水工建筑物强震监测技术

2015-01-16张艳红苏克忠

大坝与安全 2015年2期

胡晓，张艳红，苏克忠

（中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，北京，100048）

1 概述

水工建筑物强震动监测技术包括台网/台阵布置、监测系统组成与技术要求、监测仪器检测与安装、信息采集/传递/处理、信息分析/应用、信息存储/发布（数据库）等内容。强震动观测自1932年形成一门专业以来，为促进地震工程学和强震地震学的诞生和不断壮大起到了不可替代的关键作用。近20多年来，水工建筑物强震动监测技术为水工建筑物抗震、健康诊断和地震灾害应急决策等提供支持。水工建筑物强震动安全监测的主要目的是利用强震加速度仪来监测强震时地面运动的全过程及在其作用下水工建筑物的地震反应。它不仅为确定地震烈度和抗震设计提供定量数据，而且能通过强震记录的实时处理发出预警，根据预警等级采取有效的应急预案，可防止水工震害的进一步扩展和次生水灾的发生。

为贯彻执行《中华人民共和国防震减灾法》和国务院令《破坏性地震应急条例》、《水库大坝安全管理条例》，加强我国水工建筑物强震安全监测技术工作，减轻和防止水工震害的进一步扩展和次生水灾的发生，保护人民生命和财产安全，中国水利水电科学研究院负责编制了《水工建筑物强震动安全监测技术规范》，并于2009年12月1日由国家能源局发布实施。

2 水工建筑物强震监测台阵与台网的布设

所谓强震监测台阵是指一个地震区中的多个台站和各种类型台阵的总称。为了分析、研究地震动和水工结构反应，提供较完整的资料，仅靠单台仪器记录是不够的，需要根据具体监测目的去设计和布置由多台仪器组成的仪器群才能完成。这种服务于同一监测目的的仪器群，称为一个监测台阵。

台阵设计的目的是寻求用最低限度的测点，最合适的仪器型号，测得比较完整的、具有高精度的强震数据，即提出技术上可行、经济上合理的台阵布设方案，以达到对建筑物的安全监测要求、满足抗震设计的需要。它包括确定台阵的类型和规模，给出仪器的布设方案，台阵的设置方法，提出仪器选型的性能、仪器安装、维护管理的具体要求。

水工结构反应台阵一般划分为大坝地震反应台阵、溢洪道地震反应台阵、进水塔地震反应台阵、水闸地震反应台阵、渡槽地震反应台阵。地面运动台阵一般分为场地效应台阵、地震输入机制台阵、砂土液化台阵。

强震监测台网应设在最有可能发生强震的地震危险区内，在极震区的水工建筑物上更应建立强震监测系统。一旦发生强震，至少能有1～2个台站取得记录。根据我国大区域地震活动和地质构造的特点，我国可划分为东北、华北、华南、新疆、青藏高原、台湾和海南等7个地震区，27个地震带，733个潜在震源区。要达到一旦发生强震，至少能有1～2个台站取得记录，全国起码应有400多个水工强震监测台站，而目前我国只有40余个台站。我国是个多地震的国家，也是个缺少强震加速度记录的国家，要改变这种落后状态，需要更快建立我国的水工建筑物强震监测台网。

水工建筑物强震监测台网作为减轻地震灾害的一项重要基础环节，其规模迅速扩大，功能也大大增强。利用集中密集的观测手段建设各种专门台阵，以开展场地影响、地形效应、活断层机制、地震动衰减及各类结构健康/安全等发展强震地震学与地震工程学理论的精细观测研究。仪器基本完成了由模拟向数字化、智能化的过渡，仪器的量程、动态范围、分辨率、通频带、稳定性等基本特性都有质的进展。在强震仪的选型中，应综合考虑以下四大因素：

（1）仪器的稳定性：仪器稳定性好，才能保证在野外长期使用的条件下正常运行。对于新产品，必须经过检验鉴定其各项技术指标达到要求。

（2）仪器的高性能：高性能才能保证在任何困难条件下均能获取记录。仪器动态范围和通频带是很重要的指标。仪器动态范围已由40 dB发展到120 dB，通频带已由0.1～15 Hz发展到0.01～80 Hz。

（3）数据处理分析的难易和速度：以强震仪的数据处理分析容易和速度快为好，目前正从脱机处理向实时处理的方向发展。

（4）性能价格比合理。

新型数字强震仪一般采用静态RAM存储器存储记录数据，以固化软件实现系统的控制，用软件触发实现触发方式的多样化。固态数字强震仪的内存容量在不断扩大，大大提高了仪器的记录能力。新型数字强震仪噪声水平很低，很多新型数字强震仪已采用24位高分辨率的模-数转换器，使强震仪的动态范围进一步增大。分辨率的提高，动态范围的扩大（有些新型数字强震仪的动态范围已在120 dB以上），使现今的数字强震仪普遍能够记录加速度为0.001 g以下的微小地震动到加速度为2 g的强地震动。新型固态存储数字强震仪一般装有GPS接收机，GPS授时的同步精度优于1 ms，同时还可以提供台站仪器的地理位置数据。内部时钟的守时精度一般均优于10-6。高精度的绝对时间服务使数字强震仪记录的使用价值大大提高。随着数字通讯技术的迅速发展，数字强震仪的通讯功能大大增强。新型数字强震仪均同时具有本地通讯和远程通讯能力，既可以通过RS-232接口直接与微机通讯，也可以通过内、外置MODAM和市政电话线进行远程通讯，或通过宽带网专用线进行远程通讯。远程通讯功能使数字强震仪的监控、检查和数据回收更为方便。同时，强震仪一旦触发，能自动拨号，向观测中心传输数据。另外，无线实时传输数据的技术也已应用于强震动观测。远程通讯技术的发展已使实现近实时的或实时的地震动强度速报成为可能，也为今后进一步发展地震预警系统建立了基础。

强震监测与水库诱发地震监测虽然都是用仪器来监测地震，但两者有着不同的发展史、不同的监测目的和不同的特点。强震监测的目的是为工程抗震设计服务，记录建筑场地的地震动和结构物的加速度反应，以记录强震和近震为主。强震监测始于1932年，美国研制出第一台强震仪，至今仅有70余年的历史。水库诱发地震监测的目的是为地震学服务，记录地动位移或速度，确定地震的震级、时间、地点和震源深度等参数。旨在了解地震活动性和地球内部构造，为预报水库地震提供依据，以记录弱震和远震为主。水库诱发地震监测台网，是为预报水库地震提供依据。

随着科学技术的进步，两种监测仪器在性能和监测内容上相互补充、渗透和接近。数字固态存储记录器的问世，实现了宽频带、大动态范围。两种监测仪器均可利用，力平衡式拾震器的出现，也使一次仪表实现了宽频带、大动态范围。强震加速度仪由于动态范围大，也能记录弱震，这些弱震资料对于研究结构的地震反应特征是极其宝贵的。为了便于各通道记录进行相位对比，也采用了高精度的绝对时标系统，还应用地震位移记录资料，研究高层的、大体积的特种结构与地下结构的变形。地震仪也实现了宽频带、大动态范围，还应用强震加速度记录资料，研究震源机制中的一些动力过程。

3 水工建筑物震害等级划分及阈值的选取

水工建筑物震害程度一般可分为无震害、轻微、严重、溃决四个等级。无震害相当于建筑物在外荷载作用下的变形特性的第一阶段，即比例极限阶段；轻微震害相当于建筑物在外荷载作用下的变形特性的第二阶段；严重震害相当于建筑物材料在外荷载作用下的变形特性的第三阶段，如不及时采取应急抢险措施，就有溃决、造成次生水灾的危险。

预警等级划分的主要依据是建筑物的变形、震害程度，以划分三个等级为宜：

（1）安全：即大坝一般不会出现震害，此时荷载与变形呈直线关系，即变形第一阶段。6度地震时，混凝土坝不出现震害，因此当发生小于6度的地震时，可以判断混凝土坝为安全。小于5度地震作用时，土石坝不出现震害，因此当发生小于5度的地震时，可以判断土石坝为安全，不需要采取任何应急措施。

（2）警惕：即大坝有可能出现可以修复的震害。此时相当于建筑物在设计地震作用下的动力响应。应立即对水工建筑物进行全面检查，查明震害部位、规模、轻重程度。同时，启动水工建筑物抗震复核程序，以实际记录的地震动加速度为输入，结合地震时库水位等实际参数进行计算，分析震害原因，为制定修复方案提供依据。

（3）危险：即大坝有可能出现严重震害。此时，建筑物遭受超出设计地震作用的动力响应阶段。若不及时启动应急抢险措施，有发展到造成次生水灾的危险。此时应迅速查明水工建筑物震害，判断危害程度，做出应急决策。如进行紧急加固，打开闸门放水至安全水位等。若有垮坝可能，应及时通知下游人民转移到安全地带。

4 强震监测技术规范编制原则与框架

依据国家发展改革委员会办公厅《关于下达2005年行业标准项目计划的通知》（发改办工业〔2005〕739号）的要求编制了水工建筑物强震监测技术规范。编写主要本着正确、准确、简明、和谐、统一的原则，贯彻执行国家、行业的有关法律、法规和方针、政策，总结我国40多年来水工建筑物强震安全监测技术工作的经验，吸收近年来经过鉴定或实践检验的科研成果，从我国国情出发，有分析地参照国外先进经验，协调与地震、建筑等部门和水利、电力现行标准之间的关系。

本标准共9章和10个附录，主要技术内容有：

（1）范围；

（2）规范性引用文件；

（3）总则；

（4）术语与定义；

（5）监测台阵布置；

（6）监测系统组成与技术要求；

（7）监测系统的测试、安装与验收；

（8）监测系统的管理与维护；

（9）加速度记录的处理分析。

5 大坝强震安全监测台阵设计与安装实例分析

为了结合强震监测规范宣贯实施，针对典型的新疆克孜尔大坝强震监测系统建设的实例进行分析。克孜尔水库位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区拜城县境内，坝址在木扎提河与支流克孜尔河的汇合处，西距拜城县约60 km，东距库车约70 km，是一座以灌溉、防洪为主，兼有发电、水产养殖和旅游开发等综合效益的大型水利枢纽工程。流域面积为17 000 km2，水库总库容6.4亿m3。主坝最大坝高45.1 m，坝长972.8 m，系黏土心墙砂砾料坝。克孜尔水库工程区位于塔里木中-新生代盆地北缘与天山隆起南麓接壤的构造边缘地带，有较大的活断层发育，现今构造运动强烈。F2克孜尔活断层长度约110 km，属逆掩兼走滑性质，横穿主、副坝之间。在活断层上筑坝在我国尚属首例。克孜尔水库区域构造稳定性差，坝区工程地质条件复杂，根据土石坝筑在活断层上的特点，克孜尔水库应建立两个密切相关的台阵，即局部场地效应台阵和土石坝地震反应台阵。

局部场地效应台阵，主要用于监测建筑场地局部地形、土质岩性、构造断层变化而引起的地震动变化。为此，设计在右岸坝肩基岩布置了测点3-2，在主坝坝基基岩布置了深孔测点2-4，在主坝坝基砂砾石层布置了测点2-3，在主、副坝间基岩的断层F2上布置了测点1-1。测点3-2与测点2-4记录对比可看出地形影响，测点2-4与测点2-3记录对比可看出土质岩性影响，测点2-4与测点1-1记录对比可看出活断层F2影响。

土石坝地震反应台阵，集中布置在主坝最高挡水坝段桩号0+180断面上，沿不同高程分布。包括在主坝坝基基岩布置了深孔测点2-4，在主坝坝基砂砾石层布置了测点2-3，在主坝坝坡布置了测点2-2，在主坝坝顶布置了测点2-1，可全面了解地震波从基岩通过覆盖层在坝体不同高程上的反应。另外，在易于发生地震纵向裂缝的坝头附近布置了2个测点，即：主坝右坝头附近布置了测点3-1，副坝右坝头附近布置了测点1-2。

局部场地效应台阵和土石坝地震反应台阵共计布置了8个测点，每个测点都有南北向、东西向、竖向三个方向，总共24个通道。具体位置参见图1。

克孜尔大坝强震安全监测系统主要由三大部分组成：即拾震系统、传输系统和记录系统。为了保护加速度计，兼使环境温度不低于仪器要求，在观测墩外建起2 m×2 m×2 m的小屋，屋内还设有取暖设备。SBEPI浅井摆的安装比较复杂，虽然浅井摆密封、防水性能较好，但井孔仍以无水更保险。施工中，首先以115 mm孔径，钻孔深41.75 m，用钢套管将孔内杂物和积水清理干净后，再把管底封堵1 m，净孔测深为39.95 m。在孔内全部安装内径为100 mm的PVC（国标）套管，PVC套管两端采用橡胶圈防水，并用铁丝捆扎后再用专用胶封堵防水。浅井摆用绳吊入孔底，以测最大波速来确定南北和东西向，然后填充砂粒将浅井摆与PVC套管之间固定。若浅井摆以后发生故障，还可提出井孔，检修好后再重新安装。为了防止K2型数字固态强震加速度仪被雷击，在强震加速度仪与各通道导线之间安有防雷器。

克孜尔大坝强震安全监测系统建成以后，记录到了附近发生的所有地震在坝体上的响应，表1给出了克孜尔大坝强震监测台阵实际记录到的地震示例，这次地震发生时间是2012年11月12日。图2、图3则给出了这次地震的加速度时程以及相应的反应谱曲线。

6 结论与建议

（1）通过总结我国40多年来水工建筑物强震安全监测技术工作的经验，吸收近年来经过鉴定或实践检验的科研成果，从我国国情出发，有分析地参照国外先进经验，协调与地震、建筑等部门和水利、电力现行标准之间的关系，中华人民共和国电力行业标准DL/T 5416-2009《水工建筑物强震动安全监测技术规范》已于2009年12月1日颁布实施。