許亮華 ，高建勇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 工程抗震研究中心，北京市 100048；2.水利部水工程抗震與應(yīng)急支持工程技術(shù)研究中心，北京市 100048）

0 引言

大壩的強(qiáng)震動(dòng)響應(yīng)記錄是研究地震破壞作用和大壩抗震性能的重要數(shù)據(jù)來源，能夠作為分析大壩工程實(shí)際抗震性能的定量數(shù)據(jù)，可以用來校驗(yàn)和復(fù)核大壩工程的結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。[1-2]大壩強(qiáng)震動(dòng)響應(yīng)記錄不僅直接體現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的響應(yīng)，通過分析還可以獲得大壩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。[3]

目前我國在大壩上獲得的強(qiáng)震響應(yīng)記錄很少，即使2008年汶川大地震，大量中小型大壩遭遇地震影響，特別是震中附近的4座百米級(jí)高壩——紫坪鋪、沙牌、寶珠寺、碧口也經(jīng)受了大地震的考驗(yàn)，其中只有紫坪鋪大壩獲得了部分汶川地震時(shí)的強(qiáng)震響應(yīng)記錄，而其他幾個(gè)大壩并沒有記錄到大壩的強(qiáng)震響應(yīng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國在水力資源豐富的西部、西南部建設(shè)了許多200～300m級(jí)的特高壩工程，包括溪洛渡、白鶴灘、烏東德等300m級(jí)的特高壩工程。這些300m級(jí)特高壩工程壩址區(qū)均為地震高烈度區(qū)，相比200m級(jí)拱壩，地震動(dòng)力效應(yīng)會(huì)成倍增加，控制抗震安全難度巨大。[4]其抗震設(shè)計(jì)理論與依據(jù)只是借鑒了200m級(jí)高壩的抗震設(shè)計(jì)規(guī)程，因此實(shí)際的抗震能力和特性需要進(jìn)一步在運(yùn)行中進(jìn)行驗(yàn)證。目前，在這些特高壩上基本都完成了大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝，如果能夠在日常運(yùn)行中記錄到大壩的實(shí)際地震響應(yīng)，可以利用這些記錄對(duì)特高壩的抗震性能進(jìn)行復(fù)核和評(píng)估。

我國的200～300m特高壩都是20世紀(jì)90年代后開工建設(shè)的，實(shí)際投入運(yùn)行的時(shí)間并不長，都未遭遇過較大地震。目前只有二灘拱壩（壩高240m）有記錄下十多次大壩強(qiáng)震記錄[5]，其他特高壩的大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還尚未記錄到地震響應(yīng)。

2018年5月8日23時(shí)11分，云南昭通市永善縣（北緯28.12°，東經(jīng)103.47°）發(fā)生3.8級(jí)地震，震源深度13km，震中距離溪洛渡大壩工程大約24km。雖然這次地震只是小震，對(duì)工程安全并沒有影響，但是本次地震引起溪洛渡拱壩壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的10臺(tái)強(qiáng)震儀產(chǎn)生觸發(fā)記錄，這是第一次在300m級(jí)特高拱壩上獲得大壩強(qiáng)震加速度響應(yīng)記錄，數(shù)據(jù)仍然有十分寶貴的研究價(jià)值。本文將對(duì)本次大壩地震響應(yīng)記錄對(duì)大壩地震響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

1 溪洛渡拱壩大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

溪洛渡拱壩為混凝土雙曲拱壩，位于西南地區(qū)地震高烈度區(qū)的金沙江流域，壩頂高程610.0m，壩高285.5m，地震設(shè)防Ⅸ度，屬于300m級(jí)特高壩。[2]

為了能夠獲得大壩在強(qiáng)震下的真實(shí)響應(yīng)，溪洛渡水電站在大壩上安裝了26臺(tái)強(qiáng)震儀用于大壩強(qiáng)震動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，強(qiáng)震儀布置情況見表1，分布示意圖見圖1。地震記錄儀由地震數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和地震加速度計(jì)組成，所有儀器于2014年9月～2015年 6月期間安裝完成并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 大壩強(qiáng)震儀布置示意圖Figure 1 Layout of strong motion instrument for dam

表1 大壩強(qiáng)震儀測(cè)點(diǎn)布置統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical tables for measuring stations of dam strong motion seismograph

續(xù)表

強(qiáng)震儀設(shè)備安裝的X向朝向?yàn)檠卮髩胃骼鹊赖乃交【€切向，Y向?yàn)檠卮髩胃骼鹊赖乃交【€徑向，Z為垂直向。表1中給出了儀器安裝位置。

此外，為記錄壩址區(qū)地震自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，在大壩下游1號(hào)公路洞口外側(cè)公路向上游約300m處安裝了1臺(tái)強(qiáng)震記錄儀。

2 2018年5月8日永善3.8級(jí)地震及大壩強(qiáng)震記錄

2.1 地震情況

2018年5月8日23時(shí)11分，云南昭通市永善縣（北緯28.12°，東經(jīng)103.47°）發(fā)生3.8級(jí)地震，震源深度13km。地震發(fā)生時(shí)，上游水位568m，下游水位378m。

2.2 強(qiáng)震記錄

本次地震震級(jí)較小只有3.8級(jí)，震中距離壩址位置大約有24km，只引起溪洛渡大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26臺(tái)強(qiáng)震儀中的10臺(tái)觸發(fā)記錄，具體觸發(fā)測(cè)點(diǎn)位置見圖1。其中：壩頂觸發(fā)2臺(tái)，壩肩觸發(fā)2臺(tái)，壩中間觸發(fā)6臺(tái)，自由場(chǎng)沒有觸發(fā)記錄，不同測(cè)點(diǎn)強(qiáng)震儀采集記錄到的地震動(dòng)響應(yīng)時(shí)長為9.7～30.6s。其中，610-22號(hào)測(cè)點(diǎn)觸發(fā)記錄不完整，地震動(dòng)響應(yīng)波形曲線見圖2，記錄到的地震響應(yīng)時(shí)長只有9.7s，缺失了部分地震響應(yīng)。而壩頂610-27號(hào)測(cè)點(diǎn)則記錄到完整的波形曲線，見圖3。另外，該測(cè)點(diǎn)X向記錄最大值只有0.138gal（1.0gal=1.0cm2/s），在數(shù)據(jù)量級(jí)上明顯不正確，因此，該點(diǎn)記錄存在明顯問題，需要對(duì)設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行重新檢查。其余測(cè)點(diǎn)記錄到的地震動(dòng)時(shí)長基本都大于25s。除610-22號(hào)測(cè)點(diǎn)外的所有測(cè)點(diǎn)地震動(dòng)響應(yīng)波形曲線見圖4。

2.3 臺(tái)陣類型及未觸發(fā)原因分析

大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣組成有兩類，一類是分散式采集臺(tái)陣，另一類是集中式采集臺(tái)陣。分散式采集臺(tái)陣：各測(cè)點(diǎn)布置一臺(tái)3通道強(qiáng)震儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一臺(tái)3通道強(qiáng)震儀只連接一個(gè)拾震器，每個(gè)強(qiáng)震儀均帶有GPS，通過 GPS校時(shí)保持儀器時(shí)間一致，溪洛渡強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣就屬于分散式采集臺(tái)陣。集中式采集臺(tái)陣：一臺(tái)強(qiáng)震采集儀可以連接多個(gè)拾震器，采集儀內(nèi)部保持各通道同步采集[6]。

分散式采集臺(tái)陣的平時(shí)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量要比集中式大，平時(shí)要經(jīng)常關(guān)注每臺(tái)強(qiáng)震儀正常運(yùn)行，并且臺(tái)陣內(nèi)的各臺(tái)強(qiáng)震儀需在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行校時(shí)，如果未及時(shí)GPS校時(shí)，各儀器的內(nèi)部時(shí)間會(huì)逐漸存在差異，反映到記錄上就造成時(shí)間不同步。這在本次地震記錄上（見圖4）就有體現(xiàn)。

雕塑的動(dòng)態(tài)是指被封閉在雕塑造型中的動(dòng)態(tài)幻覺，是通過造型的結(jié)構(gòu)、趨勢(shì)、節(jié)奏、秩序等形態(tài)的張力串聯(lián)、制造出一種視覺上的運(yùn)動(dòng)感受。

圖2 610-22號(hào)測(cè)點(diǎn)地震動(dòng)響應(yīng)時(shí)程圖Figure 2 Time history diagram of seismic response of 610-22# measuring points

圖3 610-27號(hào)測(cè)點(diǎn)地震動(dòng)響應(yīng)時(shí)程圖Figure 3 Time history diagram of seismic response of 610-27# measuring points

圖4 原始波形記錄Figure 4 Original waveform recording

分散式采集臺(tái)陣布置在大壩不同測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)震儀的觸發(fā)設(shè)置需要差別化設(shè)置，這是因?yàn)榈卣鹪斐纱髩紊细鳒y(cè)點(diǎn)地震響應(yīng)各不相同，各測(cè)點(diǎn)的地震響應(yīng)差異很大。臺(tái)陣內(nèi)各臺(tái)強(qiáng)震儀設(shè)置的觸發(fā)閾值條件如果都一致，那么當(dāng)?shù)卣鹆叶容^小時(shí)，大壩上有些測(cè)點(diǎn)地震響應(yīng)幅值小，可能就達(dá)不到觸發(fā)條件而不能觸發(fā)。這也是本次3.8級(jí)地震中溪洛渡強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣中26臺(tái)采集儀只觸發(fā)了10臺(tái)的原因之一。

2.4 強(qiáng)震記錄的時(shí)間同步處理

為了分析各測(cè)點(diǎn)通道間數(shù)據(jù)的內(nèi)部關(guān)系，對(duì)于監(jiān)測(cè)記錄中各點(diǎn)存在的觸發(fā)起點(diǎn)時(shí)間不一致的情況，需要進(jìn)行同步處理。忽略地震波在大壩內(nèi)部的傳播時(shí)間，將各測(cè)點(diǎn)的地震波初至?xí)r刻作為同步依據(jù)，對(duì)各通道波形進(jìn)行時(shí)間同步處理，地震波時(shí)長統(tǒng)一取25.5s，加上震前5s，處理后獲得30.5s時(shí)長的數(shù)據(jù)，同步處理后各通道波形（見圖5）。

3 大壩強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)分析

3.1 時(shí)域分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)同步處理后的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算相對(duì)于大壩基礎(chǔ)響應(yīng)的大壩動(dòng)力放大率。

（1）最大值統(tǒng)計(jì)（見表2）：本次已測(cè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)中兩側(cè)壩肩測(cè)點(diǎn)響應(yīng)最小，壩頂610m高程27號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)最大，最大響應(yīng)僅為8.62gal，該加速度值遠(yuǎn)小于能引起大壩混凝土的破壞的加速度值，因此，本次地震對(duì)大壩安全沒有任何影響。

圖5 同步處理后波形記錄Figure 5 Waveform recording after synchronous processing

表2 大壩地震動(dòng)響應(yīng)最大值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of maximum seismic response of dam gal

（2）壩體動(dòng)力放大率（見表3）：分析大壩沿不同高程的地震響應(yīng)相對(duì)基礎(chǔ)響應(yīng)的放大率，需要有自由場(chǎng)和大壩基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)的地震響應(yīng)，本次地震中這些測(cè)點(diǎn)并沒有觸發(fā)記錄。已有測(cè)點(diǎn)中，左壩肩測(cè)點(diǎn)（610-L號(hào)）位于左岸壩肩山體上，也是地震響應(yīng)最小的測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)地震響應(yīng)值實(shí)際上肯定會(huì)大于大壩基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，但應(yīng)該是本次記錄中最接近大壩基礎(chǔ)地震響應(yīng)，將其作為參考測(cè)點(diǎn)，計(jì)算壩體的動(dòng)力放大率。

表3 大壩地震動(dòng)響應(yīng)頻譜峰值頻率Table 3 Peak frequencys of dam seismic response spectrum Hz

從統(tǒng)計(jì)表3和圖6～圖7可以看出：沿壩體高程的增加，大壩的地震響應(yīng)有明顯放大。本次地震壩頂切向最大放大率大于7倍，其余方向放大率在4倍左右。

可見，溪洛渡拱壩的壩頂區(qū)域有明顯的動(dòng)力放大效應(yīng)，因此壩頂區(qū)域抗震安全需要予以關(guān)注。另外，溪洛渡拱壩拱壩切向動(dòng)力放大效應(yīng)更明顯，表明，如果遭遇較強(qiáng)地震影響，壩頂區(qū)域切向運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)導(dǎo)致的后果可能是產(chǎn)生橫縫張開或者橫縫擠壓的破壞。

3.2 頻域分析

因?yàn)閷?shí)際地震能量較大，往往能激發(fā)出大壩的固有頻率特性，在頻譜上往往體現(xiàn)為大壩地震響應(yīng)的頻譜峰值頻率，因此，通過分析判斷出頻譜峰值頻率，可以作為判斷大壩固有頻率特性的參考。

3.2.1 周期圖法頻譜分析

采用韋爾奇周期圖分析方法，先對(duì)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行固定長度分段（分段數(shù)據(jù)長度為2的N次方），每兩個(gè)分段之間有部分時(shí)段交迭。對(duì)每個(gè)分段數(shù)據(jù)加窗后再進(jìn)行傅里葉變換，可以減少頻譜泄漏；最后將各個(gè)數(shù)據(jù)分段的頻譜進(jìn)行疊加平均，得到平滑后的頻譜[7]。如果需要看頻譜細(xì)部，可再通過頻譜細(xì)化處理得到細(xì)化頻譜。

圖6 壩體不同高程測(cè)點(diǎn)最大值示意圖Figure 6 Diagram of maximum values of measuring points at different elevations of dam

圖7 壩體不同高程測(cè)點(diǎn)動(dòng)力放大率示意圖Figure 7 Schematic diagram of dynamic magnification of measuring points at different elevations of dam

本次分析頻譜的設(shè)置參數(shù)：為了兼顧頻譜分辨率和平滑效果，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用1024點(diǎn)的分段分析（每段長度10s，頻譜分辨率0.1Hz），相鄰分段交迭512點(diǎn)，各段數(shù)據(jù)加hanning窗后進(jìn)行功率密度譜分析，最后將各段頻譜疊加平均，并在0～35Hz頻帶內(nèi)進(jìn)行4096點(diǎn)的頻譜細(xì)化。

3.2.2 頻率特征分析

從頻譜峰值頻率統(tǒng)計(jì)表可知，壩體地震響應(yīng)的頻率峰值均在10Hz以下。壩體豎直向響應(yīng)卓越主頻在4.8Hz附近，切向響應(yīng)卓越主頻在2.6Hz附近，徑向響應(yīng)卓越主頻在4.3Hz附近。

從統(tǒng)計(jì)表（見表3）和頻譜圖（見圖8）看，左右岸壩肩頻譜有著明顯差異（610-L號(hào)為左壩肩，見圖8左圖；563-R號(hào)為右壩肩，見圖8右圖），表明兩岸山體特性差異較大，左岸頻譜主頻比右岸主頻高，表明左岸山體相對(duì)右岸山體剛性要大些。

圖8 兩岸壩肩測(cè)點(diǎn)頻譜圖Figure 8 Different Frequency spectrums of measuring points at dam abutment on both banks

而兩岸壩肩與壩體響應(yīng)的頻譜有也存在明顯差異，表明地震中壩體相對(duì)兩岸山體有明顯的局部振動(dòng)響應(yīng)。

通過溪洛渡拱壩各測(cè)點(diǎn)卓越主頻特征初步判別頻率特征。

（1）豎直向響應(yīng)卓越主頻4.8Hz：除了拱壩中部的527m高程15號(hào)壩段，該位置測(cè)點(diǎn)的垂直向主頻為3.79Hz，15號(hào)壩段兩側(cè)（10號(hào)壩段和22號(hào)壩段）的527m高程和470m高程的垂直向卓越主頻均為4.8Hz左右（見圖9），表明4.8Hz頻率一個(gè)結(jié)構(gòu)特征頻率，而且該響應(yīng)振型很可能是以中間壩段為節(jié)點(diǎn)。

圖9 測(cè)點(diǎn)豎直向頻譜圖Figure 9 Frequency spectrums of vertical direction of measuring points

（2）切向響應(yīng)卓越主頻：有1.6Hz和2.6Hz兩個(gè)頻率，從頻譜圖（見圖10）中可以看出，壩體527m高程和470m高程的10號(hào)壩段和22號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)的切向頻譜比較相似，且頻譜均有兩個(gè)主要峰值頻率，1.6Hz和2.6Hz，其中2.6Hz頻譜幅值略高于1.6Hz頻譜。而527m高程中部的15號(hào)壩段的切向響應(yīng)卓越主頻為2.3Hz，但同樣含有1.6Hz和2.6Hz峰值頻率，2.6Hz與2.3Hz頻率接近，被2.3Hz卓越主頻掩蓋在而不易識(shí)別。因此，1.6Hz和2.6Hz也是大壩結(jié)構(gòu)特征頻率，而2.3Hz可能只是大壩中部壩段的局部特征頻率。

（3）徑向響應(yīng)卓越主頻在4.3Hz：從統(tǒng)計(jì)表（見表3）看出，527m高程和470m高程的10號(hào)壩段和22號(hào)壩段，以及15號(hào)壩段徑向響應(yīng)的卓越主頻均是4.3Hz左右，且這些測(cè)點(diǎn)的頻譜曲線特征基本相似（見圖11），表明該4.3Hz頻率也是大壩結(jié)構(gòu)特征頻率。

圖10 測(cè)點(diǎn)切向頻譜圖Figure 10 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

圖11 測(cè)點(diǎn)徑向頻譜圖Figure 11 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

4 結(jié)論

溪洛渡地震強(qiáng)震臺(tái)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行也比較完善，通過實(shí)際地震的考驗(yàn)，溪洛渡強(qiáng)震臺(tái)陣取得了一個(gè)珍貴的特高拱壩的地震響應(yīng)記錄，但是本次地震記錄大壩測(cè)點(diǎn)記錄完整性不足：較多大壩測(cè)點(diǎn)沒有觸發(fā)，沒有獲得完整的拱壩地震響應(yīng)。建議對(duì)未獲得記錄的設(shè)備進(jìn)行檢查，并對(duì)各點(diǎn)觸發(fā)參數(shù)重新進(jìn)行差別化的合理設(shè)置。從地震記錄的以上分析中有以下結(jié)論：

（1）本次地震震級(jí)小地震響應(yīng)小對(duì)大壩安全沒有影響。

（2）拱壩壩體在地震中存在明顯的動(dòng)力放大效應(yīng)，隨高程增大放大效應(yīng)越明顯，并且不同方向放大率也有較大差異。其中，豎向：470m高程放大率為2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。切向：470m高程放大率為2～4倍，527m高程3～5倍，610m高程7倍左右。徑向：470m高程放大率為2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。壩頂區(qū)域尤其是切向的放大效應(yīng)最大有7.1倍，因此，未來大壩抗震安全控制需要關(guān)注壩頂區(qū)域，特別是強(qiáng)震下壩頂橫縫位置的安全。

（3）本次地震溪洛渡拱壩垂直向振動(dòng)主頻4.8Hz左右；切向振動(dòng)卓越主頻為1.6Hz和2.6Hz左右；徑向響應(yīng)卓越主頻在4.3Hz左右。

下一步作者將利用大壩地震響應(yīng)記錄做進(jìn)一步的大壩模態(tài)特性分析，研究溪洛渡拱壩結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震下的模態(tài)頻率、阻尼和振型等動(dòng)態(tài)特性。