新丰江水库大坝强震动监测及其动力特性分析

宋晓春，姜慧，王立新，严琨，朱敏

（1.防灾科技学院，河北廊坊065201；2.广东省地震局，广州510070；3.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州510070；4.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州510070）

新丰江水库大坝强震动监测及其动力特性分析

宋晓春1，2，3，4，姜慧2，3，4，王立新2，3，4，严琨2，3，4，朱敏1

（1.防灾科技学院，河北廊坊065201；2.广东省地震局，广州510070；3.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州510070；4.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州510070）

新丰江水库大坝是世界上第一座经受六级地震考验的超百米高混凝土大坝，并且至今库区周围仍然有地震不断发生，因此对其进行抗震分析十分必要。首先利用大坝强震动台阵的监测数据进行模态分析，然后结合模态分析结果建立大坝典型引水坝段ANSYS有限元模型并对其进行静力和动力分析，探讨坝体的变形和应力分布规律。结果表明：大坝模态频率与水位负相关；大坝在地震作用下，上游坝面突变处出现最大拉应力，这一现象与挡水坝段上游坝面突变处出现贯穿裂缝的破坏结果是一致的，应当引起一定重视，静力作用和地震作用下其他部位均有一定的安全储备；动力时程分析结果与反应谱分析结果相比，前者更加偏于安全。关键词：新丰江水库大坝；强震动监测；ANSYS；静力分析；反应谱分析；动力时程分析

0 引言

自新丰江水库蓄水以来，库区地震发生的频率、震级与之前相比有很大的提高，其中，1960年7月18日发生了MS（面波震级，下同）4.3级地震，之后对大坝进行了一期加固；1962年3月19日发生了MS6.1级强烈地震，13～17#坝段在108.5 m高程处产生长达82 m的贯穿裂缝，导致水库渗漏，但没有产生严重的后果，其后对大坝进行二期加固[1]。鉴于库区地震频发的环境，分别于1961年2月和1961年11月对大坝第一次加固前后的振动特性进行了测试，在80、90年代对大坝做了四次强迫振动试验，通过这些研究可以看出坝体振动频率除受库水这一重要因素影响外，还受坝体材料性质变化和其它一些不确定性因素的影响；二期加固后大坝顺河向振动频率明显增大，但其值有逐年下降的趋势[2]。王良琛将坝体与库水系统耦合成有限元集合体，利用有限元法，计算了坝体的自振特性，发现库水对坝体振动频率有很大的影响[3]。大坝建成至今，库区地震频发，且加固后大坝结构复杂，在已取得的大量强震监测数据的基础上，进一步探讨和明确大坝在加固后的振动特性以及可能遭受地震的影响十分必要。

本文首先利用新丰江水库大坝强震动台阵的监测数据进行模态分析，然后结合模态分析的结果建立大坝ANSYS有限元模型，在此基础上对大坝典型引水坝段进行静力和动力分析，探讨坝体的变形和应力分布规律。

1 工程概况及强震动监测台阵简介

新丰江水电站位于广东省河源市境内东江支流新丰江最后一个峡谷出口处，工程原设计以发电为主，目前以供水为主，兼顾发电、防洪、航运等，是一座综合利用的水利枢纽工程。大坝坝轴线长440m，坝顶高程124 m，最大高度105m，最大坝底宽度102.5 m，上下游坝面坡度均为1: 0.5，由19个18m长的支墩坝和两岸重力坝组成，其中6-9#坝段为发电引水坝段，10-13#坝段为溢流坝段，其余皆为挡水坝段[4]，如下图1。

图1 大坝下游立视和测点布置图Fig.1 Elevation view of the dam downstream and monitoring points instrumentation

为更好的获取大坝在地震作用下的空间动力反应特性，2012年广东省地震局将大坝原有强震动观测台阵改造为实时监测台阵，本台阵在大坝的坝基、坝身和坝顶等特征部位布设16个测点，包括15个结构测点和1个基岩自由地表测点，共48个数据通道[5]。台阵测点布置如图1所示。该台阵为实时监测台阵，输出物理量为大坝振动的加速度，在监测期间河源地区发生了以下3级以上的地震（见表1）。

2 ANSYS有限元模型

2.1有限元模型参数

由于大坝各个坝段之间是有限连接，运动相对独立，所以选取其中一个坝段进行ANSYS有限元抗震分析，8#坝段是最高（105 m）和测点布置最集中的坝段，如图1，故选取8#坝段进行分析。在建模过程中坝体材料符合胡克定律；水位为正常蓄水位110m，库水对坝体的动力相互作用以坝面附加质量的形式计入；地基为均匀弹性体，在上下游方向及基础深度的计算范围都取为2倍坝高，且不考虑质量[6]；基础底部施加固定约束，基础四周施加法向固定约束，坝体断面法向施加固定约束，切向施加弹性约束，弹性约束利用COMBIN40单元模拟。

各分区材料主要物理参数见表2，表中的弹性模量为静弹模。根据规范，混凝土坝的抗震强度计算中，坝体混凝土材料动弹模和动态强度考虑在静态基础上提高30%[7]。

表1 监测期间河源地区3级以上地震Table 1 Earthquakesw ith M≥3 during themonitoring peoriod in Heyuan area

表2 各分区材料主要物理参数Table 2 Physical parameters of each partition materials

2.2有限元模型

由于大坝各个坝段之间是有限连接，运动相对独立，所以选取其中一个坝段进行ANSYS有限元抗震分析。8#坝段是最高（105m）和测点布置最集中的坝段，如图1，故选取8#坝段进行分析。8#坝段为引水坝段，有一条直径为5.2 m的引水钢管穿过大坝，引水钢管入水口高程为81 m，出水口高程为35m。

8#坝段有限元模型如图2所示，其中坝体单元采用SOLID65单元模拟，坝基采用SOLID45单元模拟，坝体断面间的切向弹性约束采COMBIN40COMBIN40单元模拟，坝体模型单元数为20 021，地基模型单元数为4 309，另外，放大图中蓝色为支墩坝区域，红色为第一次加固区域，绿色为第二次加固区域。

2.3模态分析方法

在对大坝进行动力特性分析时，结构模态分析方法采用BLOCK Lanczos法，各阶振型的地震作用效应按平方和方根法（SRSS）进行组合，动力计算考虑前6阶振型。坝面附加库水质量按下式[8]计算:

图2 大坝有限元模型Fig.2 Finite elementmode of Dam

式（1）中：Pω（h）为地震动水压力；ah为地震加速度水平向代表值；ρω为水体质量密度；H0为水深，h为计算点的深度。

本次计算中只考虑水平地震作用，地震设防烈度7度，根据《水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)》，水平向设计地震加速度代表值ah取0.15 g、特征周期T取0.2 s（Ⅰ类场地）；设计反应谱最大值的代表值β取2.0，设计反应谱关系式如式（2）[7，9]。

3 监测数据分析

本文中所用频率识别方法为频域分解法，其计算方法如式（3）[10-12]:

PSD、CSD分别为自谱函数与互谱函数，组成功率谱矩阵，然后对矩阵进行奇异值分解，通过观察平均正规化奇异值中的峰值位置来选取系统的特征频率。其中l为测点编号，r为离散频率编号。

应用频域分解法对8#坝段F测点17通道、L测点35通道（见图1）2013年4月11日的监测数据对进行频率识别，结果如图3。

图3 2013年4月11日8#坝段频率识别结果Fig.3 Frequency identification results of 8#dam on April 11th，2013

相邻坝段之间的接缝由橡胶、沥青等柔性物质填充，模拟其切向弹性约束的COMBIN40单元的弹簧常数为1×10-1KN/M；在第二次加固时坝腔43 m高程以下填筑混凝土后进行灌浆，模拟其切向弹性约束的COMBIN40单元的弹簧常数为1.63× 105kN/M。表3为ANSYS模态分析频率和监测数据模态分析频率对比表，由表可知：前6阶中有两阶以竖向振型为主，其余以顺河向振型为主；除2阶和6阶频率相差较大以外，其他阶数频率两种方法之间的频率相差很小，基本相符。

表3 模态频率对比Table 3 The comparisons ofmodal frequencies obtained by computation and measurement

表4为前人和本文对新丰江水库大坝所做的一些频率识别工作，通过对一期加固前和一期加固后地震、爆破和环境振动观测所得一阶频率的对比，发现加固后大坝频率应该增大，但由于振动观测期间水位升高太多使大坝的频率降低；通过对二次加固后的四次强迫振动试验所得一阶频率发现随着水库水位的升高，大坝的频率降低，将四次测试时的频率按文献[2]中拟合的水位与频率关系分别转换为水位为112 m的频率发现大坝频率有逐年降低的趋势；王良琛对空库和水位为110.6m时的大坝分别进行二维有限元模型分析得到的大坝1阶频率，通过对比发现水库水位的升高会使大坝频率降低。本文中ANSYS三维有限元模型和大坝强震动监测台阵监测数据模态分析的结果与上述结果是基本相符。

表4 新丰江水库大坝频率识别结果对比Table 4 Dam frequency identification data from author and other people

4 ANSYS有限元动力分析结果

4.1静力分析

图4中a、b分别为大坝在静水压力作用下的位移和第一主应力云图。由图4a可知大坝为正常蓄水位110 m时，大坝位移随着高度的增加而增大，在坝顶达到最大值，为12.5 mm；由图4b可知：大坝的拉应力主要出现在上游坝面，其中坝踵处最大，达到0.88 MPa，但拉应力小于混凝土的抗拉强度设计值；大坝的大部分部位均处于受压状态，且其值远小于大坝混凝土的抗压强度设计值，故大坝在静力环境下有足够的安全储备。

4.2反应谱分析

图4 静力分析结果Fig.4 Calculation results of static analysis

图5 反应谱分析结果Fig.5 Calculation results of response spectrum analysis

将ANSYS得出的模态频率与设计反应谱的公式（2）相结合获得大坝的反应谱值。在此基础上对大坝进行反应谱分析。

图5中a、b分别为大坝反应谱分析的位移和第一主应力云图。由图5a可知，大坝在7度地震烈度设防的条件下，坝顶位移最大，达到3.3mm；大坝所有部位的第一主应力全部为拉应力，不过大部分坝体的拉应力远小于混凝土的抗拉强度设计值，只有在大坝上游坝面突变处达到了4.87 MPa，超过了混凝土的抗拉强度设计值。

4.3动力时程分析

动力时程分析选用由设计反应谱得到的人工波和相同场地类别并经过调幅的美国加州奥罗维尔（OROVILLE）地震波和迁安地震波进行分析。

图6、7、8中a、b、c分别为对应地震波输入下的地震波形图、位移和第一主应力云图。水库水位为110 m时，由位移云图可知：在分别输入三种地震波的情况下，大坝位移随着高度的增加而增大，在坝顶达到最大值，均约27 mm；由第一主应力云图可知：在分别输入人工波、迁安地震波的情况下最大拉应力都出现在上游坝面突变处，最大拉应力均为6.41 MPa，在入水口处也出现了较大的拉应力；在输入奥罗维尔地震波的情况下，最大拉应力出现在入水口处，达到7.66 MPa，同时在上游坝面突变处出现了7.04 MPa的拉应力，其应力值均超过了混凝土的抗拉强度设计值；在三种地震波输入情况下，大坝的绝大部分坝体均处于受压状态，且其压应力小于混凝土的受压强度设计值，符合大坝的受力特征。

图6 人工波计算结果Fig.6 Calculation results of artificialwave

图7 奥罗维尔地震波地震结果Fig.7 Calculation results of Oroville seismic wave

图8 迁安地震波计算结果Fig.8 Calculation results of Qianan seismic wave

4.4反应谱分析与动力时程分析结果对比

反应谱分析结果与静力分析结果采用直接相加的原则[13]进行叠加，然后与三种地震波输入情况下地震反应的均值进行比较。比较结果如表5，表中列出了大坝运行时颇受关注的坝顶位移、上游坝面突变处的拉应力和坝趾的压应力等数值进行比较。

反应谱分析和动力时程分析最大位移均出现在坝顶，其中反应谱分析的最大位移为15.7 mm，小于动力时程分析的最大位移27.1 mm；在上游坝面突变处，反应谱分析的拉应力为4.87 MPa，小于动力时程分析的拉应力6.62 MPa，其值均大于混凝土的抗拉强度设计值，这也与13～17#坝段在MS6.1级强烈地震下上游坝面突变处出现贯穿裂缝的破坏结果是一致的，需说明的是，出现拉应力的范围很小，衰减很快，且实际情况下会对大坝上游坝面突变处进行倒角处理。另外，设计时就对这些部位进行了专门处理，增大其抗拉能力，减小大坝在基本烈度地震下开裂的可能性。坝趾处，反应谱分析的压应力为0.47 MPa，小于动力时程分析的压应力0.87 MPa，均小于混凝土的抗压强度设计值。

5 结语

通过对新丰江水库大坝的受力分析，可以得到如下结论：

（1）由前人和本文对新丰江水库大坝所做频率识别中1阶频率与水位的关系可以得出使用相同方法时频率与水位呈负相关，排除水位影响后，大坝频率有逐年降低的趋势，表明大坝刚度在逐年降低；当使用不同方法时，频率识别结果有较大的不同，不具有可比性，但基本相符。

表5 反应谱分析与动力时程分析结果对比Table 5 Com parison result of response spectrum analysis and dynam ic time history analysis

（2）新丰江水库大坝两次加固完成后，在静力荷载作用下，坝体大部分区域处于受压状态，在坝踵处出现局部拉应力，但其大小也小于混凝土的抗拉强度设计值；在地震荷载作用下，坝体大部分区域处于受压状态，只有在上游坝面突变处出现最大拉应力，超过混凝土的抗拉强度设计值，这一现象与挡水坝段上游坝面突变处出现贯穿裂缝的破坏结果是一致的，应当引起一定重视。

（3）动力时程分析结果与反应谱分析结果相比，两者应力、应变分布规律一致，但时程分析能模拟地震发生过程中的应力、应变变化，这一优势是反应谱分析所不能比的。

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Analysis on Strong M otion M onitoring Data and Dynam ic Characteristics of Xinfengjiang Reservoir Dam

SONG Xiaochun1，2，3，4，JIANG Hui2，3，4，WANG Lixin2，3，4，YAN Kun2，3，4，ZHUMin1

（1.Institute of Disaster Prevention，Langfang 065201，China；2.Earthquake Administration ofGuangdong Prorince，Guangzhou 510070 China；3.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070，China；4.Key Laboratory of Earthquake EarlyWarning and Safety Diagnosis ofMajor Projects，Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Xinfengjiang reservoir dam is the first dam which has withstood the test of an earthquake of magnitude 6 in the world.Nowadays earthquakes still occur frequently in the reservoir area.Therefore，it is necessary to carry out a seismic analysis for the purpose to estimate the safety level of the dam.Firstly，the dataof dam strongmotion array are used to conductmodal analysis.Then combined with modal analysis results，the finite element analysis software，i.e.ANSYS，is used to carry out statical and dynamical analysis of the typical diversion section to explore the deformation and stress distribution rules of the dam.The results show that dam modal frequency is inverse proportion with water level.Under earthquake action，the maximum tensile stress occurs the dam upstream surface′smutation.The phenomenon is consistent to that of the penetrating crack on the retaining dam upstream surface′smutation.This should cause a certain value.Other parts have a certain safety stock under static and earthquake action.Dynamic time history analysis result is safer than the response spectrum analysis results.

Xinfengjiang reservoir dam；Strong motion monitoring；ANSYS；Statical analysis；Response spectrum analysis；Dynamic and time-historical analysis

P315.2

A

1001-8662（2016）04-0034-08

10.13512/j.hndz.2016.04.006

宋晓春，姜慧，王立新，等.新丰江水库大坝强震动监测及其动力特性分析[J].华南地震，2016，36（4）：34-41.[SONG Xiaochun，JIANG Hui，WANG Lixin，et al.Analysis on Strong Motion Monitoring Data and Dynamic Characteristics of Xinfengjiang Reservoir Dam[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：34-41.]

2016-02-26

中央高校基本科研业务费（ZY20150312）；中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室、广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室建设项目（2011A060901006）；广东省重大科技专项项目（2012A 080102008）

宋晓春（1988-），男，在读硕士，主要从事结构抗震、结构健康监测研究.

E-mail：609557081@qq.com

姜慧（1964-），男，博士，研究员，主要从事地震工程、结构抗震研究.

E-mail：13710390996@139.com