石 磊，吳玉川，黎 莎

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

0 引言

安全監(jiān)測是水電站運行管理的基礎工作，目前國內水電站工程中安全監(jiān)測手段一般分為巡視檢查和儀器監(jiān)測，利用巡視檢查、儀器觀測與分析手段對大壩壩體、壩基、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境進行測量及觀察[1-2]。2008年汶川大地震后，在新修訂的防震減災法中首次提出水庫等重大建設工程應按相關規(guī)定建設專用地震監(jiān)測臺網(wǎng)或者強震動監(jiān)測設施，在此背景下，貴州境內烏江流域、北盤江流域以及黔中、夾巖兩個大型水利工程均建設有專用的地震監(jiān)測臺網(wǎng)，部分大壩還建設了強震監(jiān)測臺陣。在國內，越來越多的大型水電站工程安全監(jiān)測中也增加了水庫地震及大壩強震監(jiān)測的手段。

與傳統(tǒng)的水電站工程安全監(jiān)測手段相比，水庫地震及大壩強震監(jiān)測手段在安全監(jiān)測方面有其自身的優(yōu)勢。地震及強震監(jiān)測均為實時監(jiān)測，監(jiān)測設備儀器精度較高，專業(yè)人員24h不間斷分析，可第一時間發(fā)現(xiàn)庫區(qū)周邊的振動事件及異常信息，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行進一步處理分析。當事件記錄參數(shù)達到或超過一定安全閾值時，可立即開展常規(guī)的大壩安全儀器監(jiān)測資料分析，必要時開展現(xiàn)場巡視檢查，為及時消除水電站工程中的安全運行隱患，為水電站工程的安全運行提供強有力的支撐。

本文通過對發(fā)生在水電工程監(jiān)測區(qū)三個典型事件的地震及強震監(jiān)測資料分析，探討說明水庫地震及大壩強震監(jiān)測手段可在水電工程安全監(jiān)測中發(fā)揮的作用。

1 庫區(qū)地震事件定位及分析

1.1 六枝4.0級地震概況

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定：2020年9月18日16時24分01秒在貴州省六盤水市六枝特區(qū)發(fā)生4.0級地震，震源深度10km，震中位于北緯26.21°，東經(jīng)105.41°。地震發(fā)生時，六枝特區(qū)城區(qū)出現(xiàn)巨大聲響（地聲）。經(jīng)初步排查，地震造成了102間房屋受損，其中，90間平房出現(xiàn)輕度裂紋，12間瓦房有少數(shù)瓦掉落。

1.2 水庫地震臺網(wǎng)定位

在距離震中100km范圍內有6個水電站，共布設有33個水庫地震臺站（見圖1）。這些專用地震臺站因布設孔徑較小，對本次地震事件包圍較好。采用對網(wǎng)內地震定位較好的Hypo2000定位方法對地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析定位，得出的微觀震中位置為北緯26.19°，東經(jīng)105.47°（見圖2），與當?shù)貞辈块T和實地調查的宏觀震中位置（六枝特區(qū)九龍街道波乍村）相差約0.8km，而中國地震臺網(wǎng)測定的微觀震中與其相差約5km，水庫地震臺網(wǎng)對庫區(qū)內的地震事件定位精度更高（見圖3）。

圖1 六枝地震周邊的水庫地震臺站分布圖Figure 1 Distribution map of the reservoir seismic stations around the Liuzhi earthquakes

圖2 水庫地震臺網(wǎng)對六枝地震的定位信息Figure 2 Location information of the Liuzhi earthquakes by the reservoir seismic network

圖3 六枝地震的宏觀及微觀震中衛(wèi)星分布圖Figure 3 Satellite distribution map of macro and micro epicenters of the Liuzhi earthquakes

1.3 地震性質分析

從水庫地震臺站對六枝4.0級地震的波形記錄上看，周圍近臺記錄縱波P波發(fā)育平緩、初動明顯全部向下，橫波S波極不發(fā)育，P波和S波有明顯的耦合特征；導波和表面波相對突出，存在一定的表面震源特征；波頻譜顯示既有高頻又有低頻成分，但總體波的成分簡單，高頻不發(fā)育（見圖4～圖6）。

圖4 六枝M4.0級地震水庫臺站記錄圖Figure 4 Seismogram of the Liuzhi M4.0 earthquake at the reservoir station

圖5 六枝M4.0級地震近臺P波初動記錄圖Figure 5 Seismogram of P wave first motion of the Liuzhi M4.0 earthquake near the station

圖6 六枝M4.0級S波、導波、面波記錄特征Figure 6 Characteristics of S wave，guided wave，surface wave recorded for Liuzhi M4.0 earthquake

天然構造地震具有P波初動呈四象限分布規(guī)律，有清晰的P波和S波且區(qū)分明顯，近場S波與P波振幅比在3～5倍，面波不發(fā)育等顯著特征[3-6]。爆破具有P波初動清晰、尖銳，能量衰減較快，持續(xù)時間短等特征[3-6]。而滑坡一般表現(xiàn)為沒有確定的P、S，沒有明確的體波和面波的界定點，體波周期雜亂無章且不規(guī)律等特征[3-4]。本次事件波形記錄特征與天然地震、爆破及滑坡的相關波形特征存在明顯差異。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該事件波形記錄特征與塌陷波形特征相似。首先，塌陷波形P波初動明顯，多數(shù)初動向下；其次，頻譜單一，高頻成分較少；最后，無論震中距遠近都有面波發(fā)育。但與其他文獻[3-9]中的庫區(qū)塌陷、煤礦塌陷及熔巖塌陷等塌陷記錄存在S波發(fā)育、周期較大，且面波周期無明顯區(qū)別的情況相比，該事件呈現(xiàn)S波不發(fā)育且具有較明顯的導波和表面波的特點，推斷本次事件可能為重力作用下的垂直塌陷。

通過實地調查發(fā)現(xiàn)，距震中1km范圍內的建筑物有損壞現(xiàn)象，個別地區(qū)出現(xiàn)明顯的地裂縫；距震中10km范圍內能聽到地震聲響。結合在震中西北和西南方向分別約30km和31km的兩處水電站大壩的強震監(jiān)測資料分析，大壩上強震測點記錄到的最大加速度值分別為1.68gal和1.84gal，參考烈度為Ⅰ度，表現(xiàn)為無感、僅儀器能監(jiān)測記錄。參考震中距、震級相近的構造地震對大壩的影響，可知本次六枝地震造成的影響明顯偏?。ㄒ姳?）。

表1 震中距在30～60km的大壩強震最大加速度值記錄表Table 1 Acceleration magnitudes of dam strong earthquakes at epicentral distance 30～60km

綜合水庫地震監(jiān)測波形特征、大壩強震資料分析及實地考察，可推斷本次六枝4.0級地震為一次垂直塌陷事件。這合理地解釋了該地區(qū)在4.0級地震后幾乎無余震記錄的現(xiàn)象，同時排除了該區(qū)域后續(xù)存在發(fā)生更大地震的可能性，為附近水電站工程的地震應急工作提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

2 庫區(qū)滑坡事件監(jiān)測及分析

水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)除了監(jiān)測庫區(qū)及周邊的地震活動外，還能監(jiān)測大壩泄洪振動、非天然地震事件及較大的地質災害等振動信號。如2017年8月28日發(fā)生在貴州納雍縣張家灣鎮(zhèn)的山體滑坡，事故共造成17人死亡、18人失聯(lián)。此次滑坡的過程，只有布設在附近的某水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)有清晰、完整的波形記錄，發(fā)現(xiàn)在滑坡發(fā)生前出現(xiàn)了2次明顯的滑坡震動記錄。

2.1 庫區(qū)滑坡監(jiān)測定位

滑坡發(fā)生后，通過對在附近的水庫地震臺站波形記錄分析，采取Geiger地震定位法，測出滑坡發(fā)生的具體時間為10時46分01秒左右，位置在北緯26.716°，東經(jīng)105.415°，定位結果與實際滑坡地點相差小于1km（見圖7和圖8）。

圖7 “8·28”滑坡定位分析信息Figure 7 Location analysis information of the“8·28”landslide

圖8 “8·28”滑坡實際滑坡點與定位對比圖Figure 8 Comparison of the actual landslide site and the locating point of the“8·28”landslide

2.2 滑坡機制分析

對滑坡前附近臺站的波形記錄分析發(fā)現(xiàn)，在滑坡前1h內，9時57分48秒和10時22分22秒左右在滑坡體處已發(fā)經(jīng)發(fā)生了兩次較大滑動并形成了振動波形記錄。對這三次滑坡振動記錄分析可發(fā)現(xiàn)：

（1）能量釋放方面：造成傷亡的10時46分的滑坡能量相對較小，滑動的能量相當于近震震級ML1.9；前兩次滑動的能量相對較大，分別相當于近震震級ML2.0和ML2.4（見圖9和圖10）。經(jīng)分析，在滑坡前其內部已經(jīng)產生了多次滑動，釋放了部分能量，但之前的滑動未超過邊坡的穩(wěn)定性[10]。

圖9 滑坡前第1次振動記錄波形圖Figure 9 Oscillogram of first vibration record before the landslide

圖10 滑坡前第2次振動記錄波形圖Figure 10 Oscillogram of second vibration record before the landslide

（2）滑動階段方面：選取距滑坡點最近的臺站記錄可知，10時46分的滑坡持時最短，約17s，屬于快速滑動，而另外兩次的滑動持時相對較長，約30s（見圖11～圖13）。

圖11 滑坡前第1次振動過程圖Figure 11 Diagram of first vibration process before the landslide occurred

圖12 滑坡前第2次振動過程圖Figure 12 Diagram of second vibration process before the landslide occurred

圖13 滑坡時的滑動過程圖Figure 13 Diagram of sliding process when the landslide occurred

（3）頻率特征方面：同樣選取距滑坡點最近的臺站波形記錄頻率分析可知，在發(fā)生滑坡前的兩次振動的主頻為2～3Hz和25～35Hz，分別對應橫波和縱波頻率；滑坡發(fā)生時的主頻為1.5～5Hz和15～50Hz，其頻帶范圍寬于未發(fā)生滑動時（見圖14～圖16）。分析其原因可能為滑坡體在滑動過程中巨石的滾動、蠕動、摩擦等因素造成[10]。

圖14 滑坡前第1次振動近臺記錄頻譜圖Figure 14 Frequency spectrogram of first vibration recorded near the station before the landslide occurred

圖15 滑坡前第2次振動近臺記錄頻譜圖Figure 15 Frequency spectrogram of second vibration recorded near the station before the landslide occurred

圖16 滑坡時振動近臺記錄頻譜圖Figure 16 Frequency spectrogram of vibrations recorded near the station before the landslide occurred

通過對水庫地震臺監(jiān)測到的滑坡事件進行分析，了解和掌握滑坡的發(fā)震機制和振動特性，可為該區(qū)域后續(xù)地質災害防治提供依據(jù)。

3 大壩對庫區(qū)小震的動力放大現(xiàn)象

在水庫地震監(jiān)測管理辦法中要求對庫區(qū)近震震級達到ML2.5級的有感地震進行速報工作，小于該震級的地震一般認為無感、對工程影響不大，往往被忽視。但在水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測運行過程中，發(fā)現(xiàn)了距離大壩較近的小震，由于壩體動力放大作用，大壩上的結構響應往往大于實際地震引起的結構響應。因此，通過大壩強震觀測記錄，分析大壩結構動力反應特征，了解和掌握動力反應規(guī)律，不僅可以為評估地震對大壩的影響程度及大壩的抗震設防提供參考依據(jù)，還可以聯(lián)動大壩其他安全監(jiān)測資料，為及時排查大壩運行中可能存在的安全隱患提供依據(jù)。

3.1 事件概述

2020年2月8日00時47分11.7秒貴州省納雍縣發(fā)生ML2.0級地震，震中距某大壩距離為4.8km，基本位于大壩正北方。地震發(fā)生后，該大壩強震8個測點均記錄到了該地震事件，共獲得24條強震記錄。經(jīng)強震記錄分析處理得知，自由場最大峰值加速度為1.97470gal（儀器烈度為Ⅰ度），大壩各部位測點記錄到的最大峰值加速度為14.56554gal（儀器烈度達到Ⅳ），明顯高于ML2.0級地震能量釋放造成的影響，大壩對小震存在明顯放大作用。震中分布見圖17，大壩強震臺陣測點布置見圖18，強震波形記錄見圖19。

圖17 納雍縣ML2.0級地震震中分布圖Figure 17 Epicentral distribution map of a ML2.0 earthquake in Nayong

圖18 大壩強震臺站測點布置圖Figure 18 Arrangement diagram of monitoring points of the dam strong earthquake station

圖19 大壩強震臺陣實時加速度波形記錄Figure 19 Waveform recording of real-time accelerations of the dam strong earthquake station matrix

3.2 動力反應分析特性

通過對強震記錄進行分析處理，可以得到幅值、持時等時域和傅里葉譜、反應譜等頻域強震動參數(shù)，根據(jù)得到的強震動參數(shù)進一步可以分析大壩結構的動力反應特性，了解地震對大壩的影響程度。經(jīng)計算處理得到的大壩各測點的時域頻域強震動參數(shù)如表2所示。由表2可知，壩頂中間SM5測點峰值加速度最大、反應最強烈；自由場ZYC位于場地基巖，記錄場地和地震原始信息。基于上述原因，圖20～圖22給出了SM5和自由場ZYC測點的校正加速度時程曲線和一次、兩次數(shù)值積分得到的速度時程和位移時程曲線；圖23和圖24給出了兩個測點的傅里葉譜和加速度反應譜。圖25給出了沿壩軸線從壩底到壩頂各測點的動力放大倍數(shù)曲線和壩頂從左岸到右岸各測點的動力放大倍數(shù)曲線。

表2 各測點加速度記錄強震動參數(shù)Table 2 Parameters of strong motion recorded by acceleration at each monitoring point

圖20 典型測點SM5和ZYC加速度時程曲線Figure 20 Acceleration time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖21 典型測點SM5和ZYC速度時程曲線Figure 21 Velocity time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖22 典型測點SM5和ZYC位移時程曲線Figure 22 Displacement time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖23 典型測點SM5和ZYC傅里葉譜Figure 23 Fourier spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖24 典型測點SM5和ZYC加速度反應譜Figure 24 Acceleration response spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

圖25 動力放大倍數(shù)Figure 25 Dynamic amplification factor

從表2和時程曲線分析可知：壩體各測點兩水平分向的峰值加速度都比垂直分向大，除SM7測點外，其他測點東西分向的峰值加速度比南北分向略大；在壩頂水平方向，SM5～7測點東西向和垂直向的峰值加速度呈中間大兩邊小的趨勢，南北向的峰值加速度呈中間小兩邊大的趨勢；沿壩軸線垂直方向，SM1～5測點三分向的峰值加速度隨高程增加呈先減小再變大的趨勢，與其他研究中峰值加速度的分布規(guī)律明顯差異。[11-15]

從傅里葉譜和反應譜分析可知：壩上各測點傅里葉譜最大幅值對應的卓越頻率集中在8～18Hz之間，即卓越周期在0.056～0.125s之間；而反應譜最大響應幅值所對應的卓越周期為0.067s左右；兩者分析結果有較好的一致，都表明該地震對自振周期較小的結構影響較大，特別是自振周期在0.067s左右的結構會產生一定的影響。此外，還可以看出，壩體對地震具有明顯的放大和濾波作用。

從峰值加速度動力放大倍數(shù)分析可知：各測點的動力放大倍數(shù)分布規(guī)律與峰值加速度基本一樣，表現(xiàn)為壩頂中間SM5測點東西分向的動力放大倍數(shù)最大，達到8.67；而三分向總體的動力放大倍數(shù)與峰值加速度有些差異，表現(xiàn)為東西向放大最明顯，放大倍數(shù)在4.39～8.67之間，垂直向次之，放大倍數(shù)在3.69～6.88之間，南北向最小，放大倍數(shù)在2.81～5.33之間。據(jù)此，可判斷出壩體對地震具有明顯的放大作用。

大壩結構的動力響應不僅與壩址的地質、地形條件有關，涉及壩體、壩基和庫水三者之間的動力相互作用關系，以及地震成因、震級大小和震中距等參數(shù)也都對其有一定的影響[15-17]。

從以上分析可知，大壩對庫區(qū)及周邊近距離地震有明顯的放大作用，且動力反應特性與遠距離天然地震有明顯的差異。這些差異可能與本次地震震級較小，距離大壩較近有關聯(lián)。對于大壩的放大效應，仍需更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步研究分析其規(guī)律特性。

4 結束語

本文通過對水庫地震臺網(wǎng)和大壩強震系統(tǒng)監(jiān)測到的事件進行分析研究表明：

（1）通過水庫地震監(jiān)測記錄，可以對庫區(qū)及周邊范圍的地震有更高的定位精度、得到更精確的地震參數(shù)，還可以進一步分析地震事件性質，對水電站開展地震應急工作和震害評估提供了資料參考。

（2）通過水庫地震監(jiān)測，可以監(jiān)測記錄庫區(qū)范圍內的塌陷、滑坡等特殊振動事件，了解和掌握這類事件的發(fā)震機制和振動特性，可為庫區(qū)地質災害防治提供依據(jù)。

（3）通過大壩強震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了大壩各部位在庫區(qū)小震作用下的動力反應特性，結果表明，大壩對地震有一定的放大效應。須警惕庫區(qū)周邊中、小地震因放大作用而導致大壩安全受到危害。

此外，利用地震監(jiān)測和強震監(jiān)測的優(yōu)勢，聯(lián)動大壩其他安全監(jiān)測項目，如變形監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、裂縫監(jiān)測等，可以更快速、全面地對大壩安全運行狀態(tài)進行分析，進一步提高大壩安全監(jiān)測作用，為水電站工程安全運行提供技術支撐。