大朝山水電站大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)改造設計

李 黎

（國投云南大朝山水電有限公司，云南省昆明市 650213）

0 引言

大朝山電站庫壩區(qū)內(nèi)無發(fā)震大構造通過，區(qū)域構造穩(wěn)定性相對較好，地震影響主要來自周邊的瀾滄7.5級地震危險區(qū)、耿馬7.0級地震危險區(qū)、景東6.0級地震危險區(qū)和距大壩僅5km的大寨6.0級地震危險區(qū)。由于壩區(qū)不具備發(fā)生6.0級及以上地震條件，基本烈度定為Ⅶ度，設計烈度為Ⅷ度，抗震設防類別為甲類，抗震設防標準為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)中國地震局地殼應力研究所2008年最新調(diào)查成果，工程場地壩址100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度為0.269g，豎向設計加速度代表值為水平向的2/3，即0.179g[2]。

水庫2001年蓄水后，庫區(qū)10km范圍內(nèi)微震活動頻度隨水位上升而增加，小震開始密集，水位到達最高并穩(wěn)定后，于11月26日在庫區(qū)10km范圍內(nèi)發(fā)生2.6級地震，2003年3月12日又發(fā)生3.6級地震。通過對庫區(qū)周圍地震活動情況分析，認為可能存在庫區(qū)誘發(fā)地震對外圍地震的誘發(fā)關系[3]。為監(jiān)測水庫誘發(fā)地震的發(fā)展趨勢，已在庫區(qū)建立了地震監(jiān)測臺網(wǎng)，而建立大壩強震系統(tǒng)是為監(jiān)測天然地震和水庫誘發(fā)地震作用下壩體的動力反應，并及時為大壩的地震安全報警提供基礎資料，達到減輕和防止大壩震害的進一步擴展和次生災害的發(fā)生，保證人員和設施安全的目的。

1 工程概況及地質(zhì)情況

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級建筑物，按500年一遇洪水設計，5000年一遇洪水校核，壩頂高程906m，最大壩高111m，壩頂總長460.39m，水庫正常蓄水位899.0m，總庫容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，進水口壩段軸線方位角N75°W，兩軸線夾角130°。大壩共23個壩段，其中，3～8號壩段為機組進水口壩段，9號壩段位于壩軸線轉(zhuǎn)折處，為楔形體壩段，10～17號壩段為河床壩段，13號壩段為最高壩段。

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)，在大地構造單元上屬滇西經(jīng)向構造體系，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。

2 強震監(jiān)測系統(tǒng)改造設計

2.1 原強震監(jiān)測系統(tǒng)概況

大朝山大壩強震系統(tǒng)始建于2002年，系統(tǒng)由1個中心、3個測點和1個自由場組成。采集儀為模擬數(shù)字磁帶記錄式地震采集儀，監(jiān)測斷面只設在大壩最高13號壩段，測點分別位設于13號壩段的壩頂、871m廊道和800m廊道，自由場設于左岸906m平洞壩左0+336.00處，其中壩體部位布設的測點是求其動力放大系數(shù)，平洞布設的測點是求其地震輸入，每個測點記錄順河向、橫河向、豎向3個分量的運動。

2.2 改造原因

原強震監(jiān)測系統(tǒng)是施工期安裝的，記錄方式（磁帶）落后，工作可靠性差，自動化程度低，投運初期強震記錄就不完整，不能發(fā)揮應有的作用。按照規(guī)范[4]有關規(guī)定，以及大壩動力分析研究報告和大壩安全定檢相關意見，需要對大朝山水電站大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，以滿足大壩安全管理的要求。

2.3 設計原則

（1）加速度儀選型既要滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，又要考慮其實際應用效果。

（2）測點布設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、壩基和庫水特性，兼顧能夠反映出主體結(jié)構特征的位置，以壩體主振型監(jiān)測為主。

（3）測量地震過程中大壩關鍵部位的最大加速度值或記錄整個加速度隨時間變化的過程曲線，利用采集到的強震記錄對大壩結(jié)構進行安全分析和評估[5]。

2.4 設計方案

2.4.1 系統(tǒng)組成

強震監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構（見圖2），由數(shù)據(jù)采集儀、加速度計、數(shù)據(jù)服務器、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)議進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)接收服務器。管理中心設在9號壩段壩頂，管理中心與大壩安全監(jiān)測前、后方機房用光纖連接。

（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、存儲容量大，內(nèi)置蓄電池和控制充放電模塊，自帶人機操作界面及內(nèi)置數(shù)據(jù)采集軟件和烈度速報軟件，不需要連接電腦而能獨立采集數(shù)據(jù)。根據(jù)觸發(fā)閾值的設置，自動觸發(fā)并保存地震數(shù)據(jù)到采集儀的存儲卡里，同時在采集儀上顯示波形，沒有觸發(fā)時，只采集不保存數(shù)據(jù)、不顯示波形。其主要技術參數(shù)為：

圖2 系統(tǒng)總體部署與網(wǎng)絡結(jié)構Fig．2 System overall deployment and network structure

1）3通道；

2）分辨力：24-bit；

3）動態(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)、手動觸發(fā)等；

5）采樣率：分組可設 1、10、50、100、200、500Hz；

6）時間服務：標準UTC，內(nèi)部時鐘精度優(yōu)于10-6，GPS校時精度優(yōu)于1ms/day；

7）數(shù)據(jù)通信：兩個RS232C串行口，一個標準10M/100M以太網(wǎng)卡；

8）數(shù)據(jù)存儲：CF卡（標配8G，可擴展）。

（2）GPS授時。

為記錄地震時大壩不同點位的強震反應，采用每一臺集成GPS的采集儀配套一個GPS天線，接收衛(wèi)星信號分別進行單獨授時，保證每臺采集儀的鐘差滿足要求。采集儀集中設置在管理中心機房，GPS天線安裝在管理中心機房外，離地面高度約2m的開闊位置，能夠保證GPS天線正常接收時間信號。

（3）加速度計。

加速度計選用中國地震局工力所研發(fā)生產(chǎn)的QZ2013型力平衡加速度計。

圖3 大壩強震監(jiān)測斷面示意圖Fig．3 Strong earthquake monitoring section of dam

QZ2013型力平衡加速度計為三分量加速度計，12V直流電有源設計，監(jiān)測3個方向的振動加速度。加速度計自帶防水盒，安裝后可以做到免維護。其主要技術參數(shù)為：

1）三分向一體，力平衡電子反饋；

2）測量范圍：±4g；

3）頻率響應：DC～150Hz（-3dB）；

4）動態(tài)范圍：＞140dB；

5）線性度誤差：≤1%；

6）運行環(huán)境：溫度-20℃～+65℃，相對濕度＜98%。

（4）管理軟件。

強震監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件由中國地震局工力所研發(fā)，包括內(nèi)嵌于采集儀的采集軟件、遠程接收與在線分析軟件和地震動事件報告自動生成軟件等，配置啟動參數(shù)后可直接運行。

2.4.2 系統(tǒng)布置

（1）測點設置。

混凝土重力壩強震監(jiān)測斷面通常布置在最高壩段或地質(zhì)條件較為復雜的壩段，測點布置在壩頂、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力反應差異較大，導致其地震變形難以協(xié)調(diào)，可能在接縫處出現(xiàn)變形過大導致接縫止水破壞及局部混凝土擠壓破壞。原強震監(jiān)測系統(tǒng)只在河床最高13號壩段設置一個監(jiān)測斷面，沒有考慮壩軸線轉(zhuǎn)折處地震效應的特殊性，本次改造設計對此進行完善，在壩軸線轉(zhuǎn)折處新增一個強震監(jiān)測斷面。設計監(jiān)測斷面分別為楔形9號壩段及河床最高13號壩段（見圖3），每個斷面在壩頂、壩體內(nèi)部及壩基等地震反應較大和動力特征部位設置強震監(jiān)測點，共設5個測點，其中9號壩段2個測點，13號壩段3個測點。為獲得大壩地震動輸入的場地運動特性，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處設自由場，該處不受大壩及其附屬建筑物的存在與振動的影響。測點布置具體見表1。

表1 測點位置表Tab.1 Measuring point location table

（2）采集儀布置。

為便于采集儀聯(lián)機運行，采用同一時標，能夠更精確判斷同一時刻的地震動相位，同時便于管理和檢查，采集儀集中布置在管理中心。

（3）電源。

管理中心配置1臺UPS不間斷電源，給采集儀和加速度計集中供電。

（4）管理中心。

管理中心的主要作用是管理地震數(shù)據(jù)采集設備采集到的波形數(shù)據(jù)，以及向前方、后方安全監(jiān)測中心轉(zhuǎn)發(fā)強震監(jiān)測數(shù)據(jù)。管理中心設在大壩9號壩段壩頂監(jiān)測房，前方中心設在大壩微波樓二樓，后方中心設在后方邦旭營地辦公樓五樓，中心站設數(shù)據(jù)服務器、工作站、網(wǎng)絡交換機、數(shù)據(jù)管理軟件、計算機外圍設備等。

（5）通信組網(wǎng)。

大壩的結(jié)構場強震測點和自由場測點的加速度計監(jiān)測到地面振動的加速度后，經(jīng)專用5芯屏蔽電纜傳輸?shù)焦芾碇行臄?shù)據(jù)采集儀，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與存儲，數(shù)據(jù)采集儀通過專用通信鏈路將強震數(shù)據(jù)傳輸?shù)角胺街行牡臄?shù)據(jù)服務器，對數(shù)據(jù)進行處理、存儲，在后方中心設工作站，實現(xiàn)對強震監(jiān)測系統(tǒng)的遠程管理。管理中心與前、后方安全監(jiān)測中心機房間的主干通信網(wǎng)采用局域光纖組網(wǎng)。

3 安裝要求

3.1 臺面要求

加速度計安裝臺面（底座）要求平整，儀器與臺面連接緊密，地震時加速度計才能正確采集到建筑物（場地）的振動，無寄生振動。就大朝山強震系統(tǒng)而言，對原設計安裝在預留安裝臺上的SM1、SM3、SM4、SM5、SM6等測點，基面是施工期預留的原生混凝土面，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；對9號壩段827m廊道設計的SM2測點，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，故此類測點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。

3.2 加速度計安裝

加速度計采取M5不銹鋼螺栓固定，固定前必須調(diào)整儀器水平且找準儀器安裝要求的方位和初動方向。加速度計為三分量，監(jiān)測水平順河向、水平橫河向、豎向3個方向的振動加速度，各加速度計安裝方向必須保持一致。

由于大朝山大壩進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號壩段加速度計時，必須與13號壩段的加速度計安裝方向一致，尤其是9號壩段827m高程處SM2測點位置，羅盤等方位指示設備無法正常使用，只能根據(jù)該處垂線觀測墩臺的方位來判斷加速度計的安裝方向。安裝時，加速度計的底座長軸與大壩順河向一致，且長軸邊上的箭頭符號方向朝向上游。

3.3 系統(tǒng)布線

所有加速度計的信號線從各測點匯集到管理中心。管理中心至各測點通信和供電線敷設原則：室外走電纜溝，壩內(nèi)水平向沿廊道壁敷設，豎向走電纜豎井或垂線豎井；從采集儀至加速度計之間的通信電纜不能有接頭；豎向敷設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。各測點線纜布設要求：

（1）SM1：管理中心挖槽埋管至9號壩段壩頂垂線懸掛點預留坑；

（2）SM2：管理中心經(jīng)壩頂電纜溝→9號壩段電纜豎井→828m廊道→穿DN25PVC管敷設（墻面固定）至827m監(jiān)測房；

（3）SM3：管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號壩段壩頂垂線懸掛點預留坑；

（4）SM4：管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號壩段垂線豎井至871m高程廊道→穿DN25PVC管敷設（墻面固定）至加速度計安裝預留平臺；

（5）SM5：管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號壩段→壩頂穿DN50鋼管→13號壩段垂線豎井至800m高程廊道→穿DN25PVC管敷設（墻面固定）至加速度計安裝預留平臺；

（6）SM6：管理中心經(jīng)壩頂電纜溝至11號壩段→出壩頂穿DN50鋼管至16號壩段→經(jīng)壩頂電纜溝至左岸平洞→穿DN25PVC管敷設（墻面固定）至壩左0+336.00。

強震管理中心至前方大壩安全監(jiān)測中心采用4芯單模光纜通信，光纜沿壩頂電纜溝敷設，沿大壩安全監(jiān)測線纜槽架進入機房；前方、后方大壩安全監(jiān)測中心機房通信利用廠MIS光纖網(wǎng)互聯(lián)。

4 臺陣管理與維護

盡管大朝山電站壩區(qū)內(nèi)沒有發(fā)震構造，沒有活動斷裂通過水工建筑物，歷史上也沒有發(fā)生6級以上的強震，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，但很長時間沒有地震的可能性依然存在，這也容易引起強震監(jiān)測管理人員的思想松懈，放松對強震監(jiān)測系統(tǒng)日常的管理、維護工作，導致強震無法獲得有效記錄，使得強震監(jiān)測資料有限。

從國內(nèi)一些工程實踐證明，由于運行管理單位缺少地震方面的專業(yè)技術人員以及設備研制單位的技術支持，往往不能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

為使強震監(jiān)測系統(tǒng)真正發(fā)揮作用，應將臺陣的運行維護納入大壩安全管理范疇，運管人員加強地震知識學習，提高專業(yè)技能，同時應重視日常的管理和維護，及時統(tǒng)計、分析強震記錄，做好大壩震害評估工作。

5 結(jié)束語

通過大朝山大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)的改造設計，獲得一些淺見：

（1）強震監(jiān)測改造設計既要滿足現(xiàn)行有關規(guī)范要求，也要結(jié)合各自大壩的動力特性和地震時的動力響應特點，進行強震臺陣的布設。

（2）一般強震測點都較為分散且運行環(huán)境較差，從便于管理、改善采集儀運行環(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行環(huán)境較好的強震監(jiān)控中心機房，從中心機房給加速度計集中供電，這樣可延長強震設備的使用壽命、提高加速度計供電的可靠性，這對類似工程有一定的參考意義。

（3）強地震是突發(fā)的、瞬時的一種小概率事件，不易獲取記錄，但一旦發(fā)生，系統(tǒng)記錄的這些數(shù)據(jù)將包含著場地及大壩結(jié)構的許多信息，通過這些信息進行分析可以獲取結(jié)構的模擬特征、動力響應參數(shù)信息、場地振動特性等，可為震后水庫大壩的安全評估和大壩的抗震設計復核提供基礎數(shù)據(jù)，也可為后續(xù)新建大壩的安全設計和原有大壩抗震加固提供資料，這就要求大壩運行單位高度重視強震系統(tǒng)的運維，并將其納入大壩安全管理范疇。

[1] NB 35047—2015，水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2015．NB 35047—2015，Specification for seismic design of hydraulic engineering buildings[S]． Beijing ： China power press，2015．

[2] 大朝山水電站碾壓混凝土重力壩抗震分析研究報告[R]．中國水利水電科學研究院，2009．Research report on seismic analysis of RCC dam in dachaoshan hydropower station[R]． China water conservancy and hydropower research institute，2009．

[3] 大朝山水電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)改擴建工程設計方案[R]．云南省地震工程研究院，2005．Design scheme of digital earthquake monitoring system of dachaoshan hydropower station[R]． Yunnan earthquake engineering research institute，2005．

[4] DL/T 5416—2009，水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2009．DL/T 5416—2009，Technical specification for safety monitoring of strong vibration of hydraulic structures[S]． Beijing ： China power press，2009．

[5] 許光，蘇克忠，郭永剛，等．國內(nèi)水工建筑物強震安全監(jiān)測技術進展[J]．水電自動化與大壩監(jiān)測，2012．XU Guang，SU Kezhong，GUO Yonggang，etc． Progress in monitoring and monitoring of the safety of domestic hydraulic structures[J]． Hydropower automation and dam monitoring，2012．