CN117908089A - 一种坝体内地震监测台阵布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坝体内地震监测台阵布置方法。方法包括建立考虑水平向正应力的变化下，坝基土体动力参数反演的计算方法；基于反演方法，提出在沿深度方向布设加速度传感器阵列时，需同时在加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置土压力计阵列的台阵布设方案；利用场地遭遇地震时台阵所监测到的加速度数据，反演获得坝基土体应力应变滞回圈，进而计算土体动剪切模量、阻尼比等土体动力学参数。本发明的方法克服了已有的坝基土体动力参数反演方法中忽略坝基土体水平正应力变化对剪应力影响的缺点，通过在加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置土压力计阵列，测出水平向正应力的变化，方案简洁且反演结果可靠。

Description

一种坝体内地震监测台阵布置方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及了一种坝体内地震监测台阵布置方法。

背景技术

对于建立在深厚覆盖层上的大坝，其稳定性不仅在于坝体的抗震稳定性，还取决于坝基的抗震性能。坝基土体动力学参数是进行坝基抗震性能分析的参考指标，土层地震反应分析是确定场地地震动参数的重要部分，准确地分析坝基土体动力特性对坝体的抗震设计以及安全运营等具有重要的参考价值。

土体的动应力-动应变关系是土体动力特性分析中的基础，目前一般通过现场原位测定。现场测试的主要物理量是土的波速，从中可以得到土的初始模量。然而，由于经历施工服役过程和地震作用，大部分土体动力学参数与原始场地相比已发生变化，且介于土体的散粒和多相等特性，以及有效变形测量手段的缺乏，土体内部应变难以直接测量。原位测试只能反映当下某个状态时土体动力剪切变形特性，若想了解某时期内土体动力特性变化情况，则需要多次取样，工艺繁琐成本耗费大。当筑坝完成后，由于存在上部坝体结构，无法对坝基进行原位测试取样。此外，地震发生时，场地内的地震动特性迅速发生变化，原位测试根本无法及时获取地震过程中土体的动应力-动应变关系。

现场传感器台阵的监测数据能直接反映土体动力特性，可用于评估岩土体结构的长期抗震服役性能。台阵有助于研究原位土体乃至整个场地在多种荷载条件下的实际动力反应，而这些荷载条件并不能被原位试验以及室内试验所真实还原。台站会记录每次地震的持时、震级以及孔底处加速度等，场地地震动特性的研究以加速度时程记录为基础，基于现场台阵所记录的地震加速度响应数据的循环剪应力-剪应变反演方法成为一种间接计算土体动力特性参数的有效手段。地震发生时，场地内的地震动特性发生着一定的变化，原位试验无法确定具体参数的变化特点，而反演方法可以对场地参数作进一步的具体分析，得到具体参数的变化特点，从而实时反馈土体动力特性变化情况。

现有相关技术或方法的主要缺点如下：(1)现有原位试验往往操作复杂，适用范围小，且不能实时监测、实时反馈土体动力特性变化情况。(2)现有的原位土体剪切强度试验只能测定土体在天然应力状态下的抗剪强度，不能模拟有上部结构时土体的抗剪强度和遭遇地震过程中动应力动应变的变化情况，具有一定的局限性。(3)基于加速度传感器阵列的反演分析方法常用于水平自由场地，不适用于上部有坝体结构时坝基土体动力学参数的反演。

现有的研究中，多借用一维剪切梁模型对加速度进行反演分析，此法对于有上覆坝体的坝基土体应力应变的反演分析并不适用。原因有二：1)一维剪切梁模型中研究对象为自由地基2)假定自由地表的剪应力和剪应变均为0。此外，有学者在非水平自由地表下单元土体的受力分析中常忽略土体中横向正应力的影响，影响了反演结果的准确性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种坝体内地震监测台阵布置方法，考虑坝基土体中横向正应力变化的影响，通过布置土压力计阵列测出水平向正应力的变化，获得更为准确的土体剪应力-剪应变关系，基于记录的坝基土体加速度数据和动土压力数据，直接给出了坝基土体动力参数反演的计算方法，并针对坝基不同位置提供了简明直观的台阵布设方案。以便于利用场地遭遇地震时台阵所监测到的加速度数据，反演获得坝基土体应力应变滞回圈，来更为准确地分析坝基土体动力特性，对坝体的抗震设计以及安全运营提供可靠参考。

本发明所采用的技术方案如下，包括以下步骤：

步骤一、首先，在土石堤坝内部布置加速度传感器阵列；

所述加速度传感器阵列主要呈阵列分布的加速度传感器间隔排列组成；

步骤二、在各个加速度传感器左右两侧的同高程处分别布置两个土压力计，所述呈阵列分布的土压力计构成土压力计阵列；

所述加速度传感器阵列和土压力计阵列共同构成了用于测定土体动力学参数的地震监测台阵；所述加速度传感器阵列和土压力计阵列分别用于测定堤坝内及坝基土体的加速度和水平向正应力。

所述加速度传感器阵列包含多列，加速度传感器阵列中的各列沿着顺河向间隔排布在堤坝及坝基中。

所述加速度传感器阵列包含多行，加速度传感器阵列中的各行沿着深度方向间隔排布在堤坝及坝基中。

所述土石堤坝的坝中轴线、上游压重区中线、下游压重区中线位置处均设有一列加速度传感器。

所述加速度传感器阵列同一列中的各个加速度传感器的高程一致。

所述加速度传感器阵列中相邻两行的行间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8；所述土压力计阵列沿深度方向的布设间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8。

一种地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用。

所述坝基土体动力参数包括土体剪切模量和阻尼比。

一种地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用的方法，包括如下步骤：

步骤S1、首先，建立考虑水平向正应力的变化下，坝基土体剪应力和剪应变的表达式；

步骤S2、接着，利用地震监测台阵中的加速度传感器阵列和土压力计阵列分别测定堤坝及坝基内土体的加速度和水平向正应力；并将加速度和水平向正应力代入坝基土体剪应力和剪应变的表达式，得到剪应力和剪应变结果；

步骤S3、根据坝基土体的剪应力和剪应变绘制应力应变滞回曲线，最后根据应力应变滞回曲线得到土体剪切模量和阻尼比；

所述土体剪切模量的表达式为：

其中，G_sec为剪切模量；τ_max、τ_min分别为应力应变滞回曲线中剪应力的最大值与最小值，γ_max、γ_min分别为最大剪应力和最小剪应力对应的剪应变；

所述阻尼比的表达式为：

其中，λ为阻尼比；ΔW为应力循环中的能量损耗；γ_max、τ_max分别为剪应变、剪应力的最大值。

所述步骤S1中，考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应力的表达式为：

其中，τ(z_i)表示深度为z_i处的土体剪应力；i为沿深度方向布设的加速度传感器上至下的层数；z_i为第i层加速度传感器所在的深度；ρ为土体密度；为第i层加速度传感器所在的深度的水平加速度；Δz_i为第i层加速度传感器和第i-1层加速度传感器之间的竖向间距；为第i层土压力计所在深度的水平向正应力的变化率；

考虑水平向正应力的变化时，所述坝基土体剪应变的表达式为：

其中，γ(z_i-1)表示深度为z_i-1处的土体剪应变，u_i为深度为z_i位置处由加速度二次积分所得的土体位移。

本发明方法包括坝体内地震监测台阵布置方法，建立考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应力、剪应变与水平加速度、动土压力间的反演关系。进一步针对坝基不同位置提出台阵布设方案，建议在沿深度方向布设单轴顺河向(沿上下游向)加速度传感器阵列时，同时在加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置土压力计阵列，在水平向正应力变化为零的位置(坝轴线、上下游压重区)，可仅沿深度方向布置单轴顺河向(沿上下游向)加速度传感器阵列，利用场地遭遇地震时台阵所监测到的加速度和动土压力数据，反演获得坝基土体应力应变滞回圈，进而计算土体动剪切模量、阻尼比等土体动力学参数。

本发明的有益效果为：

1、本发明所提出的坝基动力特性反演方法考虑了上部坝体结构对坝基土体横向正应力的影响，更合理地反映实际坝基土体的受力状态，提高了动应力-动应变反演结果的准确性，能够更可靠全面的进行土体动力特性分析；本发明所提出的由加速度和动土压力数据获得坝基土体动应力-动应变反演方法，可通过插值获得加速度传感器阵列所在任意深度处土体在遭遇地震过程中动应力-动应变的变化情况以及土体剪切模量，方法简单快捷，节约成本。

2、本发明所提出的坝体内地震监测台阵布置方案，通过布设土压力计测定坝基土体水平向正应力的变化率，方法简单可行；一次建成可在服役有效期永久使用，节省人力物力财力；可在任一地震发生时实时监测数据，结合反演方法及时获取坝基土体动力参数变化情况，对坝体安全运营及坝基抗震性能分析提供可靠参考。

3、本发明的方法克服了已有的坝基土体动力参数反演方法中忽略坝基土体水平正应力变化对剪应力影响的缺点，通过在加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置土压力计阵列，土压力计测出在水平向正应力的变化，方案简洁且反演结果可靠。

附图说明

图1为坝体内地震监测台阵布置方案示意图；

图2为坝基土体单元应力分析示意图；

图3为基于加速度、土压力阵列的反演模型示意图；

图4为应力应变滞回圈计算剪切模量、阻尼比示意图；

图中：1、坝体；2、坝基；3、加速度传感器；4、土压力计；5、坝中轴线；6、上下游压重区中线。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

本发明方法包括建立考虑水平向正应力的变化下，坝基土体动力参数反演的计算方法；基于上述反演方法，提出在沿深度方向布设单轴顺河向(沿上下游向)加速度传感器阵列时，需同时在加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置土压力计阵列的台阵布设方案。特别地，在水平向正应力变化为零的位置(坝轴线、上下游压重区)，可仅沿深度方向布置单轴顺河向(沿上下游向)加速度传感器阵列以简化布设台阵方案。利用场地遭遇地震时台阵所监测到的加速度及动土压力数据，反演获得坝基土体应力应变滞回圈，进而计算土体动剪切模量、阻尼比等土体动力学参数。

本发明的坝体内地震监测台阵布置方法，包括以下步骤：

步骤一、首先，在土石堤坝内部布置加速度传感器阵列，如图1所示，；

加速度传感器阵列主要呈阵列分布的加速度传感器3间隔排列组成；

步骤二、在各个加速度传感器3左右两侧的同高程处分别布置两个土压力计4，呈阵列分布的土压力计4构成土压力计阵列；

加速度传感器阵列和土压力计阵列共同构成了用于测定土体动力学参数的地震监测台阵；加速度传感器阵列和土压力计阵列分别用于测定堤坝及坝基内土体的加速度和水平向正应力，加速度传感器阵列和土压力计阵列共同构成了地震监测台阵。

具体实施中，土体动力学参数包括土体剪切模量和阻尼比等。

加速度传感器阵列包含多列，加速度传感器阵列中的各列沿着顺河向间隔并列排布在堤坝及坝基内。

加速度传感器阵列包含多行，加速度传感器阵列中的各行沿着深度方向间隔排布在堤坝及坝基内。

土石堤坝的坝中轴线5(即堤坝中轴线)、上游压重区中线、下游压重区中线位置处均设有一列加速度传感器。

具体实施中，坝中轴线5(即堤坝中轴线)、上游压重区中线、下游压重区中线位置处可不设置土压力计4。

加速度传感器阵列同一列中的各个加速度传感器3的高程一致。

加速度传感器阵列中相邻两行的行间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8，即加速度传感器阵列沿深度方向的布设间距应小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8；土压力计阵列各行沿深度方向的布设间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8，假设相邻土压力计4之间土体水平向正应力的变化率k_t在深度方向上呈线性分布。

坝体内地震监测台阵布置方法布置得到的地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用。坝基土体动力参数包括土体剪切模量和阻尼比。

地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用方法，包括如下步骤：

步骤S1、首先，建立考虑水平向正应力的变化下，坝基土体剪应力和剪应变的表达式；

步骤S1中，考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应力的表达式为：

其中，τ(z_i)表示深度为z_i处的土体剪应力；i为沿深度方向布设的加速度传感器上至下的层数；z_i为第i层加速度传感器所在的深度；ρ为土体密度；为第i层加速度传感器所在的深度的水平加速度；Δz_i为第i层加速度传感器和第i-1层加速度传感器之间的竖向间距；为第i层土压力计所在深度的水平向正应力的变化率；

考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应变的表达式为：

其中，γ(z_i-1)表示深度为z_i-1处的土体剪应变，u_i为深度为z_i位置处由加速度ü_i二次积分所得的土体位移。

步骤S2、接着，利用地震监测台阵中的加速度传感器阵列和土压力计阵列分别测定堤坝及坝基内土体的加速度和水平向正应力；并将加速度和水平向正应力代入坝基土体剪应力和剪应变的表达式，得到剪应力和剪应变结果，如图2和图3所示；

步骤S3、根据坝基土体的剪应力和剪应变绘制应力应变滞回曲线，最后根据应力应变滞回曲线得到土体剪切模量和阻尼比；

如图4所示，通过剪应力时程和剪应变时程得到应力应变滞回圈，选取最大剪应力和最小剪应力的平均值与最大剪应变和最小剪应变的平均值的比值计算剪切模量。

土体剪切模量的表达式为：

其中，G_sec为剪切模量；τ_max、τ_min分别为应力应变滞回曲线中剪应力的最大值与最小值，γ_max、γ_min分别为最大剪应力和最小剪应力对应的剪应变；

阻尼比的表达式为：

其中，λ为阻尼比；ΔW为应力循环中的能量损耗，其大小等于滞回曲线的面积；γ_max、τ_max分别为剪应变、剪应力的最大值。

加速度传感器3布设在测点处，即测点为布设有加速度传感器3的位置点，加速度传感器3用于测定土体在测点处的加速度；若土体中的待测位置处未设置加速度传感器3，则选择与该待测位置相邻的两个测点，根据距离利用线性插值法对两个测点的加速度进行线性插值处理，即可得到待测位置的加速度；进而得到任意深度处土体的加速度响应曲线。

具体实施中，邻近加速度传感器3之间的加速度呈线性分布，采用线性插值的方法对沿深度方向排列的加速度传感器所记录的加速度时程曲线进行插值处理，以获得任意深度处土体的加速度响应曲线。

土压力计4用于测定土体的水平向正应力。水平向正应力的变化由相邻两土压力计4测得，通过相邻两土压力计4所记录的土压力值之差与相邻土压力计4间距的比值k_t，来近似表示水平向正应力的变化率：

即

剪应变可由加速度信号二次积分获得位移信号后对位移进行二阶插值得到。在水平向正应力的变化率为0的位置，如坝体中轴线5、上下游压重区中线6等，可仅沿深度方向布设加速度传感器3。加速度传感器阵列左右两侧同高程处布置的土压力计阵列应尽可能靠近中间加速度传感器3，以使得水平向正应力变化率求解更为准确。

本发明的实施例及其实施过程如下：

一、条件：在坝体1内及坝基2中布设加速度传感器阵列，加速度传感器阵列沿深度方向的布设间距应小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8，在加速度传感器阵列中加速度传感器3的左右两侧同高程处布置土压力计4，土压力计阵列沿深度方向的布设间距应小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8，水平向正应力的变化由相邻的两个土压力计4测得，土压力计阵列中的土压力计4应尽可能靠近中间的加速度传感器3，以使得水平向正应力变化率求解更为准确，当布设的土压力计4半径小于6cm时，相邻两个土压力传感器之间的间距应大于8cm，可保证传感器互相影响的误差不大于3％。

二、参数设置：i为沿深度方向布设的加速度传感器上至下的层数，地表处i为0；相邻加速度传感器之间的竖向间距为Δz_i＝z_i-z_i-1，相邻土压力传感器水平间距为Δs_E。

三、过程：

步骤一、

建立考虑水平向正应力的变化时，坝基土体的动力平衡方程为：

其中，τ为土体剪应力，z为土层深度，σ为土体正应力，x为土层内水平距离，ρ为土体密度，ü为水平加速度；

步骤二、

对步骤一中的动力平衡方程进行深度积分，有：

其中，τ_z为深度积分后的积分结果。

步骤三、

将步骤二中τ_z表达式前后两项进行分别处理，令：

其中，τ_A为τ_z表达式中的第一项，τ_B为τ_z表达式中的第二项。

步骤四、

假设邻近加速度传感器3之间的加速度呈线性分布，采用线性插值的方法对沿深度方向排列的加速度传感器3所记录的加速度时程曲线进行插值处理，可获得任意深度处土体的加速度响应曲线。则深度为z_i处的τ_A的计算表达式为：

其中，τ_A(z_i)为深度为z_i处τ_A的计算表达式，z_i为第i层加速度传感器所在的深度；ü_i为第i层加速度传感器所在的深度的水平加速度；Δz_i为第i层加速度传感器和第i-1层加速度传感器之间的竖向间距；

步骤五、

通过相邻两土压力计4所记录的土压力值之差ΔE＝E_n-E_n+1(n为每层土压力计编号)与间距Δs_E的比值，来近似表示水平向正应力的变化率，定义水平向正应力的变化率为k_t，即：

则

其中，E_n表示第n层土压力计4记录的土压力值；

步骤六、

假设相邻土压力计4之间土体水平向正应力的变化率k_t在深度方向上呈线性分布，则深度为z_i处的τ_B可用以下表达式计算：

其中，τ_B(z_i)为深度为z_i处τ_B的计算表达式；为第i层土压力计所在的深度的水平向正应力的变化率；

步骤七、

建立考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应力的表达式：

其中，τ(z_i)为深度为z_i处的土体剪应力；

步骤八、

剪应变可由加速度信号二次积分获得位移信号后对位移进行二阶插值得到，建立考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应变表达式：

其中，γ(z_i-1)表示深度为z_i-1处的土体剪应变；u_i为z_i位置处由加速度ü_i二次积分所得的土体位移；

步骤九、

坝中轴线5及压重区中轴线6位置处，可忽略水平向正应力的变化影响，即步骤四、步骤五、步骤六可省略，该位置处土体剪应力-剪应变的计算方法为：

步骤十、

可用割线模量表示土体剪切模量为：

其中，G_sec为剪切模量，τ_max、τ_min分别为剪应力的最大值与最小值，γ_max、γ_min分别为最大剪应力和最小剪应力对应的剪应变。

可将阻尼比定义为：

其中，λ为阻尼比，ΔW为应力循环中的能量损耗，其大小等于滞回圈的面积，γ_max、τ_max分别为剪应变、剪应力的最大值。

Claims (10)

1.一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、首先，在土石堤坝内部布置加速度传感器阵列；

所述加速度传感器阵列主要呈阵列分布的加速度传感器(3)间隔排列组成；

步骤二、在各个加速度传感器(3)左右两侧的同高程处分别布置两个土压力计(4)，所述呈阵列分布的土压力计(4)构成土压力计阵列；

所述加速度传感器阵列和土压力计阵列共同构成了用于测定土体动力学参数的地震监测台阵；所述加速度传感器阵列和土压力计阵列分别用于测定坝体和坝基内土体的加速度和水平向正应力。

2.根据权利要求1所述的一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于：

所述加速度传感器阵列包含多列，加速度传感器阵列中的各列沿着顺河向间隔排布在坝体和坝基中。

3.根据权利要求1所述的一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于：

所述加速度传感器阵列包含多行，加速度传感器阵列中的各行沿着深度方向间隔排布在坝体和坝基中。

4.根据权利要求1所述的一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于：

所述土石堤坝的坝中轴线(5)、上游压重区中线、下游压重区中线位置处均设有一列加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于：

所述加速度传感器阵列同一列中的各个加速度传感器(3)的高程一致。

6.根据权利要求1所述的一种坝体内地震监测台阵布置方法，其特征在于：

所述加速度传感器阵列中相邻两行的行间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8；所述土压力计阵列沿深度方向的布设间距小于该场地地震波最短波长λ_min的1/8。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述坝体内地震监测台阵布置方法布置得到的地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用。

8.根据权利要求7所述的一种地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用，其特征在于：所述坝基土体动力参数包括土体剪切模量和阻尼比。

9.根据权利要求7所述的一种地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、首先，建立考虑水平向正应力的变化下，坝基土体剪应力和剪应变的表达式；

步骤S2、接着，利用地震监测台阵中的加速度传感器阵列和土压力计阵列分别测定坝体和坝基内土体的加速度和水平向正应力；并将加速度和水平向正应力代入坝基土体剪应力和剪应变的表达式，得到剪应力和剪应变结果；

步骤S3、根据坝基土体的剪应力和剪应变绘制应力应变滞回曲线，最后根据应力应变滞回曲线得到土体剪切模量和阻尼比；

所述土体剪切模量的表达式为：

其中，G_sec为剪切模量；τ_max、τ_min分别为应力应变滞回曲线中剪应力的最大值与最小值，γ_max、γ_min分别为最大剪应力和最小剪应力对应的剪应变；

所述阻尼比的表达式为：

其中，λ为阻尼比；ΔW为应力循环中的能量损耗；γ_max、τ_max分别为剪应变、剪应力的最大值。

10.根据权利要求9所述的一种地震监测台阵在测定坝基土体动力参数中的应用的方法，其特征在于：

所述步骤S1中，考虑水平向正应力的变化时，坝基土体剪应力的表达式为：

其中，τ(z_i)表示深度为z_i处的土体剪应力；i为沿深度方向布设的加速度传感器上至下的层数；z_i为第i层加速度传感器所在的深度；ρ为土体密度；为第i层加速度传感器所在的深度的水平加速度；Δz_i为第i层加速度传感器和第i-1层加速度传感器之间的竖向间距；为第i层土压力计所在深度的水平向正应力的变化率；

考虑水平向正应力的变化时，所述坝基土体剪应变的表达式为：

其中，γ(z_i-1)表示深度为z_i-1处的土体剪应变，u_i为深度为z_i位置处由加速度二次积分所得的土体位移。