Experiment and Analysis of Surface Soil Rupture Pattern
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摘要: 近年来地震频发，研究断层区土体破裂形态是了解和认识地震断层破坏机制的关键。为研究不同断层类型对地表形态的影响，通过模型试验得到拉伸型断层、挤压型断层以及剪切型走滑断层的地表土层形态，同时对走滑断层进行了数值模拟计算，并与试验结果进行了对比。由试验结果可知，在拉伸型断层中，地表纵向拉伸变形随土层厚度的增大而减小。挤压型断层中，随着土层厚度的增大，地表纵向压缩变形减小，且减小趋势逐渐变缓，地表隆起区宽度和隆起高度随之增加。在走滑断层中，地表位错量随着土层厚度的增大而减小，且随着土层厚度的增大，地表变形影响区范围呈先增加后减小的趋势。数值模拟计算结果与走滑断层试验结果基本一致。Abstract: With the increasing frequency of earthquakes in recent years, studying soil rupture patterns in fault zones has become essential for understanding the damage mechanisms of earthquake faults. This research investigates the impact of different fault types on surface morphology through model tests and numerical simulations. Surface soil deformation patterns were examined for tensile faults, compressional faults, and strike-slip faults, and numerical simulations were conducted for strike-slip faults to compare with experimental results. The results from the tests reveal that for tensile faults, longitudinal tensile deformation of the ground surface decreases as soil layer thickness increases. In compressional faults, the longitudinal compressive deformation of the surface also decreases with increasing soil thickness, but at a slower rate. Additionally, the width and height of the surface uplift area increase with greater soil thickness. For strike-slip faults, surface dislocation decreases as soil thickness increases. Interestingly, the area affected by surface deformation initially expands and then decreases with increasing soil thickness. The numerical simulations of strike-slip faults align closely with the experimental findings, supporting the accuracy of the model tests.
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Key words:
- Tensile fault /
- Extrusion fault /
- Strike slip fault /
- Model test /
- Numerical simulation
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引言
自新丰江水库蓄水以来，库区就频繁发生地震。其中，1960年7月18日发生了MS 4.3级地震，之后对大坝进行了一期加固；1962年3月19日发生了MS 6.1级强烈地震，13—17#坝段在108.5m高程处出现了长达82m的贯穿裂缝（图 1），导致水库渗漏，但没有产生严重的后果，之后对大坝进行了二期加固（翁昌瑜，2010）。在此之后，库区仍不断发生地震，并且延续至今。
图 1 新丰江水库大坝强震动台阵测点布置图Figure 1. The set-up of strong motion array of the Xinfengjiang reservoir dam红色实线为贯穿裂缝所在位置；蓝色框内为分析所用坝段108.5m高程的贯穿裂缝在MS 6.1级强烈地震后经过灌浆、插筋及上游防渗和下游沿裂缝增设混凝土护墙等加固措施的专门处理，其后在1994年中国地震局工程力学研究所同新丰江电厂合作用冲击弹性波法确认了该贯穿裂缝在该高程坝内呈高低不平、复杂分布的状态（林俊高等，1998；翁昌瑜，2010）。经过50多年的安全运行，贯穿裂缝的现状如何，其对大坝整体性和稳定性是否有影响，成为各级政府及专家学者关注的问题。因此，本文通过探究大坝5#和14#坝段贯穿裂缝上下测点的地震加速度时程傅氏谱和它们之间传递函数的特性，来研究加固处理后贯穿裂缝上下坝体间的整体性和稳定性。
1. 工程概况及强震动监测台阵简介
新丰江水电站位于广东省河源市境内东江支流新丰江最后一个峡谷的出口处，工程原设计以发电为主，目前以供水为主，兼顾发电、防洪、航运等，是一座综合利用的水利枢纽工程。大坝坝轴线长440m，坝顶高程124m，最大高度105m，最大坝底宽度102.5m，上下游坝面坡度均为1：0.5，由19个长18m的支墩坝和两岸重力坝组成（朱葳等，1998；李雪林，2008），其中6—9#为发电引水坝段，10—13#为溢流坝段，其余皆为挡水坝段（首培烋等，1988），如图 1。
为更好地了解大坝在地震作用下的动力反应特性，2012年广东省地震局将大坝原有强震动观测台阵改造为实时监测台阵。本台阵在大坝的坝基、坝身和坝顶等特征部位共布设16个测点，包括15个结构测点和1个基岩自由地表测点，共48个通道（李敬等，2014）。台阵测点布置及贯穿裂缝位置如图 1所示。
2. 研究对象及资料概况
2.1 研究对象
由大坝强震动台阵测点布置图（图 1）可知，108.5m高程贯穿裂缝所在的坝段（13—17#）中，只有14#坝段在裂缝上下布置测点（H测点和K测点），故选取14#坝段为研究对象。另外，选取与14#坝段坝高、测点布置全部一致的5#坝段作为进行对比分析的参考对象。本文在传递函数计算分析中将O测点和K测点的地震加速度记录作为输入，D测点和H测点的地震加速度记录作为输出进行分析。
2.2 地震及观测数据资料
选取2014年和2015年广东省河源地区发生在大坝附近的8次有记录的地震（见表 1），其中前6号地震的震中方位相近，7、8号地震震中方位相近（图 2）。图 3为大坝强震动台阵23通道在8次地震发生时的加速度时程输出记录，当地震发生时测点的地震动比环境振动大很多，个别地震测点的峰值加速度达到了100gal以上，对新丰江大坝产生了明显的震动。
表 1 新丰江水库附近8次有记录的地震Table 1. Eight recorded earthquakes near Xinfengjiang reservoir序号 发震时间 纬度/°N 经度/°E 震级/MS 深度/km 到大坝的距离/km 1 2014-05-24 12:33:04 23.45 114.38 3.30 13 41.45 2 2014-06-20 05:30:45 23.43 114.42 3.00 8 40.58 3 2014-07-11 02:25:48 23.43 114.43 3.00 7 39.98 4 2015-03-05 15:54:50 23.45 114.37 2.80 12 42.14 5 2014-08-10 14:38:48 23.43 114.43 2.90 8 39.97 6 2015-04-29 10:35:25 23.43 114.36 2.90 7 44.46 7 2014-04-25 16:07:10 23.54 114.29 4.40 10 42.46 8 2014-07-11 13:43:24 23.54 114.28 4.50 10 43.35 
图 2 新丰江水库大坝和地震震中分布图Figure 2. Distribution of the earthquake epicenters near Xinfengjiang reservoir dam
图 3 23通道8次地震加速度记录Figure 3. Acceleration time histories of 8 earthquakes from the 23th channel（a）2014-05-24 3.3级（b）2014-06-20 3.0级（c）2014-07-11 3.0级（d）2015-03-05 2.8级（e）2014-08-10 2.9级（f）2015-04-29 2.9级（g）2014-04-25 3.8级（h）2014-07-11 4.0级3. 大坝稳定性分析
本文采用傅里叶谱和传递函数对贯穿裂缝上下坝体的稳定性进行研究。
3.1 地震动傅氏谱分析
5#坝段10通道和43通道以及14#坝段22通道和31通道在8号地震中的加速度时程及其傅里叶谱如图 4和图 5所示：
图 4 5#坝段坝轴向通道在8号地震中的加速度时程及傅里叶谱Figure 4. Acceleration time history and Fourier spectrum of No.8 earthquake from No.5 dam axial channel（a）10通道加速度时程（b）43通道加速度时程（c）10通道加速度傅里叶谱（d）43通道加速度傅里叶谱
图 5 14#坝段坝轴向通道在8号地震中的加速度时程及傅里叶谱Figure 5. Acceleration time history and Fourier spectrum of No.8 earthquake from No.14 dam axial channel（a）22通道加速度时程（b）31通道加速度时程（c）22通道加速度傅里叶谱（d）31通道加速度傅里叶谱5#坝段10通道和43通道以及14#坝段22通道和31通道对应7号地震中的加速度时程及其傅里叶谱如图 6和图 7所示。
图 6 5#坝段坝轴向通道对应7号地震中的加速度时程及傅里叶谱Figure 6. Acceleration time history and Fourier spectrum of No.7 earthquake from No.5 dam axial channel（a）10通道加速度时程（b）43通道加速度时程（c）10通道加速度傅里叶谱（d）43通道加速度傅里叶谱
图 7 14#坝段坝轴向通道对应7号地震中的加速度时程及傅里叶谱Figure 7. Acceleration time history and Fourier spectrum of No.7 earthquake from No.14 dam axial channel（a）22通道加速度时程（b）31通道加速度时程（c）22通道加速度傅里叶谱（d）31通道加速度傅里叶谱由图 4、5、6、7中（a）、（b）加速度时程的峰值特性可知，5#和14#坝段的上坝段相对下坝段，其地震动放大作用很明显。由图 4、5、6、7中（c）、（d）加速度时程的频率特性可知，坝体对频率范围为5—15Hz的振动放大效应明显，但14#坝段坝体上坝段对15Hz以上高频地震动成分的放大作用明显低于5#坝段，表明贯穿裂缝还是存在影响的，它阻碍了高频地震动的传递，而14#坝段坝体22通道与5#坝段的10通道相比，在15Hz以上明显偏小，高频截频效应明显，说明14#坝段坝体上下坝的整体性较5#坝段有明显不同。由以上分析可推断，14#坝段贯穿裂缝上下坝体间的整体性明显比5#坝段差。但在小震的作用下15Hz以下的低频地震动传递特性接近，说明地震没有造成贯穿裂缝明显错动，原有稳定性没有打破。
3.2 传递函数计算结果分析
传递函数是频域分析中的一个重要概念。一般把具有线性特性的对象的振（震）动信号输出与输入之间关系的谱比称为传递函数。频域传递函数其实质也即：当体系受到一简谐输入激励时，体系的稳态输出（即体系的反应）与输入的比值。其计算公式如下：
$${{H}_{xy}}(f)={{{S}_{y}}(f)}/{{{S}_{x}}(f)}\;={{{P}_{xy}}(f)}/{{{P}_{xx}}(f)}\;$$ (1) 其中，Hxy（f）为传递函数；Sy（f）为输出信号的傅里叶谱；Sx（f）为输入信号的傅里叶谱；Pxy（f）为输入和输出信号的互功率谱；Pxx（f）为输入信号的自功率谱（丁浩，2008；万永革，2007）。
图 8为5#和14#坝段在8个地震发生时坝轴向、顺河向、竖向的传递函数及其平均值曲线图。
图 8 5#、14#坝段对应8个地震情况下三分向的传递函数及平均值曲线图Figure 8. Transfer function of three components and their average of section No.5 and No.14 under 8 earthquakes（a）5#坝段坝轴向（b）14#坝段坝轴向（c）5#坝段顺河向（d）14#坝段顺河向（e）5#坝段竖向（f）14#坝段竖向测点的加速度记录是由从基底传出的地震波在坝段之间经折射和反射后监测得到，其作用机理很复杂，对大坝的自振特性造成了较大影响，加之混凝土大坝各个坝段之间的填充物以及大坝进行二次加固时对加固面的灌浆，5#坝段的传递函数也不稳定，给对比分析带来很大的麻烦，因此5#、14#坝段在8个地震发生时三分向传递函数中的峰值位置和峰值个数都不一致。由于108.5m高程贯穿裂缝经过灌浆、插筋及上游防渗等加固措施的专门处理后，大坝顺河和坝轴向的整体性有很大提高，从平均值曲线来看，与无贯穿裂缝大坝的上下坝体传递函数有一定相似性，尤其是顺河向的相似度很高，由此可见，灌浆、插筋及上游防渗等加固措施还是发挥了很好的作用。但从轴向的传递函数平均值来看，14#坝上坝段对下坝段在8—15Hz之间的放大效应明显高于5#坝，与完整性较好的5#坝体有较大的差别，可见14#坝段的整体性还是不够的。同样，从竖向的传递函数平均值来看，14#坝段竖向传递函数的离散性明显高于5#坝段，且14#坝上坝段对下坝段在18Hz左右地震动的放大效应明显高于5#坝。这足以反映出，对重压下的大坝贯穿裂缝进行灌浆、插筋及上游防渗和下游沿裂缝增设混凝土护墙等加固措施后，很难达到整体固结的效果，大坝的竖直向整体性依然较差。
通过综合分析5#坝段和14#坝段在小震下的傅里叶谱和传递函数，我们认为有贯穿性裂缝的14#坝段经过加固处理后，经过50多年运营，上下坝体依然保持原有的整体性。在多次小震作用下，中低频振动特性没有明显偏离，表明上下坝体裂缝原有的结合面没有遭受明显破坏。但在强震动作用下，当地震作用超过坝体间摩擦或固结力时，14#坝段坝体贯穿裂缝可能会首先发生破坏，它们仍然是大坝未来地震时的薄弱环节和潜在隐患。
4. 结论
基于新丰江水库大坝强震动台阵中5#和14#坝段的监测数据，利用傅里叶谱和传递函数，对108.5m高程贯穿裂缝上下坝体的稳定性进行分析，初步得到了以下结论：
小震作用下，14#坝段108.5m高程贯穿裂缝上下坝体顺河向和坝轴向的整体性高于竖向。在顺河向和坝轴向的振动性方面，与5#坝段相比，14#坝段的振动性没有明显偏离，说明上下坝体裂缝原有结合面的整体性没有遭受明显破坏，稳定性没有被打破，由于下游沿裂缝的混凝土墙的保护作用，顺河向的整体性略优于轴向；但在竖向振动性方面，在小震作用下，14#坝段和5#坝段的傅里叶谱和传递函数存在明显差别，14#坝段的整体性和稳定性明显弱于后者，在未来强震动作用下，14#坝段坝体贯穿裂缝仍然是大坝的薄弱环节，应加强监测跟踪，在可能的情况下，采用新方法和新技术进行进一步加固。
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图 3 拉伸型断层试验地表土层变形图
Figure 3. Deformation diagram of surface soil layer for tensile type fault test
图 4 不同土层厚度下白线长度和拉伸率变化
Figure 4. Variation of white line length and stretch rate with different soil thickness
图 5 挤压型断层试验的地表土层变形图
Figure 5. Deformation diagram of surface soil layer for extrusion-type fault test
图 6 不同土层厚度下白线长度和挤压率变化
Figure 6. Variation of white line length and extrusion rate with different soil thickness
图 7 不同土层厚度下土层表面隆起区宽度变化
Figure 7. Variation of the width of the soil surface uplift zone with different soil thickness
图 8 不同土层厚度下土层表面隆起高度变化
Figure 8. Variation of soil surface elevation height with different soil thickness
图 9 走滑断层试验中地表土层变形情况
Figure 9. Deformation diagram of surface soil layer of Strike-slip fault test
图 10 不同土层厚度下地表位错量沿断层线分布情况
Figure 10. The maximum and minimum displacement changes of white line stagger under different soil layer heights
图 11 不同土层厚度下土层表面变形影响区宽度变化
Figure 11. Variation of width of affected deformation zone on soil surface with different soil layer thickness
图 14 数值模拟与实验结果对比
Figure 14. Comparison between numerical simulation and experimental results
表 1 材料参数
Table 1. Material parameters
密度ρ/(g·cm−3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角Φ/(°) 平均粒径
d50/mm有效粒径
d10/mm土粒
比重Gs最大孔
隙比emax最小孔
隙比emin弹性模量
E/kPa泊松比μ 1.52 7 30 0.253 0.008 2.67 0.919 0.411 20000 0.25 
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表 2 试验工况
Table 2. Test conditions
断层类型 断层预留宽度/cm 断层错动方向 断层错动距离/cm 土层厚度/cm 拉伸型断层 0 左盘向左 6 5、10、15、20 挤压型断层 6 左盘向右 6 5、10、15、20 走滑断层 0 右旋 3 5、10、15、20、25
下载: 导出CSV
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