強震動臺站與干擾源最小距離的初步研究①

李佐唐，潘穎凌，田秀豐，姚 凱，何新社

（甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

如何快速有效的選定新建臺站的地址是一個常遇問題。對預警和固定臺站、烈度速報臺站、各類專用臺陣臺站，允許的地面脈動值上限不盡相同?！笆弧の濉北尘皥龅卣痤A警臺陣臺站對選址提出了新的要求，其中對臺址地面脈動值要求小于0.000 1 gn①中國地震背景場探測項目總工程師辦公室.中國地震背景場探測項目強震動臺站場址勘選技術(shù)指南.2009.。現(xiàn)實工作中要找到同時滿足各項條件的臺址較為困難。如果能對大型廠礦、單位內(nèi)的泵站和發(fā)電機、鐵路（包括車站）、采石（礦）場、公路、機場、水電站、河流、海浪等常見干擾源的規(guī)避距離有定量的參考依據(jù)，則可大大提高強震動臺址的勘選效率，建臺后周圍新上項目對強震動臺站觀測的影響也可定量預估。

測震臺址的勘選在 《GBT19531.1－2004地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》第1部分：《測震》中對測震臺站規(guī)避各類干擾源的最小距離逐項給出了定量數(shù)據(jù)［1］，給實際工作提供了極大方便，但因其標準要求太高，位于人類居住區(qū)的強震動臺站無法照搬。而強震臺址勘選所依據(jù)的是2005年7月4日中國地震局發(fā)布實施的《中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》（JSGC－03）［2］，對各類干擾源如何定量規(guī)避沒有分類給出具體數(shù)據(jù)，其中要求“固定臺站臺址場地的最大背景振動加速度噪聲小于0.000 1gn，對具有速報功能的臺站，臺址場地的最大背景振動加速度噪聲要求宜小于0.001gn”。所以選臺時只能通過實際測試來判斷。《中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》（4.2.1）中規(guī)定的一天之內(nèi)分兩次各半小時的測試方法也是有缺陷的，比如某些采石場基于安全考慮，往往是半夜爆破，勘選測試假如錯過爆破時段所得測試結(jié)果就可能為無效數(shù)據(jù)。

對各類臺站干擾源的規(guī)避距離逐項開展定量研究是非常必要的［3－5］。本文中以現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)對泵房、火車站和采石場三種常見干擾源開展了初步研究，研究結(jié)果可供強震動臺站建設前的地址勘選和建成后的觀測環(huán)境保護作參考，也為將來系統(tǒng)制訂“強震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求”國家標準提供參考依據(jù)。

1 水泵引起的加速度噪聲

1.1 振動源、測試場地和測線概況

2010年11月17日上午9：50至11：25對某鄉(xiāng)政府供熱水泵引起的地面加速度噪聲進行了現(xiàn)場測試。泵房及觀測場地見圖1，帶煙囪的二層小樓是供熱泵房，右側(cè)白色瓷磚貼面房屋為強震動觀測室，室內(nèi)擺墩距離供熱水泵電機15m。泵房內(nèi)共兩臺電機，工作時只開一臺，另一臺備用，兩臺電機功率都為11kW。泵房內(nèi)的鍋爐容量是16t，水泵正常供熱時出水壓力為0.29MPa（表壓）。供熱水泵房外地面全部水泥硬化。除水泵引起的振動、地面脈動和人員走動之外，未發(fā)現(xiàn)其它振動源。從電機（振源）附近開始沿射線布設測線，從2m到55m，ETNA儀器的x方向指向振動源。

1.2 數(shù)據(jù)處理

取得數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，由于振動強度不大，院內(nèi)人員走動引起的干擾不可忽略。而水泵引起的振動在同一測點是持續(xù)等幅度的，于是人工識別出其它振動波形并從原始數(shù)據(jù)中截去，保留的波形僅是泵機和地面脈動的疊加結(jié)果（表1）。

由于地面脈動加速度值在所研究的小區(qū)域內(nèi)不同觀測點其大小是基本不變的。而泵房電機引起的振動隨距離的近遠而衰減，經(jīng)驗證明這種衰減規(guī)律符合指數(shù)關(guān)系，因此假設衰減關(guān)系為

圖1 水泵房、強震觀測室及觀測場地Fig.1 The pump room，strong motion station and the observation site.

表1 泵機振動觀測數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

其中y為實測的校正加速度三分向合成值；g0為地面脈動值，且0＜g0＜ymin；b和a為常數(shù)，且都大于0，x為震源距。

用55～2m范圍內(nèi)的十二個測點數(shù)據(jù)的校正加速度三分向合成值進行指數(shù)擬合，Y位于0.383至3.128之間。從0.00到0.38逐漸增大g0的值，發(fā)現(xiàn)決定系數(shù) R2（Determinate Coefficient）從0.783 4逐漸上升至0.794 0，此時g0為0.199；隨著g0的繼續(xù)增大，R2又逐漸減小到0.549 9，說明g0取0.199gal最佳，推測地面脈動值g0＝0.199 gal（表2）。

表2 地面脈動值的估計

圖2 曲線擬合結(jié)果Fig.2 The result of curve fitting.

由式（1）得：

依照《中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》（JSGC－03）的規(guī)定，對具有速報功能的臺站，臺址場地的最大背景振動加速度噪聲宜小于0.001gn，即0.001×981cm／s2＝0.981gal。水泵引起的振動大小為y－0.199＝0.981（gal），y＝1.180gal。代入式（2）可知，僅考慮泵機的影響，對應的最小震源距為14 m；考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為19 m。如果要求泵機和地面脈動的總和小于0.001 gn，即y＝0.981，則對應的最小震源距為18m，再考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為23m。

固定臺站臺址場地的最大背景振動加速度噪聲宜小于0.000 1gn，即0.000 1×981cm／s2＝0.098 1gal。同上計算方法，僅考慮泵機的影響，對應的最小震源距為64m，再考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為69m。地震預警臺址的要求與此相同。

圖1中的強震動固定臺站擺墩距離泵機僅15 m，當泵機開始工作時該臺擺的背景振動明顯加劇，造成擺故障的假象。該臺所用中國地震局工程力學研究所生產(chǎn)的SLJ－100FBA－T擺，量程為±2.5 V，對應±196 2gal。泵停機時擺的波動幅度為，ch1：0.054mv、ch2：0.122mv、ch3：0.074mv；泵開機時的波動幅度為ch1：2.4mv（1.88gal）、ch2：2.0 mv（1.57gal）、ch3：2.9mv（2.28gal）。

鍋爐房內(nèi)為16t鍋爐及泵機澆注了1m深的混凝土機座，類似基巖臺的擺墩，擺礅上距電機（震源）水平距離0.8m處測到的振幅相對較?。ū?中的事件13）。在震源距0.8m處用ETNA／2634＃記錄了水泵由運轉(zhuǎn)到停機的連續(xù)振動過程（圖3），水泵的運轉(zhuǎn)使背景加速度噪聲提高了16～44倍。

圖3 水泵運轉(zhuǎn)到停機的振動過程Fig.3 The vibration curves recorded from pump turning to stop.

2 火車引起的加速度噪聲

2.1 場地概況和儀器布置

某火車站內(nèi)有6條軌道線。從北往南依次稱為1～6軌道。測線垂直于鐵路線布設。振動源變化而保持測試儀器的平面布設位置固定不變。連續(xù)測試火車常速（約90km／h）通行時在車站南側(cè)引起的振動情況，獲得加速度噪聲數(shù)據(jù)并計算得到了振動三分向加速度值。在儀器記錄振動的同時人工記錄鐵道上的火車通行情況。

測試持續(xù)5個小時。剔除干擾后篩選出振幅最大的一組紀錄，對應著兩側(cè)火車相向通行振動最強的組合。

2.2 觀測結(jié)果及分析

對振動強度隨離開鐵路距離的衰減情況進行了分析。校正加速度峰值隨震源距增大呈指數(shù)關(guān)系衰減（表3），三分向合成結(jié)果的衰減曲線見圖4。

表3 加速度測試結(jié)果

圖4 鐵路火車振動衰減曲線Fig.4 The vibration attenuation curves caused by railway train.

由回歸得出的關(guān)系式y(tǒng)＝90.772exp（－0.032 x），可知

以常速火車相向通行引起最大振動，由式（2）計算出，固定臺站臺址的最小振源距為213m；考慮擬合誤差的影響對應的最小震源距為228m。地震預警臺址的要求與此相同。

對具有速報功能的臺站，相應的最小振源距為141m；考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為156m。

3 采石場爆破加速度噪聲

3.1 測試概述

對某采石場人工爆破引起的振動強度及其衰減關(guān)系進行了現(xiàn)場測試。爆破點位于懸崖不同高度，爆破采用露天單炮齊爆方式，3次爆破藥量依次是20kg、15kg和10kg。

測點從爆點所在的懸崖頂部向外輻射狀布設，測線走向N16°W。測試使用的是美國Etna型三分向數(shù)字強震儀，共用6臺儀器，全部得到完整的振動記錄。各測點的震源距參數(shù)見表4。

3.2 觀測結(jié)果分析

從實測結(jié)果計算得到各項數(shù)據(jù)。對15kg炸藥量的爆破繪制了回歸曲線（圖5）。對3次測試結(jié)果，均有x＝（1／a）ln（b／y）。爆破衰減關(guān)系與炸藥量、爆點位置都有關(guān)。固定觀測位置，炸藥量越大振動強度越大；震源越深，衰減越慢。三組結(jié)果相比較，雖然第2次15kg的炸藥量比第1次20kg要小，但由于爆破點較低，相當于震源深度大，所以衰減最慢。按照強震動臺站對背景噪聲的上限值要求，依苛刻條件推斷，固定臺站的規(guī)避距離為701 m，衰減臺站的規(guī)避距離為406m?？紤]擬合誤差的影響，固定臺站的規(guī)避距離為723m，衰減臺站的規(guī)避距離為428m。

表4 各測點校正加速度測試結(jié)果

4 結(jié)語

依據(jù)現(xiàn)行的《中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》，依據(jù)苛刻條件最后得出三類干擾源的規(guī)避距離參考值。對干擾源泵機，速報臺站（0.001gn）的規(guī)避距離是19m，預警與固定臺站（0.000 1gn）是69m；干擾源（客貨低速）鐵路線，速報臺站的規(guī)避距離是156m，預警與固定臺站是228m；干擾源采石場，速報臺站的規(guī)避距離是428m，預警與固定臺站是723m。

表5 振動衰減關(guān)系與規(guī)避距離

圖5 爆破振動衰減曲線Fig.5 The vibration attenuation curve caused by quarry explosion.

干擾的產(chǎn)生、傳播、衰減情況與路徑及傳播介質(zhì)的特性都密切相關(guān)，是非常復雜的。不同的臺基和介質(zhì)條件下干擾的衰減可能千差萬別，但是一個大致的衰減情況闡釋對臺站選址和觀測環(huán)境評價治理保護仍然是非常有參考價值的。本工作的目的不在于研究揭示衰減規(guī)律，而是為了通過實驗測試，為強震臺址勘選提供一個規(guī)避這三類常見干擾源的定量參考依據(jù)，以減少盲目性，提高臺址勘選效率，同時對建成后的強震動臺站觀測環(huán)境評價保護提供實驗數(shù)據(jù)。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB／T 19531.1地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求—第一部分—測震［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［2］中國地震局.JSGC－03中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：地震出版社，2005.

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