宋曉春 姜　慧 王立新劉　智 朱　敏

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新豐江水庫大壩貫穿裂縫及其穩(wěn)定性分析1

宋曉春1，2，3，4）姜慧1，2，3）王立新1，2，3）劉智1，2，3）朱敏4）

1）廣東省地震局，廣州 510070 2）中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070 3）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 4）防災(zāi)科技學(xué)院，北京101601

1962年3月19日新豐江水庫大壩附近發(fā)生S6.1級強(qiáng)烈地震后，13—17#壩段在108.5m高程處出現(xiàn)了長達(dá)82m的貫穿裂縫，導(dǎo)致水庫滲漏，其后雖進(jìn)行了加固處理，但經(jīng)過50多年的運(yùn)營，貫穿裂縫的現(xiàn)狀如何，備受各級政府及專家學(xué)者的關(guān)注。本文利用近些年大壩上的多次小震觀測記錄，通過對有無貫穿裂縫壩段的地震加速度時(shí)程傅氏譜及上下壩體傳遞函數(shù)的對比分析，對14#壩段的整體性和穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，到目前為止，大壩貫穿裂縫沒有明顯惡化，但整體性依然較差，仍然是大壩穩(wěn)定性的最大隱患。

新豐江水庫大壩貫穿裂縫穩(wěn)定性

引言

自新豐江水庫蓄水以來，庫區(qū)就頻繁發(fā)生地震。其中，1960年7月18日發(fā)生了S4.3級地震，之后對大壩進(jìn)行了一期加固；1962年3月19日發(fā)生了S6.1級強(qiáng)烈地震，13—17#壩段在108.5m高程處出現(xiàn)了長達(dá)82m的貫穿裂縫（圖1），導(dǎo)致水庫滲漏，但沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，之后對大壩進(jìn)行了二期加固（翁昌瑜，2010）。在此之后，庫區(qū)仍不斷發(fā)生地震，并且延續(xù)至今。

108.5m高程的貫穿裂縫在S6.1級強(qiáng)烈地震后經(jīng)過灌漿、插筋及上游防滲和下游沿裂縫增設(shè)混凝土護(hù)墻等加固措施的專門處理，其后在1994年中國地震局工程力學(xué)研究所同新豐江電廠合作用沖擊彈性波法確認(rèn)了該貫穿裂縫在該高程壩內(nèi)呈高低不平、復(fù)雜分布的狀態(tài)（林俊高等，1998；翁昌瑜，2010）。經(jīng)過50多年的安全運(yùn)行，貫穿裂縫的現(xiàn)狀如何，其對大壩整體性和穩(wěn)定性是否有影響，成為各級政府及專家學(xué)者關(guān)注的問題。因此，本文通過探究大壩5#和14#壩段貫穿裂縫上下測點(diǎn)的地震加速度時(shí)程傅氏譜和它們之間傳遞函數(shù)的特性，來研究加固處理后貫穿裂縫上下壩體間的整體性和穩(wěn)定性。

1　工程概況及強(qiáng)震動監(jiān)測臺陣簡介

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峽谷的出口處，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124m，最大高度105m，最大壩底寬度102.5m，上下游壩面坡度均為1：0.5，由19個長18m的支墩壩和兩岸重力壩組成（朱葳等，1998；李雪林，2008），其中6—9#為發(fā)電引水壩段，10—13#為溢流壩段，其余皆為擋水壩段（首培烋等，1988），如圖1。

為更好地了解大壩在地震作用下的動力反應(yīng)特性，2012年廣東省地震局將大壩原有強(qiáng)震動觀測臺陣改造為實(shí)時(shí)監(jiān)測臺陣。本臺陣在大壩的壩基、壩身和壩頂?shù)忍卣鞑课还膊荚O(shè)16個測點(diǎn)，包括15個結(jié)構(gòu)測點(diǎn)和1個基巖自由地表測點(diǎn)，共48個通道（李敬等，2014）。臺陣測點(diǎn)布置及貫穿裂縫位置如圖1所示。

2　研究對象及資料概況

2.1研究對象

由大壩強(qiáng)震動臺陣測點(diǎn)布置圖（圖1）可知，108.5m高程貫穿裂縫所在的壩段（13—17#）中，只有14#壩段在裂縫上下布置測點(diǎn)（H測點(diǎn)和K測點(diǎn)），故選取14#壩段為研究對象。另外，選取與14#壩段壩高、測點(diǎn)布置全部一致的5#壩段作為進(jìn)行對比分析的參考對象。本文在傳遞函數(shù)計(jì)算分析中將O測點(diǎn)和K測點(diǎn)的地震加速度記錄作為輸入，D測點(diǎn)和H測點(diǎn)的地震加速度記錄作為輸出進(jìn)行分析。

2.2地震及觀測數(shù)據(jù)資料

選取2014年和2015年廣東省河源地區(qū)發(fā)生在大壩附近的8次有記錄的地震（見表1），其中前6號地震的震中方位相近，7、8號地震震中方位相近（圖2）。圖3為大壩強(qiáng)震動臺陣23通道在8次地震發(fā)生時(shí)的加速度時(shí)程輸出記錄，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)測點(diǎn)的地震動比環(huán)境振動大很多，個別地震測點(diǎn)的峰值加速度達(dá)到了100gal以上，對新豐江大壩產(chǎn)生了明顯的震動。

表1　新豐江水庫附近8次有記錄的地震

3　大壩穩(wěn)定性分析

本文采用傅里葉譜和傳遞函數(shù)對貫穿裂縫上下壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1地震動傅氏譜分析

5#壩段10通道和43通道以及14#壩段22通道和31通道在8號地震中的加速度時(shí)程及其傅里葉譜如圖4和圖5所示：

5#壩段10通道和43通道以及14#壩段22通道和31通道對應(yīng)7號地震中的加速度時(shí)程及其傅里葉譜如圖6和圖7所示。

由圖4、5、6、7中（a）、（b）加速度時(shí)程的峰值特性可知，5#和14#壩段的上壩段相對下壩段，其地震動放大作用很明顯。由圖4、5、6、7中（c）、（d）加速度時(shí)程的頻率特性可知，壩體對頻率范圍為5—15Hz的振動放大效應(yīng)明顯，但14#壩段壩體上壩段對15Hz以上高頻地震動成分的放大作用明顯低于5#壩段，表明貫穿裂縫還是存在影響的，它阻礙了高頻地震動的傳遞，而14#壩段壩體22通道與5#壩段的10通道相比，在15Hz以上明顯偏小，高頻截頻效應(yīng)明顯，說明14#壩段壩體上下壩的整體性較5#壩段有明顯不同。由以上分析可推斷，14#壩段貫穿裂縫上下壩體間的整體性明顯比5#壩段差。但在小震的作用下15Hz以下的低頻地震動傳遞特性接近，說明地震沒有造成貫穿裂縫明顯錯動，原有穩(wěn)定性沒有打破。

3.2傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

傳遞函數(shù)是頻域分析中的一個重要概念。一般把具有線性特性的對象的振（震）動信號輸出與輸入之間關(guān)系的譜比稱為傳遞函數(shù)。頻域傳遞函數(shù)其實(shí)質(zhì)也即：當(dāng)體系受到一簡諧輸入激勵時(shí)，體系的穩(wěn)態(tài)輸出（即體系的反應(yīng)）與輸入的比值。其計(jì)算公式如下：

其中，H（）為傳遞函數(shù)；S（）為輸出信號的傅里葉譜；S（）為輸入信號的傅里葉譜；P（）為輸入和輸出信號的互功率譜；P（）為輸入信號的自功率譜（丁浩，2008；萬永革，2007）。

圖8為5#和14#壩段在8個地震發(fā)生時(shí)壩軸向、順河向、豎向的傳遞函數(shù)及其平均值曲線圖。

測點(diǎn)的加速度記錄是由從基底傳出的地震波在壩段之間經(jīng)折射和反射后監(jiān)測得到，其作用機(jī)理很復(fù)雜，對大壩的自振特性造成了較大影響，加之混凝土大壩各個壩段之間的填充物以及大壩進(jìn)行二次加固時(shí)對加固面的灌漿，5#壩段的傳遞函數(shù)也不穩(wěn)定，給對比分析帶來很大的麻煩，因此5#、14#壩段在8個地震發(fā)生時(shí)三分向傳遞函數(shù)中的峰值位置和峰值個數(shù)都不一致。由于108.5m高程貫穿裂縫經(jīng)過灌漿、插筋及上游防滲等加固措施的專門處理后，大壩順河和壩軸向的整體性有很大提高，從平均值曲線來看，與無貫穿裂縫大壩的上下壩體傳遞函數(shù)有一定相似性，尤其是順河向的相似度很高，由此可見，灌漿、插筋及上游防滲等加固措施還是發(fā)揮了很好的作用。但從軸向的傳遞函數(shù)平均值來看，14#壩上壩段對下壩段在8—15Hz之間的放大效應(yīng)明顯高于5#壩，與完整性較好的5#壩體有較大的差別，可見14#壩段的整體性還是不夠的。同樣，從豎向的傳遞函數(shù)平均值來看，14#壩段豎向傳遞函數(shù)的離散性明顯高于5#壩段，且14#壩上壩段對下壩段在18Hz左右地震動的放大效應(yīng)明顯高于5#壩。這足以反映出，對重壓下的大壩貫穿裂縫進(jìn)行灌漿、插筋及上游防滲和下游沿裂縫增設(shè)混凝土護(hù)墻等加固措施后，很難達(dá)到整體固結(jié)的效果，大壩的豎直向整體性依然較差。

通過綜合分析5#壩段和14#壩段在小震下的傅里葉譜和傳遞函數(shù)，我們認(rèn)為有貫穿性裂縫的14#壩段經(jīng)過加固處理后，經(jīng)過50多年運(yùn)營，上下壩體依然保持原有的整體性。在多次小震作用下，中低頻振動特性沒有明顯偏離，表明上下壩體裂縫原有的結(jié)合面沒有遭受明顯破壞。但在強(qiáng)震動作用下，當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^壩體間摩擦或固結(jié)力時(shí)，14#壩段壩體貫穿裂縫可能會首先發(fā)生破壞，它們?nèi)匀皇谴髩挝磥淼卣饡r(shí)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在隱患。

4　結(jié)論

基于新豐江水庫大壩強(qiáng)震動臺陣中5#和14#壩段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用傅里葉譜和傳遞函數(shù)，對108.5m高程貫穿裂縫上下壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，初步得到了以下結(jié)論：

小震作用下，14#壩段108.5m高程貫穿裂縫上下壩體順河向和壩軸向的整體性高于豎向。在順河向和壩軸向的振動性方面，與5#壩段相比，14#壩段的振動性沒有明顯偏離，說明上下壩體裂縫原有結(jié)合面的整體性沒有遭受明顯破壞，穩(wěn)定性沒有被打破，由于下游沿裂縫的混凝土墻的保護(hù)作用，順河向的整體性略優(yōu)于軸向；但在豎向振動性方面，在小震作用下，14#壩段和5#壩段的傅里葉譜和傳遞函數(shù)存在明顯差別，14#壩段的整體性和穩(wěn)定性明顯弱于后者，在未來強(qiáng)震動作用下，14#壩段壩體貫穿裂縫仍然是大壩的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測跟蹤，在可能的情況下，采用新方法和新技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步加固。

丁浩，2008．土層結(jié)構(gòu)對場地傳遞函數(shù)的影響研究．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所．

李敬，楊建安，李志軍等，2014．新豐江水庫大壩地震反應(yīng)專用臺陣介紹．中國西部科技，13（7）：22—24．

李雪林，2008．新豐江水電站壩基排水孔淤積處理．廣東科技，（24）：172—173．

林俊高，許岳城，楊文元，1998．新豐江大壩動力特性研究與安全評估．大壩與安全，（1）：25—32．

首培烋，劉達(dá)，孫玉蓮，1988．新豐江壩振動性狀的研究．世界地震工程，（3）：20—33．

萬永革，2007．?dāng)?shù)字信號處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)．北京：科學(xué)出版社，269．

翁昌瑜，2010．新豐江混凝土大頭壩抗地震加固．見：國家能源局編．中國水電100年（1910—2010）．北京：中國電力出版社，250—253．

朱葳，楊文元，林俊高，1998．新豐江大壩振動監(jiān)測與安全評估．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，（1）：47—58．

Research on Perfoliate Crack and Its Stability of the Xifengjiang Reservoir Dam

Song Xiaochun1, 2, 3, 4), Jiang Hui1, 2, 3), Wang Lixin1, 2, 3), Liu Zhi1, 2, 3)and Zhu Min4)

1) Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070 , China 2) Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, CEA, Guangzhou 510070, China 3) Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects, Guangdong Province, Guangzhou 510070 , China 4) Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, Hebei, China

On March 19, 1962, a strong earthquake of magnitude 6.1 occurred near the Xinfengjiang reservoir dam. It generated a 82m length perfoliate crack at the height of 108m at the dam sections from No. 13 to No 17. The perfoliate crack caused leakage of reservoir water. Although the dam has been reinforced, how the perfoliate crack develops after more than 50 years becomes the concerned focus at all levels of governments, experts and scholars. In this paper, the integrality and stability of the No. 14 dam body has been evaluated through comparative analysis by Fourier spectrum of seismic acceleration on the dam within and outside the perfoliate crack region and transfer function of the top and bottom dam section. By far, the perfoliate crack of the dam has no obvious deterioration yet, but the dam integrality is still not so good and will be the main potential weakness of the dam.

The Xinfengjiang reservoir dam; Perfoliate crack; Stability

1基金項(xiàng)目 中國地震局地震監(jiān)測與減災(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），地震科技星火計(jì)劃（XH16031），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（ZY20150312）共同資助

2016-04-28

宋曉春，男，生于1988年。在讀碩士。研究方向：結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。E-mail：609557081@qq.com

姜慧，男，生于1964年。博士，研究員。研究方向：地震工程、結(jié)構(gòu)抗震。E-mail：13710390996@139.com

宋曉春，姜慧，王立新，劉智，朱敏，2017．新豐江水庫大壩貫穿裂縫及其穩(wěn)定性分析．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：298—305． doi：10.11899/zzfy20170206