瀑布沟水库诱发地震监测预测系统总体设计

2016-09-28谢剑明王能峰饶文松

水电站设计 2016年3期

关键词：中继站遥测台网

谢剑明，王能峰, 饶文松

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072；2.四川省地震局，四川成都　610072)

瀑布沟水库诱发地震监测预测系统总体设计

谢剑明1，王能峰1, 饶文松2

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072；2.四川省地震局，四川成都610072)

鉴于防震减灾和水电工程安全的需要，对于大型水电工程，除必须进行工程场地地震安全性评价和防震抗震设计外，还应开展水库诱发地震的监测和预测研究。本文以瀑布沟水库为例，概述水库诱发地震监测预测系统的总体设计。

瀑布沟；水库诱发地震；监测；预测；总体设计

1　水库诱发地震监测预测系统的必要性

瀑布沟水库库坝区具备孕育水库诱发地震的条件，又是典型的高坝大库。为了工程的安全施工和电站、水库的安全运行，应对水库蓄水后可能诱发的中强地震进行有效监测和预测。瀑布沟水库诱发地震监测预测系统工程，可以为业主和政府提供重要的防震减灾决策依据，制定应急预案，可提高库坝区的防震减灾能力。

2　数字遥测台网总体设计

2.1基本监测目标

瀑布沟水电站工程区外围有几条强地震发生带，如鲜水河地震带、安宁河地震带、马边—昭通地震带和龙门山地震带。从深部构造看，这些地震带都深切地壳。瀑布沟所在的位置，就位于由这些地震带所围限出的一个由前震旦纪和震旦纪的岩系构成的一个近东西向古老隆起的地块上。

瀑布沟水库地震遥测数字台网监测的重点是坝址区、库区首段(该区域紧邻顺河、汉源—昭觉断裂)和库区中段(该区域被金坪断裂、汉源—昭觉断裂按北东走向分割)。台网子台的布设应较为均匀的展布在这两个重点监视区中，以便在两区域中有较高的定位精度和较低的震级下限，基本监测目标是上述两区域的ML0.5级以上地震。

2.2数字遥测台网工程的组成

瀑布沟水库诱发地震监测预测系统，由水库地震数字遥测台网和水库地震综合预测研究两大部分组成。其中地震数字遥测台网，为水利水电工程专用永久固定台网，重点监测与大坝、库中段和工程场地安全有关的Ms5.0级以下的地震活动，即监测工程区内围堰挡水前和水库蓄水前的天然本底地震活动背景，分析研究其特性；围堰挡水和水库蓄水后，监测分析其地震活动性的变化，进行天然本底地震与水库诱发地震的判别，以便对可能的水库诱发地震危险性进行预测预报，一旦发生水库诱发地震或受到外围强震的波及影响，即据监测预测成果和应急预案，采取合理的对策与抗震应急措施，为工程的安全施工、正常运行和防震减灾服务提供保障，确保大坝与水库的安全和水库地震震中区人民生命财产的安全。对库坝区影响较小的外围天然地震潜在震源区的中强震、强震活动(特别是Ms6级以上的强震、7级以上的大震)，则由地震专业部门监测监视，以国家地震台网所提供的监测资料为主，进行外围强震对工程区波及影响的分析研究与可能灾害的预测评估。

2.3遥测台网设计的技术路线与技术系统

瀑布沟水库诱发地震遥测台网各子台均采用技术先进的24 bit的数字遥测技术系统。根据瀑布沟库坝区的交通、地形、地物地貌和通信条件，台网遥测采用具有组网灵活优点的超短波无线组网。

瀑布沟水库数字遥测地震台网的技术系统由地震无线遥测子系统、地震数据汇集中继子系统和地震数据收集处理子系统三个主要部分组成。地震遥测子系统安装于野外的遥测子台。地震数据收集处理子系统则安装于台网分析预测中心(以下简称“台网中心”)。两个子系统之间通过地震数据汇集中继子系统(子台数据尽可能直传)实现有机链接完成地震台网的数据获取、传输、收集和处理。

2.4遥测台网布设原则与监测能力确定

瀑布沟水电站水库地震遥测台网为专用小孔径密集遥测台网，重点监测大坝(包括坝后)、库首、特别是水库诱发地震潜在危险性更大的库中段；对库尾居民集中的石棉县城附近地区，亦设台监视。库区外围的地震特别是中、强震，由国家地震台网监测监视。

2.5遥测台网主要技术指标

数据处理中心实际上是一个以计算机及其网络系统为硬件核心，配以功能强大的软件系统，对地震信息数据进行收发、保存、实时和非实时的处理系统(局域网100M传输速率、前台机工业级P41.0G以上、后台机商用级P42.4G以上等)。

2.6遥测台网规模和布局

参照SL245—1999的规定，并参考国内二滩、小浪底、三峡等水库地震遥测台网的监测能力要求，以及瀑布沟水电站水库诱发地震监测的目的，设计瀑布沟水库地震数字遥测台网的微震监测能力，为网内(即重点监视区大坝至汉源库段)不漏测ML≥0.5级地震，按此要求和可能得到的台基振动噪声干扰水平、预测的水库诱发地震危险区的范围与分布，台网设计规模为布设12个高增益固定子台和2个低增益固定子台。

汉源—昭觉断裂与金坪断裂是控制水库诱发地震的关键性断裂，此外，汉源—昭觉断裂与顺河断裂交汇处唐家附近、汉源—昭觉断裂的分叉点片马与黑马一带、岩岱以北的金坪断裂与汉源—昭觉断裂交汇处附近和库尾的石棉断裂，也是可能的诱震震中。因此，台网布局主要围绕这些断裂展布。

3　数字遥测台网技术系统设计

3.1子台技术系统设计与设备配置

3.1.1遥测子台的主要功能

遥测子台的主要功能包括3个，即在遥测子台通过地震计和数据采集器将地面振动变换为数字信号；用无线数传发射机将数字信号从遥测子台可靠地传送至汇集中继系统；用太阳能或交流市电与免维护蓄电池组构成的直流电源对子台的所有设备提供不间断的电源供给。

3.1.2子台的技术系统构成与设备配置

子台是地震台网最为基础的环节，它要完成将地动信号转换成电信号进而对其数字进行编码功能。构成子台技术系统的主要设备是地震计、地震数据采集器、无线数传发射机、功率接续器(选件)、天馈线、充电控制稳压器、太阳能电池、蓄电池和避雷器等。其组成框图如图1所示。

图1　无线数字遥测地震子台构成框图

3.2中继站技术系统设计与设备配置

3.2.1方村口中继站

瀑布沟水库地震遥测台网设2个中继站，它们是方村口(兼遥测子台)和萝卜岗中继站。方村口中继站通过无线方式将库区地震数据中转到萝卜岗中继站，萝卜岗中继站再通过租用的公用电信网DDN专线将数据传回省地震局监测中心或业主的成都基地调度楼台内台网中心。若用业主建成的专用微波线路传输，则将萝卜岗中继站通过无线方式中转到方村口中继站，再中转到大坝右岸强震台进入微波开口站，经业主提供的E12048KBPS接口，将全部数据用微波中继方式传回省地震局监测中心或业主成都基地调度楼内的台网中心，如图2所示。

图2　方村口汇集中继子系统构成框图

3.2.2萝卜岗中继站

萝卜岗中继站共接收4个子台信号，分别是：垭口头、马路上、白岩、罗挖坪。萝卜岗中继站的技术系统主要由接收天线、数据接收机、数据分接器、DDN传输设备以及电源设备构成，系统构成如图3所示。在萝卜岗中继站(或台网中心兼中继站)，可与业主在萝卜岗建设的建筑同址，这样电源等辅助系统可依靠业主系统；同时待时机成熟时，可将DDN专线传输改为由乌斯河电厂——成都的业主专用微波传输，以节省DDN租线费。

3.3台网中心技术系统设计与设备配置

3.3.1地震数据处理中心的主要功能

瀑布沟数字遥测地震台网的数据收集处理子系统主要完成地震数据的监护、收集、记录和分析处理任务，包括对库区有影响的地震速报。此外该子系统还要完成台网的各种监视、检测功能，并产出各种数据报表与地震参数测定结果。

图3　萝卜岗系统构成

3.3.2台网中心技术设计

台网中心数据收集处理子系统主要完成数据收集、检查、存储与处理功能。分别由数据接收、数据记录、数据处理、数据存储与管理和专用供电设备等组成。台网中心数据收集处理系统结构如图4所示。台网中心的数据流程如图5所示。

图4　数据收集处理系统结构

图5　台网中心处理系统数据流程

图6为瀑布沟台网数据收集处理系统中的实时处理数据及功能图。图7为瀑布沟台网数据收集处理系统中的人机结合处理部分的数据流程及其功能图。图8是瀑布沟台网数据收集处理系统中的数据存贮管理部分数据流程及其功能图。

图6　实时处理数据流程及功能

图7　人机交互处理数据流程及功能

图8　数据存贮、管理部分数据流程及功能

4　瀑布沟水库诱发地震综合预测研究

水库诱发地震综合预测研究共分两个阶段完成，其主要任务是：

第一阶段：台网投入正式运行后至水库首次蓄水前，对水库台网产出的地震观测资料进行详细的本底地震分析研究，包括地震活动性、震源性质、介质状态以及与构造的关系等，积累库区及其临近区域地震活动背景资料，重点解决区域台网和水库台网资料衔接问题。通过观测获取的资料尤其结合已有地震台多年观测资料了解库区内地震活动背景情况，以及库区及邻区天然地震的活动特征；并调查工程施工期爆破、岩爆、滑坡以及其它干扰源的波形特征、出现规律和震源性质，了解水库地震与这些干扰的区分差异。

第二阶段：利用台网的观测资料数据进行水库诱发地震研究及地震活动趋势预测(预测工作是一项长期的任务)。水库诱发地震预测研究工作中，还应充分利用专业地震部门资料齐全、前兆手段丰富(本监测预测系统中未考虑建立专门前兆观测台网)的优势，综合利用各种观测资料进行水库地震的预测研究工作。大坝首次挡水第一台机组发电后至库水位达到设计蓄水位之后3～5年间甚至其后若干年内，对水库蓄水运行初期库水位上升与消落过程中，库坝区地震活动的震情与综合特征(频次、强度和能量释放、时空分布等)及外围强震的影响，进行动态实时跟踪监视与相关分析，提出瀑布沟水库诱发地震的辨识判别标志与判据，对Ms≥3级的地震，应立即进行震区的现场调查与专门研究，提交震情分析报告(包括定期分析简报)与专题报告；如发生重大震情，立即速报分析与紧急处置，并提出应急对策措施的建议，会同业主、工程总体设计单位一道，组织实施保卫大坝安全的各种应急预案措施；总结水库诱发地震监测与预测研究工作，做出初步结论，提出电厂今后监测与预测工作的建议，满足瀑布沟工程竣工安全鉴定的需要。