大坝强震动响应参数放大效应研究

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(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州 都匀　558000；2.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳　550025； 3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳　550081)

1　研究背景

大坝是水电工程的一级建筑物，具有重要的挡水功能，安全系数要求较高，大坝在地震条件下的安全直接关系到下游沿岸整个社会经济的安全，安全作用和社会影响意义重大。随着我国对水利电力资源的开发、对大坝安全的重视以及强震动监测技术的发展，以研究大坝在强震动条件下的反应特征为目的而开展的强震动监测已成为相关法律法规、技术标准的重要内容。

强震动安全监测是用专门的仪器记录强震作用下工程结构和场地的地震反应，为评估水工建筑物安全而进行的监测。自1932年世界上第一个强震动观测台站建设以来，在数据处理方面，徐宏林等[1]提出选择低频截止频率对强震记录处理方法进行改进；许亮华等[2]在前人的基础上从工程应用角度详细介绍了现阶段较为准确的加速度处理分析的方法原理，并将其应用于工程监测资料分析中。相关研究学者[3-4]借助地震动监测数据、大型振动台试验和数值模拟等手段，系统研究了地震作用下岩质高陡边坡动力特性的影响因素，如坡面角度、地震烈度、地震波输入类型、坡体类型以及局部坡体性态等，也有对爆破振动高程放大效应的研究[5-6]、计算岩质边坡地震动稳定性[7]，但鲜有在坝体上开展高程放大效应研究工作。

本文以大坝在强震作用下沿高程的反应特征为切入点，基于某水电站大坝完整的加速度记录，对大坝在强震作用下不同高程处测点记录的加速度时程反应，进行大坝强震响应参数特征的高程放大效应研究，剖析大坝在强震作用下响应参数与高程的关系。

2　工程概况

水电站枢纽工程规模为二等大(2)型，拦河坝和泄洪系统为1级建筑物，最大坝高150 m，大坝强震监测系统工程于2011年11月份完成建设并开始正常监测。

工程区地处云贵高原东南部，在大地构造上属扬子准地台黔南台陷、望谟北西向构造变形区北部，主要构造形迹为褶皱和裂隙，区内裂隙多为60°～70°陡倾角，剪性构造裂隙较多，少量张性卸荷裂隙。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB 18306—2015)，地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为7度。坝址场地抗震设计烈度为7度，工程抗震设防类别为乙类。

坝址河段河谷呈开阔的“V”型，河流总体流向自北向南，岩层总体倾向E或SE，倾角14°～45°，倾向下游偏左岸，为斜向谷。地层岩性以中三叠统边阳组(T2b)的钙质类砂岩和钙质类泥岩为主，为非可溶岩区。库区属于地下水补给河水型，以基岩裂隙水为主。

3　强震仪参数及其布置

根据强震监测台站布置要求[8]，测点依据水工建筑物的动力特性以及地震反应而布置，测点布置的部位一般都是水工建筑物各阶振型的最大值、地震反应较大以及重要的动力特征部位。河谷自由场主要反映地震动输入参数的情况。其中，水电站大坝上5个测点主要监测主坝表面的地震反应，自由场1个测点记录局部自由场地的地震反应。当有感地震发生时，仪器自动触发、记录、计算其烈度。各观测点位置如图1所示。

图1　强震仪平面布置Fig.1　Plane arrangement of strong-motion instruments

台阵采用TDA-23三分向加速度计和 TDE-324CA三通道数据采集器。

三分向力平衡加速度计的关键参数:测量范围为±2g；满量程输出为±5 V DC，双端输出；灵敏度为2.5 V/g；动态范围为>100 db；频带宽为DC-200 Hz。

数据采集器关键参数:3通道数；动态范围为120 db；FIR数字滤波器；通带波动<0.1 db；采样速率为100 Hz。

4　强震资料分析方法

自从1933年取得世界上第一张强震记录到20世纪80年代初，强震记录处理和分析方法主要是针对模拟强震仪记录的[1]。强震仪从模拟式到数字磁带记录式，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，水工建筑物强震动加速度记录分析处理过程如下[2]，本文选用Seismosignal软件对监测记录数据进行预处理。

(1)当台网中心接收到通讯系统传来的强震数据信号后，首先对电压信号进行标定处理转换成加速度值，即进行单位换算；并对波形出现异常突出的“毛刺”剔除，消除信号处理结果的影响，尤其是高频分量的影响。

(2)然后进行预处理很关键的步骤，即基线校正和滤波处理。波形信号一般在0值上下波动，这条零值平衡线即为零线或基线，基线受直流电影响会发生平行偏移或偏转。由于水工建筑物和山体基岩均为低频振动，工程上也更关心前几阶振动频率的获得，并且采集信号常出现50 Hz的电干扰，需进行50 Hz以下的低通滤波。另外，由于采集器电压信号数字化时可能带来低频噪声，也需要进行高通滤波。鉴于加速度计本身也有频带范围的限制，综合进行带通滤波处理。

(3)最后进行时域分析和频域分析。首先由地震加速度记录一次、二次积分获得坝体各部位地震速度和位移的时程曲线。再通过快速傅里叶变换，将强震记录曲线时域信号转换为傅里叶谱，以分析加速度过程的频率成分，分析各部位加速度主振频率等频域特征反应量。

5　大坝高程放大效应

本次研究放大效应的地震震中位于水电站下游左岸，距离水电站大坝6.3 km。布设在大坝强震监测范围内的6个测点均记录到此次地震，共触发18个采集通道，得到18条强震记录。这些记录均分布在坝顶以及大坝的不同高程位置，其中东西向记录6条，南北向记录6条，垂直向记录6条。

根据强震监测记录，取得大坝在强震作用下不同高程处测点记录的加速度监测数据，进行大坝响应特征的高程放大效应研究。定义以大坝坝脚测点为参考点，对坝体各个高程处三分量加速度、傅里叶谱幅值分别与参考点三分量对比所得的值，称为地震动放大系数。由于测点2、测点4、测点5位于大坝下游斜坡不同高程处，以测点5为参考点，测点4相对高程为26 m，测点2相对高程为65 m，对于研究大坝响应特征的高程放大效应具有代表性。

本文从以下2个方面进行研究：①取各个方向上傅里叶谱沿高程的幅值反应进行分析；②分别取加速度值和傅里叶谱幅值相对于参考点的高程放大系数进行分析。

5.1　三分量傅里叶谱沿高程的幅值反应

对复杂的地震加速度时程按离散傅里叶变换技术展开为N个不同频率的组合，对时程曲线进行快速傅里叶变换得到傅里叶谱。图2给出了测点2、测点4、测点5三个方向的傅里叶谱。频域分析结果见表1。

图2　不同测点竖直向、横河向、顺河向傅里叶谱Fig.2　Fourier spectra in vertical, transverse, and longitudinal directions of different monitoring points

测点编号相对高程/m方向主频率/Hz主周期/s傅里叶谱幅值/(cm·s-1)竖直向6．494140．1539823．0306450横河向7．421880．1347416．43610顺河向3．759770．2659714．92817竖直向4．833980．2068727．96403426横河向3．881840．2576121．18070顺河向3．857420．2592422．93324竖直向3．662110．2730732．62461265横河向2．392580．4179644．36690顺河向2．221680．4501141．44805

图2显示，傅里叶谱幅值具有明显的峰值特性。3个方向幅值峰值主频率集中在2～8 Hz内，主周期集中在0.2～0.5 s之间。

竖直向上傅里叶谱幅值主频率带稳定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz内。随着高程的增加，第1阶主频带的幅值逐渐增加，第2阶频带逐渐明显，频带范围变宽，傅里叶谱幅值略有增加，且呈现多峰值现象；横河向上傅里叶谱幅值主频率带稳定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz内，随着高程的增加，2个主频带范围内的幅值逐渐增加，第2阶频带幅值逐渐趋于稳定；顺河向上傅里叶谱幅值主频率带稳定在1.5～10.0 Hz内，随着高程的增加，频带内幅值逐渐增加并趋于稳定。这主要是由于地震过程中坝顶运动与大坝整体运动存在相位差导致的。

竖直向、横河向、顺河向3个方向上，主频率带主要集中在1.5～12.0 Hz范围内，随着高程的增加，频带内幅值逐渐增加并趋于稳定。且在1.5～6.5 Hz频率带范围内幅值具有明显的放大作用，同时说明强震动引起的高程放大效应随高程的增加而逐渐增加，这与表1所示的谱幅值主频率(2～8 Hz)相吻合。并且在5.0～10.0 Hz频带范围内谱幅值呈现出由单峰值向多峰值演变的现象，随后幅值趋于稳定。可以推测：本次地震坝体主频率为5 Hz左右，对地震波中(5±2)Hz周围频带具有放大作用，对其他频率带范围起到滤波作用。

5.2　坝体峰值加速度、傅里叶谱幅值放大效应

基于对水电站大坝强震监测记录的数据整理结果，总结加速度和傅里叶谱幅值沿高程的放大效应规律。以测点5为参考点，将不同高程处的测点4、测点2在3个方向上的监测数据分别与参考点比值作为地震动放大系数，得到各个测点在竖直向、横河向、顺河向3个方向上的加速度放大系数和傅里叶谱幅值放大系数见表2和图3。

表2　坝体峰值加速度、傅里叶谱高程放大效应Table 2　Amplification effect of the peak of accelerationand Fourier amplitude with elevation

图3　峰值放大系数Fig．3　PeakamplificationfactorofaccelerationandFourieramplitude

从表2可看到，在竖直向加速度放大系数1～1.141，傅里叶幅值放大系数1～1.926；在横河向加速度放大系数1～2.668，傅里叶幅值放大系数1～2.699；在顺河向加速度放大系数1～4.473，傅里叶幅值放大系数1～2.776。从图3可以看出随着高程的增加，加速度和加速度傅里叶谱幅值放大系数逐渐增加，放大效应也逐渐增强，具有明显的高程放大效应，坝顶放大效应明显。并且顺河向高程放大效应强于横河向，竖直向最弱。

6　结　论

通过实测大坝强震动参数，计算不同高程测点的2个大坝强震动典型响应参数(加速度和傅里叶谱)，得到以下结论：

(1)竖直向上傅里叶谱幅值主频率带稳定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz内，横河向上幅值主频率带稳定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz内，顺河向上幅值主频率带稳定在1.5～10.0 Hz内。3个方向上，主频率带主要集中在1.5～12.0 Hz范围内，并在1.5～6.5 Hz频率带范围内幅值具有明显的放大作用，傅里叶谱幅值呈现出由单峰值向多峰值演变的现象，随后趋于稳定。推测本次地震事件中坝体主频率为5 Hz左右，对地震波中(5±2)Hz周围频带具有放大作用，对其他频率带范围起到滤波作用。

(2)随着高程的增加，加速度和傅里叶谱幅值放大系数逐渐增加，相应的坝体反应增强，具有明显的高程放大效应，坝顶放大效应明显。另外，顺河向高程放大效应强于横河向，竖直向最弱。

观测到的这一现象与大坝内部和外部观测存在何种关联关系，还有待下一步收集相关资料后作更深入的研究。由于选取数据仅为一条强震动记录数据，研究结论可借鉴性有限。

参考文献：

[1]徐宏林，谢礼立. 强震记录处理方法的分析与改进[J].地震工程与工程振动，1989，9(2): 12-22.

[2]许亮华，郭永刚，杜修力. 水工建筑物强震动加速度记录的分析处理[J]. 地震工程与工程振动, 2012，32(5): 26-32.

[3]杨长卫. 岩土地震刚才三维时空分析理论[M]. 北京：科学出版社，2015：51-132.

[4]韩宜康，杨长卫，张建经，等. 坡面角度对岩质边坡加速度高程放大效应的影响[J]. 地震工程学报，2014，36(4)：874-880.

[5]刘光汉，周建敏，余红兵.爆破振动高程放大效应研究[J]. 矿业开发与研究，2015，35(12)：84-87.

[6]张伟康，谢永生，吴顺川，等. 矿山边坡爆破振动高程放大效应研究[J]. 金属矿山，2015，44(3)：68-71.

[7]陈玲玲，陈敏中，钱胜国. 岩质陡高边坡地震动力稳定分析[J]. 长江科学院院报，2004，21(1)：33-35.

[8]SL 486—2011，水工建筑物强震动安全监测技术规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2011.