水工建筑物強震監(jiān)測技術(shù)

胡 曉，張艷紅，蘇克忠

（中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心，北京，100048）

1 概述

水工建筑物強震動監(jiān)測技術(shù)包括臺網(wǎng)/臺陣布置、監(jiān)測系統(tǒng)組成與技術(shù)要求、監(jiān)測儀器檢測與安裝、信息采集/傳遞/處理、信息分析/應(yīng)用、信息存儲/發(fā)布（數(shù)據(jù)庫）等內(nèi)容。強震動觀測自1932年形成一門專業(yè)以來，為促進地震工程學(xué)和強震地震學(xué)的誕生和不斷壯大起到了不可替代的關(guān)鍵作用。近20多年來，水工建筑物強震動監(jiān)測技術(shù)為水工建筑物抗震、健康診斷和地震災(zāi)害應(yīng)急決策等提供支持。水工建筑物強震動安全監(jiān)測的主要目的是利用強震加速度儀來監(jiān)測強震時地面運動的全過程及在其作用下水工建筑物的地震反應(yīng)。它不僅為確定地震烈度和抗震設(shè)計提供定量數(shù)據(jù)，而且能通過強震記錄的實時處理發(fā)出預(yù)警，根據(jù)預(yù)警等級采取有效的應(yīng)急預(yù)案，可防止水工震害的進一步擴展和次生水災(zāi)的發(fā)生。

為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國防震減災(zāi)法》和國務(wù)院令《破壞性地震應(yīng)急條例》、《水庫大壩安全管理條例》，加強我國水工建筑物強震安全監(jiān)測技術(shù)工作，減輕和防止水工震害的進一步擴展和次生水災(zāi)的發(fā)生，保護人民生命和財產(chǎn)安全，中國水利水電科學(xué)研究院負(fù)責(zé)編制了《水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，并于2009年12月1日由國家能源局發(fā)布實施。

2 水工建筑物強震監(jiān)測臺陣與臺網(wǎng)的布設(shè)

所謂強震監(jiān)測臺陣是指一個地震區(qū)中的多個臺站和各種類型臺陣的總稱。為了分析、研究地震動和水工結(jié)構(gòu)反應(yīng)，提供較完整的資料，僅靠單臺儀器記錄是不夠的，需要根據(jù)具體監(jiān)測目的去設(shè)計和布置由多臺儀器組成的儀器群才能完成。這種服務(wù)于同一監(jiān)測目的的儀器群，稱為一個監(jiān)測臺陣。

臺陣設(shè)計的目的是尋求用最低限度的測點，最合適的儀器型號，測得比較完整的、具有高精度的強震數(shù)據(jù)，即提出技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的臺陣布設(shè)方案，以達到對建筑物的安全監(jiān)測要求、滿足抗震設(shè)計的需要。它包括確定臺陣的類型和規(guī)模，給出儀器的布設(shè)方案，臺陣的設(shè)置方法，提出儀器選型的性能、儀器安裝、維護管理的具體要求。

水工結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣一般劃分為大壩地震反應(yīng)臺陣、溢洪道地震反應(yīng)臺陣、進水塔地震反應(yīng)臺陣、水閘地震反應(yīng)臺陣、渡槽地震反應(yīng)臺陣。地面運動臺陣一般分為場地效應(yīng)臺陣、地震輸入機制臺陣、砂土液化臺陣。

強震監(jiān)測臺網(wǎng)應(yīng)設(shè)在最有可能發(fā)生強震的地震危險區(qū)內(nèi)，在極震區(qū)的水工建筑物上更應(yīng)建立強震監(jiān)測系統(tǒng)。一旦發(fā)生強震，至少能有1～2個臺站取得記錄。根據(jù)我國大區(qū)域地震活動和地質(zhì)構(gòu)造的特點，我國可劃分為東北、華北、華南、新疆、青藏高原、臺灣和海南等7個地震區(qū)，27個地震帶，733個潛在震源區(qū)。要達到一旦發(fā)生強震，至少能有1～2個臺站取得記錄，全國起碼應(yīng)有400多個水工強震監(jiān)測臺站，而目前我國只有40余個臺站。我國是個多地震的國家，也是個缺少強震加速度記錄的國家，要改變這種落后狀態(tài)，需要更快建立我國的水工建筑物強震監(jiān)測臺網(wǎng)。

水工建筑物強震監(jiān)測臺網(wǎng)作為減輕地震災(zāi)害的一項重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其規(guī)模迅速擴大，功能也大大增強。利用集中密集的觀測手段建設(shè)各種專門臺陣，以開展場地影響、地形效應(yīng)、活斷層機制、地震動衰減及各類結(jié)構(gòu)健康/安全等發(fā)展強震地震學(xué)與地震工程學(xué)理論的精細觀測研究。儀器基本完成了由模擬向數(shù)字化、智能化的過渡，儀器的量程、動態(tài)范圍、分辨率、通頻帶、穩(wěn)定性等基本特性都有質(zhì)的進展。在強震儀的選型中，應(yīng)綜合考慮以下四大因素：

（1）儀器的穩(wěn)定性：儀器穩(wěn)定性好，才能保證在野外長期使用的條件下正常運行。對于新產(chǎn)品，必須經(jīng)過檢驗鑒定其各項技術(shù)指標(biāo)達到要求。

（2）儀器的高性能：高性能才能保證在任何困難條件下均能獲取記錄。儀器動態(tài)范圍和通頻帶是很重要的指標(biāo)。儀器動態(tài)范圍已由40 dB發(fā)展到120 dB，通頻帶已由0.1～15 Hz發(fā)展到0.01～80 Hz。

（3）數(shù)據(jù)處理分析的難易和速度：以強震儀的數(shù)據(jù)處理分析容易和速度快為好，目前正從脫機處理向?qū)崟r處理的方向發(fā)展。

（4）性能價格比合理。

新型數(shù)字強震儀一般采用靜態(tài)RAM存儲器存儲記錄數(shù)據(jù)，以固化軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，用軟件觸發(fā)實現(xiàn)觸發(fā)方式的多樣化。固態(tài)數(shù)字強震儀的內(nèi)存容量在不斷擴大，大大提高了儀器的記錄能力。新型數(shù)字強震儀噪聲水平很低，很多新型數(shù)字強震儀已采用24位高分辨率的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，使強震儀的動態(tài)范圍進一步增大。分辨率的提高，動態(tài)范圍的擴大（有些新型數(shù)字強震儀的動態(tài)范圍已在120 dB以上），使現(xiàn)今的數(shù)字強震儀普遍能夠記錄加速度為0.001 g以下的微小地震動到加速度為2 g的強地震動。新型固態(tài)存儲數(shù)字強震儀一般裝有GPS接收機，GPS授時的同步精度優(yōu)于1 ms，同時還可以提供臺站儀器的地理位置數(shù)據(jù)。內(nèi)部時鐘的守時精度一般均優(yōu)于10-6。高精度的絕對時間服務(wù)使數(shù)字強震儀記錄的使用價值大大提高。隨著數(shù)字通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字強震儀的通訊功能大大增強。新型數(shù)字強震儀均同時具有本地通訊和遠程通訊能力，既可以通過RS-232接口直接與微機通訊，也可以通過內(nèi)、外置MODAM和市政電話線進行遠程通訊，或通過寬帶網(wǎng)專用線進行遠程通訊。遠程通訊功能使數(shù)字強震儀的監(jiān)控、檢查和數(shù)據(jù)回收更為方便。同時，強震儀一旦觸發(fā)，能自動撥號，向觀測中心傳輸數(shù)據(jù)。另外，無線實時傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)也已應(yīng)用于強震動觀測。遠程通訊技術(shù)的發(fā)展已使實現(xiàn)近實時的或?qū)崟r的地震動強度速報成為可能，也為今后進一步發(fā)展地震預(yù)警系統(tǒng)建立了基礎(chǔ)。

強震監(jiān)測與水庫誘發(fā)地震監(jiān)測雖然都是用儀器來監(jiān)測地震，但兩者有著不同的發(fā)展史、不同的監(jiān)測目的和不同的特點。強震監(jiān)測的目的是為工程抗震設(shè)計服務(wù)，記錄建筑場地的地震動和結(jié)構(gòu)物的加速度反應(yīng)，以記錄強震和近震為主。強震監(jiān)測始于1932年，美國研制出第一臺強震儀，至今僅有70余年的歷史。水庫誘發(fā)地震監(jiān)測的目的是為地震學(xué)服務(wù)，記錄地動位移或速度，確定地震的震級、時間、地點和震源深度等參數(shù)。旨在了解地震活動性和地球內(nèi)部構(gòu)造，為預(yù)報水庫地震提供依據(jù)，以記錄弱震和遠震為主。水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)，是為預(yù)報水庫地震提供依據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，兩種監(jiān)測儀器在性能和監(jiān)測內(nèi)容上相互補充、滲透和接近。數(shù)字固態(tài)存儲記錄器的問世，實現(xiàn)了寬頻帶、大動態(tài)范圍。兩種監(jiān)測儀器均可利用，力平衡式拾震器的出現(xiàn)，也使一次儀表實現(xiàn)了寬頻帶、大動態(tài)范圍。強震加速度儀由于動態(tài)范圍大，也能記錄弱震，這些弱震資料對于研究結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征是極其寶貴的。為了便于各通道記錄進行相位對比，也采用了高精度的絕對時標(biāo)系統(tǒng)，還應(yīng)用地震位移記錄資料，研究高層的、大體積的特種結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)的變形。地震儀也實現(xiàn)了寬頻帶、大動態(tài)范圍，還應(yīng)用強震加速度記錄資料，研究震源機制中的一些動力過程。

3 水工建筑物震害等級劃分及閾值的選取

水工建筑物震害程度一般可分為無震害、輕微、嚴(yán)重、潰決四個等級。無震害相當(dāng)于建筑物在外荷載作用下的變形特性的第一階段，即比例極限階段；輕微震害相當(dāng)于建筑物在外荷載作用下的變形特性的第二階段；嚴(yán)重震害相當(dāng)于建筑物材料在外荷載作用下的變形特性的第三階段，如不及時采取應(yīng)急搶險措施，就有潰決、造成次生水災(zāi)的危險。

預(yù)警等級劃分的主要依據(jù)是建筑物的變形、震害程度，以劃分三個等級為宜：

（1）安全：即大壩一般不會出現(xiàn)震害，此時荷載與變形呈直線關(guān)系，即變形第一階段。6度地震時，混凝土壩不出現(xiàn)震害，因此當(dāng)發(fā)生小于6度的地震時，可以判斷混凝土壩為安全。小于5度地震作用時，土石壩不出現(xiàn)震害，因此當(dāng)發(fā)生小于5度的地震時，可以判斷土石壩為安全，不需要采取任何應(yīng)急措施。

（2）警惕：即大壩有可能出現(xiàn)可以修復(fù)的震害。此時相當(dāng)于建筑物在設(shè)計地震作用下的動力響應(yīng)。應(yīng)立即對水工建筑物進行全面檢查，查明震害部位、規(guī)模、輕重程度。同時，啟動水工建筑物抗震復(fù)核程序，以實際記錄的地震動加速度為輸入，結(jié)合地震時庫水位等實際參數(shù)進行計算，分析震害原因，為制定修復(fù)方案提供依據(jù)。

（3）危險：即大壩有可能出現(xiàn)嚴(yán)重震害。此時，建筑物遭受超出設(shè)計地震作用的動力響應(yīng)階段。若不及時啟動應(yīng)急搶險措施，有發(fā)展到造成次生水災(zāi)的危險。此時應(yīng)迅速查明水工建筑物震害，判斷危害程度，做出應(yīng)急決策。如進行緊急加固，打開閘門放水至安全水位等。若有垮壩可能，應(yīng)及時通知下游人民轉(zhuǎn)移到安全地帶。

4 強震監(jiān)測技術(shù)規(guī)范編制原則與框架

依據(jù)國家發(fā)展改革委員會辦公廳《關(guān)于下達2005年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項目計劃的通知》（發(fā)改辦工業(yè)〔2005〕739號）的要求編制了水工建筑物強震監(jiān)測技術(shù)規(guī)范。編寫主要本著正確、準(zhǔn)確、簡明、和諧、統(tǒng)一的原則，貫徹執(zhí)行國家、行業(yè)的有關(guān)法律、法規(guī)和方針、政策，總結(jié)我國40多年來水工建筑物強震安全監(jiān)測技術(shù)工作的經(jīng)驗，吸收近年來經(jīng)過鑒定或?qū)嵺`檢驗的科研成果，從我國國情出發(fā)，有分析地參照國外先進經(jīng)驗，協(xié)調(diào)與地震、建筑等部門和水利、電力現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

本標(biāo)準(zhǔn)共9章和10個附錄，主要技術(shù)內(nèi)容有：

（1）范圍；

（2）規(guī)范性引用文件；

（3）總則；

（4）術(shù)語與定義；

（5）監(jiān)測臺陣布置；

（6）監(jiān)測系統(tǒng)組成與技術(shù)要求；

（7）監(jiān)測系統(tǒng)的測試、安裝與驗收；

（8）監(jiān)測系統(tǒng)的管理與維護；

（9）加速度記錄的處理分析。

5 大壩強震安全監(jiān)測臺陣設(shè)計與安裝實例分析

為了結(jié)合強震監(jiān)測規(guī)范宣貫實施，針對典型的新疆克孜爾大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的實例進行分析?？俗螤査畮煳挥谛陆S吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，壩址在木扎提河與支流克孜爾河的匯合處，西距拜城縣約60 km，東距庫車約70 km，是一座以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游開發(fā)等綜合效益的大型水利樞紐工程。流域面積為17 000 km2，水庫總庫容6.4億m3。主壩最大壩高45.1 m，壩長972.8 m，系黏土心墻砂礫料壩?？俗螤査畮旃こ虆^(qū)位于塔里木中-新生代盆地北緣與天山隆起南麓接壤的構(gòu)造邊緣地帶，有較大的活斷層發(fā)育，現(xiàn)今構(gòu)造運動強烈。F2克孜爾活斷層長度約110 km，屬逆掩兼走滑性質(zhì)，橫穿主、副壩之間。在活斷層上筑壩在我國尚屬首例?？俗螤査畮靺^(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，壩區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)土石壩筑在活斷層上的特點，克孜爾水庫應(yīng)建立兩個密切相關(guān)的臺陣，即局部場地效應(yīng)臺陣和土石壩地震反應(yīng)臺陣。

局部場地效應(yīng)臺陣，主要用于監(jiān)測建筑場地局部地形、土質(zhì)巖性、構(gòu)造斷層變化而引起的地震動變化。為此，設(shè)計在右岸壩肩基巖布置了測點3-2，在主壩壩基基巖布置了深孔測點2-4，在主壩壩基砂礫石層布置了測點2-3，在主、副壩間基巖的斷層F2上布置了測點1-1。測點3-2與測點2-4記錄對比可看出地形影響，測點2-4與測點2-3記錄對比可看出土質(zhì)巖性影響，測點2-4與測點1-1記錄對比可看出活斷層F2影響。

土石壩地震反應(yīng)臺陣，集中布置在主壩最高擋水壩段樁號0+180斷面上，沿不同高程分布。包括在主壩壩基基巖布置了深孔測點2-4，在主壩壩基砂礫石層布置了測點2-3，在主壩壩坡布置了測點2-2，在主壩壩頂布置了測點2-1，可全面了解地震波從基巖通過覆蓋層在壩體不同高程上的反應(yīng)。另外，在易于發(fā)生地震縱向裂縫的壩頭附近布置了2個測點，即：主壩右壩頭附近布置了測點3-1，副壩右壩頭附近布置了測點1-2。

局部場地效應(yīng)臺陣和土石壩地震反應(yīng)臺陣共計布置了8個測點，每個測點都有南北向、東西向、豎向三個方向，總共24個通道。具體位置參見圖1。

克孜爾大壩強震安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大部分組成：即拾震系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。為了保護加速度計，兼使環(huán)境溫度不低于儀器要求，在觀測墩外建起2 m×2 m×2 m的小屋，屋內(nèi)還設(shè)有取暖設(shè)備。SBEPI淺井?dāng)[的安裝比較復(fù)雜，雖然淺井?dāng)[密封、防水性能較好，但井孔仍以無水更保險。施工中，首先以115 mm孔徑，鉆孔深41.75 m，用鋼套管將孔內(nèi)雜物和積水清理干凈后，再把管底封堵1 m，凈孔測深為39.95 m。在孔內(nèi)全部安裝內(nèi)徑為100 mm的PVC（國標(biāo)）套管，PVC套管兩端采用橡膠圈防水，并用鐵絲捆扎后再用專用膠封堵防水。淺井?dāng)[用繩吊入孔底，以測最大波速來確定南北和東西向，然后填充砂粒將淺井?dāng)[與PVC套管之間固定。若淺井?dāng)[以后發(fā)生故障，還可提出井孔，檢修好后再重新安裝。為了防止K2型數(shù)字固態(tài)強震加速度儀被雷擊，在強震加速度儀與各通道導(dǎo)線之間安有防雷器。

克孜爾大壩強震安全監(jiān)測系統(tǒng)建成以后，記錄到了附近發(fā)生的所有地震在壩體上的響應(yīng)，表1給出了克孜爾大壩強震監(jiān)測臺陣實際記錄到的地震示例，這次地震發(fā)生時間是2012年11月12日。圖2、圖3則給出了這次地震的加速度時程以及相應(yīng)的反應(yīng)譜曲線。

6 結(jié)論與建議

（1）通過總結(jié)我國40多年來水工建筑物強震安全監(jiān)測技術(shù)工作的經(jīng)驗，吸收近年來經(jīng)過鑒定或?qū)嵺`檢驗的科研成果，從我國國情出發(fā)，有分析地參照國外先進經(jīng)驗，協(xié)調(diào)與地震、建筑等部門和水利、電力現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5416-2009《水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》已于2009年12月1日頒布實施。

表1 克孜爾大壩強震監(jiān)測臺陣實際記錄到的地震示例（觸發(fā)時間：2012年11月12日06∶59∶21）Table 1 An earthquake recorded by the earthquake monitoring system of Kezier dam

圖2 克孜爾強震監(jiān)測系統(tǒng)取得的一次地震加速度時程實例Fig.2 An earthquake acceleration process recorded by the earthquake monitoring system of Kezier dam

圖3 克孜爾強震監(jiān)測系統(tǒng)取得的一次地震反應(yīng)譜曲線Fig.3 An earthquake acceleration response spectrum recorded by the earthquake monitoring system of Kezier dam

（2）按照規(guī)范的適用范圍——水電水利工程的1、2級水工建筑物，我國約有300余座，西部流域近期擬開發(fā)的梯級電站，可由流域機構(gòu)提前建場地效應(yīng)臺陣，總共即可接近400個臺站，全部完成后基本上可滿足全國建成水工建筑物強震安全監(jiān)測臺網(wǎng)的要求。

（3）最新一代的數(shù)字強震動加速度儀均有遠程傳輸設(shè)備，建議建立強震安全監(jiān)測中心，實現(xiàn)快速顯示強震記錄和預(yù)警等級，便于指揮應(yīng)急措施。

（4）建議選擇在地震烈度高、頻度高的西南、西北地區(qū)，結(jié)合重大水利水電工程的建設(shè)需要，建立水工建筑物強震安全監(jiān)測的試驗場，研究強震動輸入機制等水工抗震課題。

（5）進一步研究水工建筑物地震快速反應(yīng)、震害評估、應(yīng)急決策及結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測技術(shù)體系。加強國內(nèi)外技術(shù)交流、合作，充實監(jiān)測專業(yè)技術(shù)隊伍。

（6）克孜爾大壩強震動安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理、建設(shè)質(zhì)量好、管理規(guī)范，運行以來記錄到了附近發(fā)生所有的大小地震，取得了良好的效果。

[1]DL/T 5416-2009,水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[2]SL 486-2011,水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[3]蘇克忠,張力飛,邢國良.我國強震動觀測的回顧、現(xiàn)況與展望[R].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,2009.

[4]胡曉,張艷紅,鐘菊芳,等.科學(xué)技術(shù)部社會公益重點項目“中國重要大壩強震監(jiān)測與地震動輸入機制研究”[R].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,2005.

[5]SL 516-2013,水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[6]張艷紅,胡曉,邢國良,等.水工建筑物強震動監(jiān)測技術(shù)研究[R].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,2006.

[7]郭明珠,楊畢康,邢國良,等.二灘拱壩強震臺陣記錄的四川普格加速度記錄[J].地震工程與工程振動,2002,22(6):12-17.