國在大壩上獲得的強震響應(yīng)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(jīng)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(yīng)記錄，而其他幾個大壩并沒有記錄到大壩的強震響應(yīng)。

進入21世紀以來，我國在水力資源豐富的西部、西南部建設(shè)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(yīng)會成倍增加，控制抗震安全難度巨大。[4]其抗震設(shè)計理論與依據(jù)只是借鑒了200m級高壩的抗震設(shè)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(yīng)，可以利用這些記錄對特高壩的抗震性能進行復(fù)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(shè)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(yīng)。

2018年5月8日23時11分，云南昭通市永善縣（北緯28.12°，東經(jīng)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)記錄對大壩地震響應(yīng)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(shè)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(yīng)，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(yīng)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(wù)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(shè)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(cè)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(jīng)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(yīng)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(yīng)波形曲線見圖2，記錄到的地震響應(yīng)時長只有9.7s，缺失了部分地震響應(yīng)。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(shè)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(yīng)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(nèi)部保持各通道同步采集[6]。

分散式采集臺陣的平時設(shè)備運行維護工作量要比集中式大，平時要經(jīng)常關(guān)注每臺強震儀正常運行，并且臺陣內(nèi)的各臺強震儀需在規(guī)定時間間隔內(nèi)進行校時，如果未及時GPS校時，各儀器的內(nèi)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(jié)構(gòu)、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(yīng)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(yīng)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(shè)置需要差別化設(shè)置，這是因為地震造成大壩上各測點地震響應(yīng)各不相同，各測點的地震響應(yīng)差異很大。臺陣內(nèi)各臺強震儀設(shè)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(yīng)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(nèi)部關(guān)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(nèi)部的傳播時間，將各測點的地震波初至?xí)r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(chǔ)響應(yīng)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(yīng)中兩側(cè)壩肩測點響應(yīng)最小，壩頂610m高程27號壩段測點的響應(yīng)最大，最大響應(yīng)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(yīng)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(yīng)相對基礎(chǔ)響應(yīng)的放大率，需要有自由場和大壩基礎(chǔ)測點的地震響應(yīng)，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(yīng)最小的測點，該點地震響應(yīng)值實際上肯定會大于大壩基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，但應(yīng)該是本次記錄中最接近大壩基礎(chǔ)地震響應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)，因此壩頂區(qū)域抗震安全需要予以關(guān)注。另外，溪洛渡拱壩拱壩切向動力放大效應(yīng)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(yīng)導(dǎo)致的后果可能是產(chǎn)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(yīng)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(shè)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(nèi)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(yīng)的頻率峰值均在10Hz以下。壩體豎直向響應(yīng)卓越主頻在4.8Hz附近，切向響應(yīng)卓越主頻在2.6Hz附近，徑向響應(yīng)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(yīng)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(yīng)。

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(yīng)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(cè)（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(jié)構(gòu)特征頻率，而且該響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)論

溪洛渡地震強震臺設(shè)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(yīng)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(yīng)。建議對未獲得記錄的設(shè)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(shè)置。從地震記錄的以上分析中有以下結(jié)論：

（1）本次地震震級小地震響應(yīng)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(yīng)，隨高程增大放大效應(yīng)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(yīng)最大有7.1倍，因此，未來大壩抗震安全控制需要關(guān)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(yīng)卓越主頻在4.3Hz左右。

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