水库地震台网及大坝强震系统在水电工程安全监测中的作用探讨

石 磊，吴玉川，黎 莎

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081）

0 引言

安全监测是水电站运行管理的基础工作，目前国内水电站工程中安全监测手段一般分为巡视检查和仪器监测，利用巡视检查、仪器观测与分析手段对大坝坝体、坝基、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境进行测量及观察[1-2]。2008年汶川大地震后，在新修订的防震减灾法中首次提出水库等重大建设工程应按相关规定建设专用地震监测台网或者强震动监测设施，在此背景下，贵州境内乌江流域、北盘江流域以及黔中、夹岩两个大型水利工程均建设有专用的地震监测台网，部分大坝还建设了强震监测台阵。在国内，越来越多的大型水电站工程安全监测中也增加了水库地震及大坝强震监测的手段。

与传统的水电站工程安全监测手段相比，水库地震及大坝强震监测手段在安全监测方面有其自身的优势。地震及强震监测均为实时监测，监测设备仪器精度较高，专业人员24h不间断分析，可第一时间发现库区周边的振动事件及异常信息，并对监测数据进行进一步处理分析。当事件记录参数达到或超过一定安全阈值时，可立即开展常规的大坝安全仪器监测资料分析，必要时开展现场巡视检查，为及时消除水电站工程中的安全运行隐患，为水电站工程的安全运行提供强有力的支撑。

本文通过对发生在水电工程监测区三个典型事件的地震及强震监测资料分析，探讨说明水库地震及大坝强震监测手段可在水电工程安全监测中发挥的作用。

1 库区地震事件定位及分析

1.1 六枝4.0级地震概况

据中国地震台网测定：2020年9月18日16时24分01秒在贵州省六盘水市六枝特区发生4.0级地震，震源深度10km，震中位于北纬26.21°，东经105.41°。地震发生时，六枝特区城区出现巨大声响（地声）。经初步排查，地震造成了102间房屋受损，其中，90间平房出现轻度裂纹，12间瓦房有少数瓦掉落。

1.2 水库地震台网定位

在距离震中100km范围内有6个水电站，共布设有33个水库地震台站（见图1）。这些专用地震台站因布设孔径较小，对本次地震事件包围较好。采用对网内地震定位较好的Hypo2000定位方法对地震监测数据进行分析定位，得出的微观震中位置为北纬26.19°，东经105.47°（见图2），与当地应急部门和实地调查的宏观震中位置（六枝特区九龙街道波乍村）相差约0.8km，而中国地震台网测定的微观震中与其相差约5km，水库地震台网对库区内的地震事件定位精度更高（见图3）。

图1 六枝地震周边的水库地震台站分布图Figure 1 Distribution map of the reservoir seismic stations around the Liuzhi earthquakes

图2 水库地震台网对六枝地震的定位信息Figure 2 Location information of the Liuzhi earthquakes by the reservoir seismic network

图3 六枝地震的宏观及微观震中卫星分布图Figure 3 Satellite distribution map of macro and micro epicenters of the Liuzhi earthquakes

1.3 地震性质分析

从水库地震台站对六枝4.0级地震的波形记录上看，周围近台记录纵波P波发育平缓、初动明显全部向下，横波S波极不发育，P波和S波有明显的耦合特征；导波和表面波相对突出，存在一定的表面震源特征；波频谱显示既有高频又有低频成分，但总体波的成分简单，高频不发育（见图4～图6）。

图4 六枝M4.0级地震水库台站记录图Figure 4 Seismogram of the Liuzhi M4.0 earthquake at the reservoir station

图5 六枝M4.0级地震近台P波初动记录图Figure 5 Seismogram of P wave first motion of the Liuzhi M4.0 earthquake near the station

图6 六枝M4.0级S波、导波、面波记录特征Figure 6 Characteristics of S wave，guided wave，surface wave recorded for Liuzhi M4.0 earthquake

天然构造地震具有P波初动呈四象限分布规律，有清晰的P波和S波且区分明显，近场S波与P波振幅比在3～5倍，面波不发育等显著特征[3-6]。爆破具有P波初动清晰、尖锐，能量衰减较快，持续时间短等特征[3-6]。而滑坡一般表现为没有确定的P、S，没有明确的体波和面波的界定点，体波周期杂乱无章且不规律等特征[3-4]。本次事件波形记录特征与天然地震、爆破及滑坡的相关波形特征存在明显差异。

经分析发现，该事件波形记录特征与塌陷波形特征相似。首先，塌陷波形P波初动明显，多数初动向下；其次，频谱单一，高频成分较少；最后，无论震中距远近都有面波发育。但与其他文献[3-9]中的库区塌陷、煤矿塌陷及熔岩塌陷等塌陷记录存在S波发育、周期较大，且面波周期无明显区别的情况相比，该事件呈现S波不发育且具有较明显的导波和表面波的特点，推断本次事件可能为重力作用下的垂直塌陷。

通过实地调查发现，距震中1km范围内的建筑物有损坏现象，个别地区出现明显的地裂缝；距震中10km范围内能听到地震声响。结合在震中西北和西南方向分别约30km和31km的两处水电站大坝的强震监测资料分析，大坝上强震测点记录到的最大加速度值分别为1.68gal和1.84gal，参考烈度为Ⅰ度，表现为无感、仅仪器能监测记录。参考震中距、震级相近的构造地震对大坝的影响，可知本次六枝地震造成的影响明显偏小（见表1）。

表1 震中距在30～60km的大坝强震最大加速度值记录表Table 1 Acceleration magnitudes of dam strong earthquakes at epicentral distance 30～60km

综合水库地震监测波形特征、大坝强震资料分析及实地考察，可推断本次六枝4.0级地震为一次垂直塌陷事件。这合理地解释了该地区在4.0级地震后几乎无余震记录的现象，同时排除了该区域后续存在发生更大地震的可能性，为附近水电站工程的地震应急工作提供了数据支持和决策依据。

2 库区滑坡事件监测及分析

水库地震监测台网除了监测库区及周边的地震活动外，还能监测大坝泄洪振动、非天然地震事件及较大的地质灾害等振动信号。如2017年8月28日发生在贵州纳雍县张家湾镇的山体滑坡，事故共造成17人死亡、18人失联。此次滑坡的过程，只有布设在附近的某水库地震监测台网有清晰、完整的波形记录，发现在滑坡发生前出现了2次明显的滑坡震动记录。

2.1 库区滑坡监测定位

滑坡发生后，通过对在附近的水库地震台站波形记录分析，采取Geiger地震定位法，测出滑坡发生的具体时间为10时46分01秒左右，位置在北纬26.716°，东经105.415°，定位结果与实际滑坡地点相差小于1km（见图7和图8）。

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

图8 “8·28”滑坡实际滑坡点与定位对比图Figure 8 Comparison of the actual landslide site and the locating point of the“8·28”landslide

2.2 滑坡机制分析

对滑坡前附近台站的波形记录分析发现，在滑坡前1h内，9时57分48秒和10时22分22秒左右在滑坡体处已发经发生了两次较大滑动并形成了振动波形记录。对这三次滑坡振动记录分析可发现：

（1）能量释放方面：造成伤亡的10时46分的滑坡能量相对较小，滑动的能量相当于近震震级ML1.9；前两次滑动的能量相对较大，分别相当于近震震级ML2.0和ML2.4（见图9和图10）。经分析，在滑坡前其内部已经产生了多次滑动，释放了部分能量，但之前的滑动未超过边坡的稳定性[10]。

图9 滑坡前第1次振动记录波形图Figure 9 Oscillogram of first vibration record before the landslide

图10 滑坡前第2次振动记录波形图Figure 10 Oscillogram of second vibration record before the landslide

（2）滑动阶段方面：选取距滑坡点最近的台站记录可知，10时46分的滑坡持时最短，约17s，属于快速滑动，而另外两次的滑动持时相对较长，约30s（见图11～图13）。

图11 滑坡前第1次振动过程图Figure 11 Diagram of first vibration process before the landslide occurred

图12 滑坡前第2次振动过程图Figure 12 Diagram of second vibration process before the landslide occurred

图13 滑坡时的滑动过程图Figure 13 Diagram of sliding process when the landslide occurred

（3）频率特征方面：同样选取距滑坡点最近的台站波形记录频率分析可知，在发生滑坡前的两次振动的主频为2～3Hz和25～35Hz，分别对应横波和纵波频率；滑坡发生时的主频为1.5～5Hz和15～50Hz，其频带范围宽于未发生滑动时（见图14～图16）。分析其原因可能为滑坡体在滑动过程中巨石的滚动、蠕动、摩擦等因素造成[10]。

图14 滑坡前第1次振动近台记录频谱图Figure 14 Frequency spectrogram of first vibration recorded near the station before the landslide occurred

图15 滑坡前第2次振动近台记录频谱图Figure 15 Frequency spectrogram of second vibration recorded near the station before the landslide occurred

图16 滑坡时振动近台记录频谱图Figure 16 Frequency spectrogram of vibrations recorded near the station before the landslide occurred

通过对水库地震台监测到的滑坡事件进行分析，了解和掌握滑坡的发震机制和振动特性，可为该区域后续地质灾害防治提供依据。

3 大坝对库区小震的动力放大现象

在水库地震监测管理办法中要求对库区近震震级达到ML2.5级的有感地震进行速报工作，小于该震级的地震一般认为无感、对工程影响不大，往往被忽视。但在水库地震台网监测运行过程中，发现了距离大坝较近的小震，由于坝体动力放大作用，大坝上的结构响应往往大于实际地震引起的结构响应。因此，通过大坝强震观测记录，分析大坝结构动力反应特征，了解和掌握动力反应规律，不仅可以为评估地震对大坝的影响程度及大坝的抗震设防提供参考依据，还可以联动大坝其他安全监测资料，为及时排查大坝运行中可能存在的安全隐患提供依据。

3.1 事件概述

2020年2月8日00时47分11.7秒贵州省纳雍县发生ML2.0级地震，震中距某大坝距离为4.8km，基本位于大坝正北方。地震发生后，该大坝强震8个测点均记录到了该地震事件，共获得24条强震记录。经强震记录分析处理得知，自由场最大峰值加速度为1.97470gal（仪器烈度为Ⅰ度），大坝各部位测点记录到的最大峰值加速度为14.56554gal（仪器烈度达到Ⅳ），明显高于ML2.0级地震能量释放造成的影响，大坝对小震存在明显放大作用。震中分布见图17，大坝强震台阵测点布置见图18，强震波形记录见图19。

图17 纳雍县ML2.0级地震震中分布图Figure 17 Epicentral distribution map of a ML2.0 earthquake in Nayong

图18 大坝强震台站测点布置图Figure 18 Arrangement diagram of monitoring points of the dam strong earthquake station

图19 大坝强震台阵实时加速度波形记录Figure 19 Waveform recording of real-time accelerations of the dam strong earthquake station matrix

3.2 动力反应分析特性

通过对强震记录进行分析处理，可以得到幅值、持时等时域和傅里叶谱、反应谱等频域强震动参数，根据得到的强震动参数进一步可以分析大坝结构的动力反应特性，了解地震对大坝的影响程度。经计算处理得到的大坝各测点的时域频域强震动参数如表2所示。由表2可知，坝顶中间SM5测点峰值加速度最大、反应最强烈；自由场ZYC位于场地基岩，记录场地和地震原始信息。基于上述原因，图20～图22给出了SM5和自由场ZYC测点的校正加速度时程曲线和一次、两次数值积分得到的速度时程和位移时程曲线；图23和图24给出了两个测点的傅里叶谱和加速度反应谱。图25给出了沿坝轴线从坝底到坝顶各测点的动力放大倍数曲线和坝顶从左岸到右岸各测点的动力放大倍数曲线。

表2 各测点加速度记录强震动参数Table 2 Parameters of strong motion recorded by acceleration at each monitoring point

图20 典型测点SM5和ZYC加速度时程曲线Figure 20 Acceleration time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

图21 典型测点SM5和ZYC速度时程曲线Figure 21 Velocity time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

图22 典型测点SM5和ZYC位移时程曲线Figure 22 Displacement time-history curve of typical monitoring points SM5 and ZYC

图23 典型测点SM5和ZYC傅里叶谱Figure 23 Fourier spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

图24 典型测点SM5和ZYC加速度反应谱Figure 24 Acceleration response spectrum of typical monitoring points SM5 and ZYC

图25 动力放大倍数Figure 25 Dynamic amplification factor

从表2和时程曲线分析可知：坝体各测点两水平分向的峰值加速度都比垂直分向大，除SM7测点外，其他测点东西分向的峰值加速度比南北分向略大；在坝顶水平方向，SM5～7测点东西向和垂直向的峰值加速度呈中间大两边小的趋势，南北向的峰值加速度呈中间小两边大的趋势；沿坝轴线垂直方向，SM1～5测点三分向的峰值加速度随高程增加呈先减小再变大的趋势，与其他研究中峰值加速度的分布规律明显差异。[11-15]

从傅里叶谱和反应谱分析可知：坝上各测点傅里叶谱最大幅值对应的卓越频率集中在8～18Hz之间，即卓越周期在0.056～0.125s之间；而反应谱最大响应幅值所对应的卓越周期为0.067s左右；两者分析结果有较好的一致，都表明该地震对自振周期较小的结构影响较大，特别是自振周期在0.067s左右的结构会产生一定的影响。此外，还可以看出，坝体对地震具有明显的放大和滤波作用。

从峰值加速度动力放大倍数分析可知：各测点的动力放大倍数分布规律与峰值加速度基本一样，表现为坝顶中间SM5测点东西分向的动力放大倍数最大，达到8.67；而三分向总体的动力放大倍数与峰值加速度有些差异，表现为东西向放大最明显，放大倍数在4.39～8.67之间，垂直向次之，放大倍数在3.69～6.88之间，南北向最小，放大倍数在2.81～5.33之间。据此，可判断出坝体对地震具有明显的放大作用。

大坝结构的动力响应不仅与坝址的地质、地形条件有关，涉及坝体、坝基和库水三者之间的动力相互作用关系，以及地震成因、震级大小和震中距等参数也都对其有一定的影响[15-17]。

从以上分析可知，大坝对库区及周边近距离地震有明显的放大作用，且动力反应特性与远距离天然地震有明显的差异。这些差异可能与本次地震震级较小，距离大坝较近有关联。对于大坝的放大效应，仍需更多的监测数据进一步研究分析其规律特性。

4 结束语

本文通过对水库地震台网和大坝强震系统监测到的事件进行分析研究表明：

（1）通过水库地震监测记录，可以对库区及周边范围的地震有更高的定位精度、得到更精确的地震参数，还可以进一步分析地震事件性质，对水电站开展地震应急工作和震害评估提供了资料参考。

（2）通过水库地震监测，可以监测记录库区范围内的塌陷、滑坡等特殊振动事件，了解和掌握这类事件的发震机制和振动特性，可为库区地质灾害防治提供依据。

（3）通过大坝强震监测数据，分析了大坝各部位在库区小震作用下的动力反应特性，结果表明，大坝对地震有一定的放大效应。须警惕库区周边中、小地震因放大作用而导致大坝安全受到危害。

此外，利用地震监测和强震监测的优势，联动大坝其他安全监测项目，如变形监测、应力应变监测、裂缝监测等，可以更快速、全面地对大坝安全运行状态进行分析，进一步提高大坝安全监测作用，为水电站工程安全运行提供技术支撑。