溪洛渡拱坝强震动响应记录处理分析

许亮华 ，高建勇

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

0 引言

大坝的强震动响应记录是研究地震破坏作用和大坝抗震性能的重要数据来源，能够作为分析大坝工程实际抗震性能的定量数据，可以用来校验和复核大坝工程的结构的抗震设计。[1-2]大坝强震动响应记录不仅直接体现大坝结构在强震下的响应，通过分析还可以获得大坝结构动态特性。[3]

目前我国在大坝上获得的强震响应记录很少，即使2008年汶川大地震，大量中小型大坝遭遇地震影响，特别是震中附近的4座百米级高坝——紫坪铺、沙牌、宝珠寺、碧口也经受了大地震的考验，其中只有紫坪铺大坝获得了部分汶川地震时的强震响应记录，而其他几个大坝并没有记录到大坝的强震响应。

进入21世纪以来，我国在水力资源丰富的西部、西南部建设了许多200～300m级的特高坝工程，包括溪洛渡、白鹤滩、乌东德等300m级的特高坝工程。这些300m级特高坝工程坝址区均为地震高烈度区，相比200m级拱坝，地震动力效应会成倍增加，控制抗震安全难度巨大。[4]其抗震设计理论与依据只是借鉴了200m级高坝的抗震设计规程，因此实际的抗震能力和特性需要进一步在运行中进行验证。目前，在这些特高坝上基本都完成了大坝强震动监测系统的安装，如果能够在日常运行中记录到大坝的实际地震响应，可以利用这些记录对特高坝的抗震性能进行复核和评估。

我国的200～300m特高坝都是20世纪90年代后开工建设的，实际投入运行的时间并不长，都未遭遇过较大地震。目前只有二滩拱坝（坝高240m）有记录下十多次大坝强震记录[5]，其他特高坝的大坝强震监测系统还尚未记录到地震响应。

2018年5月8日23时11分，云南昭通市永善县（北纬28.12°，东经103.47°）发生3.8级地震，震源深度13km，震中距离溪洛渡大坝工程大约24km。虽然这次地震只是小震，对工程安全并没有影响，但是本次地震引起溪洛渡拱坝坝强震监测系统中的10台强震仪产生触发记录，这是第一次在300m级特高拱坝上获得大坝强震加速度响应记录，数据仍然有十分宝贵的研究价值。本文将对本次大坝地震响应记录对大坝地震响应特征进行分析。

1 溪洛渡拱坝大坝强震监测系统

溪洛渡拱坝为混凝土双曲拱坝，位于西南地区地震高烈度区的金沙江流域，坝顶高程610.0m，坝高285.5m，地震设防Ⅸ度，属于300m级特高坝。[2]

为了能够获得大坝在强震下的真实响应，溪洛渡水电站在大坝上安装了26台强震仪用于大坝强震动响应监测，强震仪布置情况见表1，分布示意图见图1。地震记录仪由地震数据采集服务器和地震加速度计组成，所有仪器于2014年9月～2015年 6月期间安装完成并进行监测。

图1 大坝强震仪布置示意图Figure 1 Layout of strong motion instrument for dam

表1 大坝强震仪测点布置统计表Table 1 Statistical tables for measuring stations of dam strong motion seismograph

续表

强震仪设备安装的X向朝向为沿大坝各廊道的水平弧线切向，Y向为沿大坝各廊道的水平弧线径向，Z为垂直向。表1中给出了仪器安装位置。

此外，为记录坝址区地震自由场运动，在大坝下游1号公路洞口外侧公路向上游约300m处安装了1台强震记录仪。

2 2018年5月8日永善3.8级地震及大坝强震记录

2.1 地震情况

2018年5月8日23时11分，云南昭通市永善县（北纬28.12°，东经103.47°）发生3.8级地震，震源深度13km。地震发生时，上游水位568m，下游水位378m。

2.2 强震记录

本次地震震级较小只有3.8级，震中距离坝址位置大约有24km，只引起溪洛渡大坝强震监测系统26台强震仪中的10台触发记录，具体触发测点位置见图1。其中：坝顶触发2台，坝肩触发2台，坝中间触发6台，自由场没有触发记录，不同测点强震仪采集记录到的地震动响应时长为9.7～30.6s。其中，610-22号测点触发记录不完整，地震动响应波形曲线见图2，记录到的地震响应时长只有9.7s，缺失了部分地震响应。而坝顶610-27号测点则记录到完整的波形曲线，见图3。另外，该测点X向记录最大值只有0.138gal（1.0gal=1.0cm2/s），在数据量级上明显不正确，因此，该点记录存在明显问题，需要对设备和参数进行重新检查。其余测点记录到的地震动时长基本都大于25s。除610-22号测点外的所有测点地震动响应波形曲线见图4。

2.3 台阵类型及未触发原因分析

大坝强震监测台阵组成有两类，一类是分散式采集台阵，另一类是集中式采集台阵。分散式采集台阵：各测点布置一台3通道强震仪进行监测，一台3通道强震仪只连接一个拾震器，每个强震仪均带有GPS，通过 GPS校时保持仪器时间一致，溪洛渡强震监测台阵就属于分散式采集台阵。集中式采集台阵：一台强震采集仪可以连接多个拾震器，采集仪内部保持各通道同步采集[6]。

分散式采集台阵的平时设备运行维护工作量要比集中式大，平时要经常关注每台强震仪正常运行，并且台阵内的各台强震仪需在规定时间间隔内进行校时，如果未及时GPS校时，各仪器的内部时间会逐渐存在差异，反映到记录上就造成时间不同步。这在本次地震记录上（见图4）就有体现。

雕塑的动态是指被封闭在雕塑造型中的动态幻觉，是通过造型的结构、趋势、节奏、秩序等形态的张力串联、制造出一种视觉上的运动感受。

图2 610-22号测点地震动响应时程图Figure 2 Time history diagram of seismic response of 610-22# measuring points

图3 610-27号测点地震动响应时程图Figure 3 Time history diagram of seismic response of 610-27# measuring points

图4 原始波形记录Figure 4 Original waveform recording

分散式采集台阵布置在大坝不同测点的强震仪的触发设置需要差别化设置，这是因为地震造成大坝上各测点地震响应各不相同，各测点的地震响应差异很大。台阵内各台强震仪设置的触发阈值条件如果都一致，那么当地震烈度较小时，大坝上有些测点地震响应幅值小，可能就达不到触发条件而不能触发。这也是本次3.8级地震中溪洛渡强震监测台阵中26台采集仪只触发了10台的原因之一。

2.4 强震记录的时间同步处理

为了分析各测点通道间数据的内部关系，对于监测记录中各点存在的触发起点时间不一致的情况，需要进行同步处理。忽略地震波在大坝内部的传播时间，将各测点的地震波初至时刻作为同步依据，对各通道波形进行时间同步处理，地震波时长统一取25.5s，加上震前5s，处理后获得30.5s时长的数据，同步处理后各通道波形（见图5）。

3 大坝强震记录统计分析

3.1 时域分析

对各测点同步处理后的时程数据进行最大值统计，并计算相对于大坝基础响应的大坝动力放大率。

（1）最大值统计（见表2）：本次已测测点响应中两侧坝肩测点响应最小，坝顶610m高程27号坝段测点的响应最大，最大响应仅为8.62gal，该加速度值远小于能引起大坝混凝土的破坏的加速度值，因此，本次地震对大坝安全没有任何影响。

图5 同步处理后波形记录Figure 5 Waveform recording after synchronous processing

表2 大坝地震动响应最大值统计表Table 2 Statistical table of maximum seismic response of dam gal

（2）坝体动力放大率（见表3）：分析大坝沿不同高程的地震响应相对基础响应的放大率，需要有自由场和大坝基础测点的地震响应，本次地震中这些测点并没有触发记录。已有测点中，左坝肩测点（610-L号）位于左岸坝肩山体上，也是地震响应最小的测点，该点地震响应值实际上肯定会大于大坝基础的地震响应，但应该是本次记录中最接近大坝基础地震响应，将其作为参考测点，计算坝体的动力放大率。

表3 大坝地震动响应频谱峰值频率Table 3 Peak frequencys of dam seismic response spectrum Hz

从统计表3和图6～图7可以看出：沿坝体高程的增加，大坝的地震响应有明显放大。本次地震坝顶切向最大放大率大于7倍，其余方向放大率在4倍左右。

可见，溪洛渡拱坝的坝顶区域有明显的动力放大效应，因此坝顶区域抗震安全需要予以关注。另外，溪洛渡拱坝拱坝切向动力放大效应更明显，表明，如果遭遇较强地震影响，坝顶区域切向运动放大效应导致的后果可能是产生横缝张开或者横缝挤压的破坏。

3.2 频域分析

因为实际地震能量较大，往往能激发出大坝的固有频率特性，在频谱上往往体现为大坝地震响应的频谱峰值频率，因此，通过分析判断出频谱峰值频率，可以作为判断大坝固有频率特性的参考。

3.2.1 周期图法频谱分析

采用韦尔奇周期图分析方法，先对时程数据进行固定长度分段（分段数据长度为2的N次方），每两个分段之间有部分时段交迭。对每个分段数据加窗后再进行傅里叶变换，可以减少频谱泄漏；最后将各个数据分段的频谱进行叠加平均，得到平滑后的频谱[7]。如果需要看频谱细部，可再通过频谱细化处理得到细化频谱。

图6 坝体不同高程测点最大值示意图Figure 6 Diagram of maximum values of measuring points at different elevations of dam

图7 坝体不同高程测点动力放大率示意图Figure 7 Schematic diagram of dynamic magnification of measuring points at different elevations of dam

本次分析频谱的设置参数：为了兼顾频谱分辨率和平滑效果，对每个测点数据统一采用1024点的分段分析（每段长度10s，频谱分辨率0.1Hz），相邻分段交迭512点，各段数据加hanning窗后进行功率密度谱分析，最后将各段频谱叠加平均，并在0～35Hz频带内进行4096点的频谱细化。

3.2.2 频率特征分析

从频谱峰值频率统计表可知，坝体地震响应的频率峰值均在10Hz以下。坝体竖直向响应卓越主频在4.8Hz附近，切向响应卓越主频在2.6Hz附近，径向响应卓越主频在4.3Hz附近。

从统计表（见表3）和频谱图（见图8）看，左右岸坝肩频谱有着明显差异（610-L号为左坝肩，见图8左图；563-R号为右坝肩，见图8右图），表明两岸山体特性差异较大，左岸频谱主频比右岸主频高，表明左岸山体相对右岸山体刚性要大些。

图8 两岸坝肩测点频谱图Figure 8 Different Frequency spectrums of measuring points at dam abutment on both banks

而两岸坝肩与坝体响应的频谱有也存在明显差异，表明地震中坝体相对两岸山体有明显的局部振动响应。

通过溪洛渡拱坝各测点卓越主频特征初步判别频率特征。

（1）竖直向响应卓越主频4.8Hz：除了拱坝中部的527m高程15号坝段，该位置测点的垂直向主频为3.79Hz，15号坝段两侧（10号坝段和22号坝段）的527m高程和470m高程的垂直向卓越主频均为4.8Hz左右（见图9），表明4.8Hz频率一个结构特征频率，而且该响应振型很可能是以中间坝段为节点。

图9 测点竖直向频谱图Figure 9 Frequency spectrums of vertical direction of measuring points

（2）切向响应卓越主频：有1.6Hz和2.6Hz两个频率，从频谱图（见图10）中可以看出，坝体527m高程和470m高程的10号坝段和22号坝段测点的切向频谱比较相似，且频谱均有两个主要峰值频率，1.6Hz和2.6Hz，其中2.6Hz频谱幅值略高于1.6Hz频谱。而527m高程中部的15号坝段的切向响应卓越主频为2.3Hz，但同样含有1.6Hz和2.6Hz峰值频率，2.6Hz与2.3Hz频率接近，被2.3Hz卓越主频掩盖在而不易识别。因此，1.6Hz和2.6Hz也是大坝结构特征频率，而2.3Hz可能只是大坝中部坝段的局部特征频率。

（3）径向响应卓越主频在4.3Hz：从统计表（见表3）看出，527m高程和470m高程的10号坝段和22号坝段，以及15号坝段径向响应的卓越主频均是4.3Hz左右，且这些测点的频谱曲线特征基本相似（见图11），表明该4.3Hz频率也是大坝结构特征频率。

图10 测点切向频谱图Figure 10 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

图11 测点径向频谱图Figure 11 Frequency spectrums of tangential direction of measuring points

4 结论

溪洛渡地震强震台设计合理，运行也比较完善，通过实际地震的考验，溪洛渡强震台阵取得了一个珍贵的特高拱坝的地震响应记录，但是本次地震记录大坝测点记录完整性不足：较多大坝测点没有触发，没有获得完整的拱坝地震响应。建议对未获得记录的设备进行检查，并对各点触发参数重新进行差别化的合理设置。从地震记录的以上分析中有以下结论：

（1）本次地震震级小地震响应小对大坝安全没有影响。

（2）拱坝坝体在地震中存在明显的动力放大效应，随高程增大放大效应越明显，并且不同方向放大率也有较大差异。其中，竖向：470m高程放大率为2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。切向：470m高程放大率为2～4倍，527m高程3～5倍，610m高程7倍左右。径向：470m高程放大率为2倍左右，527m高程2～3倍，610m高程4倍左右。坝顶区域尤其是切向的放大效应最大有7.1倍，因此，未来大坝抗震安全控制需要关注坝顶区域，特别是强震下坝顶横缝位置的安全。

（3）本次地震溪洛渡拱坝垂直向振动主频4.8Hz左右；切向振动卓越主频为1.6Hz和2.6Hz左右；径向响应卓越主频在4.3Hz左右。

下一步作者将利用大坝地震响应记录做进一步的大坝模态特性分析，研究溪洛渡拱坝结构的实际地震下的模态频率、阻尼和振型等动态特性。