瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)總體設計

謝劍明，王能峰, 饒文松

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072；2.四川省地震局，四川 成都　610072)

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瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)總體設計

謝劍明1，王能峰1, 饒文松2

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072；2.四川省地震局，四川 成都610072)

鑒于防震減災和水電工程安全的需要，對于大型水電工程，除必須進行工程場地地震安全性評價和防震抗震設計外，還應開展水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測和預測研究。本文以瀑布溝水庫為例，概述水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)的總體設計。

瀑布溝；水庫誘發(fā)地震；監(jiān)測；預測；總體設計

1　水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)的必要性

瀑布溝水庫庫壩區(qū)具備孕育水庫誘發(fā)地震的條件，又是典型的高壩大庫。為了工程的安全施工和電站、水庫的安全運行，應對水庫蓄水后可能誘發(fā)的中強地震進行有效監(jiān)測和預測。瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)工程，可以為業(yè)主和政府提供重要的防震減災決策依據(jù)，制定應急預案，可提高庫壩區(qū)的防震減災能力。

2　數(shù)字遙測臺網(wǎng)總體設計

2.1基本監(jiān)測目標

瀑布溝水電站工程區(qū)外圍有幾條強地震發(fā)生帶，如鮮水河地震帶、安寧河地震帶、馬邊—昭通地震帶和龍門山地震帶。從深部構造看，這些地震帶都深切地殼。瀑布溝所在的位置，就位于由這些地震帶所圍限出的一個由前震旦紀和震旦紀的巖系構成的一個近東西向古老隆起的地塊上。

瀑布溝水庫地震遙測數(shù)字臺網(wǎng)監(jiān)測的重點是壩址區(qū)、庫區(qū)首段(該區(qū)域緊鄰順河、漢源—昭覺斷裂)和庫區(qū)中段(該區(qū)域被金坪斷裂、漢源—昭覺斷裂按北東走向分割)。臺網(wǎng)子臺的布設應較為均勻的展布在這兩個重點監(jiān)視區(qū)中，以便在兩區(qū)域中有較高的定位精度和較低的震級下限，基本監(jiān)測目標是上述兩區(qū)域的ML0.5級以上地震。

2.2數(shù)字遙測臺網(wǎng)工程的組成

瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)，由水庫地震數(shù)字遙測臺網(wǎng)和水庫地震綜合預測研究兩大部分組成。其中地震數(shù)字遙測臺網(wǎng)，為水利水電工程專用永久固定臺網(wǎng)，重點監(jiān)測與大壩、庫中段和工程場地安全有關的Ms5.0級以下的地震活動，即監(jiān)測工程區(qū)內(nèi)圍堰擋水前和水庫蓄水前的天然本底地震活動背景，分析研究其特性；圍堰擋水和水庫蓄水后，監(jiān)測分析其地震活動性的變化，進行天然本底地震與水庫誘發(fā)地震的判別，以便對可能的水庫誘發(fā)地震危險性進行預測預報，一旦發(fā)生水庫誘發(fā)地震或受到外圍強震的波及影響，即據(jù)監(jiān)測預測成果和應急預案，采取合理的對策與抗震應急措施，為工程的安全施工、正常運行和防震減災服務提供保障，確保大壩與水庫的安全和水庫地震震中區(qū)人民生命財產(chǎn)的安全。對庫壩區(qū)影響較小的外圍天然地震潛在震源區(qū)的中強震、強震活動(特別是Ms6級以上的強震、7級以上的大震)，則由地震專業(yè)部門監(jiān)測監(jiān)視，以國家地震臺網(wǎng)所提供的監(jiān)測資料為主，進行外圍強震對工程區(qū)波及影響的分析研究與可能災害的預測評估。

2.3遙測臺網(wǎng)設計的技術路線與技術系統(tǒng)

瀑布溝水庫誘發(fā)地震遙測臺網(wǎng)各子臺均采用技術先進的24 bit的數(shù)字遙測技術系統(tǒng)。根據(jù)瀑布溝庫壩區(qū)的交通、地形、地物地貌和通信條件，臺網(wǎng)遙測采用具有組網(wǎng)靈活優(yōu)點的超短波無線組網(wǎng)。

瀑布溝水庫數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的技術系統(tǒng)由地震無線遙測子系統(tǒng)、地震數(shù)據(jù)匯集中繼子系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)三個主要部分組成。地震遙測子系統(tǒng)安裝于野外的遙測子臺。地震數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)則安裝于臺網(wǎng)分析預測中心(以下簡稱“臺網(wǎng)中心”)。兩個子系統(tǒng)之間通過地震數(shù)據(jù)匯集中繼子系統(tǒng)(子臺數(shù)據(jù)盡可能直傳)實現(xiàn)有機鏈接完成地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、傳輸、收集和處理。

2.4遙測臺網(wǎng)布設原則與監(jiān)測能力確定

瀑布溝水電站水庫地震遙測臺網(wǎng)為專用小孔徑密集遙測臺網(wǎng)，重點監(jiān)測大壩(包括壩后)、庫首、特別是水庫誘發(fā)地震潛在危險性更大的庫中段；對庫尾居民集中的石棉縣城附近地區(qū)，亦設臺監(jiān)視。庫區(qū)外圍的地震特別是中、強震，由國家地震臺網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)視。

2.5遙測臺網(wǎng)主要技術指標

數(shù)據(jù)處理中心實際上是一個以計算機及其網(wǎng)絡系統(tǒng)為硬件核心，配以功能強大的軟件系統(tǒng)，對地震信息數(shù)據(jù)進行收發(fā)、保存、實時和非實時的處理系統(tǒng)(局域網(wǎng)100M傳輸速率、前臺機工業(yè)級P41.0G以上、后臺機商用級P42.4G以上等)。

2.6遙測臺網(wǎng)規(guī)模和布局

參照SL245—1999的規(guī)定，并參考國內(nèi)二灘、小浪底、三峽等水庫地震遙測臺網(wǎng)的監(jiān)測能力要求，以及瀑布溝水電站水庫誘發(fā)地震監(jiān)測的目的，設計瀑布溝水庫地震數(shù)字遙測臺網(wǎng)的微震監(jiān)測能力，為網(wǎng)內(nèi)(即重點監(jiān)視區(qū)大壩至漢源庫段)不漏測ML≥0.5級地震，按此要求和可能得到的臺基振動噪聲干擾水平、預測的水庫誘發(fā)地震危險區(qū)的范圍與分布，臺網(wǎng)設計規(guī)模為布設12個高增益固定子臺和2個低增益固定子臺。

漢源—昭覺斷裂與金坪斷裂是控制水庫誘發(fā)地震的關鍵性斷裂，此外，漢源—昭覺斷裂與順河斷裂交匯處唐家附近、漢源—昭覺斷裂的分叉點片馬與黑馬一帶、巖岱以北的金坪斷裂與漢源—昭覺斷裂交匯處附近和庫尾的石棉斷裂，也是可能的誘震震中。因此，臺網(wǎng)布局主要圍繞這些斷裂展布。

3　數(shù)字遙測臺網(wǎng)技術系統(tǒng)設計

3.1子臺技術系統(tǒng)設計與設備配置

3.1.1遙測子臺的主要功能

遙測子臺的主要功能包括3個，即在遙測子臺通過地震計和數(shù)據(jù)采集器將地面振動變換為數(shù)字信號；用無線數(shù)傳發(fā)射機將數(shù)字信號從遙測子臺可靠地傳送至匯集中繼系統(tǒng)；用太陽能或交流市電與免維護蓄電池組構成的直流電源對子臺的所有設備提供不間斷的電源供給。

3.1.2子臺的技術系統(tǒng)構成與設備配置

子臺是地震臺網(wǎng)最為基礎的環(huán)節(jié)，它要完成將地動信號轉換成電信號進而對其數(shù)字進行編碼功能。構成子臺技術系統(tǒng)的主要設備是地震計、地震數(shù)據(jù)采集器、無線數(shù)傳發(fā)射機、功率接續(xù)器(選件)、天饋線、充電控制穩(wěn)壓器、太陽能電池、蓄電池和避雷器等。其組成框圖如圖1所示。

圖1　無線數(shù)字遙測地震子臺構成框圖

3.2中繼站技術系統(tǒng)設計與設備配置

3.2.1方村口中繼站

瀑布溝水庫地震遙測臺網(wǎng)設2個中繼站，它們是方村口(兼遙測子臺)和蘿卜崗中繼站。方村口中繼站通過無線方式將庫區(qū)地震數(shù)據(jù)中轉到蘿卜崗中繼站，蘿卜崗中繼站再通過租用的公用電信網(wǎng)DDN專線將數(shù)據(jù)傳回省地震局監(jiān)測中心或業(yè)主的成都基地調(diào)度樓臺內(nèi)臺網(wǎng)中心。若用業(yè)主建成的專用微波線路傳輸，則將蘿卜崗中繼站通過無線方式中轉到方村口中繼站，再中轉到大壩右岸強震臺進入微波開口站，經(jīng)業(yè)主提供的E12048KBPS接口，將全部數(shù)據(jù)用微波中繼方式傳回省地震局監(jiān)測中心或業(yè)主成都基地調(diào)度樓內(nèi)的臺網(wǎng)中心，如圖2所示。

圖2　方村口匯集中繼子系統(tǒng)構成框圖

3.2.2蘿卜崗中繼站

蘿卜崗中繼站共接收4個子臺信號，分別是：埡口頭、馬路上、白巖、羅挖坪。蘿卜崗中繼站的技術系統(tǒng)主要由接收天線、數(shù)據(jù)接收機、數(shù)據(jù)分接器、DDN傳輸設備以及電源設備構成，系統(tǒng)構成如圖3所示。在蘿卜崗中繼站(或臺網(wǎng)中心兼中繼站)，可與業(yè)主在蘿卜崗建設的建筑同址，這樣電源等輔助系統(tǒng)可依靠業(yè)主系統(tǒng)；同時待時機成熟時，可將DDN專線傳輸改為由烏斯河電廠——成都的業(yè)主專用微波傳輸，以節(jié)省DDN租線費。

3.3臺網(wǎng)中心技術系統(tǒng)設計與設備配置

3.3.1地震數(shù)據(jù)處理中心的主要功能

瀑布溝數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)主要完成地震數(shù)據(jù)的監(jiān)護、收集、記錄和分析處理任務，包括對庫區(qū)有影響的地震速報。此外該子系統(tǒng)還要完成臺網(wǎng)的各種監(jiān)視、檢測功能，并產(chǎn)出各種數(shù)據(jù)報表與地震參數(shù)測定結果。

圖3　蘿卜崗系統(tǒng)構成

3.3.2臺網(wǎng)中心技術設計

臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)收集、檢查、存儲與處理功能。分別由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲與管理和專用供電設備等組成。臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)結構如圖4所示。臺網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖4　數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)結構

圖5　臺網(wǎng)中心處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖6為瀑布溝臺網(wǎng)數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)中的實時處理數(shù)據(jù)及功能圖。圖7為瀑布溝臺網(wǎng)數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)中的人機結合處理部分的數(shù)據(jù)流程及其功能圖。圖8是瀑布溝臺網(wǎng)數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存貯管理部分數(shù)據(jù)流程及其功能圖。

圖6　實時處理數(shù)據(jù)流程及功能

圖7　人機交互處理數(shù)據(jù)流程及功能

圖8　數(shù)據(jù)存貯、管理部分數(shù)據(jù)流程及功能

4　瀑布溝水庫誘發(fā)地震綜合預測研究

水庫誘發(fā)地震綜合預測研究共分兩個階段完成，其主要任務是：

第一階段：臺網(wǎng)投入正式運行后至水庫首次蓄水前，對水庫臺網(wǎng)產(chǎn)出的地震觀測資料進行詳細的本底地震分析研究，包括地震活動性、震源性質、介質狀態(tài)以及與構造的關系等，積累庫區(qū)及其臨近區(qū)域地震活動背景資料，重點解決區(qū)域臺網(wǎng)和水庫臺網(wǎng)資料銜接問題。通過觀測獲取的資料尤其結合已有地震臺多年觀測資料了解庫區(qū)內(nèi)地震活動背景情況，以及庫區(qū)及鄰區(qū)天然地震的活動特征；并調(diào)查工程施工期爆破、巖爆、滑坡以及其它干擾源的波形特征、出現(xiàn)規(guī)律和震源性質，了解水庫地震與這些干擾的區(qū)分差異。

第二階段：利用臺網(wǎng)的觀測資料數(shù)據(jù)進行水庫誘發(fā)地震研究及地震活動趨勢預測(預測工作是一項長期的任務)。水庫誘發(fā)地震預測研究工作中，還應充分利用專業(yè)地震部門資料齊全、前兆手段豐富(本監(jiān)測預測系統(tǒng)中未考慮建立專門前兆觀測臺網(wǎng))的優(yōu)勢，綜合利用各種觀測資料進行水庫地震的預測研究工作。大壩首次擋水第一臺機組發(fā)電后至庫水位達到設計蓄水位之后3～5年間甚至其后若干年內(nèi)，對水庫蓄水運行初期庫水位上升與消落過程中，庫壩區(qū)地震活動的震情與綜合特征(頻次、強度和能量釋放、時空分布等)及外圍強震的影響，進行動態(tài)實時跟蹤監(jiān)視與相關分析，提出瀑布溝水庫誘發(fā)地震的辨識判別標志與判據(jù)，對Ms≥3級的地震，應立即進行震區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查與專門研究，提交震情分析報告(包括定期分析簡報)與專題報告；如發(fā)生重大震情，立即速報分析與緊急處置，并提出應急對策措施的建議，會同業(yè)主、工程總體設計單位一道，組織實施保衛(wèi)大壩安全的各種應急預案措施；總結水庫誘發(fā)地震監(jiān)測與預測研究工作，做出初步結論，提出電廠今后監(jiān)測與預測工作的建議，滿足瀑布溝工程竣工安全鑒定的需要。

5　結　　語

(1)瀑布溝水庫地震遙測數(shù)字臺網(wǎng)監(jiān)測的重點是壩址區(qū)、庫區(qū)首段和庫區(qū)中段。監(jiān)測目標是ML0.5級以上地震。

(2)瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)，由水庫地震數(shù)字遙測臺網(wǎng)和水庫地震綜合預測研究兩大部分組成。水庫數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的技術系統(tǒng)由無線遙測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)匯集中繼子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集處理子系統(tǒng)三個主要部分組成。

(3)水庫誘發(fā)地震綜合預測研究共分兩個階段完成，即第一階段本底地震分析研究階段，第二階段為水庫誘發(fā)地震研究和地震活動趨勢預測階段。

[1]何朝新，等.瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)總體設計報告[R].成都：國家電力公司成都勘測設計研究院，四川省地震局，2004：1-29.

2015-06-29

謝劍明(1977-)，男，湖北京山人，高級工程師，從事水電工程地質勘察工作。

TV62+2,P315.728

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1003-9805(2016)03-0076-04