大坝强震动监测技术及震损快速评估方法

胡 晓，张艳红，常廷改 ，许亮华 ，苏克忠，曾 迪

（1.水利部水工程抗震与应急支持工程技术研究中心，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 引言

1.1 国外强震动监测历史回顾强震动的持续时间很短，往往只有几十秒，但破坏力极强。人们对地震破坏作用的认识，过去仅仅依赖于宏观调查，只见到地震破坏的结果，而观察不到地震运动的复杂过程。为了能取得地震时地面运动和工程结构反应的第一手资料，为工程结构抗震设计提供科学数据，于是开展了用仪器监测强震动的工作。

1923年9月1日，日本发生关东8.3级大地震，东京和横滨蒙受重大损失。建筑物抗震问题急待解决，为此提出了如何度量地震运动破坏问题。日本著名地震学家末广恭二设计了一个记录地震加速度时间过程的仪器方案。1931年，他应美国土木工程师学会邀请到美国加州讲学，介绍了他的加速度记录仪器。美国工程界和地震界对此十分重视，以美国海岸大地测量局为主，开始了强震动监测仪器的研制工作。1932年，美国成功研制出第一台VSCGS标准型强震动加速度仪，并于次年3月10日在加州的长滩地震中取得了第一个地震加速度记录，从而开创了强震动监测的新纪元。

目前，美国、日本、俄罗斯、意大利、加拿大、墨西哥、智利、中国、印度、澳大利亚和新西兰等几十个多地震国家都建立了强震动监测台站。以美国、日本强震动监测台站最多，已形成强震动监测台网和专用的密集台阵，取得了大量的强震动加速度记录。1971年2月9日，美国发生6.6级圣费尔南多地震，有100多台强震仪同时取得加速度记录，最大峰值加速度1.14g。1995年1月17日，日本发生阪神7.3级大地震，有近100台强震仪同时取得加速度记录［1］。随着强震动监测工作的开展，工程抗震分析方法由静力法发展到反应谱法，随着电子计算机的发展，已进入考虑地震时程的全动力分析，对于减轻地震灾害发挥了重大作用。

1.2 我国大坝强震动安全监测的发展我国水利水电资源70%以上集中分布在西南、西北地区，这些地区又是地震频发的高烈度区，因此，大坝的抗震安全成为当前我国水利水电建设中亟待解决的重要技术问题之一。我国大坝强震动安全监测从1962年开始，其进展大致可划分为4个阶段。

（1）第一阶段（1962—1991年）：强震观测阶段。1962年，我国广东新丰江水库诱发了6.1级强震，使新丰江混凝土大头坝上部108 m高程处出现水平裂缝，为了研究水平裂缝产生的原因，提出抗震加固方案，研制出多通道电流计式强震仪，并建立了我国第一个试验性水工建筑物强震观测台站，也是我国强震观测工作的开始。以后，陆续建立了黄壁庄、密云、官厅、丰满、江都、丹江口、刘家峡和陡河等10余座大坝强震观测台站。

该阶段强震观测的特点是，观测仪器多为用感光纸或感光胶片直接记录的强震加速度仪，如我国的RDZ-1型、SG-68型、GQ-2型多通道电流计式强震仪和GQ-3型光直记录的强震仪。仪器的主要缺点是动态范围小，记录“丢头”和记录的处理分析慢。后期生产使用了模拟磁带式强震仪，即被称为第二代强震仪，提高了记录的处理分析速度，但其他缺点依然存在。

随着强震观测的开展，取得了不少的强震记录，利用这些强震记录，科技人员计算了反应谱曲线，获得了符合我国场地特性的“平均反应谱”或“设计反应谱”，使反应谱分析得以真正用于工程设计，从而使我国水工建筑物抗震设计从“静力”法过渡到以反应谱为中心的“动力”分析方法阶段。

（2）第二阶段（1992—2000年）：强震动安全监测阶段。1992年，我国研制并生产了数字磁带记式强震仪，又开发了水工建筑物强震加速度记录处理分析程序，实现了强震观测与现场及时分析紧密结合，使强震观测进入强震动安全监测的新阶段。我国先后在官厅、三门峡、龙羊峡、东江、水口、李家峡和小浪底等大坝上建立了大坝强震动安全监测系统。

该强震动安全监测阶段的特点是，监测仪器采用数字磁带记录式加速度强震仪。这类仪器采用了瞬时浮点放大器，使仪器的动态范围扩大到90～102 dB，采用了预存储器，解决了记录“丢头”问题，保证了记录波形的完整。数字磁带记录的强震动的处理分析首先是对取得记录的磁带，通过模数转换的回放装置连接微机直接读取记数据，实现了强震观测记录能在现场及时分析，使强震观测进入强震动安全监测新阶段。

（3）第三阶段（2000—2009年）：大坝震害速报阶段［2］。大坝震害速报阶段的特点是监测仪器升级采用了数字固态存储式加速度强震仪。加速度计采用力平衡式，有效地提高了仪器的频响特性。使低频端接近0 Hz，动态范围可达120 dB以上。记录器应用微处理器，采用24bit的A/D变换，使仪器动态范围可达120 dB以上。目前，强震动记录的读取十分快捷便利，通过串口或者网络便可获得强震动数据。通过软件系统的设置，强震仪强震动记录可自动传输到管理中心的主机上，实现自动分析处理、统计报表和评估建筑的可能震害。主管部门根据速报信息，启动应急预案，减轻或防止地震次生水灾的发生。二滩拱坝、克孜尔土石坝和三峡大坝上均建成了大坝数字强震动监测系统，并取得珍贵而丰富强震动数据。

在这一阶段，我国大坝强震动安全监测已取得和积累了一批有价值的、具有影响的记录数据，其中包括新丰江、黄壁庄、密云、官厅、陡河、刘家峡、龙羊峡、克孜尔和二滩等大坝，为大坝抗震设计积累了宝贵的资料。

（4）第四阶段（2009年—至今）：基于水工建筑物强震动监测技术规范和物联网的大坝强震动监测与震损评估阶段。鉴于2008年汶川地震时［3］，许多重要的水工建筑物由于没有设置强震动监测设备或由于管理方面的问题，没有取得强震动监测记录的现状［4］，中国水利水电科学研究院主编了水工建筑物强震动监测技术规范，分别由电力行业和水利行业在2009年、2011年颁布实施，从而使水工建筑物强震动监测有技术法规可循［5-6］。水工建筑物强震动监测技术规范主要内容包括：强震动监测台阵布置、监测系统组成与技术要求、监测系统的测试安装与验收、监测系统的管理与维护、强震动记录的处理分析、震害调查等内容。随着对大坝强震动安全监测认识的提高以及《水工建筑物强震动安全监测规范》的有效实行，新完工的重要水库大坝工程均建立了强震动监测系统，提升了大坝强震动安全监测的技术水平［7］。

2 强震动监测的物联网技术应用

由于目前大坝强震动安全监测主要由业主负责管理和运行，强震动监测台阵分布范围广以及管理人员专业化程度所限，往往运行成本高而且强震动监测数据利用效益较低。强震动监测设备属于养兵千日，用兵一时，如果平时不加强维护管理，一旦遇到地震不能有效取得地震记录，将造成难以弥补的损失。根据调查，目前国内许多高坝大库的强震动监测设备处于不良状态，急需加强管理与维护。随着物联网技术的快速发展，智能化程度提高，监测数据可以及时远程实时传输，使得大坝强震动监测数据集中监控和快速高效利用成为可能［8］。 远程管理中需要通过网络进行控制操作，不同类型设备组网需要运用不同的物联网设备和物联网技术。串口是早期计算机上非常通用的设备通信协议。以往的计算机、笔记本电脑，基本上包含RS-232串口。串口的通讯模式是按位（bit）进行传输数据，即按位发送和接收。RS-232串口协议其传输理论传输距离只有10 m；采用RS485串口协议，无中继设备，最大传输距离为1000多米。在网络设备盛行之前，串口设备非常多，与计算机通信通过RS232来实现数据的交换，到目前仍然有大量设备采用串口通信。随着网络普及，许多设备的管理都提升到远程控制、远程管理，将这部分串口设备纳入网络管理，也成为网络改造的一部分。

串口服务器就是提供串口转网口功能的设备，通过该设备，不需要改造RS-232/485/422串口设备，便可以给串口设备提高网络联接功能。串口服务器特点是一端串口接口，另一端为网络接口，在串口服务器内部安装有IP，TCP、UDP等网络协议以及串口协议。通过网络传输的命令经串口服务器直接转换成串口协议，实现串口与网络接口的数据双向透明传输，因此服务器与串口设备在连接串口服务器后，立即具备TCP/IP网络接口功能，原先的程序和命令可以不用修改就可以很便利地实现设备internet网络应用。

通过串口服务器可以实现串口设备的远距离监控；可以实现串口扩展，实现一台服务器管理多个串口设备。串口服务器应用前需要安装虚拟串口软件，对串口服务器IP地址、通讯模式进行必要设置，对串口特性参数：波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。串口服务器工作方式：（1）1.TCP/UDP通讯模式。该模式下，串口服务器成对的使用，一个作为server端，一个作为client端，两者之间通过IP地址与端口号建立连接，实现数据双向透明传输。该模式适用于将两个串口设备之间的原先是串口连接控制，改造为TCP/IP网络连接，实现更远距离的数据传输。（2）使用虚拟串口通讯模式。该模式下，一个或者多个串口服务器通过路由器或网关与电脑建立连接。由电脑上的虚拟串口软件管理的串口服务器。该模式适用于电脑设备采用串口协议控制串口设备，实现串口端口扩展，一台电脑便可以通过网络远程控制多台串口设备，原先的串口协议控制软件也不需要修改。（3）基于网络通讯模式。该模式下，电脑上的应用程序基于SOCKET协议编写了通讯程序，在转换器设置上直接选择支持SOCKET协议即可。这种方式需要重新编写控制软件，软件采样网络协议编写控制命令，通过串口服务器，将网络协议命令转换成串口设备能够接收的串口协议命令。图1是利用串口服务器对三通道的串口强震仪组网控制的示意图。

图1 串口设备组网

云智慧在线监测是应用大量的软件和嵌入式系统，发展人脑工程的各种智慧的专家系统，与互联网（物联网）、云计算、网络高性能数采仪、智能传感器等高端技术融合在一起，形成云智慧监测分析系统，主要由强震监测数据分析软件、智能数据采集仪器、服务器和客户端组成。该系统是一套完全基于局域网和互联网的大型监测和测量网络系统，它基于采集器/服务器/浏览器的先进架构方式，在局域网或者互联网系统中建立大型监测网络，可对多台强震仪进行统一管理，允许多人通过服务器同时对各台仪器和数据进行不同权限的查询和设置等操作，并且均可通过网络进行远程及无线操控。建立的监测系统非常适合于对大型水工建筑物的强震动监测，如图2所示。

基于物联网的基于强震动监测数据的震损快速评价技术构成如图3所示。

图2 云智慧在线监测

图3 基于强震动监测数据的震损快速评价框架

3 利用强震动监测数据进行快速震损评估方法

在强烈地震作用下，大坝会受到损伤，从而导致大坝结构的刚度受到削弱。刚度的变化必然引起大坝动态特性发生变化。利用大坝的强震动监测数据，通过快速傅里叶变化及模态识别技术，分析得到大坝的动态特性变化并据此进行快速的震损评价［9］。大坝结构的特征方程为：

式中：M 为质量矩阵，n×n阶正定、对称；K为刚度矩阵，n×n阶正定、对称；ω为角频率； {}φ为实振型列阵，n×1阶。

将正则化振型及其转量矩阵分别乘以质量矩阵、刚度矩阵的二侧，则有：

结构运动方程在s域可表示为：

频响函数H(s)=Z(s)-1。令s=jω，从而有位移阻抗矩阵：

相应的频响函数矩阵：

从而有：

H(ω)为对称矩阵时，有：

当取bj为刚度矩阵中的元素kij时，有

其中(eij)表示仅第i行j列元素为1，其他元素均为零的方阵。将之代入式（7），得：

频响函数无论对刚度、质量或阻尼的灵敏度的模的曲线，在共振峰附近的值最大，即共振峰附近频响函数的变化最能反映系统物理参数的变化情况。多自由度系统存在多个共振峰，频响函数的敏感区域也有相应的个数。频响函数对阻碍尼的变化不甚敏感。振型是比较敏感的参数，尤其是在节点附近，但节点附近信号的信噪比较小。因此混凝土大坝震损快速评价选用频响函数进行是比较合适的。

大坝某些模态之间耦合严重，为了得到坝体纯模态参数，必须进行模态参数识别。因此首先求出基于加速度输入的频响函数表达式。利用基于优化算法的计算机识别方法，采用最小二乘准则。如果测试值在多次试验中具有一定随机性，则采用加权最小二乘准则。求得大坝完好状态与有局部刚度削弱，表明大坝有局部损伤的二种典型情况的动力模态参数。由于结构的频响函数包含了所有的动力特性，一般来说频响函数在共振区频率附近还比单一的动力参数对刚度变化的敏感度大到十几倍以上。将大坝完好状态与损伤状态下得到的频响函数之差Hlp(ω)-Hlp(ω)∗，按台劳级数展开，可得：

当大坝损伤较小时上述方程可取一阶近似：

上式中只有ΔKrs未知，其余均可通过试验测量求得，rs必须遍历所有的加速度测点。取一系列频率点ω1，ω2，ω3，ω4…把各点分别代入方程，得一系列包含ΔKrs的方程，通过求解方程得到ΔKrs，由此可以判断大坝的地震损伤程度及部位。

4 三峡重力坝强震动监测及震损模型试验研究

三峡工程拦河大坝为混凝土重力坝，大坝轴线长2309 m，坝顶高程185 m，最大坝高175 m，正常蓄水位175 m。三峡典型坝段强震动监测测点布置有5个强震仪，监测点位置为：高程185 m、高程130 m、高程94 m、高程72 m、高程33.87 m的各廊道内。考虑到地震波是由基岩传入上部坝体，故在基岩内高程-15 m处的钻孔底部（在高程33.87 m廊道内钻φ219 mm钻孔，孔深48 m）布设一个强震监测点，用来监测对大坝的地震动输入信号。

为了研究三峡重力坝在强烈地震作用下的震损情况，以3号泄洪坝段为试验原型，研发了与原型力学特性相似的模型材料。通过重力坝模型的振动台试验，对大坝受强震动作用下的动力响应和损伤结果进行了研究，以揭示三峡重力坝模型损伤与其固有频率、传递函数等动力特性之间的变化规律［10］。

试验的主要步骤：（1）按照相似理论设计和制作一个缩比为1/300的三峡重力坝结构模型，动力压力以基于Westergaard公式计算的附加配重的形式施加；（2）进行模型材料力学特性试验，包括立方体和棱柱体抗压强度、抗拉强度试验，并得到弹性模量和应力应变曲线，使之与原型材料特性相似；（3）用地震模拟振动台激振揭示大坝模型经历不同地震作用下出现裂缝与整体频率、传递函数的发展规律。

重力坝的动力破坏试验，其相似理论要求任何物理特性及外部作用都应满足相似率，依据动力学方程进行的量纲分析表明，所有物理量中的量纲只有3个是基本量纲，其它均为导出量纲。选定几何比尺、密度比尺、弹性模量比尺为3个独立基本物理量的相似比尺后，其它物理量的相似比尺也随之确定。传统的试验模型材料一般采用石膏、硬橡胶等材料加工而成，这些材料用于作为结构模型破坏全过程动力试验的模拟材料并不合适。石膏材料虽然弹性模量和强度均较低，断裂脆性很好，但其密度低，虽然能通过加入铅粉等配料改变其材料密度，但其破坏过程的应力与应变关系与大坝全级配混凝土材料的应力应变关系曲线相差过大，同时对环境温度，湿度等条件非常敏感。仿真的模型破坏试验材料要求模型能够反映原型结构经历弹性阶段，弹塑性阶段直至破坏断裂阶段，亦即满足全过程结构模型动力破坏应力应变关系曲线相似的试验要求。

本次试验模型的几何缩比SL=LmLp为1/300，模型材料配比采用水泥∶砂∶石膏∶机油∶水=1∶0.5∶0.45∶0.45∶1.3，其弹性模量比尺为0.04。缩比后结构模型的平面外形尺寸为长417 mm、宽35 mm、高584 mm。经测试该模型材料比重相似比尺均约为Sρ=ρmρp为0.9。选定模型破坏试验的3个基本相似量长度SL、弹性模量SE和比重Sρ后，其他主要相似参数可通过公式推导得出其相似关系，参见表1模型相似关系。

表1 模型相似关系

本文选用泄洪坝段中的3号典型坝段作为研究对象，大坝坝段可按平面应变问题处理。图4为根据长度比尺缩小的坝段模型尺寸。

考虑到模型的基频超出一般的液压振动台的频率范围，该试验选用DYS-600-5-05电动振动台进行，其主要技术参数如下：频率范围：2～2000 Hz；最大加速度：12.9g（空载）、3g（满载）；激振方向：顺河向单向激振。试验主要量测坝体模型在模拟地震激励下的动力响应，观察模型的裂缝发展与动力特性变化的规律情况。试验量测采用加速度计和应变计两种传感器。模拟试验方案如表2。

图5显示为换算到原型后的加速度放大倍数。从图5可以看出，8度地震激励时，大坝顺河向的最大响应沿高度从上至下其值呈现由大变小的趋势，为典型的悬梁臂特征；9度地震作用下，由于坝体纵缝下游折坡出现贯穿性裂缝，坝体上部加速度放大系数显著减小，表明坝体刚度严重损失。

图4 坝段模型尺寸（单位：mm）

表2 模型加载方案

坝体模型分缝见图6。8度地震作用下，模型表面无裂纹。此时测得最大应变值为71.7 με，位于缝Ⅰ上端的折坡处。9度地震作用下，坝体模型纵缝Ⅰ张开，缝Ⅰ上端沿下游面出现长约20 cm的贯穿性裂缝，离裂缝距离最近的应变计最大值为133.3 με。

图5 地震波激励时加速度放大倍数

图6 坝体模型分缝

空库时，扫频结果显示大坝初始基频为127 Hz。施加铅块配重后，固有频率为99 Hz。满库时第一基频下降明显，降低比例为22%。当输入地震波加速度峰值相当于原型0.2g后，扫频发现此时的模型整体频率仍保持与初始满库时的频率相同，表明无刚度折减，坝体也无明显裂缝出现。大坝顺河向的最大加速度响应沿高度从上至下其值呈现由大变小的趋势，为典型的悬臂梁特征，坝体传递函数虚部曲线如图7所示。施加加速度峰值相当于原型0.4g的9度地震作用下，此时坝体纵缝Ⅰ张开，缝上端沿下游面出现贯穿性裂缝。此时模型已经被纵缝Ⅰ及其上端部的裂缝贯穿为两个独立部分，固有频率下降，坝体损伤严重。三峡大坝动力破坏试验为强震动监测并实施快速损伤评价提供了定量化指标［11］。

图7 地震作用后传递函数（黑色代表7度地震作用；红色代表9度地震作用）

5 结论

（1）我国水工程强震动监测的发展已经过4个阶段，监测仪器已经升级到数字固态存储式加速度强震仪。加速度计采用力平衡式，有效地提高了仪器的频响特性。记录器应用微处理器，采用24bit的A/D变换，使仪器动态范围可达120 dB以上。通过软件系统的设置，强震仪强震记录可自动传输到管理中心的主机上，实现实时处理分析，为大坝震害速报提供了物质基础。

（2）水工建筑物强震动安全监测已取得和积累了一批有价值的、具有影响的记录数据。其中包括广东新丰江水电站［12］、河北黄壁庄水库、北京密云水库、北京官厅水库、河北陡河水库、甘肃刘家峡水电站、青海龙羊峡水电站［13］、新疆克孜尔水库［14］和二滩大坝等。这些大坝强震动记录为相关水工建筑物抗震设计积累了宝贵的资料。今后有必要对获取的珍贵的水工程强震动数据收集、整理、研究分析和规律统计，不断完善强震动数据库。

（3）以三峡重力坝3号泄洪坝段为试验原型，研发了与原型力学特性相似的模型材料。通过重力坝模型的振动台试验，对大坝受强震动作用下的动力响应和损伤结果进行了研究，揭示了三峡重力坝模型损伤与其固有频率、传递函数等动力特性之间的变化规律，验证了震损的评估理论与方法。建议对重要大坝进行极限地震作用下不溃坝研究，包括大坝动力破坏模型试验得到震损的定量化指标，建立震损评估专家系统。一旦发生地震，对强震动监测数据进行快速处理，做出震损评估，及时采取应急措施。

（4）如果平时对强震动监测设备不加强维护管理，一旦遇到地震不能有效取得地震记录，将造成难以弥补的损失。根据调查，目前国内许多高坝大库的强震动监测设备处于不良状态，急需加强管理与维护。随着物联网技术的快速发展，智能化程度提高，使得大坝强震动监测设备实现集中监控和监测数据快速高效利用成为可能，建议充分利用物联网技术对已有强震动监测设备进行管理（特别是梯级高坝大库），保证其有效、专业化运行。