土石坝强震监测布置优化方案

1.大坝强震监测的目的

SL 2003—97 《水工建筑物抗震设计规范》在总则1.0.7 和1.0.9 中分别明确规定：对 “坝高超过100m、库容大于5 亿m3的水库，如有可能发生高于6 度的水库诱发地震时，应在水库蓄水前就进行地震前期监测”和对 “设计烈度为8、9 度时，工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，应进行动力试验验证，并提出强震观测设计，……”。据此，我国很多大坝设置了强震仪。这里介绍土石坝（含堆石坝）强震监测的目的、仪器的选择和安装方面的要求，并结合工程实例进行阐述。

大坝强震监测的目的主要是：①获得各次地震在坝基自由场的地震加速度过程线；②获得大坝各高程各部位的地震加速度过程线，这些加速度是大坝各部位的反应加速度过程线。各部位的反应加速度最大值与自由场加速度最大值之比即各部位的加速度放大倍数。据此可用拟静力法计算各层面的抗滑稳定、滑弧稳定、各层应力，并为抗震设计规范中的加速度分布系数α积累资料；③以自由场加速度过程线为大坝的输入信息，各部位加速度过程线为大坝的输出信息，对动应力应变模型和坝体动力参数（最大剪切模量、最大阻尼比、参考剪应变）进行识别，并可进一步分析大坝的最大抗震能力；④获得坝端高耸山头的加速度过程线，以了解突出山头的地震加速度反应，为地震区坝址的场地选择积累资料。

2.强震仪的选择

不同类型的仪器性能见表1.3～表1.6。在选择仪器时应综合考虑以下因素。

（1）监测目的。监测目的不同，监测设计对仪器的要求也不一样。对仅监测地面运动或局部场地效应（土质条件、地形条件和断层效应）的监测台站，对时标和分析速度要求都不高，只知相对时间即可。所以一般选用GQ—Ⅲ或美国SMA—1 型光直便携式三分量强震仪即可。但对大坝结构，需要获得地震作用下的结构振动反应和场地地震记录，则各记录点之间相位对比非常必要。应用记录进行安全报警，要求对记录的现场处理速度要快。因此，选用有绝对时标、数据处理速度最快且记录波形不“丢头”的数字式磁带加速度系统最为合适。

（2）仪器的性能。仪器动态范围大小是反映仪器性能的重要指标之一。动态范围在90～102dB的，若从0.001g 开始记录，到2g 时均应能正常记录。

仪器的稳定性要好，可以保证长期野外条件下正常工作，一旦发生强震即可自动记录。

（3）数据处理的难易程度和处理速度。数字磁带记录式强震仪记录的是数据，可直接与计算机相连，速度最快、精度最高；模拟磁带记录式强震仪，经过A/D 转换也可与计算机相连，速度和精度次之；而电流计式、光直记录式强震仪，则需要把记录图经过读数仪进行数字化的繁杂过程后，才能用计算机进行处理分析，速度最慢，精度也差。

（4）价格因素。在同类仪器中，宜选择价格低廉的，在不同类型的仪器中，应选择性能价格比（性价比）合理的。国外生产的仪器较国内生产的同类型仪器，价格会高出好几倍。改革开放以来，有大量进口元件可供选择或引进国外成套生产线，使仪器稳定性提高，制造成本降低，价格也相对便宜。

3.强震仪的安装与维护

强震监测系统的安装主要有三部分内容，即拾震器系统、传输系统和记录系统。限于篇幅，每部分的安装方法及维护要求详见文献[5]、文献[7]。

4.强震仪的测站布置

高度100m以下的坝，一般在坝的最大横断面布设3 个测站，即坝顶、坝下游坡1/2坝高处、坝下游坡底。在坝趾下游2～3 倍坝高距离处布设1 个测站作为自由场测站。坝轴线两端山头或山坡基岩上各布设1 个测站。所谓1 个测站都有3 个分量，如果用便携式，则1 台强震仪就有3 个分量。如果用中心记录式，则1 个测站应布设3 个拾震器，拾震器的方向最好是竖向、坝轴向、顺河向，也有的坝布设竖向、南北向、东西向。有人提出土石坝下游坡的测站只要布设顺河向拾震器，认为对土石坝只要研究滑弧的抗震稳定性，这是不正确的。土石坝应研究三维动力问题，在应力应变计算中，要输入3 个方向的地震加速度波。根据地面、坝坡、坝顶的3 个方向的地震加速度波才能进行动力系统识别，即使作二维滑弧拟静力法抗震计算，也需要竖向和顺河向的加速度放大倍数。所以每一个测站都应布设3 个方向的拾震器。少数测站布设触发拾震器，中心记录式强震仪需要建中心监测室，此监测室尽可能与测站靠近。例如在坝的一个横断面布设几个测站，且采用多道记录仪，只需一个中心监测室，则中心监测室可建在坝趾测站附近，以节省电缆长度。

高度100m以上的坝，需在坝的2～3 个横断面布设测站，坝顶、下游坡2/3 坝高、1/3 坝高、坝趾附近布设测站，这是坝的地震反应测站，在坝的下游2～3 倍坝高距离的河岸基岩上布设1～2 个测站代表自由场。在坝轴线两端山头或山坡基岩上布设测站各1个。反映高耸山头的地震特性。(www.xing528.com)

测站较多的坝，应选择多道记录仪，如果选择12 道记录仪，可接入3 个测站的9 个拾震器电缆以及1 个触发拾震器电缆，共占用10 线道。如选用27 道记录仪，可接入8 个测站的24 个拾震器电缆以及1 个触发拾震器电缆，共占用25 线道。采用多线道强震记录仪，只需要一个中心监测室，可节省建筑费用。我国SCQ—1 型和GDQJ—1A 型只有3条线道，1 个测站建1 个中心监测室，不经济。如能增加线道，可节省投资。

图1.23　鲁布革水电站心墙堆石坝强震仪布设图 （单位：m）

1、2、3—测站编号；4—上坝道路

5.强震仪布设实例^[1]

（1）鲁布革心墙堆石坝。鲁布革水电站心墙堆石坝，坝高102m，在坝最大横断面的坝顶、下游坡中部、下游坡接近坡底靠近左岸坡基岩布设3 个强震测站。如图1.23 所示。采用便携式GQ—ⅢA 型强震仪，3 个拾震器及触发拾震器以及放大电路与示波记录仪都在一个钢箱内，故不需要建中心监测室，也不需要传输电缆，各测站自成一体。便携式强震仪长期安装在测站，虽有钢箱保护，但长期受雨雾侵袭、示波记录仪胶卷等容易生锈发霉，运转不灵，故将整机安装在仪器房内，仪器房建筑面积很小，只要能进入检查维护并保持干燥即可。鲁布革堆石坝设3 个仪器房，坝顶仪器房兼作静态观测室之用，面积稍大。中部和底部两个仪器房为2m×2m，高2.5m，基础开挖深1m，先夯筑碎石垫层厚0.5m，上浇0.5m厚混凝土地板。在房间中央浇筑45cm×30cm，高出地面20cm的混凝土墩。墩内预埋螺栓，强震仪底盘锚固在预埋螺栓上。放好密封圈，把仪器箱固定在底盘上。

（2）天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝。天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝高178m，坝面上布设了13 个强震仪测站。在坝区周围布设微震仪组成的地震台网，以监测小区域地震动态。

强震仪布设在0＋438、0＋630、0＋918 三个横断面的坝顶和下游坝坡面。0＋438 横断面设3 个测站，即高程791m （坝顶）为2 号测站，高程757m为6 号测站，高程723m为9 号测站；0＋630 横断面设5 个测站，即高程791m为3 号测站，高程757m为7 号测站，高程723m为10 号测站；高程689m为12 号测站，高程662m为13 号测站；0＋918横断面设3 个测站，即高程791m为4 号测站，高程757m 为8 号测站，高程723m 为11号测站；坝顶（791m）右端设1 号测站，坝顶左端设5 号测站，如图1.24 所示。

图1.24　天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝强震仪布设图

1—坝顶；2—混凝土面板；3—上坝道路（斜戗道）；o—强震仪测站

中心监测记录室与坝体水管式竖向位移计、引张线式水平位移计的静态监测房结合，在下游坝坡有8 个静态监测房，即0＋630 横断面下游坝坡4 个静态监测房，0＋438 及0＋918 横断面下游坝坡各2 个静态监测房。这3 个横断面下游坡8 个强震仪测站与静态监测房一一对应。所以每个强震测站的3 个方向拾震器安装在对应的静态监测房内地面上，EDS 数字磁带记录仪安装在对应的静态监测房的工作台上。强震监测与静态监测结合成1 个监测房，坝顶上的2 号测站3 个拾震器的电缆引入6 号测站的监测房，3 号测站3 个拾震器的电缆引入7 号测站的监测房，4 号测站3 个拾震器的电缆引入8 号测站的监测房。所以6 号、7 号、8 号测站的监测房工作台上安装EDS—B型数字磁带记录仪，有6 线道，满足6 个拾震器接线。其余9 号、10号、11 号、12 号、13 号测站的拾震器装在相应监测房的地面上，EDS—A型数字磁带记录仪安装在各监测房的工作台上。坝顶两端1 号、5 号测站各建中心监测记录室，安装EDS—A型数字磁带记录仪。

天生桥一级混凝土面板堆石坝的强震监测布置设计相当完善，对监测房的综合利用尤显特色。监测房包括水管式竖向位移计、引张线式水平位移计的观测仪表，拾震器和数字磁带记录仪、孔隙水压力计、土压力计的观测仪表等，既节省了房屋建筑资金，也减少了管理维护人员，可作为监测设计参考。

天生桥一级大坝的外围小区，还布设了微震台网，以观测小区地震活动以及水库蓄水时的诱发地震。在马打坟、达居、岩场、土井大山、物资仓库等地设微震台，离坝址2km的电站管理局内设台网数据处理中心，各台向中心台无线传送地震信号。中心台进行模拟记录，经计算机作数字化处理。