大朝山水电站大坝强震监测系统改造设计

李 黎

（国投云南大朝山水电有限公司，云南省昆明市 650213）

0 引言

大朝山电站库坝区内无发震大构造通过，区域构造稳定性相对较好，地震影响主要来自周边的澜沧7.5级地震危险区、耿马7.0级地震危险区、景东6.0级地震危险区和距大坝仅5km的大寨6.0级地震危险区。由于坝区不具备发生6.0级及以上地震条件，基本烈度定为Ⅶ度，设计烈度为Ⅷ度，抗震设防类别为甲类，抗震设防标准为100年期限内超越概率为2%的基岩水平峰值加速度[1]。根据中国地震局地壳应力研究所2008年最新调查成果，工程场地坝址100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度为0.269g，竖向设计加速度代表值为水平向的2/3，即0.179g[2]。

水库2001年蓄水后，库区10km范围内微震活动频度随水位上升而增加，小震开始密集，水位到达最高并稳定后，于11月26日在库区10km范围内发生2.6级地震，2003年3月12日又发生3.6级地震。通过对库区周围地震活动情况分析，认为可能存在库区诱发地震对外围地震的诱发关系[3]。为监测水库诱发地震的发展趋势，已在库区建立了地震监测台网，而建立大坝强震系统是为监测天然地震和水库诱发地震作用下坝体的动力反应，并及时为大坝的地震安全报警提供基础资料，达到减轻和防止大坝震害的进一步扩展和次生灾害的发生，保证人员和设施安全的目的。

1 工程概况及地质情况

大朝山水电站位于云南省临沧市云县和普洱市景东彝族自治县交界的澜沧江中下游干流上，拦河坝为碾压混凝土重力坝，为1级建筑物，按500年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核，坝顶高程906m，最大坝高111m，坝顶总长460.39m，水库正常蓄水位899.0m，总库容9.4亿m3。拦河坝为折线形布置（见图1），河床坝段轴线方位角N55°W，进水口坝段轴线方位角N75°W，两轴线夹角130°。大坝共23个坝段，其中，3～8号坝段为机组进水口坝段，9号坝段位于坝轴线转折处，为楔形体坝段，10～17号坝段为河床坝段，13号坝段为最高坝段。

图1 大朝山水电站大坝布置示意图Fig．1 Schematic diagram of dam layout of Dachaoshan hydropower station

大朝山电站库坝区位于横断山脉南段，属滇西纵谷山原区的永平～思茅中山峡谷地貌亚区，在大地构造单元上属滇西经向构造体系，主体由澜沧江褶断带和云县～临沧花岗岩体组成，澜沧江复背斜轴迹与澜沧江河谷近于一致，主要断裂自西向东有：南汀河、大寨河、拿鱼河、忙亚和澜沧江等断裂呈经向展布。

2 强震监测系统改造设计

2.1 原强震监测系统概况

大朝山大坝强震系统始建于2002年，系统由1个中心、3个测点和1个自由场组成。采集仪为模拟数字磁带记录式地震采集仪，监测断面只设在大坝最高13号坝段，测点分别位设于13号坝段的坝顶、871m廊道和800m廊道，自由场设于左岸906m平洞坝左0+336.00处，其中坝体部位布设的测点是求其动力放大系数，平洞布设的测点是求其地震输入，每个测点记录顺河向、横河向、竖向3个分量的运动。

2.2 改造原因

原强震监测系统是施工期安装的，记录方式（磁带）落后，工作可靠性差，自动化程度低，投运初期强震记录就不完整，不能发挥应有的作用。按照规范[4]有关规定，以及大坝动力分析研究报告和大坝安全定检相关意见，需要对大朝山水电站大坝强震监测系统进行改造，以满足大坝安全管理的要求。

2.3 设计原则

（1）加速度仪选型既要满足现行规范要求，又要考虑其实际应用效果。

（2）测点布设充分考虑大坝布置方式、坝址区地质地形条件，以及坝体、坝基和库水特性，兼顾能够反映出主体结构特征的位置，以坝体主振型监测为主。

（3）测量地震过程中大坝关键部位的最大加速度值或记录整个加速度随时间变化的过程曲线，利用采集到的强震记录对大坝结构进行安全分析和评估[5]。

2.4 设计方案

2.4.1 系统组成

强震监测系统采用分布式结构（见图2），由数据采集仪、加速度计、数据服务器、传输线路4部分组成。所有数据采集完成后利用TCP/IP协议进行数据传输，将数据储存到数据接收服务器。管理中心设在9号坝段坝顶，管理中心与大坝安全监测前、后方机房用光纤连接。

（1）数据采集仪。

数据采集仪选用中国地震局工力所研发生产的G01NET-3型数据采集仪。

G01NET-3型数据采集仪具有多通道、存储容量大，内置蓄电池和控制充放电模块，自带人机操作界面及内置数据采集软件和烈度速报软件，不需要连接电脑而能独立采集数据。根据触发阈值的设置，自动触发并保存地震数据到采集仪的存储卡里，同时在采集仪上显示波形，没有触发时，只采集不保存数据、不显示波形。其主要技术参数为：

图2 系统总体部署与网络结构Fig．2 System overall deployment and network structure

1）3通道；

2）分辨力：24-bit；

3）动态范围：＞135dB @ 采样率为50Hz；

4）触发模式：阈值触发、STA与LTA差、比值触发、手动触发等；

5）采样率：分组可设 1、10、50、100、200、500Hz；

6）时间服务：标准UTC，内部时钟精度优于10-6，GPS校时精度优于1ms/day；

7）数据通信：两个RS232C串行口，一个标准10M/100M以太网卡；

8）数据存储：CF卡（标配8G，可扩展）。

（2）GPS授时。

为记录地震时大坝不同点位的强震反应，采用每一台集成GPS的采集仪配套一个GPS天线，接收卫星信号分别进行单独授时，保证每台采集仪的钟差满足要求。采集仪集中设置在管理中心机房，GPS天线安装在管理中心机房外，离地面高度约2m的开阔位置，能够保证GPS天线正常接收时间信号。

（3）加速度计。

加速度计选用中国地震局工力所研发生产的QZ2013型力平衡加速度计。

图3 大坝强震监测断面示意图Fig．3 Strong earthquake monitoring section of dam

QZ2013型力平衡加速度计为三分量加速度计，12V直流电有源设计，监测3个方向的振动加速度。加速度计自带防水盒，安装后可以做到免维护。其主要技术参数为：

1）三分向一体，力平衡电子反馈；

2）测量范围：±4g；

3）频率响应：DC～150Hz（-3dB）；

4）动态范围：＞140dB；

5）线性度误差：≤1%；

6）运行环境：温度-20℃～+65℃，相对湿度＜98%。

（4）管理软件。

强震监测系统配套软件由中国地震局工力所研发，包括内嵌于采集仪的采集软件、远程接收与在线分析软件和地震动事件报告自动生成软件等，配置启动参数后可直接运行。

2.4.2 系统布置

（1）测点设置。

混凝土重力坝强震监测断面通常布置在最高坝段或地质条件较为复杂的坝段，测点布置在坝顶、坝坡的边坡部位或2/3坝高附近、坝基和河谷自由场处[2]。

由于大朝山大坝坝轴线在平面上出现转折，转折处相邻坝段在地震作用下动力反应差异较大，导致其地震变形难以协调，可能在接缝处出现变形过大导致接缝止水破坏及局部混凝土挤压破坏。原强震监测系统只在河床最高13号坝段设置一个监测断面，没有考虑坝轴线转折处地震效应的特殊性，本次改造设计对此进行完善，在坝轴线转折处新增一个强震监测断面。设计监测断面分别为楔形9号坝段及河床最高13号坝段（见图3），每个断面在坝顶、坝体内部及坝基等地震反应较大和动力特征部位设置强震监测点，共设5个测点，其中9号坝段2个测点，13号坝段3个测点。为获得大坝地震动输入的场地运动特性，了解大坝与地基的相互作用，选择在大坝左岸平洞坝左0+336.00处设自由场，该处不受大坝及其附属建筑物的存在与振动的影响。测点布置具体见表1。

表1 测点位置表Tab.1 Measuring point location table

（2）采集仪布置。

为便于采集仪联机运行，采用同一时标，能够更精确判断同一时刻的地震动相位，同时便于管理和检查，采集仪集中布置在管理中心。

（3）电源。

管理中心配置1台UPS不间断电源，给采集仪和加速度计集中供电。

（4）管理中心。

管理中心的主要作用是管理地震数据采集设备采集到的波形数据，以及向前方、后方安全监测中心转发强震监测数据。管理中心设在大坝9号坝段坝顶监测房，前方中心设在大坝微波楼二楼，后方中心设在后方邦旭营地办公楼五楼，中心站设数据服务器、工作站、网络交换机、数据管理软件、计算机外围设备等。

（5）通信组网。

大坝的结构场强震测点和自由场测点的加速度计监测到地面振动的加速度后，经专用5芯屏蔽电缆传输到管理中心数据采集仪，进行监测数据的采集与存储，数据采集仪通过专用通信链路将强震数据传输到前方中心的数据服务器，对数据进行处理、存储，在后方中心设工作站，实现对强震监测系统的远程管理。管理中心与前、后方安全监测中心机房间的主干通信网采用局域光纤组网。

3 安装要求

3.1 台面要求

加速度计安装台面（底座）要求平整，仪器与台面连接紧密，地震时加速度计才能正确采集到建筑物（场地）的振动，无寄生振动。就大朝山强震系统而言，对原设计安装在预留安装台上的SM1、SM3、SM4、SM5、SM6等测点，基面是施工期预留的原生混凝土面，没有经过任何的装修抹面或饰面，平整度满足安装要求，可直接在其上安装加速度计；对9号坝段827m廊道设计的SM2测点，由于室内地面为地砖装饰地面，装饰面可能存在空鼓或松动，故此类测点在安装前必须彻底凿除装修面层和砂浆结合层，露出混凝土本体，打磨平整后方可安装加速度计。

3.2 加速度计安装

加速度计采取M5不锈钢螺栓固定，固定前必须调整仪器水平且找准仪器安装要求的方位和初动方向。加速度计为三分量，监测水平顺河向、水平横河向、竖向3个方向的振动加速度，各加速度计安装方向必须保持一致。

由于大朝山大坝进水口段坝轴线与河床坝段坝轴线的夹角为130°，因此在安装9号坝段加速度计时，必须与13号坝段的加速度计安装方向一致，尤其是9号坝段827m高程处SM2测点位置，罗盘等方位指示设备无法正常使用，只能根据该处垂线观测墩台的方位来判断加速度计的安装方向。安装时，加速度计的底座长轴与大坝顺河向一致，且长轴边上的箭头符号方向朝向上游。

3.3 系统布线

所有加速度计的信号线从各测点汇集到管理中心。管理中心至各测点通信和供电线敷设原则：室外走电缆沟，坝内水平向沿廊道壁敷设，竖向走电缆竖井或垂线竖井；从采集仪至加速度计之间的通信电缆不能有接头；竖向敷设的电缆必须与定位钢丝绳分段绑扎，由钢丝绳承受电缆的自重。各测点线缆布设要求：

（1）SM1：管理中心挖槽埋管至9号坝段坝顶垂线悬挂点预留坑；

（2）SM2：管理中心经坝顶电缆沟→9号坝段电缆竖井→828m廊道→穿DN25PVC管敷设（墙面固定）至827m监测房；

（3）SM3：管理中心经坝顶电缆沟至11号坝段→坝顶穿DN50钢管→13号坝段坝顶垂线悬挂点预留坑；

（4）SM4：管理中心经坝顶电缆沟至11号坝段→坝顶穿DN50钢管→13号坝段垂线竖井至871m高程廊道→穿DN25PVC管敷设（墙面固定）至加速度计安装预留平台；

（5）SM5：管理中心经坝顶电缆沟至11号坝段→坝顶穿DN50钢管→13号坝段垂线竖井至800m高程廊道→穿DN25PVC管敷设（墙面固定）至加速度计安装预留平台；

（6）SM6：管理中心经坝顶电缆沟至11号坝段→出坝顶穿DN50钢管至16号坝段→经坝顶电缆沟至左岸平洞→穿DN25PVC管敷设（墙面固定）至坝左0+336.00。

强震管理中心至前方大坝安全监测中心采用4芯单模光缆通信，光缆沿坝顶电缆沟敷设，沿大坝安全监测线缆槽架进入机房；前方、后方大坝安全监测中心机房通信利用厂MIS光纤网互联。

4 台阵管理与维护

尽管大朝山电站坝区内没有发震构造，没有活动断裂通过水工建筑物，历史上也没有发生6级以上的强震，由于坝址区的地震基本烈度为Ⅶ度，记录到地震的可能性很大，但很长时间没有地震的可能性依然存在，这也容易引起强震监测管理人员的思想松懈，放松对强震监测系统日常的管理、维护工作，导致强震无法获得有效记录，使得强震监测资料有限。

从国内一些工程实践证明，由于运行管理单位缺少地震方面的专业技术人员以及设备研制单位的技术支持，往往不能保证系统长期稳定运行。

为使强震监测系统真正发挥作用，应将台阵的运行维护纳入大坝安全管理范畴，运管人员加强地震知识学习，提高专业技能，同时应重视日常的管理和维护，及时统计、分析强震记录，做好大坝震害评估工作。

5 结束语

通过大朝山大坝强震监测系统的改造设计，获得一些浅见：

（1）强震监测改造设计既要满足现行有关规范要求，也要结合各自大坝的动力特性和地震时的动力响应特点，进行强震台阵的布设。

（2）一般强震测点都较为分散且运行环境较差，从便于管理、改善采集仪运行环境和提高采集仪使用寿命等方面考虑，大朝山电站选择采集仪集中布置在运行环境较好的强震监控中心机房，从中心机房给加速度计集中供电，这样可延长强震设备的使用寿命、提高加速度计供电的可靠性，这对类似工程有一定的参考意义。

（3）强地震是突发的、瞬时的一种小概率事件，不易获取记录，但一旦发生，系统记录的这些数据将包含着场地及大坝结构的许多信息，通过这些信息进行分析可以获取结构的模拟特征、动力响应参数信息、场地振动特性等，可为震后水库大坝的安全评估和大坝的抗震设计复核提供基础数据，也可为后续新建大坝的安全设计和原有大坝抗震加固提供资料，这就要求大坝运行单位高度重视强震系统的运维，并将其纳入大坝安全管理范畴。

[1] NB 35047—2015，水电工程水工建筑物抗震设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2015．NB 35047—2015，Specification for seismic design of hydraulic engineering buildings[S]． Beijing ： China power press，2015．

[2] 大朝山水电站碾压混凝土重力坝抗震分析研究报告[R]．中国水利水电科学研究院，2009．Research report on seismic analysis of RCC dam in dachaoshan hydropower station[R]． China water conservancy and hydropower research institute，2009．

[3] 大朝山水电站数字地震监测系统改扩建工程设计方案[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，水工建筑物强震动安全监测技术规范[S]．北京：中国电力出版社，2009．DL/T 5416—2009，Technical specification for safety monitoring of strong vibration of hydraulic structures[S]． Beijing ： China power press，2009．

[5] 许光，苏克忠，郭永刚，等．国内水工建筑物强震安全监测技术进展[J]．水电自动化与大坝监测，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．