強震動臺站與干擾源最小距離的初步研究①

李佐唐，潘穎凌，田秀豐，姚 凱，何新社

（甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

如何快速有效的選定新建臺站的地址是一個常遇問題。對預警和固定臺站、烈度速報臺站、各類專用臺陣臺站，允許的地面脈動值上限不盡相同?！笆弧の濉北尘皥龅卣痤A警臺陣臺站對選址提出了新的要求，其中對臺址地面脈動值要求小于0.000 1 gn①中國地震背景場探測項目總工程師辦公室.中國地震背景場探測項目強震動臺站場址勘選技術指南.2009.?，F實工作中要找到同時滿足各項條件的臺址較為困難。如果能對大型廠礦、單位內的泵站和發電機、鐵路（包括車站）、采石（礦）場、公路、機場、水電站、河流、海浪等常見干擾源的規避距離有定量的參考依據，則可大大提高強震動臺址的勘選效率，建臺后周圍新上項目對強震動臺站觀測的影響也可定量預估。

測震臺址的勘選在 《GBT19531.1－2004地震臺站觀測環境技術要求》第1部分：《測震》中對測震臺站規避各類干擾源的最小距離逐項給出了定量數據［1］，給實際工作提供了極大方便，但因其標準要求太高，位于人類居住區的強震動臺站無法照搬。而強震臺址勘選所依據的是2005年7月4日中國地震局發布實施的《中國數字強震動臺網技術規程》（JSGC－03）［2］，對各類干擾源如何定量規避沒有分類給出具體數據，其中要求“固定臺站臺址場地的最大背景振動加速度噪聲小于0.000 1gn，對具有速報功能的臺站，臺址場地的最大背景振動加速度噪聲要求宜小于0.001gn”。所以選臺時只能通過實際測試來判斷?！吨袊鴶底謴娬饎优_網技術規程》（4.2.1）中規定的一天之內分兩次各半小時的測試方法也是有缺陷的，比如某些采石場基于安全考慮，往往是半夜爆破，勘選測試假如錯過爆破時段所得測試結果就可能為無效數據。

對各類臺站干擾源的規避距離逐項開展定量研究是非常必要的［3－5］。本文中以現場觀測數據為依據對泵房、火車站和采石場三種常見干擾源開展了初步研究，研究結果可供強震動臺站建設前的地址勘選和建成后的觀測環境保護作參考，也為將來系統制訂“強震臺站觀測環境技術要求”國家標準提供參考依據。

1 水泵引起的加速度噪聲

1.1 振動源、測試場地和測線概況

2010年11月17日上午9：50至11：25對某鄉政府供熱水泵引起的地面加速度噪聲進行了現場測試。泵房及觀測場地見圖1，帶煙囪的二層小樓是供熱泵房，右側白色瓷磚貼面房屋為強震動觀測室，室內擺墩距離供熱水泵電機15m。泵房內共兩臺電機，工作時只開一臺，另一臺備用，兩臺電機功率都為11kW。泵房內的鍋爐容量是16t，水泵正常供熱時出水壓力為0.29MPa（表壓）。供熱水泵房外地面全部水泥硬化。除水泵引起的振動、地面脈動和人員走動之外，未發現其它振動源。從電機（振源）附近開始沿射線布設測線，從2m到55m，ETNA儀器的x方向指向振動源。

1.2 數據處理

取得數據后發現，由于振動強度不大，院內人員走動引起的干擾不可忽略。而水泵引起的振動在同一測點是持續等幅度的，于是人工識別出其它振動波形并從原始數據中截去，保留的波形僅是泵機和地面脈動的疊加結果（表1）。

由于地面脈動加速度值在所研究的小區域內不同觀測點其大小是基本不變的。而泵房電機引起的振動隨距離的近遠而衰減，經驗證明這種衰減規律符合指數關系，因此假設衰減關系為

圖1 水泵房、強震觀測室及觀測場地Fig.1 The pump room，strong motion station and the observation site.

表1 泵機振動觀測數據及處理結果

其中y為實測的校正加速度三分向合成值；g0為地面脈動值，且0＜g0＜ymin；b和a為常數，且都大于0，x為震源距。

用55～2m范圍內的十二個測點數據的校正加速度三分向合成值進行指數擬合，Y位于0.383至3.128之間。從0.00到0.38逐漸增大g0的值，發現決定系數 R2（Determinate Coefficient）從0.783 4逐漸上升至0.794 0，此時g0為0.199；隨著g0的繼續增大，R2又逐漸減小到0.549 9，說明g0取0.199gal最佳，推測地面脈動值g0＝0.199 gal（表2）。

表2 地面脈動值的估計

圖2 曲線擬合結果Fig.2 The result of curve fitting.

由式（1）得：

依照《中國數字強震動臺網技術規程》（JSGC－03）的規定，對具有速報功能的臺站，臺址場地的最大背景振動加速度噪聲宜小于0.001gn，即0.001×981cm／s2＝0.981gal。水泵引起的振動大小為y－0.199＝0.981（gal），y＝1.180gal。代入式（2）可知，僅考慮泵機的影響，對應的最小震源距為14 m；考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為19 m。如果要求泵機和地面脈動的總和小于0.001 gn，即y＝0.981，則對應的最小震源距為18m，再考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為23m。

固定臺站臺址場地的最大背景振動加速度噪聲宜小于0.000 1gn，即0.000 1×981cm／s2＝0.098 1gal。同上計算方法，僅考慮泵機的影響，對應的最小震源距為64m，再考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為69m。地震預警臺址的要求與此相同。

圖1中的強震動固定臺站擺墩距離泵機僅15 m，當泵機開始工作時該臺擺的背景振動明顯加劇，造成擺故障的假象。該臺所用中國地震局工程力學研究所生產的SLJ－100FBA－T擺，量程為±2.5 V，對應±196 2gal。泵停機時擺的波動幅度為，ch1：0.054mv、ch2：0.122mv、ch3：0.074mv；泵開機時的波動幅度為ch1：2.4mv（1.88gal）、ch2：2.0 mv（1.57gal）、ch3：2.9mv（2.28gal）。

鍋爐房內為16t鍋爐及泵機澆注了1m深的混凝土機座，類似基巖臺的擺墩，擺礅上距電機（震源）水平距離0.8m處測到的振幅相對較小（表1中的事件13）。在震源距0.8m處用ETNA／2634＃記錄了水泵由運轉到停機的連續振動過程（圖3），水泵的運轉使背景加速度噪聲提高了16～44倍。

圖3 水泵運轉到停機的振動過程Fig.3 The vibration curves recorded from pump turning to stop.

2 火車引起的加速度噪聲

2.1 場地概況和儀器布置

某火車站內有6條軌道線。從北往南依次稱為1～6軌道。測線垂直于鐵路線布設。振動源變化而保持測試儀器的平面布設位置固定不變。連續測試火車常速（約90km／h）通行時在車站南側引起的振動情況，獲得加速度噪聲數據并計算得到了振動三分向加速度值。在儀器記錄振動的同時人工記錄鐵道上的火車通行情況。

測試持續5個小時。剔除干擾后篩選出振幅最大的一組紀錄，對應著兩側火車相向通行振動最強的組合。

2.2 觀測結果及分析

對振動強度隨離開鐵路距離的衰減情況進行了分析。校正加速度峰值隨震源距增大呈指數關系衰減（表3），三分向合成結果的衰減曲線見圖4。

表3 加速度測試結果

圖4 鐵路火車振動衰減曲線Fig.4 The vibration attenuation curves caused by railway train.

由回歸得出的關系式y＝90.772exp（－0.032 x），可知

以常速火車相向通行引起最大振動，由式（2）計算出，固定臺站臺址的最小振源距為213m；考慮擬合誤差的影響對應的最小震源距為228m。地震預警臺址的要求與此相同。

對具有速報功能的臺站，相應的最小振源距為141m；考慮擬合誤差的影響，對應的最小震源距為156m。

3 采石場爆破加速度噪聲

3.1 測試概述

對某采石場人工爆破引起的振動強度及其衰減關系進行了現場測試。爆破點位于懸崖不同高度，爆破采用露天單炮齊爆方式，3次爆破藥量依次是20kg、15kg和10kg。

測點從爆點所在的懸崖頂部向外輻射狀布設，測線走向N16°W。測試使用的是美國Etna型三分向數字強震儀，共用6臺儀器，全部得到完整的振動記錄。各測點的震源距參數見表4。

3.2 觀測結果分析

從實測結果計算得到各項數據。對15kg炸藥量的爆破繪制了回歸曲線（圖5）。對3次測試結果，均有x＝（1／a）ln（b／y）。爆破衰減關系與炸藥量、爆點位置都有關。固定觀測位置，炸藥量越大振動強度越大；震源越深，衰減越慢。三組結果相比較，雖然第2次15kg的炸藥量比第1次20kg要小，但由于爆破點較低，相當于震源深度大，所以衰減最慢。按照強震動臺站對背景噪聲的上限值要求，依苛刻條件推斷，固定臺站的規避距離為701 m，衰減臺站的規避距離為406m。考慮擬合誤差的影響，固定臺站的規避距離為723m，衰減臺站的規避距離為428m。

表4 各測點校正加速度測試結果

4 結語

依據現行的《中國數字強震動臺網技術規程》，依據苛刻條件最后得出三類干擾源的規避距離參考值。對干擾源泵機，速報臺站（0.001gn）的規避距離是19m，預警與固定臺站（0.000 1gn）是69m；干擾源（客貨低速）鐵路線，速報臺站的規避距離是156m，預警與固定臺站是228m；干擾源采石場，速報臺站的規避距離是428m，預警與固定臺站是723m。

表5 振動衰減關系與規避距離

圖5 爆破振動衰減曲線Fig.5 The vibration attenuation curve caused by quarry explosion.

干擾的產生、傳播、衰減情況與路徑及傳播介質的特性都密切相關，是非常復雜的。不同的臺基和介質條件下干擾的衰減可能千差萬別，但是一個大致的衰減情況闡釋對臺站選址和觀測環境評價治理保護仍然是非常有參考價值的。本工作的目的不在于研究揭示衰減規律，而是為了通過實驗測試，為強震臺址勘選提供一個規避這三類常見干擾源的定量參考依據，以減少盲目性，提高臺址勘選效率，同時對建成后的強震動臺站觀測環境評價保護提供實驗數據。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB／T 19531.1地震臺站觀測環境技術要求—第一部分—測震［S］.北京：中國標準出版社，2006.

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