“5.12”汶川大地震时冶勒大坝实测动力反应.pdf

第 30 卷 第10 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.30 No.10 2008 年 .10 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct., 2008 “5.12”汶川大地震时冶勒大坝实测动力反应 熊 ，何蕴龙，张艳锋 （武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072） 摘 要2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分四川汶川发生 M8.0 级大地震，冶勒大坝距震中汶川约 258 公里，具有强烈震感， 大坝的强震监测台阵对此次大地震有较完整的有效数据记录。针对这些实测地震记录，采用时程分析方法和频谱分析 方法分析大坝的地震反应特征和规律，并结合其它监测资料，考察了此次大地震对冶勒大坝所产生的影响，认为冶勒 大坝在震后运行性态稳定，情况基本正常。此外，将此次地震记录与以往监测的地震记录进行对比分析，获得了冶勒 大坝与一般土石坝不同的地震动力反应规律，这种特殊规律与冶勒大坝特殊的地质条件密切相关。 关键词冶勒大坝；汶川地震；监测；动力反应 中图分类号TU435 文献标识码A 文章编号1000–4548200810–1575–06 作者简介熊 堃1984– ，男，湖北谷城人，博士研究生，从事水工结构研究。E-mail lynnxiong。 Recorded seismic response of Yele Dam during ““5.12”” Wenchuan Earthquake XIONG Kun，HE Yun-long，ZHANG Yan-feng State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China Abstract A disastrous M8.0 earthquake happened in Wenchuan, Sichuan Province at 1428 on May 12, 2008. The Yele Dam site was shocked strongly at an epicentral distance of about 258 kilometers. The monitoring station on the dam obtained comparatively complete records of “5.12” Wenchuan Earthquake. Based on the earthquake records of Yele Dam, its seismic response were analyzed by use of the time history and the spectral analysis . Combined with the analysis of monitored data of other earthquakes, the effects of the Wenchuan Earthquake on Yele Dam was studied. It was concluded that Yele Dam remained in normal working state after the great Earthquake. Moreover, through the contrastive analysis of dynamic response between “5.12” Wenchuan earthquake and the previous ones, some distinct seismic response laws of Yele Dam were acquired, and they were closely associated with its peculiar geological condition. Key words Yele Dam; “5.12” Wenchuan Earthquake; monitoring; seismic response 0 前 言 2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分四川汶川发生 M8.0 级大地震，此次大地震发生在青藏高原的东南边缘、 川西龙门山的中心，位于汶川茂汶大断裂带上，全 国大部分省市均受波及，冶勒大坝距震中汶川两百多 公里，具有强烈震感。冶勒水电站位于安宁河活动断 裂带的北段，库区距下游安宁河活动裂西支约 2 km， 属外围强震波及区。经四川省地震局鉴定，冶勒水电 站库坝区地震基本烈度为Ⅷ度，地震设计烈度Ⅸ度， 设计地震加速度值高达 0.45g。 其地质构造背景十分复 杂，超常规的地质现象较为突出。坝址处于冶勒断陷 盆地边缘，坝基左岸基岩埋藏较浅、产状陡倾河心及 下游，河床及右岸地表覆盖层深厚，该套深厚覆盖地 层由第四系中、上更新统卵砾石层、粉质壤土和块碎 石土等组成，属冰水河湖相沉积层，在不同地质历史 时期里经受了不同程度的泥钙质胶结和超固结压密作 用，成份复杂，变形不均，因此造成了坝基左、右岸 基础严重不对称， 基础变形协调及防渗处理难度极大。 拦河大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高 124.5 m，在同类坝型中国内最高、世界第三，仅次于 土耳其 139 m 高的 Kopru 坝和挪威 128 m 高的 Storglomvatn 坝。 右坝肩基础防渗总深度超 200 m， 其 中防渗墙深度达 140 m，墙体分上、下两层施工，上 层墙、下层墙之间通过钢筋混凝土廊道连接，下层防 渗墙底以下续接 60 余米深的灌浆帷幕， 帷幕孔最大深 度约 120 m。 汶川地震前大坝强震监测台阵成功取得强震记录 11 次，已初步获得大坝在运行中的地震动力反应规 律。2008 年 5 月 12 日，监测台阵获取“5.12”汶川 M8.0 级大地震记录数据， 本文通过对此次实测地震数 ─────── 收稿日期2008–05–20 堃 1576 岩 土 工 程 学 报 2008 年 据记录进行分析，结合巡视检查和其它监测资料，分 析大坝在地震中实际的动力反应情况，并考察了 5.12 汶川大地震对冶勒大坝工作性态所产生的影响，为大 坝抗震安全性评价提供依据。 1 冶勒大坝强震监测设计 1.1 强震仪类型 本工程使用的是中国地震局哈尔滨工程力学研究 所生产的 GDQJ-Ⅰ和 GDQJ-Ⅱ 型固态地震动强度记 录仪。当有感地震发生时，仪器自动触发、记录、计 算其烈度。所记录的数据分 EW，SN，UP 3 个方向， EW 方向上以向东运动为正， SN 方向上以向北运动为 正，UP 方向上以向上运动为正。 固态地震动强度记录仪的关键参数 通道数为 3； 采样率为 200 sp s；通道延迟为 0 s；动态范围为 90 db （GDQJ-Ⅱ型为 120 db） ； 转换精度为 16 bit （GDQJ- Ⅱ型为 24 bit） ； 记录器满量程为2. 5 V （最大2g） ； 灵敏度为 1 LSB。 传感器 SLJ-100 三分向力平衡加速度计关键参 数测量范围为2g；灵敏度为1. 25 V/g；动态范 围为 120 db；噪声为k|Amax|的 时间差定义为地震持续时间，其中k取 0.2， Amax为加 速度峰值，则大坝左岸基岩记录的持续时间约为 106 s，主坝最大剖面坝顶记录的持续时间为 195 s，可知 此次大地震具有较强破坏性。 第 10 期 熊 堃，等. 5.12 汶川大地震时冶勒大坝实测动力反应 1577 表 1 “5.12”汶川大地震主震及余震的基本要素表 Table 1 The essentials of records during“5.12”Wenchuan Earthquake 震中位置 地震 编号 地震日期 发震时刻 震级 Ms 北纬 东经 震中距 /km 震源深度 /km 1 2008-05-12 142804 8.0 3100′ 10324′ 258 14 2 2008-05-12 144315 6.0 3100′ 10330′ 262 33 3 2008-05-12 153447 5.0 3100′ 10330′ 262 10 4 2008-05-12 191058 6.0 3124′ 10336′ 306 33 5 2008-05-12 214054 5.1 3100′ 10330′ 262 33 6 2008-05-13 150711 6.1 3154′ 10324′ 351 33 7 2008-05-25 162102 6.4 3236′ 10524′ 454 33 图 3 “5.12”汶川大地震大坝顺河向、横河向和竖直向加速度时程图 Fig. 3 Time histories of acceleration in transverse, longitudinal and vertical directions during “5.12” Wenchuan Earthquake 表 2 “5.12”汶川大地震大坝各部位加速度、速度及位移峰值 Table 2 The peak values of acceleration, velocity and displacement during “5.12” Wenchuan Earthquake 测站 分项 最大加速度 /cms -2 最大速度 /cms -1 最大位移 /cm 测站分项 最大加速度 /cms -2 最大速度 /cms -1 最大位移 /cm 顺河向 -43.995 2.951 -0.844 顺河向-11.877 1.733 1.643 横河向 -30.642 -2.271 0.791 横河向10.310 -1.638 1.133 4 竖直向 -19.586 1.489 -0.452 灌浆 平洞 竖直向-7.206 1.240 -1.457 顺河向 27.448 2.388 1.679 顺河向14.078 1.913 -1.626 横河向 22.828 2.295 0.875 横河向14.912 -1.642 -0.800 5 竖直向 -27.116 1.378 -0.833 监测 廊道 竖直向9.120 1.116 -0.816 顺河向 -35.008 2.100 1.712 横河向 25.102 2.188 0.846 7 竖直向 21.000 -1.286 -0.826 表 2 列出了大坝各部位在地震中的加速度、速度 和位移峰值。因数据量大，以下文中仅给出左岸灌浆 平洞与大坝主坝坝顶的地震时程记录。图 4 显示了主 震中左岸灌浆平洞强震仪与坝顶4观测房强震仪所记 录的地震顺河向、横河向及竖直向加速度校正处理后 积分所得到的速度、位移时程曲线。 1578 岩 土 工 程 学 报 2008 年 图 4 “5.12”汶川大地震 大坝顺河向、横河向及竖直向速度、位移时程图 Fig. 4 Time histories of velocity and displacement in transverse, longitudinal and vertical directions during “5.12” Wenchuan Earthquake 图 5 显示了大坝最大断面沿下游坡面加速度峰值 分布情况，沿大坝下游坡面顺河向和横河向加速度沿 高程的增加先减小再增大，在坝顶和下游坝脚位置同 时有极值，但坝顶的加速度要大于坝脚；在竖直向， 沿大坝下游坡面的加速度却是先增大再减小，5 观测 房位置有极值。从表 2 中加速度各方向的分量来看， 除5 观测房位置，其它部位的加速度基本是 EW 向， 即顺河向加速度最大，横河向次之，竖直向最小，但 横河向加速度与顺河向加速度相差的幅度并不大。 另外，从表 2 中列出的加速度、速度和位移峰值 看，虽然“5.12”汶川大地震的震级很高，持续时间 很长，破坏性强，但是由于冶勒大坝据震中较远（约 258 公里） ，大坝各个部位在地震中的反应不大，最大 加速度小于 50 gal，速度和位移峰值也不大。 图 5 “5.12” 汶川大地震大坝最大断面沿下游坡面加速度峰值 分布 Fig. 5 Distribution of acceleration on the largest section of Yele Dam along the downstream slope surface during “5.12” Wenchuan Earthquake 第 10 期 熊 堃，等. 5.12 汶川大地震时冶勒大坝实测动力反应 1579 3.3 “5.12”汶川大地震频域分析 对地震记录进行快速傅立叶变换，以下仅给出左 岸灌浆平洞与坝顶4观测房记录的三方向加速度傅立 叶谱，如图 6 所示，表 3 列出了频域分析的结果。 由表 3 知在“5.12”汶川大地震中，基岩的各方 向主频均较小， 在 1 Hz 以下， 主坝各部位反应的主频 大于基岩，其中顺河向和横河向 1.5～2.0 Hz，竖直向 的主频比其它两个方向高，约为 2.5～3.0 Hz。由图 6 中可以明显看出坝体的滤波作用，大坝对频率范围为 1.5～3.0 Hz 的地震动有显著的放大。 3.4 震后巡视检查与其它监测资料分析 5月12日汶川地震主震发生后， 大坝上游迎水坡、 下游背水坡表面无开裂、凹坑等异常情况，坝顶防浪 墙的原有裂缝无变化，观测房、观测墩等设施亦无异 常现象。坝址下游无浑水、 新的渗水点等异常情况出现， 坝址左、右岸边坡未出现掉块、滑坡等情况。只是右岸 排水廊道内一排水孔流量较大，约 2.00 L/s。地震后几 日坝址右岸施工廊道交通洞上部边坡由于下雨的原 因，出现轻微掉块，其它部位情况仍正常。 同时，大坝水平垂直位移，沥青防渗墙与过渡料 位错，防渗墙与基座位错以及心墙与基座位错，在地 震前后基本没有变化。混凝土防渗墙内部应力、基座 与施工廊道底板应力和沥青混凝土心墙底部应力在地 震前后基本没有变化，无异常值出现。大坝渗流量， 混凝土防渗墙上、下游渗压，基础面渗压以及施工廊 道内渗压在地震前后也基本无变化。因此，综合应力 变形、渗流渗压资料分析，可认为冶勒大坝在“5.12” 汶川大地震后运行性态稳定，情况基本正常。 4 “5.12”前强震数据分析的主要结论 在汶川地震之前，冶勒大坝强震监测台阵所取得 的记录中，2007 年 10 月 23 日地震虽然震级不大，但 记录较为完整和具有代表性，一定程度地表现出冶勒 大坝在已经历实际地震中的整体反应情况，可以与 “5.12” 汶川大地震中大坝的地震动力反应进行对比。 图7显示了2007年10月23日地震大坝坝顶加速 度峰值分布情况，图 8 显示了大坝最大断面沿下游坡 面加速度峰值分布情况。从图 7 中可以看出在 2007 年 10 月 23 日地震中，坝顶加速度随着桩号增加而增 加，即从左岸到右岸逐渐增大，并且从主坝的坝中断 面到副坝开始的断面增加的幅度很大，副坝坝顶的加 速度相差很小。 由图 8 可知， 在 2007 年 10 月 23 日地 震中，加速度峰值的分布与大坝在“5.12”汶川大地 震中类似，沿大坝下游坡面各方向加速度均是沿高程 的增加先减小再增大，在坝顶和下游坝脚位置同时有 极值，但坝脚的加速度大于坝顶。从加速度各方向的 分量来看，基本也是 EW 向，即顺河向加速度最大， 横河向次之，竖直向最小，但横河向加速度与顺河向 加速度相差的幅度并不大。 （a）左岸灌浆平洞 （b）4 观测房 图 6 “5.12”汶川大地震大坝顺河向、横河向和竖直向傅立叶谱 Fig. 6 The Fourier spectra in transverse, longitudinal and vertical directions of “5.12” Wenchuan Earthquake 1580 岩 土 工 程 学 报 2008 年 表 3 “5.12”汶川大地震大坝各部位频域分析结果 Table 3 The spectrum analysis results of Yele Dam during “5.12” Wenchuan Earthquake 测站 分项 主频率 /Hz 主周期 /s 傅立叶谱幅值 /cms -1 测站分项 主频率 /Hz 主周期 /s 傅立叶谱幅值 /cms -1 顺河向 1.923 0.520 118.587 顺河向0.916 1.092 28.112 横河向 1.633 0.613 94.045 横河向0.488 2.048 27.217 4 竖直向 3.120 0.321 45.438 灌浆 平洞 竖直向0.555 1.800 17.638 顺河向 1.395 0.717 81.680 顺河向1.395 0.717 38.416 横河向 1.633 0.613 67.807 横河向1.395 0.717 42.332 5 竖直向 2.881 0.347 42.389 监测 廊道 竖直向2.356 0.426 23.551 顺河向 2.386 0.419 58.987 横河向 2.048 0.488 67.239 7 竖直向 2.637 0.380 34.476 图 7 2007-10-23 地震大坝坝顶加速度峰值分布 Fig. 7 Distribution of acceleration on dam crest along the axis of Yele Dam during the earthquake on 2007-10-23 图 8 2007-10-23 地震大坝最大断面下游坡面加速度峰值分布 Fig. 8 Distribution of acceleration on the largest section of Yele .Dam along downstream slope surface during the .earthquake on 2007-10-23 根据以上所述冶勒大坝的地震反应规律，联系其 所处的地质环境以及大坝结构，可以看出严重不对称 的覆盖层分布对大坝地震动力反应的明显影响，由于 坝基覆盖层从左岸到右岸逐渐加深，下伏基岩面陡倾 河心，所以观测到的大坝最大加速度亦从左岸到右岸 逐渐增大，并且横河向的地震反应与顺河向地震反应 量值基本相当。此外，大坝地震反应是由坝体内部至 坝体表面地震反应逐渐放大，所以大坝表面在坝顶与 坝坡脚处均出现极值。 并且对2007年10月23日地震记录进行快速傅立 叶变换，得到坝体各部位沿各方向的傅立叶谱，可知 在 2007 年 10 月 23 日地震中大坝反应的主频较高， 其 中主坝各部位反应表现出的顺河向主频约为 8 Hz，横 河向主频差异较大，副坝坝顶各方向的主频较高，在 18 Hz 左右。 5 结 论 （1）冶勒大坝强震监测台阵成功获得的“5.12” 汶川大地震记录持续时间长，主频较低，最大加速度 峰值为 43.995 cm/s2。 （2）冶勒大坝在汶川地震中的反应量值并不大， 反应由坝体内部至坝体表面逐渐放大，在坝顶和坝脚 位置具有极值。坝体反应的主频较低，并且大坝对频 率范围为 1.5～3.0 Hz 的地震动有显著的放大。 （3）综合对地震记录，巡视检查以及应力变形、 渗流渗压监测资料的分析，冶勒大坝在“5.12”汶川 大地震后运行性态稳定，情况基本正常。 （4） 通过对以往典型地震记录作对比分析， 得到 冶勒大坝在地震中表现出的与一般土石坝不同的反应 规律，这与冶勒大坝下伏基岩面陡倾河心，从左岸到 右岸坝基覆盖层逐渐加深的特殊地质条件密切相关。 参考文献 [1] DARBRE G R. 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