水布垭库区地震监测系统应用与实践

刘 杰，贡建兵，吴兴威，刘宜思

(1.湖北清江水电开发有限责任公司库坝中心，湖北 宜昌 443000；2.中国长江三峡集团有限公司大坝安全监督管理中心，北京 100000)

清江发源于鄂西利川齐岳山，于宜都市汇入长江，全长423 km，自上世纪50年代起规划开发，至今已建成3座大型水电站，由上到下依次为水布垭水电站、隔河岩水电站、高坝洲水电站，其中水布垭水电站位于恩施市巴东县水布垭镇，工程以发电、防洪为主，大坝坝高233 m，是国内最高的面板堆石坝，库容43.12亿m3，属于大Ⅰ型水利工程。

库坝区基岩以中-古生界碳酸盐岩为主，整体位于长江中下游EW向构造带与华夏系NNE向构造带复合区域，区内褶皱属于典型的“侏罗山式”褶皱形态。EW向褶皱出露于监测区东南缘，有长阳复式背斜、马连坪向斜、资丘向斜等。NNE向褶皱覆盖了整个监测区，如花坪向斜、野三关背斜、清太平向斜、鱼洞河背斜等。NNE向断裂亦较为发育，如大青山断裂、桃李溪断裂、杨柳池断裂、龙王冲断裂等。NNE向的构造形态与清江NEE向的河流流向小角度相交，使库区大部分库段表现为横向谷，同时受到NNE向断层在库首高角度穿越水库，共同造成了与基岩变形相关的地震、滑坡等不稳定因素(见图1)。早期研究显示，库坝区及周边绝大部分断裂近年来形变量较小，构造活动微弱，能量积累不高，但岩溶程度高，地质构造复杂，诱发地震可能性仍然存在，蓄水后存在4.5级诱发地震的可能性。湖北省地震局研究后确定了坝址地震基本烈度为Ⅳ度，考虑到水布垭水库岩溶区抬高水头导致的诱发地震，综合认为，水布垭坝址的影响烈度为Ⅵ度[1]。

根据《水库地震监测管理办法》等国家及行业相关规范，结合水库蓄水后因外在条件变化产生的诱发地震[2-4]，考虑到水布垭大坝、溢洪道、进水塔、地下厂房、边坡等水工建筑物在地震中可能产生的不利后果[5-7]，2002年12月，水布垭数字遥测地震台网规划与建设通过了专家评审，确定由清江公司投资兴建，长江委三峡勘测研究院、湖北省地震局共同设计实施。2005年4月，水布垭数字遥测地震台网工程完工，同年10月投入使用，时至今日，其为保障水布垭枢纽工程电站安全稳定运行发挥了重要作用，清江公司库坝中心在数十年的地震台网管理中积累了宝贵经验。

图1 研究区及周缘地质构造纲要图

1 台网概况

1.1 台站设置

水布垭数字遥测地震台网是水布垭水利枢纽工程的重要安全监测项目之一，主要担负着水布垭坝区、库首区及周边地区的地震监测任务，系统包含1个台网中心、1个中继站和6个遥测台站(见图2)。台网中心设在水布垭建设公司大楼顶层，中继站设在海拔1 806 m的太阳包上，各子台站分布在巴东县金果坪乡与水布垭镇地形复杂的山区高海拔部位，分别为高岭台、大山垭台、庙垭子台、方家冲台、麦子冲台、狮子山台，子台距离台网中心最远直线距离达到20 km，其中方家冲台、麦子冲台、狮子山台信号经过太阳包中继站汇集后传至台网中心。

1.2 监测系统介绍

地震台网采用了无线数字遥测技术方式组网，系统按照功能可以分为三部分，分别为台网中心部分、数据传输部分、地震台站部分(见图3)。

台网中心配有交流参数稳压器、不间断电源、蓄电池组、实时接收机、数据处理机、交换机、GPS钟、汇集器、串口分配器、多串口卡等设备，使用三套数据接收设备，接收机实时地接收台站传输过来的地动数据，数据处理机通过人机交互处理，对传来的地震数据进行分析、记录和汇报，地震事件发生后，系统将自动触发报警。考虑到子台数传系统工作年限较久，目前给各个子台均新增了4G网络传输系统，两套系统同时工作，保证数据传输的万无一失。

台站部分由地震数据采集器、拾震器、蓄电池、电源控制器、太阳能板、数传电台等配置组成，同时配置了较为完善的避雷系统。拾震器采用了DS-4B短周期三位一体反馈式地震计，其频带范围为70 Hz，灵敏度为2 000 V.s/m。数据采集器选用24位高精度TDE-324CI型数据采集器，在采样率为100 sps时其动态范围达到137 dB。台站供电单元采用交流电源控制器+太阳能电池板+蓄电池供电方式，由2组太阳能电池板、2组蓄电池组、2台太阳能电源控制器和1台交流电源控制器组成，应对不同的天气情况(见图4)。

图2 水布垭地震台网分布情况图

图3 水布垭数字遥测地震台网监测系统组成及数据传输图

中继站地震采集系统与数据复接系统与各子台不同，其余组成均类似。

1.3 台网布局与监测能力

台网重点监测区覆盖范围长约30 km，宽约20 km，面积约600 km2，盐池河—坝址区—野三口有可能发生水库地震的地段均被台网覆盖，同时能够对新塘库段的水库地震、周边滑坡体及景阳滑坡群进行监测。台网布局设计满足《水库诱发地震监测技术规范》要求，Ⅰ类重点监测区内监测下限小于ML0.5级，震中定位精度1.0 km[8]，考虑到遥测台所处环境较好，台基可使用速度和位移放大倍率都在10万倍以上，地震定位下限ML0.5级时，台距应该在16.5km以内，根据历史地震数据，得到的微震震源平均深度11 km，综合考虑之后，确定台距在10～16 km，且较均匀布设在重点监测区内，台站布局完全能够实现水库地震台网对重点监测区监测的精度要求(见图5)。

图4 台站不同天气供电技术结构图

2 运行管理情况

水布垭数字遥测地震台网系统由湖北清江水电开发有限责任公司库坝中心与长江三峡勘测研究有限公司共同管理。库坝中心作为台网管理的责任单位，定期组织人员对台网中心及各子台设备进行维护、更换，对地震台网进行巡视检查并编写巡检报告。长江三峡勘测研究有限公司负责日常监测与速报工作，编写地震观测月报、地震调查报告、地震目录、年度监测竣工报告等。自建成以来，大坝经历了初期蓄水，水位快速上升，至库区水位平稳运行，台网管理方式不断改进，管理方法不断创新，管理效率显著提升。

图5 台网监测能力图

2.1 数传系统改造优化

地震监测系统自2005年建成以来一直沿用至今，其中数据传输系统设备工作年限较长，传输信道在极端天气情况下时有阻挡，尤其是中继站传输的台站信号经常存在误码，导致工作人员无法正常获取实时地震信号，大大降低了台网运行率，2019年上半年平均运行率不足80%，增加了业主单位、承包单位的现场维护次数，仅1～6月对该系统的现场维护次数就达到5次。

考虑到台网数据传输系统相关硬件更换、软件调试、厂家技术支持等产生的费用较多，水库、大坝等水工建筑物由地震事件监测不及时带来的风险增加，2019年7月，库坝中心对数传系统进行了改造，给6个子台均安装了1套4G传输设备，通过子台的4G无线路由器，将原始地震动数据通过移动、电信公网，传输至水布垭当地电信服务中心，再由单独的光纤经过独立IP传输至水布垭台网中心。增加4G传输设备后，传输技术更加成熟，台网的运行率大幅度提升，2019年下半年台网平均运行率均超过93%，7～12月对子台的现场维护仅1次，新旧2套数传设备共同工作，大大提高了台网的稳定性与可靠性，降低了水库、大坝等水工建筑物因水库诱发地震事件监测不及时带来的风险。

2.2 管理方式创新

最初组建的水布垭地震监测项目运行管理小组，投入工程技术人员8人，包括现场运行管理人员3人，日常资料分析人员2人，仪器日常维护维修人员2人，质检员1人，同时组成了台网运行管理专家咨询组，专家组成员由5位地震地质资深专家组成。为了保证台网仪器设备正常运行，安排数名经验丰富的技术骨干负责仪器运行值班，并在台网范围内巡回检查维护，其中台网中心实行24 h值班制，仪器出现故障后，现场值班人员大多能及时处理，一旦出现值班人员不能处理的故障，专职仪器维修人员能保证及时赶赴现场进行处理。

各子台距离台网中心路途遥远，其中最远的方家冲台距离水布垭台网中心直线距离超过了20 km，实际距离超过60 km，且路途均为崎岖山路，往返一次需要至少5 h，如果仅仅靠运行值班人员，考虑到暴雨、降雪、霜冻等特殊天气下，无法第一时间赶到现场处理问题，且经济性与安全性较差。为了保证各遥测台站仪器设备遇到问题时能及时解决，每个遥测台站都安排了责任心较强的人员进行现场管理，现场管理人员多为台站附近有责任心的村民，经台网负责人对其进行了简单培训，具备处理一些小问题的能力以后，按年与其签订台站管理合同，同时负责台站清扫等工作，如有突发情况，及时通知相关人员，保证了台网年均运行率与波形完好率保持在90%以上。

2.3 速报与应急响应

对大坝、溢洪道、进水口、各类附属水工建筑物、边坡、滑坡等产生危害的特殊地震事件，按既定程序进行速报与应急响应。考虑到不同地区地震强度在坝址的烈度表现，速报条件按照等级划分为：重点监测区ML≥3.0；宜昌及恩施地区M≥4.0；宜昌及恩施相邻地区M≥7.0。地震发生后，现场值班人员应在10 min内，电话通知到库坝中心相关负责人，中心做好应急准备，30 min以内，短信通知库坝中心相关负责人，信息内容包括地震准确时间、地点、经纬度、震源深度、震中距，60 min内以邮件等形式发送第一期简报，对产生的余震进行后续观测与上报。

2.4 地震事件应急预警

特殊地震事件发生后，库坝中心第一时间将震情信息向公司应急指挥部总指挥长、应急办公室反馈，待应急响应命令下达后，根据《库坝中心地震灾害专项应急预案》，中心下达应急任务，展开对流域水工建筑物的加密巡检，对库区滑坡体、变形体的隐患排查，对流域电站自动化项目和人工监测项目的加密监测，此处以水布垭电站为例详细说明。

面板堆石坝、地下厂房、进水口、溢洪道等主要水工建筑物是巡检工作的重点，通过目视、测量等方式对大坝面板、趾板、面板缺陷部位进行检查，观察坝后堆石体有无掉块，坝后马道有无变形等，检查地下厂房吊顶、边墙、交通洞、主要排水洞等变化情况，通过无人机、望远镜等设备观察溢洪道坝肩、底板、边墙等变化情况，左右岸坝肩、两岸灌浆平洞、下游护岸及河道、重点排水沟等水工建筑物需第一时间检查完毕并形成加密巡检记录。针对水布垭坝址区9个较大规模滑坡，巡检人员逐次完成对地表防排水、地下结构稳定工程的巡视检查。坝后右岸以马崖高陡边坡为主的基岩边坡，巡查人员通过预留的勘探平洞，进入山体观察裂隙宽度、位移等变化情况。坝后长淌河弃渣场、左右岸山体、马道岩壁等难以抵达的地方，通过无人机巡检的方式，观察是否存在落石、渗水、马刀树、醉汉林等异常情况，拍照比对解读异常变化。电话询问库区滑坡体现场看护人员滑坡体运行情况并形成记录。

第一时间对自动化监测设备进行检查，确保自动化设备正常工作后，对大坝渗流、坝基渗压、面板周边缝渗压、面板趾板渗压、1号岩溶通道等重点监测项目进行震前、震后数据比对分析。对坝后水平垂直位移计进行加密监测，选择面板视准线、面板挠度、周边缝渗流测温、两岸帷幕地下水观测孔、面板与坝顶防浪墙精密水准、溢洪道控制段精密水准、以及坝后三角交会等监测项目中一项或多项进行加密监测，对监测结果进行分析记录并提交加密监测报告，根据后续情况，选择是否进行多次加密监测。

3 监测成果及意义

对地震监测结果进行震相对比分析，去除由人类工程措施产生的地震事件后，从地震月均N-T图中可以看出(见图6)，2007年以前库区地震活动相对平静，自水布垭工程2007年4月蓄水抬高水位后，地震活动明显加强，2007年8月达到330次，2007年9月以后有所下降，2016年共记录到96次，平均每月发生8次，2018年平均每月发生6次，2019年降至平均每月发生3.7次。

水布垭工程水库蓄水后，地震活动与水库水位抬升有明显对应关系，地震活动频次远远高于库区地震本底水平(图6)，蓄水前地震活动频次为4.7次/月(统计时间为2005年9月至2007年3月)，属于典型的水库诱发地震现象。根据对库区地震地质构造环境和地震活动特征分析，库区发生的地震大部分是由于水布垭工程水库蓄水后，水库岸边部分岩溶洞穴或不良地质构造被库水淹没后产生的物理和化学效应，打破了原有的平衡应力状态，使一些岩溶洞穴发生坍塌而诱发的岩溶塌陷型水库地震或地表微破裂产生的地表卸荷型水库地震。

图6 水布垭库区地震——月均频次分布图

4 结 语

水库地震监测是水库防震减灾工作的重要组成部分，也是国家法律法规层面强制要求的一项必须工作，是水库大坝安全运行管理必不可少的基础工作。水布垭数字遥测地震台网的合理布局、稳定运行、科学管理，为保障清江水布垭水电工程、防灾减灾及相关工作做出了巨大贡献。现水布垭工程已蓄水发电近10年，库水位也进入了调控期，年发生地震数量趋于平稳，但考虑到库区岩溶地貌发育，库区地震孕育环境仍可能发生变化，结合其地质构造的复杂性，诱发较大水库地震的可能性仍然存在，在今后对水库水位调控过程中其地震活动趋势如何，现在还很难判断。为了确保库区人民生命财产安全、水库调度运行安全、水电工程结构安全，地震监测工作应持续稳步推进。