水庫地震臺(tái)網(wǎng)及大壩強(qiáng)震系統(tǒng)在水電工程安全監(jiān)測(cè)中的作用探討

石 磊，吳玉川，黎 莎

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

0 引言

安全監(jiān)測(cè)是水電站運(yùn)行管理的基礎(chǔ)工作，目前國內(nèi)水電站工程中安全監(jiān)測(cè)手段一般分為巡視檢查和儀器監(jiān)測(cè)，利用巡視檢查、儀器觀測(cè)與分析手段對(duì)大壩壩體、壩基、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)量及觀察[1-2]。2008年汶川大地震后，在新修訂的防震減災(zāi)法中首次提出水庫等重大建設(shè)工程應(yīng)按相關(guān)規(guī)定建設(shè)專用地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)或者強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，在此背景下，貴州境內(nèi)烏江流域、北盤江流域以及黔中、夾巖兩個(gè)大型水利工程均建設(shè)有專用的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，部分大壩還建設(shè)了強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣。在國內(nèi)，越來越多的大型水電站工程安全監(jiān)測(cè)中也增加了水庫地震及大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)的手段。

與傳統(tǒng)的水電站工程安全監(jiān)測(cè)手段相比，水庫地震及大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)手段在安全監(jiān)測(cè)方面有其自身的優(yōu)勢(shì)。地震及強(qiáng)震監(jiān)測(cè)均為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備儀器精度較高，專業(yè)人員24h不間斷分析，可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)庫區(qū)周邊的振動(dòng)事件及異常信息，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析。當(dāng)事件記錄參數(shù)達(dá)到或超過一定安全閾值時(shí)，可立即開展常規(guī)的大壩安全儀器監(jiān)測(cè)資料分析，必要時(shí)開展現(xiàn)場巡視檢查，為及時(shí)消除水電站工程中的安全運(yùn)行隱患，為水電站工程的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的支撐。

本文通過對(duì)發(fā)生在水電工程監(jiān)測(cè)區(qū)三個(gè)典型事件的地震及強(qiáng)震監(jiān)測(cè)資料分析，探討說明水庫地震及大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)手段可在水電工程安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮的作用。

1 庫區(qū)地震事件定位及分析

1.1 六枝4.0級(jí)地震概況

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定：2020年9月18日16時(shí)24分01秒在貴州省六盤水市六枝特區(qū)發(fā)生4.0級(jí)地震，震源深度10km，震中位于北緯26.21°，東經(jīng)105.41°。地震發(fā)生時(shí)，六枝特區(qū)城區(qū)出現(xiàn)巨大聲響（地聲）。經(jīng)初步排查，地震造成了102間房屋受損，其中，90間平房出現(xiàn)輕度裂紋，12間瓦房有少數(shù)瓦掉落。

1.2 水庫地震臺(tái)網(wǎng)定位

在距離震中100km范圍內(nèi)有6個(gè)水電站，共布設(shè)有33個(gè)水庫地震臺(tái)站（見圖1）。這些專用地震臺(tái)站因布設(shè)孔徑較小，對(duì)本次地震事件包圍較好。采用對(duì)網(wǎng)內(nèi)地震定位較好的Hypo2000定位方法對(duì)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析定位，得出的微觀震中位置為北緯26.19°，東經(jīng)105.47°（見圖2），與當(dāng)?shù)貞?yīng)急部門和實(shí)地調(diào)查的宏觀震中位置（六枝特區(qū)九龍街道波乍村）相差約0.8km，而中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的微觀震中與其相差約5km，水庫地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)庫區(qū)內(nèi)的地震事件定位精度更高（見圖3）。

圖1 六枝地震周邊的水庫地震臺(tái)站分布圖Figure 1 Distribution map of the reservoir seismic stations around the Liuzhi earthquakes

圖2 水庫地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)六枝地震的定位信息Figure 2 Location information of the Liuzhi earthquakes by the reservoir seismic network

圖3 六枝地震的宏觀及微觀震中衛(wèi)星分布圖Figure 3 Satellite distribution map of macro and micro epicenters of the Liuzhi earthquakes

1.3 地震性質(zhì)分析

從水庫地震臺(tái)站對(duì)六枝4.0級(jí)地震的波形記錄上看，周圍近臺(tái)記錄縱波P波發(fā)育平緩、初動(dòng)明顯全部向下，橫波S波極不發(fā)育，P波和S波有明顯的耦合特征；導(dǎo)波和表面波相對(duì)突出，存在一定的表面震源特征；波頻譜顯示既有高頻又有低頻成分，但總體波的成分簡單，高頻不發(fā)育（見圖4～圖6）。

圖4 六枝M4.0級(jí)地震水庫臺(tái)站記錄圖Figure 4 Seismogram of the Liuzhi M4.0 earthquake at the reservoir station

圖5 六枝M4.0級(jí)地震近臺(tái)P波初動(dòng)記錄圖Figure 5 Seismogram of P wave first motion of the Liuzhi M4.0 earthquake near the station

圖6 六枝M4.0級(jí)S波、導(dǎo)波、面波記錄特征Figure 6 Characteristics of S wave，guided wave，surface wave recorded for Liuzhi M4.0 earthquake

天然構(gòu)造地震具有P波初動(dòng)呈四象限分布規(guī)律，有清晰的P波和S波且區(qū)分明顯，近場S波與P波振幅比在3～5倍，面波不發(fā)育等顯著特征[3-6]。爆破具有P波初動(dòng)清晰、尖銳，能量衰減較快，持續(xù)時(shí)間短等特征[3-6]。而滑坡一般表現(xiàn)為沒有確定的P、S，沒有明確的體波和面波的界定點(diǎn)，體波周期雜亂無章且不規(guī)律等特征[3-4]。本次事件波形記錄特征與天然地震、爆破及滑坡的相關(guān)波形特征存在明顯差異。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該事件波形記錄特征與塌陷波形特征相似。首先，塌陷波形P波初動(dòng)明顯，多數(shù)初動(dòng)向下；其次，頻譜單一，高頻成分較少；最后，無論震中距遠(yuǎn)近都有面波發(fā)育。但與其他文獻(xiàn)[3-9]中的庫區(qū)塌陷、煤礦塌陷及熔巖塌陷等塌陷記錄存在S波發(fā)育、周期較大，且面波周期無明顯區(qū)別的情況相比，該事件呈現(xiàn)S波不發(fā)育且具有較明顯的導(dǎo)波和表面波的特點(diǎn)，推斷本次事件可能為重力作用下的垂直塌陷。

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，距震中1km范圍內(nèi)的建筑物有損壞現(xiàn)象，個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)明顯的地裂縫；距震中10km范圍內(nèi)能聽到地震聲響。結(jié)合在震中西北和西南方向分別約30km和31km的兩處水電站大壩的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)資料分析，大壩上強(qiáng)震測(cè)點(diǎn)記錄到的最大加速度值分別為1.68gal和1.84gal，參考烈度為Ⅰ度，表現(xiàn)為無感、僅儀器能監(jiān)測(cè)記錄。參考震中距、震級(jí)相近的構(gòu)造地震對(duì)大壩的影響，可知本次六枝地震造成的影響明顯偏?。ㄒ姳?）。

表1 震中距在30～60km的大壩強(qiáng)震最大加速度值記錄表Table 1 Acceleration magnitudes of dam strong earthquakes at epicentral distance 30～60km

綜合水庫地震監(jiān)測(cè)波形特征、大壩強(qiáng)震資料分析及實(shí)地考察，可推斷本次六枝4.0級(jí)地震為一次垂直塌陷事件。這合理地解釋了該地區(qū)在4.0級(jí)地震后幾乎無余震記錄的現(xiàn)象，同時(shí)排除了該區(qū)域后續(xù)存在發(fā)生更大地震的可能性，為附近水電站工程的地震應(yīng)急工作提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

2 庫區(qū)滑坡事件監(jiān)測(cè)及分析

水庫地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)除了監(jiān)測(cè)庫區(qū)及周邊的地震活動(dòng)外，還能監(jiān)測(cè)大壩泄洪振動(dòng)、非天然地震事件及較大的地質(zhì)災(zāi)害等振動(dòng)信號(hào)。如2017年8月28日發(fā)生在貴州納雍縣張家灣鎮(zhèn)的山體滑坡，事故共造成17人死亡、18人失聯(lián)。此次滑坡的過程，只有布設(shè)在附近的某水庫地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)有清晰、完整的波形記錄，發(fā)現(xiàn)在滑坡發(fā)生前出現(xiàn)了2次明顯的滑坡震動(dòng)記錄。

2.1 庫區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)定位

滑坡發(fā)生后，通過對(duì)在附近的水庫地震臺(tái)站波形記錄分析，采取Geiger地震定位法，測(cè)出滑坡發(fā)生的具體時(shí)間為10時(shí)46分01秒左右，位置在北緯26.716°，東經(jīng)105.415°，定位結(jié)果與實(shí)際滑坡地點(diǎn)相差小于1km（見圖7和圖8）。

圖7 “8·28”滑坡定位分析信息Figure 7 Location analysis information of the“8·28”landslide

圖8 “8·28”滑坡實(shí)際滑坡點(diǎn)與定位對(duì)比圖Figure 8 Comparison of the actual landslide site and the locating point of the“8·28”landslide

2.2 滑坡機(jī)制分析

對(duì)滑坡前附近臺(tái)站的波形記錄分析發(fā)現(xiàn)，在滑坡前1h內(nèi)，9時(shí)57分48秒和10時(shí)22分22秒左右在滑坡體處已發(fā)經(jīng)發(fā)生了兩次較大滑動(dòng)并形成了振動(dòng)波形記錄。對(duì)這三次滑坡振動(dòng)記錄分析可發(fā)現(xiàn)：

（1）能量釋放方面：造成傷亡的10時(shí)46分的滑坡能量相對(duì)較小，滑動(dòng)的能量相當(dāng)于近震震級(jí)ML1.9；前兩次滑動(dòng)的能量相對(duì)較大，分別相當(dāng)于近震震級(jí)ML2.0和ML2.4（見圖9和圖10）。經(jīng)分析，在滑坡前其內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了多次滑動(dòng)，釋放了部分能量，但之前的滑動(dòng)未超過邊坡的穩(wěn)定性[10]。

圖9 滑坡前第1次振動(dòng)記錄波形圖Figure 9 Oscillogram of first vibration record before the landslide

圖10 滑坡前第2次振動(dòng)記錄波形圖Figure 10 Oscillogram of second vibration record before the landslide

（2）滑動(dòng)階段方面：選取距滑坡點(diǎn)最近的臺(tái)站記錄可知，10時(shí)46分的滑坡持時(shí)最短，約17s，屬于快速滑動(dòng)，而另外兩次的滑動(dòng)持時(shí)相對(duì)較長，約30s（見圖11～圖13）。

圖11 滑坡前第1次振動(dòng)過程圖Figure 11 Diagram of first vibration process before the landslide occurred

圖12 滑坡前第2次振動(dòng)過程圖Figure 12 Diagram of second vibration process before the landslide occurred

圖13 滑坡時(shí)的滑動(dòng)過程圖Figure 13 Diagram of sliding process when the landslide occurred

（3）頻率特征方面：同樣選取距滑坡點(diǎn)最近的臺(tái)站波形記錄頻率分析可知，在發(fā)生滑坡前的兩次振動(dòng)的主頻為2～3Hz和25～35Hz，分別對(duì)應(yīng)橫波和縱波頻率；滑坡發(fā)生時(shí)的主頻為1.5～5Hz和15～50Hz，其頻帶范圍寬于未發(fā)生滑動(dòng)時(shí)（見圖14～圖16）。分析其原因可能為滑坡體在滑動(dòng)過程中巨石的滾動(dòng)、蠕動(dòng)、摩擦等因素造成[10]。

圖14 滑坡前第1次振動(dòng)近臺(tái)記錄頻譜圖Figure 14 Frequency spectrogram of first vibration recorded near the station before the landslide occurred

圖15 滑坡前第2次振動(dòng)近臺(tái)記錄頻譜圖Figure 15 Frequency spectrogram of second vibration recorded near the station before the landslide occurred

圖16 滑坡時(shí)振動(dòng)近臺(tái)記錄頻譜圖Figure 16 Frequency spectrogram of vibrations recorded near the station before the landslide occurred

通過對(duì)水庫地震臺(tái)監(jiān)測(cè)到的滑坡事件進(jìn)行分析，了解和掌握滑坡的發(fā)震機(jī)制和振動(dòng)特性，可為該區(qū)域后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。

3 大壩對(duì)庫區(qū)小震的動(dòng)力放大現(xiàn)象

在水庫地震監(jiān)測(cè)管理辦法中要求對(duì)庫區(qū)近震震級(jí)達(dá)到ML2.5級(jí)的有感地震進(jìn)行速報(bào)工作，小于該震級(jí)的地震一般認(rèn)為無感、對(duì)工程影響不大，往往被忽視。但在水庫地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)了距離大壩較近的小震，由于壩體動(dòng)力放大作用，大壩上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)往往大于實(shí)際地震引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。因此，通過大壩強(qiáng)震觀測(cè)記錄，分析大壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特征，了解和掌握動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律，不僅可以為評(píng)估地震對(duì)大壩的影響程度及大壩的抗震設(shè)防提供參考依據(jù)，還可以聯(lián)動(dòng)大壩其他安全監(jiān)測(cè)資料，為及時(shí)排查大壩運(yùn)行中可能存在的安全隱患提供依據(jù)。

3.1 事件概述

2020年2月8日00時(shí)47分11.7秒貴州省納雍縣發(fā)生ML2.0級(jí)地震，震中距某大壩距離為4.8km，基本位于大壩正北方。地震發(fā)生后，該大壩強(qiáng)震8個(gè)測(cè)點(diǎn)均記錄到了該地震事件，共獲得24條強(qiáng)震記錄。經(jīng)強(qiáng)震記錄分析處理得知，自由場最大峰值加速度為1.97470gal（儀器烈度為Ⅰ度），大壩各部位測(cè)點(diǎn)記錄到的最大峰值加速度為14.56554gal（儀器烈度達(dá)到Ⅳ），明顯高于ML2.0級(jí)地震能量釋放造成的影響，大壩對(duì)小震存在明顯放大作用。震中分布見圖17，大壩強(qiáng)震臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)布置見圖18，強(qiáng)震波形記錄見圖19。

圖17 納雍縣ML2.0級(jí)地震震中分布圖Figure 17 Epicentral distribution map of a ML2.0 earthquake in Nayong

圖18 大壩強(qiáng)震臺(tái)站測(cè)點(diǎn)布置圖Figure 18 Arrangement diagram of monitoring points of the dam strong earthquake station

圖19 大壩強(qiáng)震臺(tái)陣實(shí)時(shí)加速度波形記錄Figure 19 Waveform recording of real-time accelerations of the dam strong earthquake station matrix

3.2 動(dòng)力反應(yīng)分析特性

通過對(duì)強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析處理，可以得到幅值、持時(shí)等時(shí)域和傅里葉譜、反應(yīng)譜等頻域強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)，根據(jù)得到的強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)進(jìn)一步可以分析大壩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性，了解地震對(duì)大壩的影響程度。經(jīng)計(jì)算處理得到的大壩各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域頻域強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)如表2所示。由表2可知，壩頂中間SM5測(cè)點(diǎn)峰值加速度最大、反應(yīng)最強(qiáng)烈；自由場ZYC位于場地基巖，記錄場地和地震原始信息。基于上述原因，圖20～圖22給出了SM5和自由場ZYC測(cè)點(diǎn)的校正加速度時(shí)程曲線和一次、兩次數(shù)值積分得到的速度時(shí)程和位移時(shí)程曲線；圖23和圖24給出了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜和加速度反應(yīng)譜。圖25給出了沿壩軸線從壩底到壩頂各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力放大倍數(shù)曲線和壩頂從左岸到右岸各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力放大倍數(shù)曲線。

表2 各測(cè)點(diǎn)加速度記錄強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)Table 2 Parameters of strong motion recorded by acceleration at each monitoring point

圖20 典型測(cè)點(diǎn)SM5和ZYC加速度時(shí)程曲線Figure 20 Acceleration time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖21 典型測(cè)點(diǎn)SM5和ZYC速度時(shí)程曲線Figure 21 Velocity time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖22 典型測(cè)點(diǎn)SM5和ZYC位移時(shí)程曲線Figure 22 Displacement time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖23 典型測(cè)點(diǎn)SM5和ZYC傅里葉譜Figure 23 Fourier spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖24 典型測(cè)點(diǎn)SM5和ZYC加速度反應(yīng)譜Figure 24 Acceleration response spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖25 動(dòng)力放大倍數(shù)Figure 25 Dynamic amplification factor

從表2和時(shí)程曲線分析可知：壩體各測(cè)點(diǎn)兩水平分向的峰值加速度都比垂直分向大，除SM7測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)東西分向的峰值加速度比南北分向略大；在壩頂水平方向，SM5～7測(cè)點(diǎn)東西向和垂直向的峰值加速度呈中間大兩邊小的趨勢(shì)，南北向的峰值加速度呈中間小兩邊大的趨勢(shì)；沿壩軸線垂直方向，SM1～5測(cè)點(diǎn)三分向的峰值加速度隨高程增加呈先減小再變大的趨勢(shì)，與其他研究中峰值加速度的分布規(guī)律明顯差異。[11-15]

從傅里葉譜和反應(yīng)譜分析可知：壩上各測(cè)點(diǎn)傅里葉譜最大幅值對(duì)應(yīng)的卓越頻率集中在8～18Hz之間，即卓越周期在0.056～0.125s之間；而反應(yīng)譜最大響應(yīng)幅值所對(duì)應(yīng)的卓越周期為0.067s左右；兩者分析結(jié)果有較好的一致，都表明該地震對(duì)自振周期較小的結(jié)構(gòu)影響較大，特別是自振周期在0.067s左右的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。此外，還可以看出，壩體對(duì)地震具有明顯的放大和濾波作用。

從峰值加速度動(dòng)力放大倍數(shù)分析可知：各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力放大倍數(shù)分布規(guī)律與峰值加速度基本一樣，表現(xiàn)為壩頂中間SM5測(cè)點(diǎn)東西分向的動(dòng)力放大倍數(shù)最大，達(dá)到8.67；而三分向總體的動(dòng)力放大倍數(shù)與峰值加速度有些差異，表現(xiàn)為東西向放大最明顯，放大倍數(shù)在4.39～8.67之間，垂直向次之，放大倍數(shù)在3.69～6.88之間，南北向最小，放大倍數(shù)在2.81～5.33之間。據(jù)此，可判斷出壩體對(duì)地震具有明顯的放大作用。

大壩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)不僅與壩址的地質(zhì)、地形條件有關(guān)，涉及壩體、壩基和庫水三者之間的動(dòng)力相互作用關(guān)系，以及地震成因、震級(jí)大小和震中距等參數(shù)也都對(duì)其有一定的影響[15-17]。

從以上分析可知，大壩對(duì)庫區(qū)及周邊近距離地震有明顯的放大作用，且動(dòng)力反應(yīng)特性與遠(yuǎn)距離天然地震有明顯的差異。這些差異可能與本次地震震級(jí)較小，距離大壩較近有關(guān)聯(lián)。對(duì)于大壩的放大效應(yīng)，仍需更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究分析其規(guī)律特性。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)水庫地震臺(tái)網(wǎng)和大壩強(qiáng)震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的事件進(jìn)行分析研究表明：

（1）通過水庫地震監(jiān)測(cè)記錄，可以對(duì)庫區(qū)及周邊范圍的地震有更高的定位精度、得到更精確的地震參數(shù)，還可以進(jìn)一步分析地震事件性質(zhì)，對(duì)水電站開展地震應(yīng)急工作和震害評(píng)估提供了資料參考。

（2）通過水庫地震監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)記錄庫區(qū)范圍內(nèi)的塌陷、滑坡等特殊振動(dòng)事件，了解和掌握這類事件的發(fā)震機(jī)制和振動(dòng)特性，可為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。

（3）通過大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了大壩各部位在庫區(qū)小震作用下的動(dòng)力反應(yīng)特性，結(jié)果表明，大壩對(duì)地震有一定的放大效應(yīng)。須警惕庫區(qū)周邊中、小地震因放大作用而導(dǎo)致大壩安全受到危害。

此外，利用地震監(jiān)測(cè)和強(qiáng)震監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)動(dòng)大壩其他安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)等，可以更快速、全面地對(duì)大壩安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)一步提高大壩安全監(jiān)測(cè)作用，為水電站工程安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。