水布埡庫區(qū)地震監(jiān)測系統(tǒng)應用與實踐

劉 杰，貢建兵，吳興威，劉宜思

(1.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司庫壩中心，湖北 宜昌 443000；2.中國長江三峽集團有限公司大壩安全監(jiān)督管理中心，北京 100000)

清江發(fā)源于鄂西利川齊岳山，于宜都市匯入長江，全長423 km，自上世紀50年代起規(guī)劃開發(fā)，至今已建成3座大型水電站，由上到下依次為水布埡水電站、隔河巖水電站、高壩洲水電站，其中水布埡水電站位于恩施市巴東縣水布埡鎮(zhèn)，工程以發(fā)電、防洪為主，大壩壩高233 m，是國內最高的面板堆石壩，庫容43.12億m3，屬于大Ⅰ型水利工程。

庫壩區(qū)基巖以中-古生界碳酸鹽巖為主，整體位于長江中下游EW向構造帶與華夏系NNE向構造帶復合區(qū)域，區(qū)內褶皺屬于典型的“侏羅山式”褶皺形態(tài)。EW向褶皺出露于監(jiān)測區(qū)東南緣，有長陽復式背斜、馬連坪向斜、資丘向斜等。NNE向褶皺覆蓋了整個監(jiān)測區(qū)，如花坪向斜、野三關背斜、清太平向斜、魚洞河背斜等。NNE向斷裂亦較為發(fā)育，如大青山斷裂、桃李溪斷裂、楊柳池斷裂、龍王沖斷裂等。NNE向的構造形態(tài)與清江NEE向的河流流向小角度相交，使庫區(qū)大部分庫段表現為橫向谷，同時受到NNE向斷層在庫首高角度穿越水庫，共同造成了與基巖變形相關的地震、滑坡等不穩(wěn)定因素(見圖1)。早期研究顯示，庫壩區(qū)及周邊絕大部分斷裂近年來形變量較小，構造活動微弱，能量積累不高，但巖溶程度高，地質構造復雜，誘發(fā)地震可能性仍然存在，蓄水后存在4.5級誘發(fā)地震的可能性。湖北省地震局研究后確定了壩址地震基本烈度為Ⅳ度，考慮到水布埡水庫巖溶區(qū)抬高水頭導致的誘發(fā)地震，綜合認為，水布埡壩址的影響烈度為Ⅵ度[1]。

根據《水庫地震監(jiān)測管理辦法》等國家及行業(yè)相關規(guī)范，結合水庫蓄水后因外在條件變化產生的誘發(fā)地震[2-4]，考慮到水布埡大壩、溢洪道、進水塔、地下廠房、邊坡等水工建筑物在地震中可能產生的不利后果[5-7]，2002年12月，水布埡數字遙測地震臺網規(guī)劃與建設通過了專家評審，確定由清江公司投資興建，長江委三峽勘測研究院、湖北省地震局共同設計實施。2005年4月，水布埡數字遙測地震臺網工程完工，同年10月投入使用，時至今日，其為保障水布埡樞紐工程電站安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要作用，清江公司庫壩中心在數十年的地震臺網管理中積累了寶貴經驗。

圖1 研究區(qū)及周緣地質構造綱要圖

1 臺網概況

1.1 臺站設置

水布埡數字遙測地震臺網是水布埡水利樞紐工程的重要安全監(jiān)測項目之一，主要擔負著水布埡壩區(qū)、庫首區(qū)及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測任務，系統(tǒng)包含1個臺網中心、1個中繼站和6個遙測臺站(見圖2)。臺網中心設在水布埡建設公司大樓頂層，中繼站設在海拔1 806 m的太陽包上，各子臺站分布在巴東縣金果坪鄉(xiāng)與水布埡鎮(zhèn)地形復雜的山區(qū)高海拔部位，分別為高嶺臺、大山埡臺、廟埡子臺、方家沖臺、麥子沖臺、獅子山臺，子臺距離臺網中心最遠直線距離達到20 km，其中方家沖臺、麥子沖臺、獅子山臺信號經過太陽包中繼站匯集后傳至臺網中心。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

地震臺網采用了無線數字遙測技術方式組網，系統(tǒng)按照功能可以分為三部分，分別為臺網中心部分、數據傳輸部分、地震臺站部分(見圖3)。

臺網中心配有交流參數穩(wěn)壓器、不間斷電源、蓄電池組、實時接收機、數據處理機、交換機、GPS鐘、匯集器、串口分配器、多串口卡等設備，使用三套數據接收設備，接收機實時地接收臺站傳輸過來的地動數據，數據處理機通過人機交互處理，對傳來的地震數據進行分析、記錄和匯報，地震事件發(fā)生后，系統(tǒng)將自動觸發(fā)報警?？紤]到子臺數傳系統(tǒng)工作年限較久，目前給各個子臺均新增了4G網絡傳輸系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)同時工作，保證數據傳輸的萬無一失。

臺站部分由地震數據采集器、拾震器、蓄電池、電源控制器、太陽能板、數傳電臺等配置組成，同時配置了較為完善的避雷系統(tǒng)。拾震器采用了DS-4B短周期三位一體反饋式地震計，其頻帶范圍為70 Hz，靈敏度為2 000 V.s/m。數據采集器選用24位高精度TDE-324CI型數據采集器，在采樣率為100 sps時其動態(tài)范圍達到137 dB。臺站供電單元采用交流電源控制器+太陽能電池板+蓄電池供電方式，由2組太陽能電池板、2組蓄電池組、2臺太陽能電源控制器和1臺交流電源控制器組成，應對不同的天氣情況(見圖4)。

圖2 水布埡地震臺網分布情況圖

圖3 水布埡數字遙測地震臺網監(jiān)測系統(tǒng)組成及數據傳輸圖

中繼站地震采集系統(tǒng)與數據復接系統(tǒng)與各子臺不同，其余組成均類似。

1.3 臺網布局與監(jiān)測能力

臺網重點監(jiān)測區(qū)覆蓋范圍長約30 km，寬約20 km，面積約600 km2，鹽池河—壩址區(qū)—野三口有可能發(fā)生水庫地震的地段均被臺網覆蓋，同時能夠對新塘庫段的水庫地震、周邊滑坡體及景陽滑坡群進行監(jiān)測。臺網布局設計滿足《水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術規(guī)范》要求，Ⅰ類重點監(jiān)測區(qū)內監(jiān)測下限小于ML0.5級，震中定位精度1.0 km[8]，考慮到遙測臺所處環(huán)境較好，臺基可使用速度和位移放大倍率都在10萬倍以上，地震定位下限ML0.5級時，臺距應該在16.5km以內，根據歷史地震數據，得到的微震震源平均深度11 km，綜合考慮之后，確定臺距在10～16 km，且較均勻布設在重點監(jiān)測區(qū)內，臺站布局完全能夠實現水庫地震臺網對重點監(jiān)測區(qū)監(jiān)測的精度要求(見圖5)。

圖4 臺站不同天氣供電技術結構圖

2 運行管理情況

水布埡數字遙測地震臺網系統(tǒng)由湖北清江水電開發(fā)有限責任公司庫壩中心與長江三峽勘測研究有限公司共同管理。庫壩中心作為臺網管理的責任單位，定期組織人員對臺網中心及各子臺設備進行維護、更換，對地震臺網進行巡視檢查并編寫巡檢報告。長江三峽勘測研究有限公司負責日常監(jiān)測與速報工作，編寫地震觀測月報、地震調查報告、地震目錄、年度監(jiān)測竣工報告等。自建成以來，大壩經歷了初期蓄水，水位快速上升，至庫區(qū)水位平穩(wěn)運行，臺網管理方式不斷改進，管理方法不斷創(chuàng)新，管理效率顯著提升。

圖5 臺網監(jiān)測能力圖

2.1 數傳系統(tǒng)改造優(yōu)化

地震監(jiān)測系統(tǒng)自2005年建成以來一直沿用至今，其中數據傳輸系統(tǒng)設備工作年限較長，傳輸信道在極端天氣情況下時有阻擋，尤其是中繼站傳輸的臺站信號經常存在誤碼，導致工作人員無法正常獲取實時地震信號，大大降低了臺網運行率，2019年上半年平均運行率不足80%，增加了業(yè)主單位、承包單位的現場維護次數，僅1～6月對該系統(tǒng)的現場維護次數就達到5次。

考慮到臺網數據傳輸系統(tǒng)相關硬件更換、軟件調試、廠家技術支持等產生的費用較多，水庫、大壩等水工建筑物由地震事件監(jiān)測不及時帶來的風險增加，2019年7月，庫壩中心對數傳系統(tǒng)進行了改造，給6個子臺均安裝了1套4G傳輸設備，通過子臺的4G無線路由器，將原始地震動數據通過移動、電信公網，傳輸至水布埡當地電信服務中心，再由單獨的光纖經過獨立IP傳輸至水布埡臺網中心。增加4G傳輸設備后，傳輸技術更加成熟，臺網的運行率大幅度提升，2019年下半年臺網平均運行率均超過93%，7～12月對子臺的現場維護僅1次，新舊2套數傳設備共同工作，大大提高了臺網的穩(wěn)定性與可靠性，降低了水庫、大壩等水工建筑物因水庫誘發(fā)地震事件監(jiān)測不及時帶來的風險。

2.2 管理方式創(chuàng)新

最初組建的水布埡地震監(jiān)測項目運行管理小組，投入工程技術人員8人，包括現場運行管理人員3人，日常資料分析人員2人，儀器日常維護維修人員2人，質檢員1人，同時組成了臺網運行管理專家咨詢組，專家組成員由5位地震地質資深專家組成。為了保證臺網儀器設備正常運行，安排數名經驗豐富的技術骨干負責儀器運行值班，并在臺網范圍內巡回檢查維護，其中臺網中心實行24 h值班制，儀器出現故障后，現場值班人員大多能及時處理，一旦出現值班人員不能處理的故障，專職儀器維修人員能保證及時趕赴現場進行處理。

各子臺距離臺網中心路途遙遠，其中最遠的方家沖臺距離水布埡臺網中心直線距離超過了20 km，實際距離超過60 km，且路途均為崎嶇山路，往返一次需要至少5 h，如果僅僅靠運行值班人員，考慮到暴雨、降雪、霜凍等特殊天氣下，無法第一時間趕到現場處理問題，且經濟性與安全性較差。為了保證各遙測臺站儀器設備遇到問題時能及時解決，每個遙測臺站都安排了責任心較強的人員進行現場管理，現場管理人員多為臺站附近有責任心的村民，經臺網負責人對其進行了簡單培訓，具備處理一些小問題的能力以后，按年與其簽訂臺站管理合同，同時負責臺站清掃等工作，如有突發(fā)情況，及時通知相關人員，保證了臺網年均運行率與波形完好率保持在90%以上。

2.3 速報與應急響應

對大壩、溢洪道、進水口、各類附屬水工建筑物、邊坡、滑坡等產生危害的特殊地震事件，按既定程序進行速報與應急響應。考慮到不同地區(qū)地震強度在壩址的烈度表現，速報條件按照等級劃分為：重點監(jiān)測區(qū)ML≥3.0；宜昌及恩施地區(qū)M≥4.0；宜昌及恩施相鄰地區(qū)M≥7.0。地震發(fā)生后，現場值班人員應在10 min內，電話通知到庫壩中心相關負責人，中心做好應急準備，30 min以內，短信通知庫壩中心相關負責人，信息內容包括地震準確時間、地點、經緯度、震源深度、震中距，60 min內以郵件等形式發(fā)送第一期簡報，對產生的余震進行后續(xù)觀測與上報。

2.4 地震事件應急預警

特殊地震事件發(fā)生后，庫壩中心第一時間將震情信息向公司應急指揮部總指揮長、應急辦公室反饋，待應急響應命令下達后，根據《庫壩中心地震災害專項應急預案》，中心下達應急任務，展開對流域水工建筑物的加密巡檢，對庫區(qū)滑坡體、變形體的隱患排查，對流域電站自動化項目和人工監(jiān)測項目的加密監(jiān)測，此處以水布埡電站為例詳細說明。

面板堆石壩、地下廠房、進水口、溢洪道等主要水工建筑物是巡檢工作的重點，通過目視、測量等方式對大壩面板、趾板、面板缺陷部位進行檢查，觀察壩后堆石體有無掉塊，壩后馬道有無變形等，檢查地下廠房吊頂、邊墻、交通洞、主要排水洞等變化情況，通過無人機、望遠鏡等設備觀察溢洪道壩肩、底板、邊墻等變化情況，左右岸壩肩、兩岸灌漿平洞、下游護岸及河道、重點排水溝等水工建筑物需第一時間檢查完畢并形成加密巡檢記錄。針對水布埡壩址區(qū)9個較大規(guī)?；?，巡檢人員逐次完成對地表防排水、地下結構穩(wěn)定工程的巡視檢查。壩后右岸以馬崖高陡邊坡為主的基巖邊坡，巡查人員通過預留的勘探平洞，進入山體觀察裂隙寬度、位移等變化情況。壩后長淌河棄渣場、左右岸山體、馬道巖壁等難以抵達的地方，通過無人機巡檢的方式，觀察是否存在落石、滲水、馬刀樹、醉漢林等異常情況，拍照比對解讀異常變化。電話詢問庫區(qū)滑坡體現場看護人員滑坡體運行情況并形成記錄。

第一時間對自動化監(jiān)測設備進行檢查，確保自動化設備正常工作后，對大壩滲流、壩基滲壓、面板周邊縫滲壓、面板趾板滲壓、1號巖溶通道等重點監(jiān)測項目進行震前、震后數據比對分析。對壩后水平垂直位移計進行加密監(jiān)測，選擇面板視準線、面板撓度、周邊縫滲流測溫、兩岸帷幕地下水觀測孔、面板與壩頂防浪墻精密水準、溢洪道控制段精密水準、以及壩后三角交會等監(jiān)測項目中一項或多項進行加密監(jiān)測，對監(jiān)測結果進行分析記錄并提交加密監(jiān)測報告，根據后續(xù)情況，選擇是否進行多次加密監(jiān)測。

3 監(jiān)測成果及意義

對地震監(jiān)測結果進行震相對比分析，去除由人類工程措施產生的地震事件后，從地震月均N-T圖中可以看出(見圖6)，2007年以前庫區(qū)地震活動相對平靜，自水布埡工程2007年4月蓄水抬高水位后，地震活動明顯加強，2007年8月達到330次，2007年9月以后有所下降，2016年共記錄到96次，平均每月發(fā)生8次，2018年平均每月發(fā)生6次，2019年降至平均每月發(fā)生3.7次。

水布埡工程水庫蓄水后，地震活動與水庫水位抬升有明顯對應關系，地震活動頻次遠遠高于庫區(qū)地震本底水平(圖6)，蓄水前地震活動頻次為4.7次/月(統(tǒng)計時間為2005年9月至2007年3月)，屬于典型的水庫誘發(fā)地震現象。根據對庫區(qū)地震地質構造環(huán)境和地震活動特征分析，庫區(qū)發(fā)生的地震大部分是由于水布埡工程水庫蓄水后，水庫岸邊部分巖溶洞穴或不良地質構造被庫水淹沒后產生的物理和化學效應，打破了原有的平衡應力狀態(tài)，使一些巖溶洞穴發(fā)生坍塌而誘發(fā)的巖溶塌陷型水庫地震或地表微破裂產生的地表卸荷型水庫地震。

圖6 水布埡庫區(qū)地震——月均頻次分布圖

4 結 語

水庫地震監(jiān)測是水庫防震減災工作的重要組成部分，也是國家法律法規(guī)層面強制要求的一項必須工作，是水庫大壩安全運行管理必不可少的基礎工作。水布埡數字遙測地震臺網的合理布局、穩(wěn)定運行、科學管理，為保障清江水布埡水電工程、防災減災及相關工作做出了巨大貢獻?，F水布埡工程已蓄水發(fā)電近10年，庫水位也進入了調控期，年發(fā)生地震數量趨于平穩(wěn)，但考慮到庫區(qū)巖溶地貌發(fā)育，庫區(qū)地震孕育環(huán)境仍可能發(fā)生變化，結合其地質構造的復雜性，誘發(fā)較大水庫地震的可能性仍然存在，在今后對水庫水位調控過程中其地震活動趨勢如何，現在還很難判斷。為了確保庫區(qū)人民生命財產安全、水庫調度運行安全、水電工程結構安全，地震監(jiān)測工作應持續(xù)穩(wěn)步推進。