帥永建，何領軍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 概述

20世紀80年代后，全世界的地震觀測進入了"數(shù)字時代"。2008年的四川汶川大地震以及2010年的青海玉樹地震，更加深了人們對地震知識的掌握和了解。

國家于2004年9月1日正式實施的《地震監(jiān)測管理條例》第十四條規(guī)定了水庫大壩等重大工程應該按國家規(guī)定設置強震動監(jiān)測設施，從法律的層面上強調了水庫地震監(jiān)測的重要性。地震若導致水庫(特別是堆石壩和拱壩)失事，將導致巨大的災難發(fā)生。因此，迫使科研人員掌握和了解水庫誘發(fā)地震以及地震對水庫的影響，以綜合評價水庫的安全指標。在地震領域的研究以及地震儀器的研制上，歐美國家有許多較為先進的理念和思路。筆者結合蘇丹麥洛維工程中地震儀系統(tǒng)的設計和安裝，著重論述了該電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計思路、設計、實施。

2 地震儀系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)設置

大多數(shù)水電工程一般設置一個或多個地震監(jiān)測儀，并布置在不同的地點，以期獲得測點震動的信息(加速度，速度和位移)。

系統(tǒng)布置最基本的三種方法是:

(1)獨立式記錄地震監(jiān)測站。

(2)互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站。

(3)集中式記錄地震監(jiān)測站。

每種方法都具有其優(yōu)點和缺點，各項目實施的最終地震監(jiān)測方式應由設計者根據(jù)有利于數(shù)據(jù)讀取或判斷數(shù)據(jù)來確定，并考慮相關成本。

2.2 獨立式記錄地震監(jiān)測站

少量的地震儀設計采用獨立記錄監(jiān)測站。一旦發(fā)生振動情況，每個記錄儀單獨地記錄振動發(fā)生的時間過程曲線。在每個記錄儀都連接到公共時間基準系統(tǒng)上時，才能提供在各個單獨記錄儀之間準確的相互關系數(shù)據(jù)。

其布置特點是:一臺傳感器(加速度計)+一臺數(shù)據(jù)記錄儀，儀器間互不相連。

不足之處:在不同的記錄儀之間沒有公共的觸發(fā)機制，因此，在網絡的不同節(jié)點上所記錄的振動不可能建立相互關聯(lián)的關系。

2.3 互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站

對于多臺地震儀系統(tǒng)則選用互聯(lián)式地震監(jiān)測站或集中式記錄地震監(jiān)測站并提供公共時間基準。當采用互聯(lián)式時，在連接方式、數(shù)據(jù)的流動和可訪問性及其造價等方面有較多的選擇余地。

如果該測點沒有設置網絡同步化，那么，它將按照指定的內置觸發(fā)條件執(zhí)行地震記錄。每個記錄儀均可發(fā)出輸出信號進行局部通訊。某個記錄儀故障僅會影響該測點，這樣的監(jiān)測網絡的可靠性很高。如果網絡出現(xiàn)中斷情況，每個記錄儀均將作為一個單獨的記錄儀運行。

布置特點:在監(jiān)測站點上布置幾個配有內置式或外置式傳感器的記錄儀，用一條屏蔽的電纜將各個記錄儀相互連接。為方便起見，可采用外部電纜接線盒。各個測站的連接形式以環(huán)形、星形或者網狀形式布置，站點之間的距離可達1 km。這樣安排對于許多實際工程而言是有利的和較低成本的解決方案。

2.4 集中記錄網絡

在這種網絡中，安裝在幾個部位的傳感器被連接到網絡中心，在那里有中央記錄設備。集中記錄網絡要視網絡管理多功能性的需要和造價的允許及數(shù)據(jù)訪問的容易性、存貯容量等因素決定。由于計算機系統(tǒng)的介入，系統(tǒng)的管理、調試、資料的處理分析、數(shù)據(jù)的及時上報等就顯得更加容易和便捷。

2.5 地震儀系統(tǒng)設計的注意事項

無論是上述哪種選擇，都應該考慮全球定位系統(tǒng)接收器，利用它可以獲得準確的實際時間。

通訊電纜或全球移動通信系統(tǒng)調制解調器具有自動撥號功能，并且允許外部訪問和通過網絡中心進行系統(tǒng)控制，可以使處于千里之外的控制系統(tǒng)及時調閱數(shù)據(jù)。同時還要考慮系統(tǒng)的供電安全性、絕緣及超壓防護。

3 蘇丹麥洛維工程地震儀系統(tǒng)的整體布置

麥洛維水電站地震儀系統(tǒng)采用瑞士GeoSIG產品，選用集中記錄網絡布置，即公共時間、公共觸發(fā)、中央控制結構網絡，網絡通訊模式為RS485，其總體布置見圖1。

4 硬件配置

麥洛維工程地震儀監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設備主要包括:三軸加速度計11臺、記錄儀11臺、網絡連接盒11個、中央通訊控制盒1臺、GPS接收器1臺、終端計算機1臺及電源。

4.1 三軸加速度計

三軸加速度計安裝在基巖或堅固穩(wěn)定部位，用于采集大壩建筑物震動信號，并將實時的震動信號傳輸至地震記錄儀判斷震動加速度物理值。

三軸加速度計主要分:AC-23-DH深孔三軸加速度計和AC-23表面三軸加速度計兩種。深孔三軸加速度計主要安裝在鉆孔或壩體埋管中，鉆孔和埋管應深達基巖。首先預埋帶導槽的鋁合金或PVC管在鉆孔或填土中，加速度計和導輪按預定方向達到設計位置和方向。采用水泥灌漿將加速度計錨固到壩體基巖中。

此種安裝方式的優(yōu)點為:在大壩建筑物未成形之前即可安裝，通過現(xiàn)場簡單配置即可開始對壩基震動的監(jiān)測，而不必等到壩體建筑物完工。

該傳感器的主要技術參數(shù)如下:

通道:三通道; 防水IP68，1MPa;

量程:±2g; 頻段:0.1～50Hz;

供電:12V; 正常工作溫度:－20℃ ～+70℃。

AC-23或AC-23-H表面加速度計安裝在大壩基礎廊道和壩頂儀器坑中等易于到達的部位，采用鋁合金防水盒體，并通過1個錨固螺栓和3個水平調節(jié)螺桿安裝，可垂直安裝在混凝土面，也可水平安裝在混凝土基礎上。為了獲得比較真實的地震參考值，避免施工震動對地震儀監(jiān)測網絡的影響，將其中一臺地震儀(LD5A-AC1)安裝在距下游壩腳200多m的巖石山體之上，作為地震儀監(jiān)測網絡的參考基準儀器。

4.2 記錄儀

麥洛維工程采用GSR-16DC記錄儀，配合三軸加速度計，根據(jù)預設定的參數(shù)評估和記錄震動數(shù)據(jù)。根據(jù)類型可分為主機和附機兩種。其中設置主記錄器1臺，用以連接GPS接收器且與其他10臺附機同步。

記錄儀主要參數(shù)如下:

通道:3通道; 動態(tài)范圍:3×10－5g;

分辨率:16bit; 取樣率:100、200、250可選，40%取樣率;

存儲容量:標準128MB，最大2GB;

供電:12VDC超壓保護;

通訊:每臺記錄儀預留RS232接口，可與計算機現(xiàn)場通訊。

4.3 網絡連接盒

網絡連接盒用于地震儀RS485網絡的中繼和通訊，并具有RS485網絡超壓保護功能，是組成地震儀網絡不可缺少的組件。對于CCC網絡，每臺地震記錄儀必須配置一臺網絡連接盒。

4.4 中央通訊控制盒

中央通訊控制盒用于地震儀集中記錄網絡的通信控制，一段通過RS232電纜直接與計算機相連，另外一段與強震儀網絡中的主記錄儀相連。

4.5 GPS 接收器

GPS接收器用于接收GPS信號，同步記錄時間并定位，它直接與網絡中主記錄儀連接。

4.6 終端計算機

終端計算機用于安裝通訊控制數(shù)據(jù)處理分析軟件，下載、顯示、分析數(shù)據(jù)。普通計算機即可滿足要求。

4.7 電 纜

圖1 蘇丹麥洛維大壩地震儀系統(tǒng)平面布置示意圖

用于地震儀網絡的強震儀電纜主要分為兩種:傳感器電纜和網絡通訊電纜。其中傳感器電纜采用12芯電纜，屏蔽雙絞線加強聚亞安酯護套電纜;通訊電纜采用8芯電纜，屏蔽雙絞線加強聚亞安酯護套電纜。

在麥洛維工程中，整個地震儀系統(tǒng)僅網絡電纜敷設長度即達3589m。

4.8 電源及防雷、接地

麥洛維工程地震儀系統(tǒng)電源布置采用分布式原則，就近接入大壩永久電源系統(tǒng)，在儀器室和坑中設置短路保護器和超壓保護裝置，并鋪設16 mm2銅芯接地線與大壩接地網連接，避免雷電和靜電對儀器造成損壞。

5 軟件配置

本工程采用與GSR-16DC記錄儀配套的Geo-DAS軟件進行儀器的通訊控制、數(shù)據(jù)的下載、儀器參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的處理分析。該軟件一體性較好，界面簡潔，可操作性強，人機交互簡單易懂。其功能主要有:硬件的通訊、硬件參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)分析四大模塊。

5.1 硬件通訊

該軟件硬件通訊操作簡單，在硬件參數(shù)配置完成后，每臺地震儀測站可實現(xiàn)一鍵連接。各個地震儀信息分列顯示在窗口界面上，可直觀的查看儀器各項指標狀態(tài)，并且用戶各個操作將立即記錄到日志文件中，以便用戶追溯操作過程，避免用戶錯誤操作。

5.2 硬件參數(shù)配置

打開參數(shù)配置選項卡后，相應儀器參數(shù)可在此修改，例如:儀器的編號，震動觸發(fā)閥值等，并且用戶可將系統(tǒng)配置文件備份，在系統(tǒng)被錯誤操作后可將參數(shù)配置恢復到正確配置。

5.3 數(shù)據(jù)下載

任何地震或測試數(shù)據(jù)將記錄在儀器內存中，在登錄相應讀數(shù)儀并通過選擇數(shù)據(jù)下載操作，數(shù)據(jù)名和相應信息將列表顯示，用戶可選擇一個、多個或者全部數(shù)據(jù)下載，下載窗口下部將會顯示正在下載的數(shù)據(jù)圖形和進程。

5.4 數(shù)據(jù)查看

用戶通過打開該軟件相應存儲目錄下的文件夾，可對地震數(shù)據(jù)進行顯示和查看。每個地震事件中包含了三個方向震動圖形和地震事件的詳細信息，此圖形可直觀的查看震波的發(fā)展和衰減過程，震動峰值將直接顯示并且可查看其他各個時刻的震動數(shù)據(jù)。震動數(shù)據(jù)可以以加速度、速度和電壓三種形式顯示。

5.5 數(shù)據(jù)處理分析

在具備相應知識后，通過選擇下拉菜單中的各種分析類型選項，用戶可對地震事件進行分析處理，并可將分析處理后的地震圖形保存至用戶指定位置，以便日后分析查看。

6 結語

麥絡維水電站大壩長9700m，為目前世界之最。該電站地震儀系統(tǒng)從第一臺加速度計的安裝到系統(tǒng)完全竣工，從硬件到軟件進行了長時間的施工期運行和測試，并根據(jù)國際工程規(guī)范的要求不斷的改進和完善。根據(jù)工程的需要，通過技術改造，成功的連接了11臺強震儀到一個網絡，突破了該類型RS485強震儀監(jiān)測網絡最多測站為10臺的限制。

截止目前，該強震儀系統(tǒng)運行正常，達到了工程預期設計目的，經長時間運行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈敏、操作維護簡單。系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和處理界面設計合理，對我國地震監(jiān)測系統(tǒng)的設計和建設以及相應數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)有一定的參考價值。

［1］茹繼平，肖 巖.美國地震工程模擬網系統(tǒng)NEES計劃及在我國實現(xiàn)遠程協(xié)同結構試驗的設想［J］.建筑結構學報，2003，23(6):91 －94.

［2］李 雷，鄧存華，等.地震臺站地震圖管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(3):94－99.