李 黎
(國(guó)投云南大朝山水電有限公司,云南省昆明市 650213)
大朝山電站庫(kù)壩區(qū)內(nèi)無發(fā)震大構(gòu)造通過,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好,地震影響主要來自周邊的瀾滄7.5級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)、耿馬7.0級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)、景東6.0級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)和距大壩僅5km的大寨6.0級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)。由于壩區(qū)不具備發(fā)生6.0級(jí)及以上地震條件,基本烈度定為Ⅶ度,設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度,抗震設(shè)防類別為甲類,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為100年期限內(nèi)超越概率為2%的基巖水平峰值加速度[1]。根據(jù)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所2008年最新調(diào)查成果,工程場(chǎng)地壩址100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度為0.269g,豎向設(shè)計(jì)加速度代表值為水平向的2/3,即0.179g[2]。
水庫(kù)2001年蓄水后,庫(kù)區(qū)10km范圍內(nèi)微震活動(dòng)頻度隨水位上升而增加,小震開始密集,水位到達(dá)最高并穩(wěn)定后,于11月26日在庫(kù)區(qū)10km范圍內(nèi)發(fā)生2.6級(jí)地震,2003年3月12日又發(fā)生3.6級(jí)地震。通過對(duì)庫(kù)區(qū)周圍地震活動(dòng)情況分析,認(rèn)為可能存在庫(kù)區(qū)誘發(fā)地震對(duì)外圍地震的誘發(fā)關(guān)系[3]。為監(jiān)測(cè)水庫(kù)誘發(fā)地震的發(fā)展趨勢(shì),已在庫(kù)區(qū)建立了地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),而建立大壩強(qiáng)震系統(tǒng)是為監(jiān)測(cè)天然地震和水庫(kù)誘發(fā)地震作用下壩體的動(dòng)力反應(yīng),并及時(shí)為大壩的地震安全報(bào)警提供基礎(chǔ)資料,達(dá)到減輕和防止大壩震害的進(jìn)一步擴(kuò)展和次生災(zāi)害的發(fā)生,保證人員和設(shè)施安全的目的。
大朝山水電站位于云南省臨滄市云縣和普洱市景東彝族自治縣交界的瀾滄江中下游干流上,攔河壩為碾壓混凝土重力壩,為1級(jí)建筑物,按500年一遇洪水設(shè)計(jì),5000年一遇洪水校核,壩頂高程906m,最大壩高111m,壩頂總長(zhǎng)460.39m,水庫(kù)正常蓄水位899.0m,總庫(kù)容9.4億m3。攔河壩為折線形布置(見圖1),河床壩段軸線方位角N55°W,進(jìn)水口壩段軸線方位角N75°W,兩軸線夾角130°。大壩共23個(gè)壩段,其中,3~8號(hào)壩段為機(jī)組進(jìn)水口壩段,9號(hào)壩段位于壩軸線轉(zhuǎn)折處,為楔形體壩段,10~17號(hào)壩段為河床壩段,13號(hào)壩段為最高壩段。
圖1 大朝山水電站大壩布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of dam layout of Dachaoshan hydropower station
大朝山電站庫(kù)壩區(qū)位于橫斷山脈南段,屬滇西縱谷山原區(qū)的永平~思茅中山峽谷地貌亞區(qū),在大地構(gòu)造單元上屬滇西經(jīng)向構(gòu)造體系,主體由瀾滄江褶斷帶和云縣~臨滄花崗巖體組成,瀾滄江復(fù)背斜軸跡與瀾滄江河谷近于一致,主要斷裂自西向東有:南汀河、大寨河、拿魚河、忙亞和瀾滄江等斷裂呈經(jīng)向展布。
大朝山大壩強(qiáng)震系統(tǒng)始建于2002年,系統(tǒng)由1個(gè)中心、3個(gè)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)自由場(chǎng)組成。采集儀為模擬數(shù)字磁帶記錄式地震采集儀,監(jiān)測(cè)斷面只設(shè)在大壩最高13號(hào)壩段,測(cè)點(diǎn)分別位設(shè)于13號(hào)壩段的壩頂、871m廊道和800m廊道,自由場(chǎng)設(shè)于左岸906m平洞壩左0+336.00處,其中壩體部位布設(shè)的測(cè)點(diǎn)是求其動(dòng)力放大系數(shù),平洞布設(shè)的測(cè)點(diǎn)是求其地震輸入,每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄順河向、橫河向、豎向3個(gè)分量的運(yùn)動(dòng)。
原強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是施工期安裝的,記錄方式(磁帶)落后,工作可靠性差,自動(dòng)化程度低,投運(yùn)初期強(qiáng)震記錄就不完整,不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。按照規(guī)范[4]有關(guān)規(guī)定,以及大壩動(dòng)力分析研究報(bào)告和大壩安全定檢相關(guān)意見,需要對(duì)大朝山水電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造,以滿足大壩安全管理的要求。
(1)加速度儀選型既要滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,又要考慮其實(shí)際應(yīng)用效果。
(2)測(cè)點(diǎn)布設(shè)充分考慮大壩布置方式、壩址區(qū)地質(zhì)地形條件,以及壩體、壩基和庫(kù)水特性,兼顧能夠反映出主體結(jié)構(gòu)特征的位置,以壩體主振型監(jiān)測(cè)為主。
(3)測(cè)量地震過程中大壩關(guān)鍵部位的最大加速度值或記錄整個(gè)加速度隨時(shí)間變化的過程曲線,利用采集到的強(qiáng)震記錄對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析和評(píng)估[5]。
2.4.1 系統(tǒng)組成
強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)(見圖2),由數(shù)據(jù)采集儀、加速度計(jì)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、傳輸線路4部分組成。所有數(shù)據(jù)采集完成后利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。管理中心設(shè)在9號(hào)壩段壩頂,管理中心與大壩安全監(jiān)測(cè)前、后方機(jī)房用光纖連接。
(1)數(shù)據(jù)采集儀。
數(shù)據(jù)采集儀選用中國(guó)地震局工力所研發(fā)生產(chǎn)的G01NET-3型數(shù)據(jù)采集儀。
G01NET-3型數(shù)據(jù)采集儀具有多通道、存儲(chǔ)容量大,內(nèi)置蓄電池和控制充放電模塊,自帶人機(jī)操作界面及內(nèi)置數(shù)據(jù)采集軟件和烈度速報(bào)軟件,不需要連接電腦而能獨(dú)立采集數(shù)據(jù)。根據(jù)觸發(fā)閾值的設(shè)置,自動(dòng)觸發(fā)并保存地震數(shù)據(jù)到采集儀的存儲(chǔ)卡里,同時(shí)在采集儀上顯示波形,沒有觸發(fā)時(shí),只采集不保存數(shù)據(jù)、不顯示波形。其主要技術(shù)參數(shù)為:
圖2 系統(tǒng)總體部署與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 System overall deployment and network structure
1)3通道;
2)分辨力:24-bit;
3)動(dòng)態(tài)范圍:>135dB @ 采樣率為50Hz;
4)觸發(fā)模式:閾值觸發(fā)、STA與LTA差、比值觸發(fā)、手動(dòng)觸發(fā)等;
5)采樣率:分組可設(shè) 1、10、50、100、200、500Hz;
6)時(shí)間服務(wù):標(biāo)準(zhǔn)UTC,內(nèi)部時(shí)鐘精度優(yōu)于10-6,GPS校時(shí)精度優(yōu)于1ms/day;
7)數(shù)據(jù)通信:兩個(gè)RS232C串行口,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)10M/100M以太網(wǎng)卡;
8)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):CF卡(標(biāo)配8G,可擴(kuò)展)。
(2)GPS授時(shí)。
為記錄地震時(shí)大壩不同點(diǎn)位的強(qiáng)震反應(yīng),采用每一臺(tái)集成GPS的采集儀配套一個(gè)GPS天線,接收衛(wèi)星信號(hào)分別進(jìn)行單獨(dú)授時(shí),保證每臺(tái)采集儀的鐘差滿足要求。采集儀集中設(shè)置在管理中心機(jī)房,GPS天線安裝在管理中心機(jī)房外,離地面高度約2m的開闊位置,能夠保證GPS天線正常接收時(shí)間信號(hào)。
(3)加速度計(jì)。
加速度計(jì)選用中國(guó)地震局工力所研發(fā)生產(chǎn)的QZ2013型力平衡加速度計(jì)。
圖3 大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)斷面示意圖Fig.3 Strong earthquake monitoring section of dam
QZ2013型力平衡加速度計(jì)為三分量加速度計(jì),12V直流電有源設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度。加速度計(jì)自帶防水盒,安裝后可以做到免維護(hù)。其主要技術(shù)參數(shù)為:
1)三分向一體,力平衡電子反饋;
2)測(cè)量范圍:±4g;
3)頻率響應(yīng):DC~150Hz(-3dB);
4)動(dòng)態(tài)范圍:>140dB;
5)線性度誤差:≤1%;
6)運(yùn)行環(huán)境:溫度-20℃~+65℃,相對(duì)濕度<98%。
(4)管理軟件。
強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套軟件由中國(guó)地震局工力所研發(fā),包括內(nèi)嵌于采集儀的采集軟件、遠(yuǎn)程接收與在線分析軟件和地震動(dòng)事件報(bào)告自動(dòng)生成軟件等,配置啟動(dòng)參數(shù)后可直接運(yùn)行。
2.4.2 系統(tǒng)布置
(1)測(cè)點(diǎn)設(shè)置。
混凝土重力壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)斷面通常布置在最高壩段或地質(zhì)條件較為復(fù)雜的壩段,測(cè)點(diǎn)布置在壩頂、壩坡的邊坡部位或2/3壩高附近、壩基和河谷自由場(chǎng)處[2]。
由于大朝山大壩壩軸線在平面上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,轉(zhuǎn)折處相鄰壩段在地震作用下動(dòng)力反應(yīng)差異較大,導(dǎo)致其地震變形難以協(xié)調(diào),可能在接縫處出現(xiàn)變形過大導(dǎo)致接縫止水破壞及局部混凝土擠壓破壞。原強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只在河床最高13號(hào)壩段設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,沒有考慮壩軸線轉(zhuǎn)折處地震效應(yīng)的特殊性,本次改造設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行完善,在壩軸線轉(zhuǎn)折處新增一個(gè)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)斷面。設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面分別為楔形9號(hào)壩段及河床最高13號(hào)壩段(見圖3),每個(gè)斷面在壩頂、壩體內(nèi)部及壩基等地震反應(yīng)較大和動(dòng)力特征部位設(shè)置強(qiáng)震監(jiān)測(cè)點(diǎn),共設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn),其中9號(hào)壩段2個(gè)測(cè)點(diǎn),13號(hào)壩段3個(gè)測(cè)點(diǎn)。為獲得大壩地震動(dòng)輸入的場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)特性,了解大壩與地基的相互作用,選擇在大壩左岸平洞壩左0+336.00處設(shè)自由場(chǎng),該處不受大壩及其附屬建筑物的存在與振動(dòng)的影響。測(cè)點(diǎn)布置具體見表1。
表1 測(cè)點(diǎn)位置表Tab.1 Measuring point location table
(2)采集儀布置。
為便于采集儀聯(lián)機(jī)運(yùn)行,采用同一時(shí)標(biāo),能夠更精確判斷同一時(shí)刻的地震動(dòng)相位,同時(shí)便于管理和檢查,采集儀集中布置在管理中心。
(3)電源。
管理中心配置1臺(tái)UPS不間斷電源,給采集儀和加速度計(jì)集中供電。
(4)管理中心。
管理中心的主要作用是管理地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的波形數(shù)據(jù),以及向前方、后方安全監(jiān)測(cè)中心轉(zhuǎn)發(fā)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。管理中心設(shè)在大壩9號(hào)壩段壩頂監(jiān)測(cè)房,前方中心設(shè)在大壩微波樓二樓,后方中心設(shè)在后方邦旭營(yíng)地辦公樓五樓,中心站設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)管理軟件、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等。
(5)通信組網(wǎng)。
大壩的結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)震測(cè)點(diǎn)和自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的加速度計(jì)監(jiān)測(cè)到地面振動(dòng)的加速度后,經(jīng)專用5芯屏蔽電纜傳輸?shù)焦芾碇行臄?shù)據(jù)采集儀,進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ),數(shù)據(jù)采集儀通過專用通信鏈路將強(qiáng)震數(shù)據(jù)傳輸?shù)角胺街行牡臄?shù)據(jù)服務(wù)器,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ),在后方中心設(shè)工作站,實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。管理中心與前、后方安全監(jiān)測(cè)中心機(jī)房間的主干通信網(wǎng)采用局域光纖組網(wǎng)。
加速度計(jì)安裝臺(tái)面(底座)要求平整,儀器與臺(tái)面連接緊密,地震時(shí)加速度計(jì)才能正確采集到建筑物(場(chǎng)地)的振動(dòng),無寄生振動(dòng)。就大朝山強(qiáng)震系統(tǒng)而言,對(duì)原設(shè)計(jì)安裝在預(yù)留安裝臺(tái)上的SM1、SM3、SM4、SM5、SM6等測(cè)點(diǎn),基面是施工期預(yù)留的原生混凝土面,沒有經(jīng)過任何的裝修抹面或飾面,平整度滿足安裝要求,可直接在其上安裝加速度計(jì);對(duì)9號(hào)壩段827m廊道設(shè)計(jì)的SM2測(cè)點(diǎn),由于室內(nèi)地面為地磚裝飾地面,裝飾面可能存在空鼓或松動(dòng),故此類測(cè)點(diǎn)在安裝前必須徹底鑿除裝修面層和砂漿結(jié)合層,露出混凝土本體,打磨平整后方可安裝加速度計(jì)。
加速度計(jì)采取M5不銹鋼螺栓固定,固定前必須調(diào)整儀器水平且找準(zhǔn)儀器安裝要求的方位和初動(dòng)方向。加速度計(jì)為三分量,監(jiān)測(cè)水平順河向、水平橫河向、豎向3個(gè)方向的振動(dòng)加速度,各加速度計(jì)安裝方向必須保持一致。
由于大朝山大壩進(jìn)水口段壩軸線與河床壩段壩軸線的夾角為130°,因此在安裝9號(hào)壩段加速度計(jì)時(shí),必須與13號(hào)壩段的加速度計(jì)安裝方向一致,尤其是9號(hào)壩段827m高程處SM2測(cè)點(diǎn)位置,羅盤等方位指示設(shè)備無法正常使用,只能根據(jù)該處垂線觀測(cè)墩臺(tái)的方位來判斷加速度計(jì)的安裝方向。安裝時(shí),加速度計(jì)的底座長(zhǎng)軸與大壩順河向一致,且長(zhǎng)軸邊上的箭頭符號(hào)方向朝向上游。
所有加速度計(jì)的信號(hào)線從各測(cè)點(diǎn)匯集到管理中心。管理中心至各測(cè)點(diǎn)通信和供電線敷設(shè)原則:室外走電纜溝,壩內(nèi)水平向沿廊道壁敷設(shè),豎向走電纜豎井或垂線豎井;從采集儀至加速度計(jì)之間的通信電纜不能有接頭;豎向敷設(shè)的電纜必須與定位鋼絲繩分段綁扎,由鋼絲繩承受電纜的自重。各測(cè)點(diǎn)線纜布設(shè)要求:
(1)SM1:管理中心挖槽埋管至9號(hào)壩段壩頂垂線懸掛點(diǎn)預(yù)留坑;
(2)SM2:管理中心經(jīng)壩頂電纜溝→9號(hào)壩段電纜豎井→828m廊道→穿DN25PVC管敷設(shè)(墻面固定)至827m監(jiān)測(cè)房;
(3)SM3:管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號(hào)壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號(hào)壩段壩頂垂線懸掛點(diǎn)預(yù)留坑;
(4)SM4:管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號(hào)壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號(hào)壩段垂線豎井至871m高程廊道→穿DN25PVC管敷設(shè)(墻面固定)至加速度計(jì)安裝預(yù)留平臺(tái);
(5)SM5:管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號(hào)壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號(hào)壩段垂線豎井至800m高程廊道→穿DN25PVC管敷設(shè)(墻面固定)至加速度計(jì)安裝預(yù)留平臺(tái);
(6)SM6:管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號(hào)壩段→出壩頂穿DN50鋼管至16號(hào)壩段→經(jīng)壩頂電纜溝至左岸平洞→穿DN25PVC管敷設(shè)(墻面固定)至壩左0+336.00。
強(qiáng)震管理中心至前方大壩安全監(jiān)測(cè)中心采用4芯單模光纜通信,光纜沿壩頂電纜溝敷設(shè),沿大壩安全監(jiān)測(cè)線纜槽架進(jìn)入機(jī)房;前方、后方大壩安全監(jiān)測(cè)中心機(jī)房通信利用廠MIS光纖網(wǎng)互聯(lián)。
盡管大朝山電站壩區(qū)內(nèi)沒有發(fā)震構(gòu)造,沒有活動(dòng)斷裂通過水工建筑物,歷史上也沒有發(fā)生6級(jí)以上的強(qiáng)震,由于壩址區(qū)的地震基本烈度為Ⅶ度,記錄到地震的可能性很大,但很長(zhǎng)時(shí)間沒有地震的可能性依然存在,這也容易引起強(qiáng)震監(jiān)測(cè)管理人員的思想松懈,放松對(duì)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日常的管理、維護(hù)工作,導(dǎo)致強(qiáng)震無法獲得有效記錄,使得強(qiáng)震監(jiān)測(cè)資料有限。
從國(guó)內(nèi)一些工程實(shí)踐證明,由于運(yùn)行管理單位缺少地震方面的專業(yè)技術(shù)人員以及設(shè)備研制單位的技術(shù)支持,往往不能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
為使強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)真正發(fā)揮作用,應(yīng)將臺(tái)陣的運(yùn)行維護(hù)納入大壩安全管理范疇,運(yùn)管人員加強(qiáng)地震知識(shí)學(xué)習(xí),提高專業(yè)技能,同時(shí)應(yīng)重視日常的管理和維護(hù),及時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析強(qiáng)震記錄,做好大壩震害評(píng)估工作。
通過大朝山大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì),獲得一些淺見:
(1)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)改造設(shè)計(jì)既要滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求,也要結(jié)合各自大壩的動(dòng)力特性和地震時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn),進(jìn)行強(qiáng)震臺(tái)陣的布設(shè)。
(2)一般強(qiáng)震測(cè)點(diǎn)都較為分散且運(yùn)行環(huán)境較差,從便于管理、改善采集儀運(yùn)行環(huán)境和提高采集儀使用壽命等方面考慮,大朝山電站選擇采集儀集中布置在運(yùn)行環(huán)境較好的強(qiáng)震監(jiān)控中心機(jī)房,從中心機(jī)房給加速度計(jì)集中供電,這樣可延長(zhǎng)強(qiáng)震設(shè)備的使用壽命、提高加速度計(jì)供電的可靠性,這對(duì)類似工程有一定的參考意義。
(3)強(qiáng)地震是突發(fā)的、瞬時(shí)的一種小概率事件,不易獲取記錄,但一旦發(fā)生,系統(tǒng)記錄的這些數(shù)據(jù)將包含著場(chǎng)地及大壩結(jié)構(gòu)的許多信息,通過這些信息進(jìn)行分析可以獲取結(jié)構(gòu)的模擬特征、動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)信息、場(chǎng)地振動(dòng)特性等,可為震后水庫(kù)大壩的安全評(píng)估和大壩的抗震設(shè)計(jì)復(fù)核提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也可為后續(xù)新建大壩的安全設(shè)計(jì)和原有大壩抗震加固提供資料,這就要求大壩運(yùn)行單位高度重視強(qiáng)震系統(tǒng)的運(yùn)維,并將其納入大壩安全管理范疇。
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