地震波在混凝土重力坝中的特性反应

2010-03-13陈利锋刘文清黄飞徐俊杰

大坝与安全 2010年6期

陈利锋，刘文清，黄飞，徐俊杰

（1.中国长江三峡开发（集团）公司，湖北宜昌443002；2.长江委三峡勘测研究院，湖北宜昌443001；3.湖北省宜昌地质勘探大队，湖北宜昌443012）

0 引言

世界各国历来十分重视大坝抗震安全，我国在大坝抗震设计方面虽然取得了一定进展，但由于抗震理论和动力分析方法具有一定难度，许多问题还在探索之中，其理论上的研究方法需用实测数据进行验证。大坝的抗震能力不仅取决于其自身的坝型、规模、建材及坝基的地质条件等，同时还受振动波（地震波）的强度、输入方向及持续时间的影响。开展大坝对地震波的反应特性研究对工程抗震设计及结构安全性设计具有十分重要的实际意义。根据布设在坝体内的强震观测系统记录到的一次离坝址约29 km的上游处发生的M4.1级地震事件展开分析，对分析过程及结果进行讨论，从中总结大坝在地震过程中的反应特性及规律。

1 测点布设

为了能完整地描述和掌握地震波在坝体内不同高程、不同介质中的传播规律、特性反应以及对坝体的影响程度，掌握地震在每个测点中的强度反应，目前国内外大多采用求质点运动矢量和的方法,也就是同时测量质点运动的三个正交分向量（垂直、顺河、横河），并将它们表达成时间、频域的函数,再从观测质点运动的二水平分量值中取其最大矢量和值作为其在该点中的地震强度，以此作为判别大坝在该结构面的其中一个地震强度反应点，再对坝体其它结构面测点所记录的地震强度进行综合分析，作为评判建筑物在该地震事件过程中影响程度的依据。因此，测点布设较为重要，既要考虑测点数量，还要考虑测点布设的具体位置，一般布设在靠近大坝中线不同高程处同一断面内，其中坝体与基岩结合处之间、坝体表面（坝顶）各须布设一个测点。本次研究的坝体为一重力坝，在坝体同一断面的6个不同高程共安装了6套24位数字化强震仪（测点布设位置见图1），利用这些强震仪记录的地震资料来反映该断面在强震作用下的反应特性，达到了解坝体局部抗震特性的目的。

2 特性分析

衡量一个较大的地震事件是否对大坝构成威胁，作用在大坝上的加速度、速度反应幅值、卓越周期、持续时间等是其中较为重要的参考值，而在一定阻尼下，大坝自身对地振动效应的动力放大特性也是大坝抗震能力的重要参量，本文主要围绕这些参数进行分析讨论。

图1 坝体测点位置图Fig.1 Distribution of the monitoring points

2.1 加速度及动力放大特性分析

加速度、速度及动力特性分析，主要是分析其加速度、速度幅值及放大特性。地振动的幅值是指地振动的加速度、速度和位移三者之一的峰值。地振动过程十分复杂，数学上可用空间向量（x，y，z，t）来表示，其中x，y，z为观测点运动的空间坐标位置，t为时间。但实际观测中，对空间每个测点的每个分量只能由专设拾震器独自进行测量，得出振动过程中的一条曲线（图2～3），因此每一条记录，自然也只能表示一个测点在地振动时沿某一方向运动分量的时间关系，如水平向或垂直向，而在水工建筑物抗震设计中，一般只考虑水平向的地振动效应。在求水平向幅值时，主要是求两个水平分量最大振幅值的矢量和，以此来求出各自测点的最大值，本次测量就是分别求取两个水平分量的矢量和。表1是各测点记录资料经分析后的加速度幅值及动力放大倍数。

由于只有与大坝固有频率相近的地震波频段才能对大坝构成威胁，所以在分析过程中，需先对记录的地震波形进行零点飘移校正处理，然后对大于35 Hz的频段进行滤波，再分析已经滤掉了大于35 Hz高频背景噪声的波形。分析结果表明，坝顶表面（测点1）的顺河向加速度峰值最大，为0.01745 g（即17.45 cm/s2），基岩处测点5顺河向的最大峰值为0.00314 g（即3.14 cm/s2），最小值出现在测点6，横河向峰值为0.00144 g（即1.44 cm/s2）。由于本次地震时电厂机组正处于发电状态，其形成的干扰叠加在地震波上，增大了加速度峰值。经取样分析计算，各测点的初级振动背景噪声均值、均方根值（RMS）列入表1，从表1结果可看出，发电机运行所产生的加速度的均值对实测加速度值的影响很小（在10-1cm/s2数量级）。

图2 测点5记录的M4.1级地震波形（垂直向）Fig.2 Seismic wave recorded by the No.5 monitoring point in the M4.1 earthquake(vertical)

图3 测点5记录的M4.1级地震波形（水平向）Fig.3 Seismic wave recorded by the No.5 monitoring point in the M4.1 earthquake(horizontal)

2.2 频谱特性及持续时间分析

（1）频谱特性分析

以前多次地震记录资料分析和研究的成果表明，地震波是一种较为复杂的随机波，振幅和频率都是瞬时值，随时间而变。若地震的卓越频率逼近建筑物的自振频率，产生共振现象，使其振幅随之增大，结果可能造成建筑物受损，所以频谱分析对评价建筑物在地震过程中是否受损意义重大。

在进行地振动频谱分析时，一般只做傅里叶谱或加速度反应谱分析。频谱分析时，为了进一步弄清这次地震波的频率成分，利用傅里叶变换法将记录的振动波形用傅里叶级数进行展开，也就是按（1）～（7）式将记录的基波和谐波分解开，即：

表1 各测点记录的M4.1级地震加速度幅值及动力放大特性分析结果Table 1:Results of characteristic analysis on acceleration and power magnification in the M4.1 earthquake

然后按以下的（2）、（3）、（4）式求出相应系数的平均值。

傅里叶级数的频谱幅值等于

傅里叶级数的频谱相位角等于

傅里叶正变换公式定义为

经变换后的傅里叶频谱如图4～5所示，表2是本次地震事件的反应谱及主频特性分析结果。

表2 各测点记录的M4.1级地震持续时间与主频分析Table 2:Duration and main frequency analysis results in the M4.1 earthquake

图4 测点5频谱曲线（垂直向）Fig.4 Graph of spectrum recorded by the monitoring point No.5(vertical)

图5 测点5频谱曲线（顺河向）Fig.5 Graph of spectrum recorded by the monitoring point No.5(riveralong)

从表2可以看出，本次地震事件的3个分向的主频主要集中在2.167～4.181 Hz之间,其中垂直向主频都小于2.3 Hz,在2.167～2.258 Hz之间，其中有4个垂直分向的主频为2.197 Hz；顺河向主频主要集中在2.167～3.296 Hz之间，都小于或等于3.296 Hz，其中6个顺河向中有4个主频为2.167 Hz；横河向主频都小于或等于4.181 Hz，在3.235～4.181 Hz之间,其中6个横河向中有4个主频为4.028 Hz。可以认为，在库区水位为171.4 m（震发时的水位）,坝体测点断面的地震反应主频为：垂直向在2.167～2.258 Hz之间，顺河向在2.167～3.296 Hz之间，横河向在3.235～4.181Hz之间。

（2）持续时间

地震作用的持续时间对结构物的破坏起着至关重要的作用，作用时间越长，对建筑物的破坏就越大。求取持续时间的方法多种多样。本次计算采用幅值比较法，以最大峰值的1/5处作为计算地震持续时间的起始时间，直到地震波衰减至最大峰值的1/5处作为截止时间。通过这种方法计算，本次地震反应的持续时间约9.5 s，与具有地震反应持续时间在30 s以上相比较是短的。