某水电站大坝强震监测资料分析研究

江晓涛，袁文扬，楼加丁，王宇航

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081；2.天津城建大学地质与测绘学院，天津市 300000；3.四川省地震局，四川省成都市 610000）

某水电站大坝强震监测资料分析研究

江晓涛1，袁文扬2，楼加丁1，王宇航3

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081；2.天津城建大学地质与测绘学院，天津市 300000；3.四川省地震局，四川省成都市 610000）

本文以2015年5月21日20时零7分在贵州省贞丰县镇宁布依族苗族自治县交界处发生的3.0级地震为背景，从工程应用的角度介绍了水工建筑物强震动加速度记录及数据处理分析的方法。强震动加速度记录经过数据校正、滤波、降噪、积分、谱分析后，可得到速度、位移、场地卓越周期以及水工建筑物安全指数等，通过对震源的评估以及强震动参数值的计算，能快速对水电站大坝水工建筑物的安全进行震害评估。经计算，强震动记录值在本次地震中，最大峰值加速度值为53.1418Gal，最大加速度响应值周期为0.1s左右，傅里叶变换后得到的主频值在8～14Hz，水工建筑物安全指数ya=1.06＞1。综合分析后，判定本次地震对大坝结构安全无影响。

强震加速度；震源；谱分析；水工建筑物安全指数

0 引言

某水电站坝高150m，为混凝土面板堆石坝，总库容9.55亿m³。大坝抗震设防为甲类，抗震设计烈度为7度。根据《水工建筑物强震动安全监测技术规范》（DL/T 5416—2009）的要求，应在水电站大坝上布设强震动结构反应台阵。大坝强震监测台阵测点布置如图1所示，台阵采用GL-A三分向加速度计和EDAS-24GN3/6通道数据采集器。

2015年5月21日20时零7分，在贵州省贞丰县镇宁布依族苗族自治县交界处发生的3.0级地震共触发15个采集通道，得到15条强震记录。这些记录均分布在坝顶以及大坝的不同高程位置，其中径向（东西向）记录5条，切向（南北向）记录5条，竖向（垂直向）记录5条，如图2所示，各强震监测点记录到的加速度值见表1。通过表1可以看到，坝顶3个测点的加速度值大于坝体中部和底部的两个测点加速度值，表明坝体具有一定的放大效应，随着坝体高程增加，放大效应越强。

表1 各强震测点记录加速度值

1 震源估计

图1 大坝强震监测仪器布置示意图

由于大坝强震加速度记录不能进行震中定位，为了快速进行震害评估，从而采取相应的应急措施，有必要进行震源估计，粗略判定震中位置距大坝、厂房等重要建筑物的距离，分析该地震是否为水库地震。震源估计原理：因为P波沿同一路径传播时间比S波速度快，P波先到，S波随后到达，利用P波、S波到达时刻不一样的特性，可以估计出地震的震中距。

震中距估计公式：

式中：d——震中距；

T—— P波来临时刻和S波来临时刻的间隔时间；

vp、vs——P波和S波的波速[1]。

2015年5月21日20时零7分（北京时间），库区大坝强震台阵记录到一次地震事件（见图2）。从记录到的波形可知地震的P波、S波来临的时刻及地震持续时间。从记录中可知，S波与P波到达时间差不足1s，估算出这次地震的震中距大坝最多不超过8km。为了验证我们的判断，利用大坝库区测震台网记录到的事件（见图3）进行分析，这次地震发生具体地点是北纬25.5°，东经105.7°，震源深度为4km，位于贵州省贞丰县镇宁布依族苗族自治县交界处，距库区大坝6km，这表明我们用强震记录进行震源估计具有一定准确性。

2 强震加速度分析处理[2]

图2 实测大坝强震加速度记录

图3 测震台网记录的地震事件

通过对强震加速度记录进行分析处理，可以得到速度、位移、卓越周期、加速度反应谱等强震动参数值，最后结合水工建筑物危险指数、安全指数来对大坝安全指数进行综合分析，坝1测点位于大坝坝顶且加速度值最大；坝5位于大坝断面底部，两个测点具有代表性，基于以上本文选取坝1测点和坝5测点加速度峰值进行震害评估计算分析（见图4）。

图4 坝1、坝5加速度时程曲线

2.1 数据校正

仪器在自动记录过程中，受到外界电信号干扰，会出现异常数据，因此，需要对波形记录产生的错点进行剔除。同时，为了提高信噪比，通常采用低通滤波器对波形进行滤波降噪处理，消除低频干扰信号和低频率的电干扰对坝体震动前几阶信号的扰动。经对错点剔除和滤波降噪处理后，对记录到的加速度值进行基线校正，基线校正包括了零漂和直线趋势校正两个方面。

2.1.1 零漂校正

波形基线的平行漂移即称为零漂现象，零漂现象的校正只要将记录值减去期望值即可。校正公式如下：

式中：x′i——零漂校正后的数据；

xi——校正前的数据；

E（x）——校正前数据的期望值。

2.1.2 直线趋势校正

当波形零线有一定角度偏移时需进行直线趋势校正，通常用最小二乘法求出趋势偏转的基线函数，再从原记录中减去趋势项进行校正。直线趋势校正的方法可将波形基线的平移和偏转现象同时消除。

图4是坝1和坝5处测点记录加速度值在经过错点剔除、滤波降噪、基线校正等一系列处理后得到的加速度时程曲线，图中可以看到，经过校正后，波形清晰，震相清楚。图4显示坝1测点的垂直向加速度最大，东西向次之，南北向最小，最大加速度峰值为53.1418Gal；坝5测点东西向加速度最大，南北向次之，垂直向最小，最大峰值加速度为16.877Gal。

2.2 速度和位移时程

经数据校正得到强震动加速度真值后，为了能获得结构的速度反应和位移反应信息，采用梯形公式对加速度一次积分后得到速度时程，对加速度二次积分后得到位移时程，采样率均选取200Hz。加速度通过积分获得速度和位移公式为：

式中：ai——加速度采样记录；

vi——一次积分获得的速度；

si——二次积分获得的位移；

∆t——采样间隔。

令v0、s0等于0，i≥1。

图5和图6是坝1测点和坝5测点经过积分后得到的速度时程和位移时程曲线。通过对位移时程曲线分析得到，坝1测点和坝5测点地动位移均在0.1cm以内，且峰值加速度出现在12s左右，位移峰值均表现为东西向最大。表2是经计算得到的大坝强震各监测点位移，其值表明地震动对地面和结构物的输入能量较小，地面及结构物的变形和破坏可忽略不计。

图5 速度时程曲线

图6 位移时程曲线

表2 各强震测点位移计算结果

2.3 反应谱分析

地震加速度反应谱[3]反映了地震加速度时程的频率特性，是自振周期为T和阻尼比为x的单质点体系在水平地震作用下反应的最大值随周期而变的函数[4]。为了获取与震源模型对应的地震动参数，我们对数据校正后的加速度记录计算了5个阻尼比值（0，0.02，0.05，0.1，0.2）。图7和图8是通过计算不同阻尼比值得到的坝1测点加速度和坝5测点加速度反应谱曲线，可以看出，两个不同测点处的加速度反应谱曲线具有一定的共性：

（1）反应谱的加速度随阻尼的增大而减小。

（2）不同阻尼比之间的差异随着时间增大而逐渐减小，图中显示曲线在1.2s以后几乎重叠在一起，并且反应谱加速度值随时间增大也在减小。

图7 坝1测点加速度反应谱分析

图8 坝5测点加速度反应谱分析

（3）两个测点处加速度反应谱曲线显示：最大加速度响应值所对应的周期均在0.1s附近，因此本次地震产生的地震波对自振周期较短的结构体会产生一定的影响，特别是自振周期在0.1s附近的结构体会产生一定的影响，而对于自振周期是中长周期的结构体产生的影响较小。

（4）两个测点不同之处在于坝1测点反应谱曲线较坝5测点反应谱曲线光滑，坝5测点3个方向反应谱曲线均有多峰值现象，推测与该测点所处坝体位置有关。

（5）可以注意到，反映谱曲线不能反映地震动持时，而地震动持时是大坝震害评估的重要指标，我们可以通过时程曲线来得到，图4加速度时程曲线显示坝1、坝5测点除了最大加速度附近时段对应的加速度值较大外，其余时段加速度值较小，地震动持时较短。

2.4 傅里叶变换

傅里叶变换可将信号从时域转换到频率域，从频谱图上可知数据记录的主频点，以及每个频率的组成分布情况[5，6]，图9和图10是坝1测点和坝5测点处的加速度傅里叶谱和功率谱，从傅里叶谱分析可知各分向主频分布范围均在中低频段，峰值清晰。在地震激励下，测点处3个分向均表现出多峰值现象，三分向幅值对应的主频集中在8～14Hz，场地卓越周期在0.07～0.125s。对比3个方向的傅里叶谱还可以看到，震动在垂直方向的分量较水平向的大，频带较宽，垂直方向对大坝结构体的影响比东西和南北方向要大。功率谱中显示，强震动能量主要集中在8～14Hz的频段内。根据DL 5073《水工建筑物抗震设计规范》中对于不同类别场地特征周期Tg的划分[7]，若场地卓越周期远离大坝自振周期，则不会产生共振效应，对大坝无影响。

图9 坝1测点、坝5测点加速度值三分向傅里叶谱

3 大坝震害评估分析

根据《水工建筑物强震动安全监测技术规范》对震后大坝建筑物安全程度进行评价。通过统计、分析每个测点通道的加速度、速度、位移最大值和地震动持时，计算出震害危险指数和安全指数，对强震后水工建筑物进行震害评估[8]，震害评估可分为安全、警惕、危险3个等级，震害等级评估可以参考表3。

水工建筑物震害危险指数：

式中：yw——水工建筑物震害危险指数；

ac——强震反应的最大加速度记录值；

al—— DL 5073抗震设计规范计算求得的相应测点能抗御的最大加速度值。

当yw值有大于1时，水工建筑物将可能出现破坏。yw值越大，工程破坏可能性越大[9]。

水工建筑物安全指数：

图10 坝1测点、坝5测点加速度值三分向功率谱

式中：ya——水工建筑物安全指数；

ac——最大加速度记录值；

ad—— 最大加速度0.05g（混凝土建筑物）或0.025g（土石建筑物）或者取抗震计算求得的相应点最大加速度值。

表3 震害等级评估表

该水电站大坝强震台精确记录到2015年5月21日20时零7分在贵州省贞丰县镇宁布依族苗族自治县交界处发生的3.0级地震，本次地震的强震动加速度中去掉本底噪声后的最大峰值加速度值为53.1418Gal（0.0531418g），取混凝土建筑物最大加速度0.05g作为ad值进行估计，安全指数ya=1.06＞1，根据震害等级评估表，大坝水工建筑物处于警惕状态，应对水工建筑物进行震害检查，但是综合速度、位移、卓越周期、地震持时以及加速度反应谱等强震动参数分析，可以初步判定大坝依然处于安全允许范围内。

4 结束语

本文以贵州省贞丰县镇宁布依族苗族自治县交界处的3.0级地震为背景，通过对大坝强震监测台阵记录到的强震记录进行分析，得到以下认识：

（1）大坝坝顶3个测点的加速度较坝体中部和底部的两个测点加速度值反应强烈，加速度存在沿坝体高程增加逐渐放大的现象。通过积分得到速度和位移时程表明，地震对地面上建筑物的输入能量较小，各测点位移反应均在0.1cm以下。

（2）对校正后的加速度记录进行反应谱分析表明：该次地震对短周期结构体会产生一定的影响，对中长周期结构体影响较小。在进行反应谱分析时，也注意到反应谱不能反应地震动持时，这是其局限性。

（3）傅里叶变换表明：在地震动激励下，大坝表现出多个振型的振动，在3个分向上均有多峰值现象，加速度反应主频集中在8～14Hz。

（4）利用记录到的最大峰值加速度进行快速震害评估，虽然安全指数ya=1.06＞1，但是综合分析速度、位移、地震持时、加速度反应谱等强震动参数后，得出本次地震后大坝仍然处于安全状态。

[1] 许亮华，郭永刚，杜修力.水工建筑物强震动加速度记录的分析处理[J].地震工程与工程振动，2012，32（5）：26-32.

[2] 陈厚群，苏克忠，彭克中.中国水工结构重要强震数据及分析[M].北京：地震出版社，2000：1-8.

[3] 江近仁，洪峰.功率谱与反应谱的转换和人造地震波[J].地震工程与工程振动，1984，4（3）：1-11.

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[6] 刘文清，陈利峰，刘华清，朱健.大坝强震观测资料分析与探讨[J].大坝与安全，2009（6）：49-52.

[7] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL 5073—2000水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社，2001.

[8] 郭永刚，苏克忠，常廷改.大坝强震监测与震害预警问题的探讨[J].大坝与安全，2006（2）：7-10.

[9] 国家能源局.DL/T 5416—2009 水工建筑物强震动安全监测技术规范[S].北京：中国电力出版社，2000.

江晓涛（1986—），男，工程师，主要研究方向：水库地震监测与大坝安全监测。E-mail: jxtgreat@163.com

袁文扬（1993—），男，主要研究方向：地质与测绘方面研究工作。E-mail: 522176765@qq.com

楼加丁（1962—），男，教授级高工，主要研究方向：水利水电工程物探研究及管理工作。E-mail: jbb2ybb@163.com

王宇航（1988—），男，工程师，主要研究方向：深部地球物理勘探和航空电磁正反演等。E-mail: 244165461@163.com

Strong Motion Acceleration Recorded in Hydropower Dam Safety Monitoring Applied Research

JIANG Xiaotao1，YUAN Wenyang2，LOU Jiading1，WANG Yuhang3
（1.Power China Guiyang Engineering Corporation Limited，Guizhou 550081，China; 2.School of Geology and Geomatics，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300000，China; 3.Sichuan Earthquake Administration，Chengdu 610000，China）

This paper took the 3.0 magnitude earthquake happened at 20：07：00 on May，21，2015 in Zhenfeng County，Zhenning Buyi and Miao autonomous prefecture，Guizhou province as the background and then introduced the correct treatment analysis method of hydraulic structure strong motion acceleration record. The integration and spectral analysis were conducted after the data correction along with filtering and denoising of strong motion acceleration record to obtain the velocity，displacement as well as the hydraulic structure security index. We carried out rapid earthquake disaster assessment on the hydraulic structure of hydropower dam through focus evaluation and calculation of strong motion parameter values.It was calculated that the maximum peak acceleration of the strong motion acceleration record value was 53.1418Gal in this earthquake，maximum acceleration response cycle is about 0.1s，Fourier transform frequency value is about 8～14Hz with the hydraulic structure security indexya=1.06>1.After comprehensive analysi，we determinethat this earthquake had no impact on the dam.

strong motion acceleration; focus; spectral analysis;hydraulic structure security index