謝劍明，王能峰, 饒文松

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)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(yù)測系統(tǒng)總體設(shè)計

謝劍明1，王能峰1, 饒文松2

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)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(zāi)和水電工程安全的需要，對于大型水電工程，除必須進(jìn)行工程場地地震安全性評價和防震抗震設(shè)計外，還應(yīng)開展水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測和預(yù)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(yù)測系統(tǒng)的總體設(shè)計。

瀑布溝；水庫誘發(fā)地震；監(jiān)測；預(yù)測；總體設(shè)計

1　水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)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(yùn)行，應(yīng)對水庫蓄水后可能誘發(fā)的中強(qiáng)地震進(jìn)行有效監(jiān)測和預(yù)測。瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)工程，可以為業(yè)主和政府提供重要的防震減災(zāi)決策依據(jù)，制定應(yīng)急預(yù)案，可提高庫壩區(qū)的防震減災(zāi)能力。

2　數(shù)字遙測臺網(wǎng)總體設(shè)計

2.1基本監(jiān)測目標(biāo)

瀑布溝水電站工程區(qū)外圍有幾條強(qiáng)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(gòu)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(jì)和震旦紀(jì)的巖系構(gòu)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(diǎn)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(shè)應(yīng)較為均勻的展布在這兩個重點(diǎn)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(biāo)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(yù)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(yù)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(diǎn)監(jiān)測與大壩、庫中段和工程場地安全有關(guān)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(jìn)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(jìn)行預(yù)測預(yù)報，一旦發(fā)生水庫誘發(fā)地震或受到外圍強(qiáng)震的波及影響，即據(jù)監(jiān)測預(yù)測成果和應(yīng)急預(yù)案，采取合理的對策與抗震應(yīng)急措施，為工程的安全施工、正常運(yùn)行和防震減災(zāi)服務(wù)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(qiáng)震、強(qiáng)震活動(特別是Ms6級以上的強(qiáng)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(jìn)行外圍強(qiáng)震對工程區(qū)波及影響的分析研究與可能災(zāi)害的預(yù)測評估。

2.3遙測臺網(wǎng)設(shè)計的技術(shù)路線與技術(shù)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(shù)先進(jìn)的24 bit的數(shù)字遙測技術(shù)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(diǎn)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(shù)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(yù)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(shí)現(xiàn)有機(jī)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(shè)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(diǎn)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(shè)臺監(jiān)視。庫區(qū)外圍的地震特別是中、強(qiáng)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(shù)指標(biāo)

數(shù)據(jù)處理中心實(shí)際上是一個以計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為硬件核心，配以功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，對地震信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)、保存、實(shí)時和非實(shí)時的處理系統(tǒng)(局域網(wǎng)100M傳輸速率、前臺機(jī)工業(yè)級P41.0G以上、后臺機(jī)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(shè)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(diǎn)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(yù)測的水庫誘發(fā)地震危險區(qū)的范圍與分布，臺網(wǎng)設(shè)計規(guī)模為布設(shè)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(guān)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(diǎn)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(shù)系統(tǒng)設(shè)計

3.1子臺技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)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(jī)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(hù)蓄電池組構(gòu)成的直流電源對子臺的所有設(shè)備提供不間斷的電源供給。

3.1.2子臺的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)備配置

子臺是地震臺網(wǎng)最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，它要完成將地動信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)而對其數(shù)字進(jìn)行編碼功能。構(gòu)成子臺技術(shù)系統(tǒng)的主要設(shè)備是地震計、地震數(shù)據(jù)采集器、無線數(shù)傳發(fā)射機(jī)、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(gòu)成框圖

3.2中繼站技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)到方村口中繼站，再中轉(zhuǎn)到大壩右岸強(qiáng)震臺進(jìn)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(gòu)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(shù)系統(tǒng)主要由接收天線、數(shù)據(jù)接收機(jī)、數(shù)據(jù)分接器、DDN傳輸設(shè)備以及電源設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)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(shè)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(jī)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(fèi)。

3.3臺網(wǎng)中心技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)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(hù)、收集、記錄和分析處理任務(wù)，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(jié)果。

圖3　蘿卜崗系統(tǒng)構(gòu)成

3.3.2臺網(wǎng)中心技術(shù)設(shè)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(shè)備等組成。臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(shí)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(jī)結(jié)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?jǐn)?shù)據(jù)流程及其功能圖。

圖6　實(shí)時處理數(shù)據(jù)流程及功能

圖7　人機(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)流程及功能

4　瀑布溝水庫誘發(fā)地震綜合預(yù)測研究

水庫誘發(fā)地震綜合預(yù)測研究共分兩個階段完成，其主要任務(wù)是：

第一階段：臺網(wǎng)投入正式運(yùn)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(jìn)行詳細(xì)的本底地震分析研究，包括地震活動性、震源性質(zhì)、介質(zhì)狀態(tài)以及與構(gòu)造的關(guān)系等，積累庫區(qū)及其臨近區(qū)域地震活動背景資料，重點(diǎn)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(jié)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(zhì)，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(jìn)行水庫誘發(fā)地震研究及地震活動趨勢預(yù)測(預(yù)測工作是一項長期的任務(wù))。水庫誘發(fā)地震預(yù)測研究工作中，還應(yīng)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(yù)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(jìn)行水庫地震的預(yù)測研究工作。大壩首次擋水第一臺機(jī)組發(fā)電后至庫水位達(dá)到設(shè)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(yùn)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(qiáng)度和能量釋放、時空分布等)及外圍強(qiáng)震的影響，進(jìn)行動態(tài)實(shí)時跟蹤監(jiān)視與相關(guān)分析，提出瀑布溝水庫誘發(fā)地震的辨識判別標(biāo)志與判據(jù)，對Ms≥3級的地震，應(yīng)立即進(jìn)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(yīng)急對策措施的建議，會同業(yè)主、工程總體設(shè)計單位一道，組織實(shí)施保衛(wèi)大壩安全的各種應(yīng)急預(yù)案措施；總結(jié)水庫誘發(fā)地震監(jiān)測與預(yù)測研究工作，做出初步結(jié)論，提出電廠今后監(jiān)測與預(yù)測工作的建議，滿足瀑布溝工程竣工安全鑒定的需要。

5　結(jié)　　語

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

(2)瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)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(yù)測研究兩大部分組成。水庫數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的技術(shù)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(yù)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(yù)測階段。

[1]何朝新，等.瀑布溝水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)總體設(shè)計報告[R].成都：國家電力公司成都勘測設(shè)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(zhì)勘察工作。

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1003-9805(2016)03-0076-04