劉 杰，貢建兵，吳興威，劉宜思

(1.湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司庫壩中心，湖北 宜昌 443000；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司大壩安全監(jiān)督管理中心，北京 100000)

清江發(fā)源于鄂西利川齊岳山，于宜都市匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)423 km，自上世紀(jì)50年代起規(guī)劃開發(fā)，至今已建成3座大型水電站，由上到下依次為水布埡水電站、隔河巖水電站、高壩洲水電站，其中水布埡水電站位于恩施市巴東縣水布埡鎮(zhèn)，工程以發(fā)電、防洪為主，大壩壩高233 m，是國(guó)內(nèi)最高的面板堆石壩，庫容43.12億m3，屬于大Ⅰ型水利工程。

庫壩區(qū)基巖以中-古生界碳酸鹽巖為主，整體位于長(zhǎng)江中下游EW向構(gòu)造帶與華夏系NNE向構(gòu)造帶復(fù)合區(qū)域，區(qū)內(nèi)褶皺屬于典型的“侏羅山式”褶皺形態(tài)。EW向褶皺出露于監(jiān)測(cè)區(qū)東南緣，有長(zhǎng)陽復(fù)式背斜、馬連坪向斜、資丘向斜等。NNE向褶皺覆蓋了整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，如花坪向斜、野三關(guān)背斜、清太平向斜、魚洞河背斜等。NNE向斷裂亦較為發(fā)育，如大青山斷裂、桃李溪斷裂、楊柳池?cái)嗔?、龍王沖斷裂等。NNE向的構(gòu)造形態(tài)與清江NEE向的河流流向小角度相交，使庫區(qū)大部分庫段表現(xiàn)為橫向谷，同時(shí)受到NNE向斷層在庫首高角度穿越水庫，共同造成了與基巖變形相關(guān)的地震、滑坡等不穩(wěn)定因素(見圖1)。早期研究顯示，庫壩區(qū)及周邊絕大部分?jǐn)嗔呀陙硇巫兞枯^小，構(gòu)造活動(dòng)微弱，能量積累不高，但巖溶程度高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，誘發(fā)地震可能性仍然存在，蓄水后存在4.5級(jí)誘發(fā)地震的可能性。湖北省地震局研究后確定了壩址地震基本烈度為Ⅳ度，考慮到水布埡水庫巖溶區(qū)抬高水頭導(dǎo)致的誘發(fā)地震，綜合認(rèn)為，水布埡壩址的影響烈度為Ⅵ度[1]。

根據(jù)《水庫地震監(jiān)測(cè)管理辦法》等國(guó)家及行業(yè)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合水庫蓄水后因外在條件變化產(chǎn)生的誘發(fā)地震[2-4]，考慮到水布埡大壩、溢洪道、進(jìn)水塔、地下廠房、邊坡等水工建筑物在地震中可能產(chǎn)生的不利后果[5-7]，2002年12月，水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)通過了專家評(píng)審，確定由清江公司投資興建，長(zhǎng)江委三峽勘測(cè)研究院、湖北省地震局共同設(shè)計(jì)實(shí)施。2005年4月，水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)工程完工，同年10月投入使用，時(shí)至今日，其為保障水布埡樞紐工程電站安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，清江公司庫壩中心在數(shù)十年的地震臺(tái)網(wǎng)管理中積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖1 研究區(qū)及周緣地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

1 臺(tái)網(wǎng)概況

1.1 臺(tái)站設(shè)置

水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)是水布埡水利樞紐工程的重要安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一，主要擔(dān)負(fù)著水布埡壩區(qū)、庫首區(qū)及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)任務(wù)，系統(tǒng)包含1個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心、1個(gè)中繼站和6個(gè)遙測(cè)臺(tái)站(見圖2)。臺(tái)網(wǎng)中心設(shè)在水布埡建設(shè)公司大樓頂層，中繼站設(shè)在海拔1 806 m的太陽包上，各子臺(tái)站分布在巴東縣金果坪鄉(xiāng)與水布埡鎮(zhèn)地形復(fù)雜的山區(qū)高海拔部位，分別為高嶺臺(tái)、大山埡臺(tái)、廟埡子臺(tái)、方家沖臺(tái)、麥子沖臺(tái)、獅子山臺(tái)，子臺(tái)距離臺(tái)網(wǎng)中心最遠(yuǎn)直線距離達(dá)到20 km，其中方家沖臺(tái)、麥子沖臺(tái)、獅子山臺(tái)信號(hào)經(jīng)過太陽包中繼站匯集后傳至臺(tái)網(wǎng)中心。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

地震臺(tái)網(wǎng)采用了無線數(shù)字遙測(cè)技術(shù)方式組網(wǎng)，系統(tǒng)按照功能可以分為三部分，分別為臺(tái)網(wǎng)中心部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、地震臺(tái)站部分(見圖3)。

臺(tái)網(wǎng)中心配有交流參數(shù)穩(wěn)壓器、不間斷電源、蓄電池組、實(shí)時(shí)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)、交換機(jī)、GPS鐘、匯集器、串口分配器、多串口卡等設(shè)備，使用三套數(shù)據(jù)接收設(shè)備，接收機(jī)實(shí)時(shí)地接收臺(tái)站傳輸過來的地動(dòng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理機(jī)通過人機(jī)交互處理，對(duì)傳來的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記錄和匯報(bào)，地震事件發(fā)生后，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警?？紤]到子臺(tái)數(shù)傳系統(tǒng)工作年限較久，目前給各個(gè)子臺(tái)均新增了4G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)同時(shí)工作，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜f無一失。

臺(tái)站部分由地震數(shù)據(jù)采集器、拾震器、蓄電池、電源控制器、太陽能板、數(shù)傳電臺(tái)等配置組成，同時(shí)配置了較為完善的避雷系統(tǒng)。拾震器采用了DS-4B短周期三位一體反饋式地震計(jì)，其頻帶范圍為70 Hz，靈敏度為2 000 V.s/m。數(shù)據(jù)采集器選用24位高精度TDE-324CI型數(shù)據(jù)采集器，在采樣率為100 sps時(shí)其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到137 dB。臺(tái)站供電單元采用交流電源控制器+太陽能電池板+蓄電池供電方式，由2組太陽能電池板、2組蓄電池組、2臺(tái)太陽能電源控制器和1臺(tái)交流電源控制器組成，應(yīng)對(duì)不同的天氣情況(見圖4)。

圖2 水布埡地震臺(tái)網(wǎng)分布情況圖

圖3 水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)傳輸圖

中繼站地震采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)復(fù)接系統(tǒng)與各子臺(tái)不同，其余組成均類似。

1.3 臺(tái)網(wǎng)布局與監(jiān)測(cè)能力

臺(tái)網(wǎng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)覆蓋范圍長(zhǎng)約30 km，寬約20 km，面積約600 km2，鹽池河—壩址區(qū)—野三口有可能發(fā)生水庫地震的地段均被臺(tái)網(wǎng)覆蓋，同時(shí)能夠?qū)π绿翈於蔚乃畮斓卣稹⒅苓吇麦w及景陽滑坡群進(jìn)行監(jiān)測(cè)。臺(tái)網(wǎng)布局設(shè)計(jì)滿足《水庫誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，Ⅰ類重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)下限小于ML0.5級(jí)，震中定位精度1.0 km[8]，考慮到遙測(cè)臺(tái)所處環(huán)境較好，臺(tái)基可使用速度和位移放大倍率都在10萬倍以上，地震定位下限ML0.5級(jí)時(shí)，臺(tái)距應(yīng)該在16.5km以內(nèi)，根據(jù)歷史地震數(shù)據(jù)，得到的微震震源平均深度11 km，綜合考慮之后，確定臺(tái)距在10～16 km，且較均勻布設(shè)在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)，臺(tái)站布局完全能夠?qū)崿F(xiàn)水庫地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)的精度要求(見圖5)。

圖4 臺(tái)站不同天氣供電技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2 運(yùn)行管理情況

水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)由湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司庫壩中心與長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限公司共同管理。庫壩中心作為臺(tái)網(wǎng)管理的責(zé)任單位，定期組織人員對(duì)臺(tái)網(wǎng)中心及各子臺(tái)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、更換，對(duì)地震臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行巡視檢查并編寫巡檢報(bào)告。長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究有限公司負(fù)責(zé)日常監(jiān)測(cè)與速報(bào)工作，編寫地震觀測(cè)月報(bào)、地震調(diào)查報(bào)告、地震目錄、年度監(jiān)測(cè)竣工報(bào)告等。自建成以來，大壩經(jīng)歷了初期蓄水，水位快速上升，至庫區(qū)水位平穩(wěn)運(yùn)行，臺(tái)網(wǎng)管理方式不斷改進(jìn)，管理方法不斷創(chuàng)新，管理效率顯著提升。

圖5 臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力圖

2.1 數(shù)傳系統(tǒng)改造優(yōu)化

地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2005年建成以來一直沿用至今，其中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)備工作年限較長(zhǎng)，傳輸信道在極端天氣情況下時(shí)有阻擋，尤其是中繼站傳輸?shù)呐_(tái)站信號(hào)經(jīng)常存在誤碼，導(dǎo)致工作人員無法正常獲取實(shí)時(shí)地震信號(hào)，大大降低了臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行率，2019年上半年平均運(yùn)行率不足80%，增加了業(yè)主單位、承包單位的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)次數(shù)，僅1～6月對(duì)該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)次數(shù)就達(dá)到5次。

考慮到臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相關(guān)硬件更換、軟件調(diào)試、廠家技術(shù)支持等產(chǎn)生的費(fèi)用較多，水庫、大壩等水工建筑物由地震事件監(jiān)測(cè)不及時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)增加，2019年7月，庫壩中心對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行了改造，給6個(gè)子臺(tái)均安裝了1套4G傳輸設(shè)備，通過子臺(tái)的4G無線路由器，將原始地震動(dòng)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)、電信公網(wǎng)，傳輸至水布埡當(dāng)?shù)仉娦欧?wù)中心，再由單獨(dú)的光纖經(jīng)過獨(dú)立IP傳輸至水布埡臺(tái)網(wǎng)中心。增加4G傳輸設(shè)備后，傳輸技術(shù)更加成熟，臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行率大幅度提升，2019年下半年臺(tái)網(wǎng)平均運(yùn)行率均超過93%，7～12月對(duì)子臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)僅1次，新舊2套數(shù)傳設(shè)備共同工作，大大提高了臺(tái)網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性，降低了水庫、大壩等水工建筑物因水庫誘發(fā)地震事件監(jiān)測(cè)不及時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 管理方式創(chuàng)新

最初組建的水布埡地震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目運(yùn)行管理小組，投入工程技術(shù)人員8人，包括現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員3人，日常資料分析人員2人，儀器日常維護(hù)維修人員2人，質(zhì)檢員1人，同時(shí)組成了臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行管理專家咨詢組，專家組成員由5位地震地質(zhì)資深專家組成。為了保證臺(tái)網(wǎng)儀器設(shè)備正常運(yùn)行，安排數(shù)名經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)骨干負(fù)責(zé)儀器運(yùn)行值班，并在臺(tái)網(wǎng)范圍內(nèi)巡回檢查維護(hù)，其中臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)行24 h值班制，儀器出現(xiàn)故障后，現(xiàn)場(chǎng)值班人員大多能及時(shí)處理，一旦出現(xiàn)值班人員不能處理的故障，專職儀器維修人員能保證及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

各子臺(tái)距離臺(tái)網(wǎng)中心路途遙遠(yuǎn)，其中最遠(yuǎn)的方家沖臺(tái)距離水布埡臺(tái)網(wǎng)中心直線距離超過了20 km，實(shí)際距離超過60 km，且路途均為崎嶇山路，往返一次需要至少5 h，如果僅僅靠運(yùn)行值班人員，考慮到暴雨、降雪、霜凍等特殊天氣下，無法第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)處理問題，且經(jīng)濟(jì)性與安全性較差。為了保證各遙測(cè)臺(tái)站儀器設(shè)備遇到問題時(shí)能及時(shí)解決，每個(gè)遙測(cè)臺(tái)站都安排了責(zé)任心較強(qiáng)的人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理，現(xiàn)場(chǎng)管理人員多為臺(tái)站附近有責(zé)任心的村民，經(jīng)臺(tái)網(wǎng)負(fù)責(zé)人對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單培訓(xùn)，具備處理一些小問題的能力以后，按年與其簽訂臺(tái)站管理合同，同時(shí)負(fù)責(zé)臺(tái)站清掃等工作，如有突發(fā)情況，及時(shí)通知相關(guān)人員，保證了臺(tái)網(wǎng)年均運(yùn)行率與波形完好率保持在90%以上。

2.3 速報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)

對(duì)大壩、溢洪道、進(jìn)水口、各類附屬水工建筑物、邊坡、滑坡等產(chǎn)生危害的特殊地震事件，按既定程序進(jìn)行速報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)?？紤]到不同地區(qū)地震強(qiáng)度在壩址的烈度表現(xiàn)，速報(bào)條件按照等級(jí)劃分為：重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)ML≥3.0；宜昌及恩施地區(qū)M≥4.0；宜昌及恩施相鄰地區(qū)M≥7.0。地震發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)值班人員應(yīng)在10 min內(nèi)，電話通知到庫壩中心相關(guān)負(fù)責(zé)人，中心做好應(yīng)急準(zhǔn)備，30 min以內(nèi)，短信通知庫壩中心相關(guān)負(fù)責(zé)人，信息內(nèi)容包括地震準(zhǔn)確時(shí)間、地點(diǎn)、經(jīng)緯度、震源深度、震中距，60 min內(nèi)以郵件等形式發(fā)送第一期簡(jiǎn)報(bào)，對(duì)產(chǎn)生的余震進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)與上報(bào)。

2.4 地震事件應(yīng)急預(yù)警

特殊地震事件發(fā)生后，庫壩中心第一時(shí)間將震情信息向公司應(yīng)急指揮部總指揮長(zhǎng)、應(yīng)急辦公室反饋，待應(yīng)急響應(yīng)命令下達(dá)后，根據(jù)《庫壩中心地震災(zāi)害專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案》，中心下達(dá)應(yīng)急任務(wù)，展開對(duì)流域水工建筑物的加密巡檢，對(duì)庫區(qū)滑坡體、變形體的隱患排查，對(duì)流域電站自動(dòng)化項(xiàng)目和人工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的加密監(jiān)測(cè)，此處以水布埡電站為例詳細(xì)說明。

面板堆石壩、地下廠房、進(jìn)水口、溢洪道等主要水工建筑物是巡檢工作的重點(diǎn)，通過目視、測(cè)量等方式對(duì)大壩面板、趾板、面板缺陷部位進(jìn)行檢查，觀察壩后堆石體有無掉塊，壩后馬道有無變形等，檢查地下廠房吊頂、邊墻、交通洞、主要排水洞等變化情況，通過無人機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備觀察溢洪道壩肩、底板、邊墻等變化情況，左右岸壩肩、兩岸灌漿平洞、下游護(hù)岸及河道、重點(diǎn)排水溝等水工建筑物需第一時(shí)間檢查完畢并形成加密巡檢記錄。針對(duì)水布埡壩址區(qū)9個(gè)較大規(guī)?；?，巡檢人員逐次完成對(duì)地表防排水、地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定工程的巡視檢查。壩后右岸以馬崖高陡邊坡為主的基巖邊坡，巡查人員通過預(yù)留的勘探平洞，進(jìn)入山體觀察裂隙寬度、位移等變化情況。壩后長(zhǎng)淌河棄渣場(chǎng)、左右岸山體、馬道巖壁等難以抵達(dá)的地方，通過無人機(jī)巡檢的方式，觀察是否存在落石、滲水、馬刀樹、醉漢林等異常情況，拍照比對(duì)解讀異常變化。電話詢問庫區(qū)滑坡體現(xiàn)場(chǎng)看護(hù)人員滑坡體運(yùn)行情況并形成記錄。

第一時(shí)間對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢查，確保自動(dòng)化設(shè)備正常工作后，對(duì)大壩滲流、壩基滲壓、面板周邊縫滲壓、面板趾板滲壓、1號(hào)巖溶通道等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行震前、震后數(shù)據(jù)比對(duì)分析。對(duì)壩后水平垂直位移計(jì)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，選擇面板視準(zhǔn)線、面板撓度、周邊縫滲流測(cè)溫、兩岸帷幕地下水觀測(cè)孔、面板與壩頂防浪墻精密水準(zhǔn)、溢洪道控制段精密水準(zhǔn)、以及壩后三角交會(huì)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中一項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析記錄并提交加密監(jiān)測(cè)報(bào)告，根據(jù)后續(xù)情況，選擇是否進(jìn)行多次加密監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)成果及意義

對(duì)地震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行震相對(duì)比分析，去除由人類工程措施產(chǎn)生的地震事件后，從地震月均N-T圖中可以看出(見圖6)，2007年以前庫區(qū)地震活動(dòng)相對(duì)平靜，自水布埡工程2007年4月蓄水抬高水位后，地震活動(dòng)明顯加強(qiáng)，2007年8月達(dá)到330次，2007年9月以后有所下降，2016年共記錄到96次，平均每月發(fā)生8次，2018年平均每月發(fā)生6次，2019年降至平均每月發(fā)生3.7次。

水布埡工程水庫蓄水后，地震活動(dòng)與水庫水位抬升有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，地震活動(dòng)頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于庫區(qū)地震本底水平(圖6)，蓄水前地震活動(dòng)頻次為4.7次/月(統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2005年9月至2007年3月)，屬于典型的水庫誘發(fā)地震現(xiàn)象。根據(jù)對(duì)庫區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和地震活動(dòng)特征分析，庫區(qū)發(fā)生的地震大部分是由于水布埡工程水庫蓄水后，水庫岸邊部分巖溶洞穴或不良地質(zhì)構(gòu)造被庫水淹沒后產(chǎn)生的物理和化學(xué)效應(yīng)，打破了原有的平衡應(yīng)力狀態(tài)，使一些巖溶洞穴發(fā)生坍塌而誘發(fā)的巖溶塌陷型水庫地震或地表微破裂產(chǎn)生的地表卸荷型水庫地震。

圖6 水布埡庫區(qū)地震——月均頻次分布圖

4 結(jié) 語

水庫地震監(jiān)測(cè)是水庫防震減災(zāi)工作的重要組成部分，也是國(guó)家法律法規(guī)層面強(qiáng)制要求的一項(xiàng)必須工作，是水庫大壩安全運(yùn)行管理必不可少的基礎(chǔ)工作。水布埡數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)的合理布局、穩(wěn)定運(yùn)行、科學(xué)管理，為保障清江水布埡水電工程、防災(zāi)減災(zāi)及相關(guān)工作做出了巨大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)水布埡工程已蓄水發(fā)電近10年，庫水位也進(jìn)入了調(diào)控期，年發(fā)生地震數(shù)量趨于平穩(wěn)，但考慮到庫區(qū)巖溶地貌發(fā)育，庫區(qū)地震孕育環(huán)境仍可能發(fā)生變化，結(jié)合其地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，誘發(fā)較大水庫地震的可能性仍然存在，在今后對(duì)水庫水位調(diào)控過程中其地震活動(dòng)趨勢(shì)如何，現(xiàn)在還很難判斷。為了確保庫區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、水庫調(diào)度運(yùn)行安全、水電工程結(jié)構(gòu)安全，地震監(jiān)測(cè)工作應(yīng)持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)。