，　，

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊，貴州 都勻　558000；2.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴陽　550025； 3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽　550081)

1　研究背景

大壩是水電工程的一級建筑物，具有重要的擋水功能，安全系數(shù)要求較高，大壩在地震條件下的安全直接關系到下游沿岸整個社會經(jīng)濟的安全，安全作用和社會影響意義重大。隨著我國對水利電力資源的開發(fā)、對大壩安全的重視以及強震動監(jiān)測技術的發(fā)展，以研究大壩在強震動條件下的反應特征為目的而開展的強震動監(jiān)測已成為相關法律法規(guī)、技術標準的重要內(nèi)容。

強震動安全監(jiān)測是用專門的儀器記錄強震作用下工程結構和場地的地震反應，為評估水工建筑物安全而進行的監(jiān)測。自1932年世界上第一個強震動觀測臺站建設以來，在數(shù)據(jù)處理方面，徐宏林等[1]提出選擇低頻截止頻率對強震記錄處理方法進行改進；許亮華等[2]在前人的基礎上從工程應用角度詳細介紹了現(xiàn)階段較為準確的加速度處理分析的方法原理，并將其應用于工程監(jiān)測資料分析中。相關研究學者[3-4]借助地震動監(jiān)測數(shù)據(jù)、大型振動臺試驗和數(shù)值模擬等手段，系統(tǒng)研究了地震作用下巖質(zhì)高陡邊坡動力特性的影響因素，如坡面角度、地震烈度、地震波輸入類型、坡體類型以及局部坡體性態(tài)等，也有對爆破振動高程放大效應的研究[5-6]、計算巖質(zhì)邊坡地震動穩(wěn)定性[7]，但鮮有在壩體上開展高程放大效應研究工作。

本文以大壩在強震作用下沿高程的反應特征為切入點，基于某水電站大壩完整的加速度記錄，對大壩在強震作用下不同高程處測點記錄的加速度時程反應，進行大壩強震響應參數(shù)特征的高程放大效應研究，剖析大壩在強震作用下響應參數(shù)與高程的關系。

2　工程概況

水電站樞紐工程規(guī)模為二等大(2)型，攔河壩和泄洪系統(tǒng)為1級建筑物，最大壩高150 m，大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)工程于2011年11月份完成建設并開始正常監(jiān)測。

工程區(qū)地處云貴高原東南部，在大地構造上屬揚子準地臺黔南臺陷、望謨北西向構造變形區(qū)北部，主要構造形跡為褶皺和裂隙，區(qū)內(nèi)裂隙多為60°～70°陡傾角，剪性構造裂隙較多，少量張性卸荷裂隙。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，地震動峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為7度。壩址場地抗震設計烈度為7度，工程抗震設防類別為乙類。

壩址河段河谷呈開闊的“V”型，河流總體流向自北向南，巖層總體傾向E或SE，傾角14°～45°，傾向下游偏左岸，為斜向谷。地層巖性以中三疊統(tǒng)邊陽組(T2b)的鈣質(zhì)類砂巖和鈣質(zhì)類泥巖為主，為非可溶巖區(qū)。庫區(qū)屬于地下水補給河水型，以基巖裂隙水為主。

3　強震儀參數(shù)及其布置

根據(jù)強震監(jiān)測臺站布置要求[8]，測點依據(jù)水工建筑物的動力特性以及地震反應而布置，測點布置的部位一般都是水工建筑物各階振型的最大值、地震反應較大以及重要的動力特征部位。河谷自由場主要反映地震動輸入?yún)?shù)的情況。其中，水電站大壩上5個測點主要監(jiān)測主壩表面的地震反應，自由場1個測點記錄局部自由場地的地震反應。當有感地震發(fā)生時，儀器自動觸發(fā)、記錄、計算其烈度。各觀測點位置如圖1所示。

圖1　強震儀平面布置Fig.1　Plane arrangement of strong-motion instruments

臺陣采用TDA-23三分向加速度計和 TDE-324CA三通道數(shù)據(jù)采集器。

三分向力平衡加速度計的關鍵參數(shù):測量范圍為±2g；滿量程輸出為±5 V DC，雙端輸出；靈敏度為2.5 V/g；動態(tài)范圍為>100 db；頻帶寬為DC-200 Hz。

數(shù)據(jù)采集器關鍵參數(shù):3通道數(shù)；動態(tài)范圍為120 db；FIR數(shù)字濾波器；通帶波動<0.1 db；采樣速率為100 Hz。

4　強震資料分析方法

自從1933年取得世界上第一張強震記錄到20世紀80年代初，強震記錄處理和分析方法主要是針對模擬強震儀記錄的[1]。強震儀從模擬式到數(shù)字磁帶記錄式，隨著電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，水工建筑物強震動加速度記錄分析處理過程如下[2]，本文選用Seismosignal軟件對監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)進行預處理。

(1)當臺網(wǎng)中心接收到通訊系統(tǒng)傳來的強震數(shù)據(jù)信號后，首先對電壓信號進行標定處理轉換成加速度值，即進行單位換算；并對波形出現(xiàn)異常突出的“毛刺”剔除，消除信號處理結果的影響，尤其是高頻分量的影響。

(2)然后進行預處理很關鍵的步驟，即基線校正和濾波處理。波形信號一般在0值上下波動，這條零值平衡線即為零線或基線，基線受直流電影響會發(fā)生平行偏移或偏轉。由于水工建筑物和山體基巖均為低頻振動，工程上也更關心前幾階振動頻率的獲得，并且采集信號常出現(xiàn)50 Hz的電干擾，需進行50 Hz以下的低通濾波。另外，由于采集器電壓信號數(shù)字化時可能帶來低頻噪聲，也需要進行高通濾波。鑒于加速度計本身也有頻帶范圍的限制，綜合進行帶通濾波處理。

(3)最后進行時域分析和頻域分析。首先由地震加速度記錄一次、二次積分獲得壩體各部位地震速度和位移的時程曲線。再通過快速傅里葉變換，將強震記錄曲線時域信號轉換為傅里葉譜，以分析加速度過程的頻率成分，分析各部位加速度主振頻率等頻域特征反應量。

5　大壩高程放大效應

本次研究放大效應的地震震中位于水電站下游左岸，距離水電站大壩6.3 km。布設在大壩強震監(jiān)測范圍內(nèi)的6個測點均記錄到此次地震，共觸發(fā)18個采集通道，得到18條強震記錄。這些記錄均分布在壩頂以及大壩的不同高程位置，其中東西向記錄6條，南北向記錄6條，垂直向記錄6條。

根據(jù)強震監(jiān)測記錄，取得大壩在強震作用下不同高程處測點記錄的加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行大壩響應特征的高程放大效應研究。定義以大壩壩腳測點為參考點，對壩體各個高程處三分量加速度、傅里葉譜幅值分別與參考點三分量對比所得的值，稱為地震動放大系數(shù)。由于測點2、測點4、測點5位于大壩下游斜坡不同高程處，以測點5為參考點，測點4相對高程為26 m，測點2相對高程為65 m，對于研究大壩響應特征的高程放大效應具有代表性。

本文從以下2個方面進行研究：①取各個方向上傅里葉譜沿高程的幅值反應進行分析；②分別取加速度值和傅里葉譜幅值相對于參考點的高程放大系數(shù)進行分析。

5.1　三分量傅里葉譜沿高程的幅值反應

對復雜的地震加速度時程按離散傅里葉變換技術展開為N個不同頻率的組合，對時程曲線進行快速傅里葉變換得到傅里葉譜。圖2給出了測點2、測點4、測點5三個方向的傅里葉譜。頻域分析結果見表1。

圖2　不同測點豎直向、橫河向、順河向傅里葉譜Fig.2　Fourier spectra in vertical, transverse, and longitudinal directions of different monitoring points

測點編號相對高程/m方向主頻率/Hz主周期/s傅里葉譜幅值/(cm·s-1)豎直向6．494140．1539823．0306450橫河向7．421880．1347416．43610順河向3．759770．2659714．92817豎直向4．833980．2068727．96403426橫河向3．881840．2576121．18070順河向3．857420．2592422．93324豎直向3．662110．2730732．62461265橫河向2．392580．4179644．36690順河向2．221680．4501141．44805

圖2顯示，傅里葉譜幅值具有明顯的峰值特性。3個方向幅值峰值主頻率集中在2～8 Hz內(nèi)，主周期集中在0.2～0.5 s之間。

豎直向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz內(nèi)。隨著高程的增加，第1階主頻帶的幅值逐漸增加，第2階頻帶逐漸明顯，頻帶范圍變寬，傅里葉譜幅值略有增加，且呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象；橫河向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz內(nèi)，隨著高程的增加，2個主頻帶范圍內(nèi)的幅值逐漸增加，第2階頻帶幅值逐漸趨于穩(wěn)定；順河向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～10.0 Hz內(nèi)，隨著高程的增加，頻帶內(nèi)幅值逐漸增加并趨于穩(wěn)定。這主要是由于地震過程中壩頂運動與大壩整體運動存在相位差導致的。

豎直向、橫河向、順河向3個方向上，主頻率帶主要集中在1.5～12.0 Hz范圍內(nèi)，隨著高程的增加，頻帶內(nèi)幅值逐漸增加并趨于穩(wěn)定。且在1.5～6.5 Hz頻率帶范圍內(nèi)幅值具有明顯的放大作用，同時說明強震動引起的高程放大效應隨高程的增加而逐漸增加，這與表1所示的譜幅值主頻率(2～8 Hz)相吻合。并且在5.0～10.0 Hz頻帶范圍內(nèi)譜幅值呈現(xiàn)出由單峰值向多峰值演變的現(xiàn)象，隨后幅值趨于穩(wěn)定。可以推測：本次地震壩體主頻率為5 Hz左右，對地震波中(5±2)Hz周圍頻帶具有放大作用，對其他頻率帶范圍起到濾波作用。

5.2　壩體峰值加速度、傅里葉譜幅值放大效應

基于對水電站大壩強震監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)整理結果，總結加速度和傅里葉譜幅值沿高程的放大效應規(guī)律。以測點5為參考點，將不同高程處的測點4、測點2在3個方向上的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別與參考點比值作為地震動放大系數(shù)，得到各個測點在豎直向、橫河向、順河向3個方向上的加速度放大系數(shù)和傅里葉譜幅值放大系數(shù)見表2和圖3。

表2　壩體峰值加速度、傅里葉譜高程放大效應Table 2　Amplification effect of the peak of accelerationand Fourier amplitude with elevation

圖3　峰值放大系數(shù)Fig．3　PeakamplificationfactorofaccelerationandFourieramplitude

從表2可看到，在豎直向加速度放大系數(shù)1～1.141，傅里葉幅值放大系數(shù)1～1.926；在橫河向加速度放大系數(shù)1～2.668，傅里葉幅值放大系數(shù)1～2.699；在順河向加速度放大系數(shù)1～4.473，傅里葉幅值放大系數(shù)1～2.776。從圖3可以看出隨著高程的增加，加速度和加速度傅里葉譜幅值放大系數(shù)逐漸增加，放大效應也逐漸增強，具有明顯的高程放大效應，壩頂放大效應明顯。并且順河向高程放大效應強于橫河向，豎直向最弱。

6　結　論

通過實測大壩強震動參數(shù)，計算不同高程測點的2個大壩強震動典型響應參數(shù)(加速度和傅里葉譜)，得到以下結論：

(1)豎直向上傅里葉譜幅值主頻率帶穩(wěn)定在4.0～6.0 Hz和7.0～9.0 Hz內(nèi)，橫河向上幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～6.5 Hz和7.0～12.0 Hz內(nèi)，順河向上幅值主頻率帶穩(wěn)定在1.5～10.0 Hz內(nèi)。3個方向上，主頻率帶主要集中在1.5～12.0 Hz范圍內(nèi)，并在1.5～6.5 Hz頻率帶范圍內(nèi)幅值具有明顯的放大作用，傅里葉譜幅值呈現(xiàn)出由單峰值向多峰值演變的現(xiàn)象，隨后趨于穩(wěn)定。推測本次地震事件中壩體主頻率為5 Hz左右，對地震波中(5±2)Hz周圍頻帶具有放大作用，對其他頻率帶范圍起到濾波作用。

(2)隨著高程的增加，加速度和傅里葉譜幅值放大系數(shù)逐漸增加，相應的壩體反應增強，具有明顯的高程放大效應，壩頂放大效應明顯。另外，順河向高程放大效應強于橫河向，豎直向最弱。

觀測到的這一現(xiàn)象與大壩內(nèi)部和外部觀測存在何種關聯(lián)關系，還有待下一步收集相關資料后作更深入的研究。由于選取數(shù)據(jù)僅為一條強震動記錄數(shù)據(jù)，研究結論可借鑒性有限。

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