苗 君，何蘊(yùn)龍，曹學(xué)興，熊 堃，喻虎圻

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.華能瀾滄江水電有限公司，云南 昆明 650214；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

1 引 言

冶勒水電站位于四川省雅安市石棉縣和涼山州冕寧縣境內(nèi)，攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高為124.5 m，在同類壩型中世界第三，僅次于Kopru壩（139 m，土耳其）和Storglomvatn壩（128 m，挪威）。

冶勒水電站位于第四紀(jì)構(gòu)造斷陷盆地上，壩址處河流流向盆地下游偏左岸，河床下部及右岸是經(jīng)過漫長(zhǎng)固結(jié)沉積的粉質(zhì)壤土、卵礫石和硬質(zhì)土組成的堆積體。該堆積體具有不同程度的泥鈣質(zhì)膠結(jié)和超固結(jié)壓密特性，力學(xué)強(qiáng)度和變形指標(biāo)較高，透水性較弱。其詳細(xì)地質(zhì)條件見文獻(xiàn)[1]。由于地質(zhì)條件比較復(fù)雜，地形變化不均，導(dǎo)致左右岸基礎(chǔ)不對(duì)稱[2]。左岸基巖埋藏較淺，而右岸基礎(chǔ)覆蓋層深厚，壩肩基巖埋深420 m以下，需要處理的覆蓋層厚高達(dá)200多米。

冶勒大壩處于安寧河斷裂帶和小金河斷裂帶的切割區(qū)，南面以南河斷裂為界的冶勒斷塊上[3]，屬于強(qiáng)震波及區(qū)。在工程區(qū)雖無強(qiáng)震記錄，但其外圍發(fā)生7級(jí)以上的強(qiáng)震6次，波及到庫區(qū)的最大烈度達(dá)Ⅶ度，多數(shù)外圍地震對(duì)壩區(qū)的影響不過Ⅴ度。四川省地震局將冶勒庫區(qū)地震基本烈度定為Ⅷ度，設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度，設(shè)計(jì)地震加速度達(dá)0.45g。

冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣設(shè)立后，成功監(jiān)測(cè)到了2008年汶川地震[2]與攀枝花地震[4]，特別對(duì)汶川地震主震有較為完整的有效記錄。北京時(shí)間2013年4月20日8時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級(jí)地震，震源深度為13 km。此次地震發(fā)生在青藏高原和四川盆地的交界處，位于龍門山前緣構(gòu)造帶的南段，距離汶川地震震中約87 km，受災(zāi)面積約15 720 km2，周圍地質(zhì)條件見文獻(xiàn)[5]。蘆山地震為逆沖型地震，震源較淺，震中最大烈度達(dá)Ⅸ度。冶勒大壩距震中約212.5 km，壩址區(qū)震感也較為強(qiáng)烈，冶勒大壩布設(shè)的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣成功記錄了壩址周邊地區(qū)4.0級(jí)以上地震10次，其中有5臺(tái)強(qiáng)震儀成功獲得了主震記錄，有4臺(tái)以上的強(qiáng)震儀獲得了5次余震記錄。本文根據(jù)強(qiáng)震儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)蘆山主震記錄進(jìn)行詳細(xì)分析，通過分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度、速度、位移時(shí)程曲線以及頻譜反應(yīng)規(guī)律，獲得壩體在地震時(shí)實(shí)際動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律以及地震對(duì)壩體工作性態(tài)的影響。通過對(duì)比蘆山與汶川地震時(shí)壩體動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律，分析兩次地震時(shí)壩體動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律的異同。

2 冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣

6臺(tái)GDQJ-Ⅰ型強(qiáng)震儀和3臺(tái)GDQJ-Ⅱ型強(qiáng)震儀組成了冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣。當(dāng)冶勒壩區(qū)外圍發(fā)生地震時(shí)，強(qiáng)震儀會(huì)自動(dòng)感應(yīng)，觸發(fā)震感并記錄及計(jì)算烈度。冶勒大壩壩軸線沿南北方向布置，垂直于壩軸線為東西方向，強(qiáng)震儀記錄的順河向以向東為正，橫河向以向北為正，豎直向以向上為正。

冶勒大壩在壩頂和下游壩面共建有11個(gè)觀測(cè)站，其中1#（壩0+069.25 m）、4#（壩0+220.00 m）、10#（壩0+376.90 m）、11#（壩0+610.00 m）測(cè)站分布在壩頂，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）測(cè)站沿高程布置在最大斷面的下游壩坡上，主要觀測(cè)壩面的地震反應(yīng)情況；左岸灌漿平洞（壩0-010.00 m，2 654.5 m高程）測(cè)站主要觀測(cè)左岸基巖的地震動(dòng)力反應(yīng)；監(jiān)測(cè)廊道（壩0+220.00 m，2560 m高程）測(cè)站布置在最大斷面位置，主要觀測(cè)心墻附近的地震反應(yīng)情況。各個(gè)觀測(cè)站的位置如圖1所示。

圖1 冶勒大壩最大斷面強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀器布置圖Fig.1 Placement of strong motion seismograph on the largest section of Yele dam

3 強(qiáng)震資料分析的原理和方法

圖2給出了強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)一般處理分析的流程圖[6]，本文按此流程進(jìn)行了數(shù)據(jù)的預(yù)處理和大壩動(dòng)力反應(yīng)分析。

圖2 強(qiáng)震記錄處理分析流程圖[6]Fig.2 Data processing flow chart of strong earthquake records

強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄的預(yù)處理需進(jìn)行基線校正和濾波處理兩個(gè)重要步驟。加速度信號(hào)通常是在0值附近上下波動(dòng)的，但強(qiáng)震儀采集的波形信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏移現(xiàn)象，需進(jìn)行基線校正；山體基巖和壩體的震動(dòng)通常是以中低頻率為主，前幾階的震動(dòng)頻率較為重要，但采集的信號(hào)通常會(huì)受到50 Hz的電干擾及其他低頻噪聲等擾動(dòng)，因此，需要濾波處理以提高信噪比。

通過強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄的預(yù)處理可以得到校正后的加速度時(shí)程，地震各部位的速度和位移動(dòng)力反應(yīng)需要對(duì)加速度分別進(jìn)行一次和二次積分。通過快速傅里葉變換，可將信號(hào)從時(shí)域分析轉(zhuǎn)換到頻域分析，得到傅里葉譜。利用傅里葉變換的平方可得功率譜，從而獲得加速度、速度和位移的頻率成分以及主頻率等特征量[7]。

4 蘆山地震冶勒大壩實(shí)測(cè)動(dòng)力反應(yīng)

4.1 強(qiáng)震儀記錄情況匯總

2013年4月20日，壩址周邊發(fā)生4.0級(jí)以上的地震14次，強(qiáng)震儀成功獲得了蘆山主震及其余震的10次記錄。其中主震由5臺(tái)強(qiáng)震儀獲得，記錄較為完整，并有4臺(tái)以上的強(qiáng)震儀獲得了5次余震的有效記錄，表1給出了4月20日主震及余震的記錄情況。

4.2 大壩地震動(dòng)力反應(yīng)記錄

主震記錄分析結(jié)果見表2。由表可知，壩頂?shù)募铀俣确磻?yīng)相對(duì)比較強(qiáng)烈，順河向與橫河向加速度峰值較大，豎直向較小。由于1#測(cè)站位于大壩壩頂，監(jiān)測(cè)到大壩動(dòng)力反應(yīng)最大且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；5#測(cè)站位于大壩最大斷面的下游壩坡上，較6#測(cè)站位置高，且該測(cè)站在2008年汶川地震時(shí)獲得了強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄，兩個(gè)測(cè)站具有較好的代表性?；谏鲜鲈颍瑘D3給出了1#、5#測(cè)站強(qiáng)震儀記錄到的順河向、橫河向以及豎直向的加速度時(shí)程曲線；圖4、5給出了對(duì)加速度進(jìn)行一次積分和二次積分后的速度時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線。

表1 2013年4月20日蘆山地震4.0級(jí)以上主震及余震記錄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日蘆山主震壩體反應(yīng)時(shí)域分析結(jié)果Table 2 Time domain analysis results of Yele dam during Lushan main shock on April 20，2013

由圖3可以看到，經(jīng)校正后加速度波形清晰，震相清楚，且各方向波形類似。初始振幅較小，大約23 s以后振幅增大，振動(dòng)逐漸加強(qiáng)，峰值附近有大約持續(xù)16 s的強(qiáng)震動(dòng)，隨后振動(dòng)逐漸減小，直至平息。1#測(cè)站順河向加速度最大，橫河向次之，豎直向最小，且豎直向加速度峰值為順河向的27.81%，橫河向的35.94%，地震持續(xù)時(shí)間為76.98 s；5#測(cè)站的順河向加速度與橫河向相差不大，豎直向最小，且豎直向加速度峰值為順河向的79.59%，橫河向的83.0%，地震綜合持續(xù)時(shí)間為46.98 s。

圖3 蘆山地震冶勒大壩典型測(cè)站順河向、橫河向和豎直向加速度時(shí)程圖Fig.3 Time histories of acceleration in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

圖4 蘆山地震冶勒大壩典型測(cè)站順河向、橫河向和豎直向速度時(shí)程圖Fig.4 Time histories of velocity in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

圖5 蘆山地震冶勒大壩典型測(cè)站順河向、橫河向和豎直向位移時(shí)程圖Fig.5 Time histories of displacement in transverse，longitudinal and vertical directions of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

通過對(duì)速度時(shí)程曲線分析得到，波形曲線在峰值附近有持續(xù)10 s左右的強(qiáng)振動(dòng)。1#、5#測(cè)站的速度峰值均表現(xiàn)為順河向最大，橫河向次之，豎直向最小，但三者相差不大。通過對(duì)位移時(shí)程曲線分析得到，動(dòng)位移均在0.5 cm以下，且峰值均出現(xiàn)在40 s附近。位移峰值均表現(xiàn)為豎直向最大，橫河向和順河向較小。

4.3 動(dòng)力反應(yīng)分布規(guī)律分析

圖6給出了了大壩沿高程的加速度、速度和位移反應(yīng)的分布情況，分別由6#測(cè)站（壩0+220.0 m，2594.5 m高程）、5#測(cè)站（壩0+220.0 m，2624.5 m高程）和1#測(cè)站（壩0+69.25 m，2654.5 m高程）獲得，由于5#、6#測(cè)站均位于最大橫斷面，1#測(cè)站位于最大斷面偏左岸150.75 m，故5#、1#測(cè)站之間通過虛線連接。圖7給出了大壩壩頂沿樁號(hào)的加速度、速度和位移反應(yīng)的分布情況，其數(shù)據(jù)由1#測(cè)站（壩0+69.25 m）、10#測(cè)站（壩0+376.9 m）、11#測(cè)站（0+610.0 m）獲得。

圖6 蘆山地震冶勒大壩沿高程的加速度、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

從圖6可以看到，總體上加速度與速度反應(yīng)沿高程的變化規(guī)律相似，壩頂有較明顯的放大效應(yīng)，體現(xiàn)出壩體對(duì)地震波的放大作用。順河向加速度沿高程的增加而逐漸增大；橫河向加速度沿高程的增加而先減小、后增大，壩頂?shù)募铀俣茸畲?；豎直向加速度沿高程逐漸減小?？傮w來看，順河向加速度最大，橫河向次之，豎直向最小，其中橫河向加速度與順河向相差較小。

5#、6#測(cè)站3個(gè)方向位移基本一致，1#測(cè)站雖然位于壩頂?shù)拷镀?，約束作用較強(qiáng)，橫河向和豎直向位移比5#、6#測(cè)站小，順河向稍大。總體來看，豎直向位移最大，橫河向次之，順河向最小，其中橫河向位移與順河向相差幅度較小。但需要指出，由于經(jīng)歷了兩次積分，位移數(shù)值的誤差相對(duì)較大。

一般情況下，河床中部壩體由于約束作用較弱，動(dòng)力反應(yīng)較岸坡段大。但由于場(chǎng)地條件、地震波頻譜特性以及大壩本身自振特性等因素不同，地震時(shí)壩體表現(xiàn)出的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律不盡相同。從圖7可以看到，在蘆山地震中，從左岸到右岸，冶勒大壩壩頂順河向加速度沿樁號(hào)的增加而逐漸減小，在靠近基巖的1#測(cè)站加速度峰值最大；壩頂橫河向加速度沿樁號(hào)的增加幾乎沒有變化；豎直向加速度沿樁號(hào)的增加而先增大后減小，在10#測(cè)站加速度有極值。加速度各方向中豎直向加速度最小。

4.4 加速度記錄頻譜分析

圖7 蘆山地震冶勒大壩壩頂加速度、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

圖8 蘆山地震冶勒大壩典型測(cè)站順河向、橫河向和豎直向傅里葉譜Fig.8 Fourier spectrum in transverse，longitudinal and vertical direction of typical stations on Yele dam during Lushan earthquake

圖9 蘆山地震冶勒大壩5#測(cè)站順河向、橫河向和豎直向功率譜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蘆山主震壩體反應(yīng)頻域分析結(jié)果Table 3 Spectrum analysis results of Yele Dam during Lushan main shock on April 20，2013

對(duì)地震時(shí)程曲線記錄進(jìn)行快速傅里葉變換后，得到傅里葉譜，并用傅里葉變換的平方求得功率譜。圖8～9給出1#、5#測(cè)站各個(gè)方向的加速度傅里葉譜和功率譜。表3顯示了各個(gè)方向頻譜分析的結(jié)果。從頻譜圖（見圖8）可以看到，各方向反應(yīng)主要頻率的分布范圍均在中低頻段，且峰值明顯。在主震激勵(lì)下，大壩基本表現(xiàn)出多個(gè)振型的振動(dòng)，3個(gè)方向上均有明顯的雙峰或多峰值現(xiàn)象。三方向幅值對(duì)應(yīng)的主頻率集中在2～6 Hz。除10#測(cè)站外，橫河向的傅里葉譜峰值大于順河向，豎直向的傅里葉譜峰值最小。從不同測(cè)站的傅立葉譜中可以看出，壩體的濾波作用。各個(gè)方向的功率譜（見圖9）頻段分布以及主頻均與傅立葉譜類似。由表3可以看到，壩頂1#測(cè)站主頻率較10#和11#測(cè)站高，主要是由于1#測(cè)站靠近左岸基巖，10#和11#測(cè)站處于右岸深厚覆蓋層上。

5 大壩動(dòng)力反應(yīng)比較分析

2008年5月12日，四川汶川發(fā)生里氏8.0級(jí)大地震，震中最大烈度高達(dá)Ⅺ度。在收集到的數(shù)據(jù)記錄中，加速度峰值高達(dá)976g，地震震動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)1 120 s。冶勒大壩距震中約258 km，壩址區(qū)地震烈度為Ⅵ度，震感強(qiáng)烈，其主震記錄分別由4#、5#、7#測(cè)站、灌漿平洞和監(jiān)測(cè)廊道測(cè)站獲得，最大加速度為43.995g[2]。汶川地震時(shí)冶勒大壩地震反應(yīng)呈現(xiàn)沿壩體高程升高地震反應(yīng)增大的規(guī)律，同時(shí)表現(xiàn)為壩體內(nèi)部至表面地震反應(yīng)逐漸放大的規(guī)律，并且大壩橫河向地震響應(yīng)比較大。壩體動(dòng)力反應(yīng)主要由中低頻段的成分組成，各壩體部位地震加速度時(shí)程的主頻均較低，順河向和橫河向在1.5～2.0 Hz范圍內(nèi)[2]。所得主震的地震記錄持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，各部位約200 s。表4給出蘆山地震與汶川地震特征值；表5以下游壩坡上的5#測(cè)站為例，對(duì)比了蘆山和汶川兩次主震時(shí)冶勒大壩的動(dòng)力反應(yīng)。

由表4、5分析得到，蘆山地震時(shí)5#測(cè)站順河向加速度、速度和位移峰值分別是汶川地震的86.90%、57.24%和11.85%；橫河向加速度、速度和位移峰值分別是汶川地震的100.19%、52.46%和28.57%；豎直向加速度、速度和位移峰值分別是汶川地震的70.01%、76.49%和48.62%。蘆山地震與汶川地震主震時(shí)冶勒大壩的加速度峰值差異不大，但從對(duì)加速度的頻譜分析成果可知，汶川地震加速度反應(yīng)的主頻率明顯低于蘆山地震，直接導(dǎo)致一次積分后所得的速度峰值比蘆山地震高，二次積分后所得的位移峰值更明顯高于蘆山地震，傅里葉譜幅值與功率譜幅值也較蘆山主震大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與地震波本身的頻譜特性及大壩自振特性密切相關(guān)。

總之，汶川地震和蘆山地震時(shí)，冶勒大壩的地震反應(yīng)值都不大，地震時(shí)冶勒大壩的最大加速度峰值記錄均不超過50 cm/s2，兩次地震不會(huì)影響冶勒大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表4 蘆山地震與汶川地震情況對(duì)比表Table 4 Contrast table of Lushan earthquake and Wenchuan earthquake

表5 5#測(cè)站蘆山地震與汶川地震冶勒大壩動(dòng)力反應(yīng)對(duì)比表[2]Table 5 Comparisons of dynamic response of station #5 during Lushan earthquake and Wenchuan earthquake

6 結(jié) 論

（1）冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣在蘆山地震期間共自動(dòng)記錄了10次大壩動(dòng)力反應(yīng)，其中主震記錄分別由5臺(tái)強(qiáng)震儀獲得，數(shù)據(jù)較為完整，并有4臺(tái)以上的強(qiáng)震儀獲得了5次余震的完整記錄。強(qiáng)震儀測(cè)得主震最大加速度為47.043 cm/s2，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為76.98s。

（2）冶勒大壩壩頂?shù)募铀俣确磻?yīng)相對(duì)強(qiáng)烈，地震加速度反應(yīng)存在沿高程逐漸放大的現(xiàn)象。加速度和速度-時(shí)程曲線均表現(xiàn)為初始振幅較小，大約23 s以后振幅增大，振動(dòng)逐漸加強(qiáng)，達(dá)到峰值后振動(dòng)持續(xù)，而后逐漸減小，直至振動(dòng)平息。各個(gè)測(cè)站動(dòng)位移反應(yīng)均在0.5 cm以下。

（3）在主震激勵(lì)下，冶勒大壩表現(xiàn)出多個(gè)振型的振動(dòng)，在3個(gè)方向上均有明顯的雙峰或多峰值現(xiàn)象，加速度反應(yīng)的主頻率集中在2～6 Hz。

（4）蘆山地震與汶川地震時(shí)冶勒大壩的加速度反應(yīng)的峰值差異不大，但積分后汶川地震速度峰值和位移峰值比蘆山地震高，傅里葉譜幅值與功率譜幅值也較蘆山地震大，這主要與地震波頻譜特性及大壩自振特性等因素有關(guān)。

（5）雖然蘆山地震本身震級(jí)較高、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、破壞性較大，但由于冶勒大壩距離震中較遠(yuǎn)，大壩的地震反應(yīng)并不劇烈，且在震后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，蘆山地震對(duì)冶勒大壩的影響不大。

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