強震觀測在小浪底水利樞紐大壩監(jiān)測中的應用

張 凡,閆俊崗,李 銳,王 翔,王丹娜

(1.小浪底水力發(fā)電廠,河南濟源 454681;

2.河北省地震局邯鄲中心臺,邯鄲 056006;

3.小浪底水利樞紐建設管理局,河南鄭州 450000;

4.小浪底工程咨詢公司,河南洛陽 471000)

強震觀測在小浪底水利樞紐大壩監(jiān)測中的應用

張 凡1,閆俊崗2,李 銳3,王 翔4,王丹娜4

(1.小浪底水力發(fā)電廠,河南濟源 454681;

2.河北省地震局邯鄲中心臺,邯鄲 056006;

3.小浪底水利樞紐建設管理局,河南鄭州 450000;

4.小浪底工程咨詢公司,河南洛陽 471000)

文章結合小浪底水利樞紐的實際情況,就強震觀測系統(tǒng)在小浪底大壩監(jiān)測中的應用,從系統(tǒng)的設計、臺站構成以及正常運行情況做了詳細介紹,可為其它同類大壩的強震監(jiān)測設計提供直接依據(jù)。

大壩;強震觀測;加速度計;反應譜

0 引言

黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽市以北40km的黃河干流上,壩型為斜心墻堆石壩,壩頂長1317m,最大壩高 154m,總庫容 126.5億m3,發(fā)電裝機180萬kW,是一座以防洪、防凌、減淤為主,兼顧供水、灌溉、發(fā)電的特大型水利工程。該工程于1991年開始前期工程,1994年主體工程動工,1997年10月截流,圍堰上游水位基本維持天然狀態(tài);1999年 10月第 1次蓄水,庫水位最高達235m高程,壩前水深約100m;同年年底第1臺機組發(fā)電,2001年主體工程竣工。

1 庫區(qū)地質(zhì)結構與地震活動

小浪底庫區(qū)西接汾渭盆地,東臨華北平原,屬典型的華北型地層區(qū)。大地構造上按槽臺學說,研究區(qū)位于中朝準地臺南部,與秦嶺褶皺系相連;按地質(zhì)力學觀點,本區(qū)處于秦嶺東西向構造帶、祁呂賀山字形構造及太行山新華夏系三大構造體系的交接部位;而按斷塊構造觀點,受華北斷塊南緣的二級構造豫皖斷塊西北邊界的汾渭斷陷帶以及太行斷塊與冀魯斷塊分界的太行山前斷裂帶控制[1]。

小浪底水庫及鄰區(qū)的天然地震活動相對較弱。歷史最大地震為1965年1月13日發(fā)生在山西垣曲的Ms5.5級地震,震中位于壩址以西約70km,震中烈度Ⅶ度。

2 強震觀測系統(tǒng)

大壩強震監(jiān)測是一項專業(yè)性很強的技術工作,其最終目的是回答地震發(fā)生后大壩結構的安全問題,它涉及對地震信號的采集、處理、波形分析及對大壩結構進行安全分析與評估等一系列技術工作。大壩是次生災害源,為了減輕或防止地震次生水災的發(fā)生,預先布置強震安全監(jiān)測臺陣,及時發(fā)出大壩震害預警,采取相應的應急預案,是非常必要和非常有效的[2]。小浪底水利樞紐強震監(jiān)測系統(tǒng)由河北省工程地震勘察研究院設計施工,于2009年1月順利通過驗收。

2.1 系統(tǒng)構成

小浪底大壩屬大型的土石壩,由于土是一種具有非線性力學性能的材料,因此對壩體的地震反應觀測最好能直接測量它的地震應變與應力過程,但是目前要直接觀測壩體內(nèi)部的應力和變形情況在技術上還比較困難,壩體的反應特征主要還是通過測量壩體的加速度反應來獲取。

小浪底強震監(jiān)測系統(tǒng)設計的目的是通過對大壩各測點的地震監(jiān)測,及時準確地捕捉并再現(xiàn)地震發(fā)生時的數(shù)據(jù)資料和信息,利用實際的地震信號對大壩結構進行強震反應分析。此外,有關土壩的地震分析研究已經(jīng)表明,對壩體影響最大的振動主要是垂直壩軸方向的水平振動,其次是豎向振動,因此在實際觀測中應該首先注意對這2個方向的振動測量[3]。為此,小浪底大壩的強震觀測包括大壩監(jiān)測點5個,進水塔3個,左岸山體2個,同時考慮到強震的遠場效應,特在黃河兩岸建設了2個自由場強震臺。本臺網(wǎng)全部采用三分量強震儀,共有12個監(jiān)測點36個測量通道,具體分布詳見圖1。具體的系統(tǒng)構成見圖2。

圖1 大壩強震觀測點分布圖

圖2 小浪底水利樞紐強震監(jiān)測系統(tǒng)構成框圖

2.2 強震臺站

強震臺站配備北京港震公司生產(chǎn)的BBAS-2加速度計、EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器,通過自建光纖鏈路傳輸。所有強震臺站均采用交流供電方式。臺站技術系統(tǒng)構成見圖3。加速度計主要技術指標見表1。

圖3 強震臺站技術系統(tǒng)構成圖

表1 BBAS-2加速度計主要技術指標

3 數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)出

小浪底強震監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用北京港震公司開發(fā)的強震監(jiān)測系統(tǒng),包括 GSMA-RTS強震數(shù)據(jù)實時處理和 GSMA-IAS強震數(shù)據(jù)分析2套軟件包。GSMA-RTS強震數(shù)據(jù)實時處理安裝在服務器上,可以實時接收12個強震臺站的數(shù)字地動信號,以小時為單位存儲連續(xù)波形數(shù)據(jù),對指定的文件目錄按時間和磁盤空間2種管理策略進行磁盤空間維護,自動刪除過期文件。系統(tǒng)對數(shù)字信號進行地震事件檢測,自動生成全部臺站的事件波形文件,自動觸發(fā)報警。對觸發(fā)臺站自動計算參考烈度值,生成處理報告。GSMA-IAS強震數(shù)據(jù)分析軟件安裝在客戶端工作站,可以實時處理系統(tǒng)檢測到的強震事件,進行人機交互處理,計算加速度、速度、位移的傅氏譜和功率譜;計算反應譜、三聯(lián)反應譜;計算參考烈度值;繪制峰值-高程分布圖。

2009年12月20日22時21分(北京時間)發(fā)生在河南省修武、獲嘉、武陟三縣交界(北緯35.20°,東經(jīng)113.50°)的 ML4.1級地震(距離小浪底大壩約110km)的加速度時程曲線(圖4)、傅氏譜圖(圖5)和反應譜圖(圖6)。

4 結語

小浪底水利樞紐強震臺網(wǎng)的建成,可以在強震發(fā)生后短時間內(nèi)獲取強震動加速度記錄,記錄壩體不同部位的地震反應過程。利用這些強震動記錄可以研究大壩結構和場地條件對地震動的影響、確定地震動衰減規(guī)律,為震后判定大壩建筑物的安全性和修復提供基礎性技術數(shù)據(jù)。同時,可以積累豐富的大壩強震數(shù)據(jù),為同類大壩的抗震設計和相關地震工程的發(fā)展積累基礎資料。

圖4 加速度時程圖

圖5 傅氏譜圖

圖6 反應譜圖

[1] 郭永剛,蘇克忠,常廷改,等.大壩強震監(jiān)測與震害預警問題的探討[J].大壩與安全,2006,(2):7-10.

[2] 蘇克忠,張力飛,朱栗武,等.大壩強震安全監(jiān)測[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

[3] 謝禮立,于雙久,王曉春,等.強震觀測與分析原理[M].北京:地震出版社,1982.

Strong Earthquake Monitoring at Xiaolangdi Hydro Dam

ZHANGfan1,YAN Jun-gang2,LI Rui3,WANG Xiang4,WAN G Dan-na4
(1.Xiaolangdi Hydropower Plant,Jiyuan 454681,China;
2.Central Seismostation of Handan,Handan 056006,China;
3.Construction and Management Bureau of Xiaolangdi Hydropower Project,zhengzhou 450000,china;
4.Xiaolangdi Engineering Consulting Company Ltd.,Luoyang 471000,China)

In this paper,the application of strong earthquake monitoring system on the Xiaolangdi hydrojunction dam are introduced in detail along with the actual situation of the Xiaolangdi hydro-junction dam,including the designing of system,stations included and normal operating of the system.The system may be a useful reference for strong earthquake monitoring of other similar hydro-junction dam.

dam;strong earthquake monitoring;accelerometer;response spectrum

P315.61

A

1003-1375(2010)04-0057-03

2010-03-08

張凡(1983-),女(漢族),河南鄭州人,小浪底水力發(fā)電廠助理工程師,現(xiàn)主要從事水庫的安全監(jiān)測工作.E-mail:zhangfan@xiaolangdi.com.cn