麥洛維大壩地震儀監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與安裝

帥永建，何領(lǐng)軍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計院，四川成都 611730)

1 概述

20世紀(jì)80年代后，全世界的地震觀測進入了"數(shù)字時代"。2008年的四川汶川大地震以及2010年的青海玉樹地震，更加深了人們對地震知識的掌握和了解。

國家于2004年9月1日正式實施的《地震監(jiān)測管理條例》第十四條規(guī)定了水庫大壩等重大工程應(yīng)該按國家規(guī)定設(shè)置強震動監(jiān)測設(shè)施，從法律的層面上強調(diào)了水庫地震監(jiān)測的重要性。地震若導(dǎo)致水庫(特別是堆石壩和拱壩)失事，將導(dǎo)致巨大的災(zāi)難發(fā)生。因此，迫使科研人員掌握和了解水庫誘發(fā)地震以及地震對水庫的影響，以綜合評價水庫的安全指標(biāo)。在地震領(lǐng)域的研究以及地震儀器的研制上，歐美國家有許多較為先進的理念和思路。筆者結(jié)合蘇丹麥洛維工程中地震儀系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，著重論述了該電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計思路、設(shè)計、實施。

2 地震儀系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

大多數(shù)水電工程一般設(shè)置一個或多個地震監(jiān)測儀，并布置在不同的地點，以期獲得測點震動的信息(加速度，速度和位移)。

系統(tǒng)布置最基本的三種方法是:

(1)獨立式記錄地震監(jiān)測站。

(2)互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站。

(3)集中式記錄地震監(jiān)測站。

每種方法都具有其優(yōu)點和缺點，各項目實施的最終地震監(jiān)測方式應(yīng)由設(shè)計者根據(jù)有利于數(shù)據(jù)讀取或判斷數(shù)據(jù)來確定，并考慮相關(guān)成本。

2.2 獨立式記錄地震監(jiān)測站

少量的地震儀設(shè)計采用獨立記錄監(jiān)測站。一旦發(fā)生振動情況，每個記錄儀單獨地記錄振動發(fā)生的時間過程曲線。在每個記錄儀都連接到公共時間基準(zhǔn)系統(tǒng)上時，才能提供在各個單獨記錄儀之間準(zhǔn)確的相互關(guān)系數(shù)據(jù)。

其布置特點是:一臺傳感器(加速度計)+一臺數(shù)據(jù)記錄儀，儀器間互不相連。

不足之處:在不同的記錄儀之間沒有公共的觸發(fā)機制，因此，在網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點上所記錄的振動不可能建立相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。

2.3 互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站

對于多臺地震儀系統(tǒng)則選用互聯(lián)式地震監(jiān)測站或集中式記錄地震監(jiān)測站并提供公共時間基準(zhǔn)。當(dāng)采用互聯(lián)式時，在連接方式、數(shù)據(jù)的流動和可訪問性及其造價等方面有較多的選擇余地。

如果該測點沒有設(shè)置網(wǎng)絡(luò)同步化，那么，它將按照指定的內(nèi)置觸發(fā)條件執(zhí)行地震記錄。每個記錄儀均可發(fā)出輸出信號進行局部通訊。某個記錄儀故障僅會影響該測點，這樣的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可靠性很高。如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷情況，每個記錄儀均將作為一個單獨的記錄儀運行。

布置特點:在監(jiān)測站點上布置幾個配有內(nèi)置式或外置式傳感器的記錄儀，用一條屏蔽的電纜將各個記錄儀相互連接。為方便起見，可采用外部電纜接線盒。各個測站的連接形式以環(huán)形、星形或者網(wǎng)狀形式布置，站點之間的距離可達(dá)1 km。這樣安排對于許多實際工程而言是有利的和較低成本的解決方案。

2.4 集中記錄網(wǎng)絡(luò)

在這種網(wǎng)絡(luò)中，安裝在幾個部位的傳感器被連接到網(wǎng)絡(luò)中心，在那里有中央記錄設(shè)備。集中記錄網(wǎng)絡(luò)要視網(wǎng)絡(luò)管理多功能性的需要和造價的允許及數(shù)據(jù)訪問的容易性、存貯容量等因素決定。由于計算機系統(tǒng)的介入，系統(tǒng)的管理、調(diào)試、資料的處理分析、數(shù)據(jù)的及時上報等就顯得更加容易和便捷。

2.5 地震儀系統(tǒng)設(shè)計的注意事項

無論是上述哪種選擇，都應(yīng)該考慮全球定位系統(tǒng)接收器，利用它可以獲得準(zhǔn)確的實際時間。

通訊電纜或全球移動通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器具有自動撥號功能，并且允許外部訪問和通過網(wǎng)絡(luò)中心進行系統(tǒng)控制，可以使處于千里之外的控制系統(tǒng)及時調(diào)閱數(shù)據(jù)。同時還要考慮系統(tǒng)的供電安全性、絕緣及超壓防護。

3 蘇丹麥洛維工程地震儀系統(tǒng)的整體布置

麥洛維水電站地震儀系統(tǒng)采用瑞士GeoSIG產(chǎn)品，選用集中記錄網(wǎng)絡(luò)布置，即公共時間、公共觸發(fā)、中央控制結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通訊模式為RS485，其總體布置見圖1。

4 硬件配置

麥洛維工程地震儀監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括:三軸加速度計11臺、記錄儀11臺、網(wǎng)絡(luò)連接盒11個、中央通訊控制盒1臺、GPS接收器1臺、終端計算機1臺及電源。

4.1 三軸加速度計

三軸加速度計安裝在基巖或堅固穩(wěn)定部位，用于采集大壩建筑物震動信號，并將實時的震動信號傳輸至地震記錄儀判斷震動加速度物理值。

三軸加速度計主要分:AC-23-DH深孔三軸加速度計和AC-23表面三軸加速度計兩種。深孔三軸加速度計主要安裝在鉆孔或壩體埋管中，鉆孔和埋管應(yīng)深達(dá)基巖。首先預(yù)埋帶導(dǎo)槽的鋁合金或PVC管在鉆孔或填土中，加速度計和導(dǎo)輪按預(yù)定方向達(dá)到設(shè)計位置和方向。采用水泥灌漿將加速度計錨固到壩體基巖中。

此種安裝方式的優(yōu)點為:在大壩建筑物未成形之前即可安裝，通過現(xiàn)場簡單配置即可開始對壩基震動的監(jiān)測，而不必等到壩體建筑物完工。

該傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下:

通道:三通道; 防水IP68，1MPa;

量程:±2g; 頻段:0.1～50Hz;

供電:12V; 正常工作溫度:－20℃ ～+70℃。

AC-23或AC-23-H表面加速度計安裝在大壩基礎(chǔ)廊道和壩頂儀器坑中等易于到達(dá)的部位，采用鋁合金防水盒體，并通過1個錨固螺栓和3個水平調(diào)節(jié)螺桿安裝，可垂直安裝在混凝土面，也可水平安裝在混凝土基礎(chǔ)上。為了獲得比較真實的地震參考值，避免施工震動對地震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的影響，將其中一臺地震儀(LD5A-AC1)安裝在距下游壩腳200多m的巖石山體之上，作為地震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的參考基準(zhǔn)儀器。

4.2 記錄儀

麥洛維工程采用GSR-16DC記錄儀，配合三軸加速度計，根據(jù)預(yù)設(shè)定的參數(shù)評估和記錄震動數(shù)據(jù)。根據(jù)類型可分為主機和附機兩種。其中設(shè)置主記錄器1臺，用以連接GPS接收器且與其他10臺附機同步。

記錄儀主要參數(shù)如下:

通道:3通道; 動態(tài)范圍:3×10－5g;

分辨率:16bit; 取樣率:100、200、250可選，40%取樣率;

存儲容量:標(biāo)準(zhǔn)128MB，最大2GB;

供電:12VDC超壓保護;

通訊:每臺記錄儀預(yù)留RS232接口，可與計算機現(xiàn)場通訊。

4.3 網(wǎng)絡(luò)連接盒

網(wǎng)絡(luò)連接盒用于地震儀RS485網(wǎng)絡(luò)的中繼和通訊，并具有RS485網(wǎng)絡(luò)超壓保護功能，是組成地震儀網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組件。對于CCC網(wǎng)絡(luò)，每臺地震記錄儀必須配置一臺網(wǎng)絡(luò)連接盒。

4.4 中央通訊控制盒

中央通訊控制盒用于地震儀集中記錄網(wǎng)絡(luò)的通信控制，一段通過RS232電纜直接與計算機相連，另外一段與強震儀網(wǎng)絡(luò)中的主記錄儀相連。

4.5 GPS 接收器

GPS接收器用于接收GPS信號，同步記錄時間并定位，它直接與網(wǎng)絡(luò)中主記錄儀連接。

4.6 終端計算機

終端計算機用于安裝通訊控制數(shù)據(jù)處理分析軟件，下載、顯示、分析數(shù)據(jù)。普通計算機即可滿足要求。

4.7 電 纜

圖1 蘇丹麥洛維大壩地震儀系統(tǒng)平面布置示意圖

用于地震儀網(wǎng)絡(luò)的強震儀電纜主要分為兩種:傳感器電纜和網(wǎng)絡(luò)通訊電纜。其中傳感器電纜采用12芯電纜，屏蔽雙絞線加強聚亞安酯護套電纜;通訊電纜采用8芯電纜，屏蔽雙絞線加強聚亞安酯護套電纜。

在麥洛維工程中，整個地震儀系統(tǒng)僅網(wǎng)絡(luò)電纜敷設(shè)長度即達(dá)3589m。

4.8 電源及防雷、接地

麥洛維工程地震儀系統(tǒng)電源布置采用分布式原則，就近接入大壩永久電源系統(tǒng)，在儀器室和坑中設(shè)置短路保護器和超壓保護裝置，并鋪設(shè)16 mm2銅芯接地線與大壩接地網(wǎng)連接，避免雷電和靜電對儀器造成損壞。

5 軟件配置

本工程采用與GSR-16DC記錄儀配套的Geo-DAS軟件進行儀器的通訊控制、數(shù)據(jù)的下載、儀器參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的處理分析。該軟件一體性較好，界面簡潔，可操作性強，人機交互簡單易懂。其功能主要有:硬件的通訊、硬件參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)分析四大模塊。

5.1 硬件通訊

該軟件硬件通訊操作簡單，在硬件參數(shù)配置完成后，每臺地震儀測站可實現(xiàn)一鍵連接。各個地震儀信息分列顯示在窗口界面上，可直觀的查看儀器各項指標(biāo)狀態(tài)，并且用戶各個操作將立即記錄到日志文件中，以便用戶追溯操作過程，避免用戶錯誤操作。

5.2 硬件參數(shù)配置

打開參數(shù)配置選項卡后，相應(yīng)儀器參數(shù)可在此修改，例如:儀器的編號，震動觸發(fā)閥值等，并且用戶可將系統(tǒng)配置文件備份，在系統(tǒng)被錯誤操作后可將參數(shù)配置恢復(fù)到正確配置。

5.3 數(shù)據(jù)下載

任何地震或測試數(shù)據(jù)將記錄在儀器內(nèi)存中，在登錄相應(yīng)讀數(shù)儀并通過選擇數(shù)據(jù)下載操作，數(shù)據(jù)名和相應(yīng)信息將列表顯示，用戶可選擇一個、多個或者全部數(shù)據(jù)下載，下載窗口下部將會顯示正在下載的數(shù)據(jù)圖形和進程。

5.4 數(shù)據(jù)查看

用戶通過打開該軟件相應(yīng)存儲目錄下的文件夾，可對地震數(shù)據(jù)進行顯示和查看。每個地震事件中包含了三個方向震動圖形和地震事件的詳細(xì)信息，此圖形可直觀的查看震波的發(fā)展和衰減過程，震動峰值將直接顯示并且可查看其他各個時刻的震動數(shù)據(jù)。震動數(shù)據(jù)可以以加速度、速度和電壓三種形式顯示。

5.5 數(shù)據(jù)處理分析

在具備相應(yīng)知識后，通過選擇下拉菜單中的各種分析類型選項，用戶可對地震事件進行分析處理，并可將分析處理后的地震圖形保存至用戶指定位置，以便日后分析查看。

6 結(jié)語

麥絡(luò)維水電站大壩長9700m，為目前世界之最。該電站地震儀系統(tǒng)從第一臺加速度計的安裝到系統(tǒng)完全竣工，從硬件到軟件進行了長時間的施工期運行和測試，并根據(jù)國際工程規(guī)范的要求不斷的改進和完善。根據(jù)工程的需要，通過技術(shù)改造，成功的連接了11臺強震儀到一個網(wǎng)絡(luò)，突破了該類型RS485強震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)最多測站為10臺的限制。

截止目前，該強震儀系統(tǒng)運行正常，達(dá)到了工程預(yù)期設(shè)計目的，經(jīng)長時間運行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈敏、操作維護簡單。系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和處理界面設(shè)計合理，對我國地震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)以及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)有一定的參考價值。

［1］茹繼平，肖 巖.美國地震工程模擬網(wǎng)系統(tǒng)NEES計劃及在我國實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗的設(shè)想［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2003，23(6):91 －94.

［2］李 雷，鄧存華，等.地震臺站地震圖管理系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(3):94－99.