龍灘水電站大壩強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)

蒙陸斌， 史水平， 張忠利

（四川省地震局， 成都 610041）

0 前言

龍灘水電站位于珠江干流紅水河上游的廣西天峨縣境內(nèi)， 是國家西部大開發(fā)、 西電東送的標(biāo)志性工程， 是一座典型高壩大庫容水庫， 是紅水河梯級(jí)開發(fā)中的骨干工程， 是我國第二大的特大型水電工程， 按正常蓄水位400 m 設(shè)計(jì)。 工程于2001年開工建設(shè)， 并于2006年下閘蓄水發(fā)電， 主要以發(fā)電為主， 兼有防洪、 航運(yùn)等綜合效益。

根據(jù)國家有關(guān)水庫大壩等重大建設(shè)工程應(yīng)當(dāng)設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測設(shè)施規(guī)定， 龍灘水電開發(fā)有限公司委托中南勘測設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)龍灘大壩強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)， 該臺(tái)網(wǎng)共布設(shè)了13 臺(tái)（套）強(qiáng)震動(dòng)觀測儀器。 其目的為獲取更多水庫地震地震動(dòng)峰值加速度的定量數(shù)據(jù)資料， 以及監(jiān)測天然地震及水庫誘發(fā)地震對(duì)拱壩的影響程度和大壩在地震作用下的反應(yīng)特征， 快速做出大壩地震安全報(bào)警評(píng)估， 同時(shí)， 也為壩址的輸入地震動(dòng)和壩體的地震反應(yīng)信息資料提供科學(xué)依據(jù)， 這是驗(yàn)證大壩抗震安全性能的評(píng)價(jià)重要步驟及方法之一[1]。

1 臺(tái)網(wǎng)布局

對(duì)大型水庫大壩的強(qiáng)震動(dòng)觀測是我們認(rèn)識(shí)水庫大壩的地震動(dòng)特征和各類工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的主要手段。 因此， 通過對(duì)龍灘水電大壩強(qiáng)震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)的典型部位上科學(xué)合理布設(shè)， 準(zhǔn)確捕捉地震發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)資料和信息， 科學(xué)評(píng)估大壩的安全監(jiān)測、 預(yù)警和抗震設(shè)計(jì)安全性能。

龍灘水電站大壩所處紅水河谷斷面呈 “V” 字形， 左右兩岸基本對(duì)稱， 壩體與兩岸山體間作用力基本均衡， 邊坡較為穩(wěn)定。 2004年， 大壩的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)依據(jù)國內(nèi)有關(guān)強(qiáng)震觀測臺(tái)陣的建臺(tái)及文獻(xiàn)資料， 并結(jié)合龍灘水電站大壩的地質(zhì)構(gòu)造、 地理位置等因素， 在壩體內(nèi)選擇不同壩段（最高擋水壩段、 最高溢流壩段、 機(jī)壩段）及不同高程（379 m、 342 m、 270 m、 222 m）共布設(shè)9 臺(tái)強(qiáng)震動(dòng)觀測記錄儀構(gòu)成大壩強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測臺(tái)陣， 在大壩下游約2倍壩高距離的左右兩岸自由場地分別各布設(shè)了1臺(tái)強(qiáng)震動(dòng)記錄儀， 并于2005年進(jìn)行設(shè)備安裝及試運(yùn)行。 由于龍灘水庫自2006年下閘蓄水以后， 庫區(qū)地震活動(dòng)頻次和強(qiáng)度明顯增強(qiáng)， 并發(fā)生多次顯著性地震事件， 根據(jù)龍灘水電開發(fā)有限公司對(duì)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)控及技術(shù)系統(tǒng)升級(jí)的需要， 廣西地震局于2009年5月在靠近大壩上游附近的向陽鎮(zhèn)及坡結(jié)鄉(xiāng)新增了2個(gè)自由場強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站。 因此， 龍灘水庫總共布設(shè)了13 臺(tái)套39個(gè)分量的強(qiáng)震動(dòng)觀測儀器， 以獲得其地震運(yùn)動(dòng)相位與振型和其動(dòng)力放大倍數(shù)， 為大壩的輸入地震動(dòng)和壩體的地震反應(yīng)信息資料提供更多更好的科學(xué)依據(jù)。 各龍灘水電站地震監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖及大壩壩體內(nèi)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)分布如圖1、 圖2。

圖1 龍灘地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of distribution of seismic monitoring station around Longtan reservoir

2 臺(tái)網(wǎng)設(shè)備及技術(shù)系統(tǒng)

龍灘水庫強(qiáng)震動(dòng)觀測是利用強(qiáng)震動(dòng)傳感器、強(qiáng)震動(dòng)記錄器來測量和記錄地震現(xiàn)象和效應(yīng)， 即記錄大壩地震運(yùn)動(dòng)過程和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)過程， 為水庫大壩的地震動(dòng)研究， 防治減輕地震災(zāi)害提供可靠的基礎(chǔ)資料。 經(jīng)過了進(jìn)一步的技術(shù)升級(jí)和改造， 目前， 龍灘水庫強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)已建成了高效的運(yùn)行管理模式， 包括信息管理自動(dòng)化， 利用數(shù)字化、 自動(dòng)化技術(shù)， 具備遠(yuǎn)程通訊、 遠(yuǎn)程報(bào)警、 支持網(wǎng)絡(luò)化管理的先進(jìn)觀測系統(tǒng)， 更好地服務(wù)于防震減災(zāi)、 企業(yè)的安全生產(chǎn)及工程效益。

2.1 設(shè)備情況

圖2 龍灘大壩壩體內(nèi)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)分布示意圖Fig.2 Distribution map of strong motion network in the Longtan dam

龍灘水庫強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)所布設(shè)的13 臺(tái)（套）強(qiáng)震動(dòng)觀測儀器（其中有4 臺(tái)布設(shè)于大壩附近自由場地、 9 臺(tái)套是布設(shè)在壩體內(nèi)不同壩段及不同高程），各個(gè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的儀器設(shè)備主要包括： 一是三分項(xiàng)力平衡式加速度計(jì)SLJ-100 型（其中向陽及扛里臺(tái)為BBVS-2 型）， 其采用力平衡反饋技術(shù)將三軸向振動(dòng)加速度信號(hào)真實(shí)的轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種低頻、 超低頻振動(dòng)的測量； 二是地震數(shù)據(jù)采集器GDQJ-II 型（其中向陽及扛里臺(tái)為EDAS-24IP）， 該設(shè)備可遠(yuǎn)程遙控速報(bào)與烈度有關(guān)的地震加速度峰值、 持續(xù)時(shí)間、 卓越頻率、地震反應(yīng)譜等參數(shù)， 并給出參考烈度； 三是數(shù)據(jù)傳輸終端ET-300 IP Data Terminal 是基于GPRS/CDMA、 ADSL 及專線等數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的一種數(shù)據(jù)終端， 主要針對(duì)強(qiáng)地震動(dòng)觀測的應(yīng)用， 系統(tǒng)集成了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議， 為用戶屏蔽了建立鏈路、 數(shù)據(jù)打包等網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié)； 還有供電電源組成。 各臺(tái)（點(diǎn)）系統(tǒng)設(shè)備連接情況如圖3 所示。

圖3 ET-300 IP Data Terminal 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of data transmission system of ET-300 IP Data Terminal

2.2 臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)集成

龍灘水電站大壩強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)網(wǎng)的日常管理和維護(hù)采用 “無人值守， 遠(yuǎn)程無線通訊、 互連網(wǎng)”的實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)實(shí)時(shí)方式。 各臺(tái)站（點(diǎn)）的傳輸終端準(zhǔn)實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)， 通過通信運(yùn)營商的GPRS、 CDMA 或ADSL 網(wǎng)絡(luò)接入Internet， 將數(shù)據(jù)傳回到臺(tái)網(wǎng)記錄中心的服務(wù)器， 服務(wù)器以C/S 和B/S 的方式提供數(shù)據(jù)服務(wù)和后臺(tái)處理。 工作人員使用強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件實(shí)時(shí)、 自動(dòng)檢查各強(qiáng)震動(dòng)各監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置情況， 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)傳輸?shù)哪繕?biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)管理與平臺(tái)簡介

通過IP 地址登錄強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理與共享平臺(tái)， 臺(tái)網(wǎng)各監(jiān)測點(diǎn)的名稱、 事件文件、 終端狀態(tài)、 烈度文件、 參數(shù)文件及設(shè)備型號(hào)等基本情況即可清楚展現(xiàn)， 點(diǎn)擊相應(yīng)臺(tái)站事件所在列對(duì)應(yīng)的臺(tái)站名， 即可以查看該臺(tái)的事件文件， 點(diǎn)擊文件名可以下載； 點(diǎn)擊相應(yīng)參數(shù)文件所在列對(duì)應(yīng)的臺(tái)站參數(shù)文件， 即可以查看該臺(tái)的儀器當(dāng)前的工作狀態(tài)。 點(diǎn)擊文件名可以下載參數(shù)文件， 檢查當(dāng)前儀器的工作狀態(tài)。 各事件均由IP 終端自動(dòng)檢測并且自動(dòng)傳輸?shù)脚_(tái)網(wǎng)記錄中心的服務(wù)器， 不需要人工收數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)快速傳輸強(qiáng)震事件、 地震參數(shù)、儀器參數(shù)等目標(biāo)， 為地震烈度速報(bào)和大震預(yù)警系統(tǒng)、 震害快速評(píng)估打下良好基礎(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

當(dāng)龍灘水電站大壩附近發(fā)生強(qiáng)震時(shí)， 各監(jiān)測點(diǎn)的儀器設(shè)備觸發(fā)并開始采集記錄數(shù)據(jù)， 通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行姆?wù)器中， 通過專用分析軟件對(duì)采集到的強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)分析， 及時(shí)尋求評(píng)價(jià)工程場地遭受的實(shí)際地震烈度和大壩地震反應(yīng)情況， 為快速進(jìn)行大壩安全報(bào)警提供重要依據(jù)。 分析的主要內(nèi)容為： 地震發(fā)生的時(shí)間（年、月、日、 時(shí)、 分、 秒）， 各通道記錄的最大加速度值、 記錄長度和持續(xù)時(shí)間， 地震的主震周期， 大壩的動(dòng)力放大系數(shù)， 同時(shí)進(jìn)行各種譜分析， 更好的構(gòu)造地震或水庫誘發(fā)地震對(duì)大壩的影響程度和大壩在地震作用下的反應(yīng)特征。

地震運(yùn)動(dòng)最大加速度值按下式求得：

最大加速度=最大電壓值/（前放系數(shù)×儀器靈敏度）

最大電壓值就是強(qiáng)震動(dòng)加速計(jì)記錄到的最大電壓值； 前放系數(shù)一般取1， 加速度計(jì)靈敏度為±1.25V/g。 到得地面運(yùn)動(dòng)最大加速度值后， 對(duì)照中國地震烈度表查出場地實(shí)際遭受的地震烈度。 當(dāng)知道壩體的最大加速度值時(shí)， 除以地面運(yùn)動(dòng)最大加速度值， 即可求出大壩動(dòng)力放大系數(shù)。

地震記錄長度和持續(xù)時(shí)間均由地震加速度時(shí)程曲線圖上求得。 持續(xù)時(shí)間的長短對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的破壞起重要作用。

3.1 地震事件記錄

龍灘強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)經(jīng)數(shù)字改造后于2010年9月18日及10月07日分別記錄到兩個(gè)地震事件， 其原始波形圖、 譜分析及初步分析處理的峰值加速度表如下：

（1）2010年9月18日18 時(shí)07 分廣西天峨與貴州交界ML4.3 級(jí)地震記錄（圖4～7）。

由反應(yīng)譜分析圖可見， 此次ML4.3 級(jí)地震地震波對(duì)大多數(shù)固有周期為0.5～1 s 的建筑物產(chǎn)生較大的地震作用， 繼而在中長周期段有較好的穩(wěn)定性。

圖4 向陽臺(tái)ML4.3 級(jí)地震原始波形圖Fig.4 Original waveforms of ML4.3 earthquake recorded by Xiangyang station

圖5 扛里臺(tái)ML4.3 級(jí)地震原始波形圖Fig.5 Original waveforms of ML4.3 earthquake recorded by Gangli station

圖6 向陽臺(tái)ML 4.3 級(jí)地震反應(yīng)譜Fig.6 Response spectrum analysis of ML 4.3 earthquake recorded by Xiangyang station

圖7 扛里臺(tái)ML 4.3 級(jí)地震反應(yīng)譜Fig7 Response spectrum of ML 4.3 earthquake recorded by Gangli station

圖8 向陽臺(tái)ML 2.8 級(jí)地震原始波形圖Fig.8 Original waveforms of ML 2.8 earthquake recorded byXiangyang station

圖9 扛里臺(tái)ML 2.8 級(jí)地震原始波形圖Fig.9 Original waveforms of ML 2.8 earthquake recorded by Gangli station

圖10 向陽臺(tái)ML 2.8 級(jí)地震反應(yīng)譜Fig.10 Response spectrum of ML 2.8 earthquake recorded by Xiangyang station

圖11 扛里臺(tái)ML 2.8 級(jí)地震反應(yīng)譜Fig.11 Response spectrum of ML 2.8 earthquake recorded by Gangli station

（2）2010年10月07日03 時(shí)45 分廣西天峨與貴州交界ML2.8 級(jí)地震記錄（圖8～11）。由反應(yīng)譜分析圖可見， 此次ML2 .8 級(jí)地震波對(duì)大多數(shù)固有周期為0.5～0.7 s 的建筑物產(chǎn)生較大的地震作用， 繼而在中長周期段有較好的穩(wěn)定性。

（3）初步分析與處理。 為了進(jìn)一步分析這兩次地震事件對(duì)壩址的影響， 本文采用兩種方法分別對(duì)壩址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度記錄進(jìn)行分析計(jì)算（表1）。 一是采用現(xiàn)有其它地區(qū)中小震地震動(dòng)峰值衰減關(guān)系估計(jì)壩址區(qū)自由基巖地表峰值加速度； 二是采用福建省地震局金星等提出的利用寬頻帶速度記錄實(shí)時(shí)仿真加速度方法， 將壩址附近速度型地震儀記錄轉(zhuǎn)化為加速記錄， 確定壩址附近監(jiān)測臺(tái)站地表峰值加速度。 依此估計(jì)壩址附近地表峰值加速度值。 綜合上述兩種方法， 分別估計(jì)出ML4.3、 ML2.8 這兩次地震在壩址區(qū)自由地表峰值加速度為2 gal、 0.8 gal 左右，從大壩的抗震設(shè)防能力評(píng)估分析屬于安全范圍。

由于大壩廊道內(nèi)安裝的強(qiáng)震動(dòng)儀器設(shè)觸發(fā)方式采用閥值觸發(fā)， 觸發(fā)閾值均設(shè)置在4～6 gal 左右， 通過計(jì)算分析得出壩址區(qū)自由地表峰值加速度最大為2 gal 左右， 安裝于大壩內(nèi)各高程儀器均未獲得地震加速度記錄， 說明儀器閾值設(shè)置的合理性。

表1 峰值加速度表Table 1 Table of peak ground acceleration

需要特別說明的是， 在上述兩個(gè)地震事件中，扛里臺(tái)所記錄的豎向加速度記錄記錄明顯出現(xiàn)了異常， 不能作為有效記錄進(jìn)行分析； 向陽臺(tái)所記錄的三個(gè)向的加速度記錄和扛里臺(tái)兩個(gè)水平向加速度記錄與我國其它地區(qū)類似震級(jí)類似震中距上的記錄具有明顯偏大的現(xiàn)象， 并且震中距較大的扛里臺(tái)記錄的峰值加速度比向陽臺(tái)更大一些。 出現(xiàn)這種情況的原因可能是加速度計(jì)技術(shù)故障或受局部地震構(gòu)造、 地形地貌環(huán)境所的影響， 需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

近年來， 強(qiáng)震觀測逐步擴(kuò)展到城市地震動(dòng)強(qiáng)度（烈度）速報(bào)、 城市及重大工程強(qiáng)震預(yù)警、 工程結(jié)構(gòu)健康診斷領(lǐng)域， 這些因素成為強(qiáng)震觀測發(fā)展的巨大動(dòng)力， 使強(qiáng)震觀測儀器研制、 強(qiáng)震觀測臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、 強(qiáng)震觀測和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、 理論研究等不斷深入的目標(biāo)所在。 目前， 龍灘水電站大壩強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)采用現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立實(shí)時(shí)的、 持續(xù)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控鏈路， 提高強(qiáng)震觀測設(shè)備管理、 強(qiáng)震數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)工作的工作效率，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸， 為大壩地震安全報(bào)警及快速評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 由于大壩內(nèi)較為潮濕， 造成儀器故障率較高， 建議進(jìn)一步做好儀器防潮工作。

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