芦山地震冶勒大坝强震监测资料分析

苗 君，何蕴龙，曹学兴，熊 堃，喻虎圻

（1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2.华能澜沧江水电有限公司，云南 昆明 650214；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010）

1 引 言

冶勒水电站位于四川省雅安市石棉县和凉山州冕宁县境内，拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高为124.5 m，在同类坝型中世界第三，仅次于Kopru坝（139 m，土耳其）和Storglomvatn坝（128 m，挪威）。

冶勒水电站位于第四纪构造断陷盆地上，坝址处河流流向盆地下游偏左岸，河床下部及右岸是经过漫长固结沉积的粉质壤土、卵砾石和硬质土组成的堆积体。该堆积体具有不同程度的泥钙质胶结和超固结压密特性，力学强度和变形指标较高，透水性较弱。其详细地质条件见文献[1]。由于地质条件比较复杂，地形变化不均，导致左右岸基础不对称[2]。左岸基岩埋藏较浅，而右岸基础覆盖层深厚，坝肩基岩埋深420 m以下，需要处理的覆盖层厚高达200多米。

冶勒大坝处于安宁河断裂带和小金河断裂带的切割区，南面以南河断裂为界的冶勒断块上[3]，属于强震波及区。在工程区虽无强震记录，但其外围发生7级以上的强震6次，波及到库区的最大烈度达Ⅶ度，多数外围地震对坝区的影响不过Ⅴ度。四川省地震局将冶勒库区地震基本烈度定为Ⅷ度，设计烈度为Ⅸ度，设计地震加速度达0.45g。

冶勒大坝强震监测台阵设立后，成功监测到了2008年汶川地震[2]与攀枝花地震[4]，特别对汶川地震主震有较为完整的有效记录。北京时间2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震，震源深度为13 km。此次地震发生在青藏高原和四川盆地的交界处，位于龙门山前缘构造带的南段，距离汶川地震震中约87 km，受灾面积约15 720 km2，周围地质条件见文献[5]。芦山地震为逆冲型地震，震源较浅，震中最大烈度达Ⅸ度。冶勒大坝距震中约212.5 km，坝址区震感也较为强烈，冶勒大坝布设的强震监测台阵成功记录了坝址周边地区4.0级以上地震10次，其中有5台强震仪成功获得了主震记录，有4台以上的强震仪获得了5次余震记录。本文根据强震仪监测数据，对芦山主震记录进行详细分析，通过分析各个测点的加速度、速度、位移时程曲线以及频谱反应规律，获得坝体在地震时实际动力反应规律以及地震对坝体工作性态的影响。通过对比芦山与汶川地震时坝体动力反应规律，分析两次地震时坝体动力反应规律的异同。

2 冶勒大坝强震监测台阵

6台GDQJ-Ⅰ型强震仪和3台GDQJ-Ⅱ型强震仪组成了冶勒大坝强震监测台阵。当冶勒坝区外围发生地震时，强震仪会自动感应，触发震感并记录及计算烈度。冶勒大坝坝轴线沿南北方向布置，垂直于坝轴线为东西方向，强震仪记录的顺河向以向东为正，横河向以向北为正，竖直向以向上为正。

冶勒大坝在坝顶和下游坝面共建有11个观测站，其中1#（坝0+069.25 m）、4#（坝0+220.00 m）、10#（坝0+376.90 m）、11#（坝0+610.00 m）测站分布在坝顶，4#（2 654.5 m高程）、5#（2 623.5 m高程）、6#（2 594.5 m高程）、7#（2 564.5 m高程）测站沿高程布置在最大断面的下游坝坡上，主要观测坝面的地震反应情况；左岸灌浆平洞（坝0-010.00 m，2 654.5 m高程）测站主要观测左岸基岩的地震动力反应；监测廊道（坝0+220.00 m，2560 m高程）测站布置在最大断面位置，主要观测心墙附近的地震反应情况。各个观测站的位置如图1所示。

图1 冶勒大坝最大断面强震监测仪器布置图Fig.1 Placement of strong motion seismograph on the largest section of Yele dam

3 强震资料分析的原理和方法

图2给出了强震记录数据一般处理分析的流程图[6]，本文按此流程进行了数据的预处理和大坝动力反应分析。

图2 强震记录处理分析流程图[6]Fig.2 Data processing flow chart of strong earthquake records

强震监测记录的预处理需进行基线校正和滤波处理两个重要步骤。加速度信号通常是在0值附近上下波动的，但强震仪采集的波形信号会产生一定程度的偏移现象，需进行基线校正；山体基岩和坝体的震动通常是以中低频率为主，前几阶的震动频率较为重要，但采集的信号通常会受到50 Hz的电干扰及其他低频噪声等扰动，因此，需要滤波处理以提高信噪比。

通过强震监测记录的预处理可以得到校正后的加速度时程，地震各部位的速度和位移动力反应需要对加速度分别进行一次和二次积分。通过快速傅里叶变换，可将信号从时域分析转换到频域分析，得到傅里叶谱。利用傅里叶变换的平方可得功率谱，从而获得加速度、速度和位移的频率成分以及主频率等特征量[7]。

4 芦山地震冶勒大坝实测动力反应

4.1 强震仪记录情况汇总

2013年4月20日，坝址周边发生4.0级以上的地震14次，强震仪成功获得了芦山主震及其余震的10次记录。其中主震由5台强震仪获得，记录较为完整，并有4台以上的强震仪获得了5次余震的有效记录，表1给出了4月20日主震及余震的记录情况。

4.2 大坝地震动力反应记录

主震记录分析结果见表2。由表可知，坝顶的加速度反应相对比较强烈，顺河向与横河向加速度峰值较大，竖直向较小。由于1#测站位于大坝坝顶，监测到大坝动力反应最大且持续时间最长；5#测站位于大坝最大断面的下游坝坡上，较6#测站位置高，且该测站在2008年汶川地震时获得了强震监测记录，两个测站具有较好的代表性。基于上述原因，图3给出了1#、5#测站强震仪记录到的顺河向、横河向以及竖直向的加速度时程曲线；图4、5给出了对加速度进行一次积分和二次积分后的速度时程曲线和位移时程曲线。

表1 2013年4月20日芦山地震4.0级以上主震及余震记录Table 1 Records of main shock and aftershocks greater than M4.0 for Lushan earthquake on April 20，2013

表2 2013年4月20日芦山主震坝体反应时域分析结果Table 2 Time domain analysis results of Yele dam during Lushan main shock on April 20，2013

由图3可以看到，经校正后加速度波形清晰，震相清楚，且各方向波形类似。初始振幅较小，大约23 s以后振幅增大，振动逐渐加强，峰值附近有大约持续16 s的强震动，随后振动逐渐减小，直至平息。1#测站顺河向加速度最大，横河向次之，竖直向最小，且竖直向加速度峰值为顺河向的27.81%，横河向的35.94%，地震持续时间为76.98 s；5#测站的顺河向加速度与横河向相差不大，竖直向最小，且竖直向加速度峰值为顺河向的79.59%，横河向的83.0%，地震综合持续时间为46.98 s。

图3 芦山地震冶勒大坝典型测站顺河向、横河向和竖直向加速度时程图Fig.3 Time histories of acceleration in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

图4 芦山地震冶勒大坝典型测站顺河向、横河向和竖直向速度时程图Fig.4 Time histories of velocity in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

图5 芦山地震冶勒大坝典型测站顺河向、横河向和竖直向位移时程图Fig.5 Time histories of displacement in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

通过对速度时程曲线分析得到，波形曲线在峰值附近有持续10 s左右的强振动。1#、5#测站的速度峰值均表现为顺河向最大，横河向次之，竖直向最小，但三者相差不大。通过对位移时程曲线分析得到，动位移均在0.5 cm以下，且峰值均出现在40 s附近。位移峰值均表现为竖直向最大，横河向和顺河向较小。

4.3 动力反应分布规律分析

图6给出了了大坝沿高程的加速度、速度和位移反应的分布情况，分别由6#测站（坝0+220.0 m，2594.5 m高程）、5#测站（坝0+220.0 m，2624.5 m高程）和1#测站（坝0+69.25 m，2654.5 m高程）获得，由于5#、6#测站均位于最大横断面，1#测站位于最大断面偏左岸150.75 m，故5#、1#测站之间通过虚线连接。图7给出了大坝坝顶沿桩号的加速度、速度和位移反应的分布情况，其数据由1#测站（坝0+69.25 m）、10#测站（坝0+376.9 m）、11#测站（0+610.0 m）获得。

图6 芦山地震冶勒大坝沿高程的加速度、速度和位移峰值分布Fig.6 Distributions of the peak acceleration，velocity and displacement along elevation of Yele dam during Lushan earthquake

从图6可以看到，总体上加速度与速度反应沿高程的变化规律相似，坝顶有较明显的放大效应，体现出坝体对地震波的放大作用。顺河向加速度沿高程的增加而逐渐增大；横河向加速度沿高程的增加而先减小、后增大，坝顶的加速度最大；竖直向加速度沿高程逐渐减小。总体来看，顺河向加速度最大，横河向次之，竖直向最小，其中横河向加速度与顺河向相差较小。

5#、6#测站3个方向位移基本一致，1#测站虽然位于坝顶但靠近岸坡，约束作用较强，横河向和竖直向位移比5#、6#测站小，顺河向稍大。总体来看，竖直向位移最大，横河向次之，顺河向最小，其中横河向位移与顺河向相差幅度较小。但需要指出，由于经历了两次积分，位移数值的误差相对较大。

一般情况下，河床中部坝体由于约束作用较弱，动力反应较岸坡段大。但由于场地条件、地震波频谱特性以及大坝本身自振特性等因素不同，地震时坝体表现出的动力反应规律不尽相同。从图7可以看到，在芦山地震中，从左岸到右岸，冶勒大坝坝顶顺河向加速度沿桩号的增加而逐渐减小，在靠近基岩的1#测站加速度峰值最大；坝顶横河向加速度沿桩号的增加几乎没有变化；竖直向加速度沿桩号的增加而先增大后减小，在10#测站加速度有极值。加速度各方向中竖直向加速度最小。

4.4 加速度记录频谱分析

图7 芦山地震冶勒大坝坝顶加速度、速度和位移峰值分布Fig.7 Distribution of peak acceleration，velocity and displacement of Yele dam crest during Lushan earthquake

图8 芦山地震冶勒大坝典型测站顺河向、横河向和竖直向傅里叶谱Fig.8 Fourier spectrum in transverse，longitudinal and vertical direction of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

图9 芦山地震冶勒大坝5#测站顺河向、横河向和竖直向功率谱Fig.9 Power spectrum in transverse，longitudinal and vertical direction of typical stations #5 on Yele dam during Lushan earthquake

表3 2013年4月20芦山主震坝体反应频域分析结果Table 3 Spectrum analysis results of Yele Dam during Lushan main shock on April 20，2013

对地震时程曲线记录进行快速傅里叶变换后，得到傅里叶谱，并用傅里叶变换的平方求得功率谱。图8～9给出1#、5#测站各个方向的加速度傅里叶谱和功率谱。表3显示了各个方向频谱分析的结果。从频谱图（见图8）可以看到，各方向反应主要频率的分布范围均在中低频段，且峰值明显。在主震激励下，大坝基本表现出多个振型的振动，3个方向上均有明显的双峰或多峰值现象。三方向幅值对应的主频率集中在2～6 Hz。除10#测站外，横河向的傅里叶谱峰值大于顺河向，竖直向的傅里叶谱峰值最小。从不同测站的傅立叶谱中可以看出，坝体的滤波作用。各个方向的功率谱（见图9）频段分布以及主频均与傅立叶谱类似。由表3可以看到，坝顶1#测站主频率较10#和11#测站高，主要是由于1#测站靠近左岸基岩，10#和11#测站处于右岸深厚覆盖层上。

5 大坝动力反应比较分析

2008年5月12日，四川汶川发生里氏8.0级大地震，震中最大烈度高达Ⅺ度。在收集到的数据记录中，加速度峰值高达976g，地震震动的时长1 120 s。冶勒大坝距震中约258 km，坝址区地震烈度为Ⅵ度，震感强烈，其主震记录分别由4#、5#、7#测站、灌浆平洞和监测廊道测站获得，最大加速度为43.995g[2]。汶川地震时冶勒大坝地震反应呈现沿坝体高程升高地震反应增大的规律，同时表现为坝体内部至表面地震反应逐渐放大的规律，并且大坝横河向地震响应比较大。坝体动力反应主要由中低频段的成分组成，各坝体部位地震加速度时程的主频均较低，顺河向和横河向在1.5～2.0 Hz范围内[2]。所得主震的地震记录持续时间较长，各部位约200 s。表4给出芦山地震与汶川地震特征值；表5以下游坝坡上的5#测站为例，对比了芦山和汶川两次主震时冶勒大坝的动力反应。

由表4、5分析得到，芦山地震时5#测站顺河向加速度、速度和位移峰值分别是汶川地震的86.90%、57.24%和11.85%；横河向加速度、速度和位移峰值分别是汶川地震的100.19%、52.46%和28.57%；竖直向加速度、速度和位移峰值分别是汶川地震的70.01%、76.49%和48.62%。芦山地震与汶川地震主震时冶勒大坝的加速度峰值差异不大，但从对加速度的频谱分析成果可知，汶川地震加速度反应的主频率明显低于芦山地震，直接导致一次积分后所得的速度峰值比芦山地震高，二次积分后所得的位移峰值更明显高于芦山地震，傅里叶谱幅值与功率谱幅值也较芦山主震大。出现这种现象与地震波本身的频谱特性及大坝自振特性密切相关。

总之，汶川地震和芦山地震时，冶勒大坝的地震反应值都不大，地震时冶勒大坝的最大加速度峰值记录均不超过50 cm/s2，两次地震不会影响冶勒大坝的安全稳定运行。

表4 芦山地震与汶川地震情况对比表Table 4 Contrast table of Lushan earthquake and Wenchuan earthquake

表5 5#测站芦山地震与汶川地震冶勒大坝动力反应对比表[2]Table 5 Comparisons of dynamic response of station #5 during Lushan earthquake and Wenchuan earthquake

6 结 论

（1）冶勒大坝强震监测台阵在芦山地震期间共自动记录了10次大坝动力反应，其中主震记录分别由5台强震仪获得，数据较为完整，并有4台以上的强震仪获得了5次余震的完整记录。强震仪测得主震最大加速度为47.043 cm/s2，最长持续时间为76.98s。

（2）冶勒大坝坝顶的加速度反应相对强烈，地震加速度反应存在沿高程逐渐放大的现象。加速度和速度-时程曲线均表现为初始振幅较小，大约23 s以后振幅增大，振动逐渐加强，达到峰值后振动持续，而后逐渐减小，直至振动平息。各个测站动位移反应均在0.5 cm以下。

（3）在主震激励下，冶勒大坝表现出多个振型的振动，在3个方向上均有明显的双峰或多峰值现象，加速度反应的主频率集中在2～6 Hz。

（4）芦山地震与汶川地震时冶勒大坝的加速度反应的峰值差异不大，但积分后汶川地震速度峰值和位移峰值比芦山地震高，傅里叶谱幅值与功率谱幅值也较芦山地震大，这主要与地震波频谱特性及大坝自振特性等因素有关。

（5）虽然芦山地震本身震级较高、振动持续时间较长、破坏性较大，但由于冶勒大坝距离震中较远，大坝的地震反应并不剧烈，且在震后能够安全稳定运行，芦山地震对冶勒大坝的影响不大。

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