宋曉春，姜慧，王立新，嚴(yán)琨，朱敏

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北廊坊065201；2.廣東省地震局，廣州510070；3.中國地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070；4.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

新豐江水庫大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及其動(dòng)力特性分析

宋曉春1，2，3，4，姜慧2，3，4，王立新2，3，4，嚴(yán)琨2，3，4，朱敏1

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北廊坊065201；2.廣東省地震局，廣州510070；3.中國地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070；4.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

新豐江水庫大壩是世界上第一座經(jīng)受六級(jí)地震考驗(yàn)的超百米高混凝土大壩，并且至今庫區(qū)周圍仍然有地震不斷發(fā)生，因此對(duì)其進(jìn)行抗震分析十分必要。首先利用大壩強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)陣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，然后結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果建立大壩典型引水壩段ANSYS有限元模型并對(duì)其進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，探討壩體的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：大壩模態(tài)頻率與水位負(fù)相關(guān)；大壩在地震作用下，上游壩面突變處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，這一現(xiàn)象與擋水壩段上游壩面突變處出現(xiàn)貫穿裂縫的破壞結(jié)果是一致的，應(yīng)當(dāng)引起一定重視，靜力作用和地震作用下其他部位均有一定的安全儲(chǔ)備；動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果相比，前者更加偏于安全。關(guān)鍵詞：新豐江水庫大壩；強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)；ANSYS；靜力分析；反應(yīng)譜分析；動(dòng)力時(shí)程分析

0 引言

自新豐江水庫蓄水以來，庫區(qū)地震發(fā)生的頻率、震級(jí)與之前相比有很大的提高，其中，1960年7月18日發(fā)生了MS（面波震級(jí)，下同）4.3級(jí)地震，之后對(duì)大壩進(jìn)行了一期加固；1962年3月19日發(fā)生了MS6.1級(jí)強(qiáng)烈地震，13～17#壩段在108.5 m高程處產(chǎn)生長達(dá)82 m的貫穿裂縫，導(dǎo)致水庫滲漏，但沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，其后對(duì)大壩進(jìn)行二期加固[1]。鑒于庫區(qū)地震頻發(fā)的環(huán)境，分別于1961年2月和1961年11月對(duì)大壩第一次加固前后的振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試，在80、90年代對(duì)大壩做了四次強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，通過這些研究可以看出壩體振動(dòng)頻率除受庫水這一重要因素影響外，還受壩體材料性質(zhì)變化和其它一些不確定性因素的影響；二期加固后大壩順河向振動(dòng)頻率明顯增大，但其值有逐年下降的趨勢(shì)[2]。王良琛將壩體與庫水系統(tǒng)耦合成有限元集合體，利用有限元法，計(jì)算了壩體的自振特性，發(fā)現(xiàn)庫水對(duì)壩體振動(dòng)頻率有很大的影響[3]。大壩建成至今，庫區(qū)地震頻發(fā)，且加固后大壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在已取得的大量強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討和明確大壩在加固后的振動(dòng)特性以及可能遭受地震的影響十分必要。

本文首先利用新豐江水庫大壩強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)陣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，然后結(jié)合模態(tài)分析的結(jié)果建立大壩ANSYS有限元模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)大壩典型引水壩段進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，探討壩體的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。

1 工程概況及強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣簡(jiǎn)介

新豐江水電站位于廣東省河源市境內(nèi)東江支流新豐江最后一個(gè)峽谷出口處，工程原設(shè)計(jì)以發(fā)電為主，目前以供水為主，兼顧發(fā)電、防洪、航運(yùn)等，是一座綜合利用的水利樞紐工程。大壩壩軸線長440m，壩頂高程124 m，最大高度105m，最大壩底寬度102.5 m，上下游壩面坡度均為1: 0.5，由19個(gè)18m長的支墩壩和兩岸重力壩組成，其中6-9#壩段為發(fā)電引水壩段，10-13#壩段為溢流壩段，其余皆為擋水壩段[4]，如下圖1。

圖1 大壩下游立視和測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Elevation view of the dam downstream and monitoring points instrumentation

為更好的獲取大壩在地震作用下的空間動(dòng)力反應(yīng)特性，2012年廣東省地震局將大壩原有強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣改造為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，本臺(tái)陣在大壩的壩基、壩身和壩頂?shù)忍卣鞑课徊荚O(shè)16個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括15個(gè)結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)基巖自由地表測(cè)點(diǎn)，共48個(gè)數(shù)據(jù)通道[5]。臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。該臺(tái)陣為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，輸出物理量為大壩振動(dòng)的加速度，在監(jiān)測(cè)期間河源地區(qū)發(fā)生了以下3級(jí)以上的地震（見表1）。

2 ANSYS有限元模型

2.1有限元模型參數(shù)

由于大壩各個(gè)壩段之間是有限連接，運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，所以選取其中一個(gè)壩段進(jìn)行ANSYS有限元抗震分析，8#壩段是最高（105 m）和測(cè)點(diǎn)布置最集中的壩段，如圖1，故選取8#壩段進(jìn)行分析。在建模過程中壩體材料符合胡克定律；水位為正常蓄水位110m，庫水對(duì)壩體的動(dòng)力相互作用以壩面附加質(zhì)量的形式計(jì)入；地基為均勻彈性體，在上下游方向及基礎(chǔ)深度的計(jì)算范圍都取為2倍壩高，且不考慮質(zhì)量[6]；基礎(chǔ)底部施加固定約束，基礎(chǔ)四周施加法向固定約束，壩體斷面法向施加固定約束，切向施加彈性約束，彈性約束利用COMBIN40單元模擬。

各分區(qū)材料主要物理參數(shù)見表2，表中的彈性模量為靜彈模。根據(jù)規(guī)范，混凝土壩的抗震強(qiáng)度計(jì)算中，壩體混凝土材料動(dòng)彈模和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度考慮在靜態(tài)基礎(chǔ)上提高30%[7]。

表1 監(jiān)測(cè)期間河源地區(qū)3級(jí)以上地震Table 1 Earthquakesw ith M≥3 during themonitoring peoriod in Heyuan area

表2 各分區(qū)材料主要物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of each partition materials

2.2有限元模型

由于大壩各個(gè)壩段之間是有限連接，運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，所以選取其中一個(gè)壩段進(jìn)行ANSYS有限元抗震分析。8#壩段是最高（105m）和測(cè)點(diǎn)布置最集中的壩段，如圖1，故選取8#壩段進(jìn)行分析。8#壩段為引水壩段，有一條直徑為5.2 m的引水鋼管穿過大壩，引水鋼管入水口高程為81 m，出水口高程為35m。

8#壩段有限元模型如圖2所示，其中壩體單元采用SOLID65單元模擬，壩基采用SOLID45單元模擬，壩體斷面間的切向彈性約束采COMBIN40COMBIN40單元模擬，壩體模型單元數(shù)為20 021，地基模型單元數(shù)為4 309，另外，放大圖中藍(lán)色為支墩壩區(qū)域，紅色為第一次加固區(qū)域，綠色為第二次加固區(qū)域。

2.3模態(tài)分析方法

在對(duì)大壩進(jìn)行動(dòng)力特性分析時(shí)，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法采用BLOCK Lanczos法，各階振型的地震作用效應(yīng)按平方和方根法（SRSS）進(jìn)行組合，動(dòng)力計(jì)算考慮前6階振型。壩面附加庫水質(zhì)量按下式[8]計(jì)算:

圖2 大壩有限元模型Fig.2 Finite elementmode of Dam

式（1）中：Pω（h）為地震動(dòng)水壓力；ah為地震加速度水平向代表值；ρω為水體質(zhì)量密度；H0為水深，h為計(jì)算點(diǎn)的深度。

本次計(jì)算中只考慮水平地震作用，地震設(shè)防烈度7度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(DL5073-2000)》，水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值ah取0.15 g、特征周期T取0.2 s（Ⅰ類場(chǎng)地）；設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值β取2.0，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜關(guān)系式如式（2）[7，9]。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文中所用頻率識(shí)別方法為頻域分解法，其計(jì)算方法如式（3）[10-12]:

PSD、CSD分別為自譜函數(shù)與互譜函數(shù)，組成功率譜矩陣，然后對(duì)矩陣進(jìn)行奇異值分解，通過觀察平均正規(guī)化奇異值中的峰值位置來選取系統(tǒng)的特征頻率。其中l(wèi)為測(cè)點(diǎn)編號(hào)，r為離散頻率編號(hào)。

應(yīng)用頻域分解法對(duì)8#壩段F測(cè)點(diǎn)17通道、L測(cè)點(diǎn)35通道（見圖1）2013年4月11日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行頻率識(shí)別，結(jié)果如圖3。

圖3 2013年4月11日8#壩段頻率識(shí)別結(jié)果Fig.3 Frequency identification results of 8#dam on April 11th，2013

相鄰壩段之間的接縫由橡膠、瀝青等柔性物質(zhì)填充，模擬其切向彈性約束的COMBIN40單元的彈簧常數(shù)為1×10-1KN/M；在第二次加固時(shí)壩腔43 m高程以下填筑混凝土后進(jìn)行灌漿，模擬其切向彈性約束的COMBIN40單元的彈簧常數(shù)為1.63× 105kN/M。表3為ANSYS模態(tài)分析頻率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模態(tài)分析頻率對(duì)比表，由表可知：前6階中有兩階以豎向振型為主，其余以順河向振型為主；除2階和6階頻率相差較大以外，其他階數(shù)頻率兩種方法之間的頻率相差很小，基本相符。

表3 模態(tài)頻率對(duì)比Table 3 The comparisons ofmodal frequencies obtained by computation and measurement

表4為前人和本文對(duì)新豐江水庫大壩所做的一些頻率識(shí)別工作，通過對(duì)一期加固前和一期加固后地震、爆破和環(huán)境振動(dòng)觀測(cè)所得一階頻率的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加固后大壩頻率應(yīng)該增大，但由于振動(dòng)觀測(cè)期間水位升高太多使大壩的頻率降低；通過對(duì)二次加固后的四次強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)所得一階頻率發(fā)現(xiàn)隨著水庫水位的升高，大壩的頻率降低，將四次測(cè)試時(shí)的頻率按文獻(xiàn)[2]中擬合的水位與頻率關(guān)系分別轉(zhuǎn)換為水位為112 m的頻率發(fā)現(xiàn)大壩頻率有逐年降低的趨勢(shì)；王良琛對(duì)空庫和水位為110.6m時(shí)的大壩分別進(jìn)行二維有限元模型分析得到的大壩1階頻率，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)水庫水位的升高會(huì)使大壩頻率降低。本文中ANSYS三維有限元模型和大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果與上述結(jié)果是基本相符。

表4 新豐江水庫大壩頻率識(shí)別結(jié)果對(duì)比Table 4 Dam frequency identification data from author and other people

4 ANSYS有限元?jiǎng)恿Ψ治鼋Y(jié)果

4.1靜力分析

圖4中a、b分別為大壩在靜水壓力作用下的位移和第一主應(yīng)力云圖。由圖4a可知大壩為正常蓄水位110 m時(shí)，大壩位移隨著高度的增加而增大，在壩頂達(dá)到最大值，為12.5 mm；由圖4b可知：大壩的拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在上游壩面，其中壩踵處最大，達(dá)到0.88 MPa，但拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；大壩的大部分部位均處于受壓狀態(tài)，且其值遠(yuǎn)小于大壩混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，故大壩在靜力環(huán)境下有足夠的安全儲(chǔ)備。

4.2反應(yīng)譜分析

圖4 靜力分析結(jié)果Fig.4 Calculation results of static analysis

圖5 反應(yīng)譜分析結(jié)果Fig.5 Calculation results of response spectrum analysis

將ANSYS得出的模態(tài)頻率與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的公式（2）相結(jié)合獲得大壩的反應(yīng)譜值。在此基礎(chǔ)上對(duì)大壩進(jìn)行反應(yīng)譜分析。

圖5中a、b分別為大壩反應(yīng)譜分析的位移和第一主應(yīng)力云圖。由圖5a可知，大壩在7度地震烈度設(shè)防的條件下，壩頂位移最大，達(dá)到3.3mm；大壩所有部位的第一主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，不過大部分壩體的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，只有在大壩上游壩面突變處達(dá)到了4.87 MPa，超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4.3動(dòng)力時(shí)程分析

動(dòng)力時(shí)程分析選用由設(shè)計(jì)反應(yīng)譜得到的人工波和相同場(chǎng)地類別并經(jīng)過調(diào)幅的美國加州奧羅維爾（OROVILLE）地震波和遷安地震波進(jìn)行分析。

圖6、7、8中a、b、c分別為對(duì)應(yīng)地震波輸入下的地震波形圖、位移和第一主應(yīng)力云圖。水庫水位為110 m時(shí)，由位移云圖可知：在分別輸入三種地震波的情況下，大壩位移隨著高度的增加而增大，在壩頂達(dá)到最大值，均約27 mm；由第一主應(yīng)力云圖可知：在分別輸入人工波、遷安地震波的情況下最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在上游壩面突變處，最大拉應(yīng)力均為6.41 MPa，在入水口處也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力；在輸入奧羅維爾地震波的情況下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在入水口處，達(dá)到7.66 MPa，同時(shí)在上游壩面突變處出現(xiàn)了7.04 MPa的拉應(yīng)力，其應(yīng)力值均超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；在三種地震波輸入情況下，大壩的絕大部分壩體均處于受壓狀態(tài)，且其壓應(yīng)力小于混凝土的受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，符合大壩的受力特征。

圖6 人工波計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of artificialwave

圖7 奧羅維爾地震波地震結(jié)果Fig.7 Calculation results of Oroville seismic wave

圖8 遷安地震波計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of Qianan seismic wave

4.4反應(yīng)譜分析與動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比

反應(yīng)譜分析結(jié)果與靜力分析結(jié)果采用直接相加的原則[13]進(jìn)行疊加，然后與三種地震波輸入情況下地震反應(yīng)的均值進(jìn)行比較。比較結(jié)果如表5，表中列出了大壩運(yùn)行時(shí)頗受關(guān)注的壩頂位移、上游壩面突變處的拉應(yīng)力和壩趾的壓應(yīng)力等數(shù)值進(jìn)行比較。

反應(yīng)譜分析和動(dòng)力時(shí)程分析最大位移均出現(xiàn)在壩頂，其中反應(yīng)譜分析的最大位移為15.7 mm，小于動(dòng)力時(shí)程分析的最大位移27.1 mm；在上游壩面突變處，反應(yīng)譜分析的拉應(yīng)力為4.87 MPa，小于動(dòng)力時(shí)程分析的拉應(yīng)力6.62 MPa，其值均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，這也與13～17#壩段在MS6.1級(jí)強(qiáng)烈地震下上游壩面突變處出現(xiàn)貫穿裂縫的破壞結(jié)果是一致的，需說明的是，出現(xiàn)拉應(yīng)力的范圍很小，衰減很快，且實(shí)際情況下會(huì)對(duì)大壩上游壩面突變處進(jìn)行倒角處理。另外，設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)這些部位進(jìn)行了專門處理，增大其抗拉能力，減小大壩在基本烈度地震下開裂的可能性。壩趾處，反應(yīng)譜分析的壓應(yīng)力為0.47 MPa，小于動(dòng)力時(shí)程分析的壓應(yīng)力0.87 MPa，均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)語

通過對(duì)新豐江水庫大壩的受力分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）由前人和本文對(duì)新豐江水庫大壩所做頻率識(shí)別中1階頻率與水位的關(guān)系可以得出使用相同方法時(shí)頻率與水位呈負(fù)相關(guān)，排除水位影響后，大壩頻率有逐年降低的趨勢(shì)，表明大壩剛度在逐年降低；當(dāng)使用不同方法時(shí)，頻率識(shí)別結(jié)果有較大的不同，不具有可比性，但基本相符。

表5 反應(yīng)譜分析與動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比Table 5 Com parison result of response spectrum analysis and dynam ic time history analysis

（2）新豐江水庫大壩兩次加固完成后，在靜力荷載作用下，壩體大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，在壩踵處出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，但其大小也小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；在地震荷載作用下，壩體大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，只有在上游壩面突變處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，超過混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，這一現(xiàn)象與擋水壩段上游壩面突變處出現(xiàn)貫穿裂縫的破壞結(jié)果是一致的，應(yīng)當(dāng)引起一定重視。

（3）動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果相比，兩者應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律一致，但時(shí)程分析能模擬地震發(fā)生過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化，這一優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)譜分析所不能比的。

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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

宋曉春，姜慧，王立新，等.新豐江水庫大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及其動(dòng)力特性分析[J].華南地震，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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（ZY20150312）；中國地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2011A060901006）；廣東省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目（2012A 080102008）

宋曉春（1988-），男，在讀碩士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究.

E-mail：609557081@qq.com

姜慧（1964-），男，博士，研究員，主要從事地震工程、結(jié)構(gòu)抗震研究.

E-mail：13710390996@139.com