帥永建，何領(lǐng)軍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730)

1 概述

20世紀(jì)80年代后，全世界的地震觀測進(jìn)入了"數(shù)字時(shí)代"。2008年的四川汶川大地震以及2010年的青海玉樹地震，更加深了人們對地震知識的掌握和了解。

國家于2004年9月1日正式實(shí)施的《地震監(jiān)測管理?xiàng)l例》第十四條規(guī)定了水庫大壩等重大工程應(yīng)該按國家規(guī)定設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測設(shè)施，從法律的層面上強(qiáng)調(diào)了水庫地震監(jiān)測的重要性。地震若導(dǎo)致水庫(特別是堆石壩和拱壩)失事，將導(dǎo)致巨大的災(zāi)難發(fā)生。因此，迫使科研人員掌握和了解水庫誘發(fā)地震以及地震對水庫的影響，以綜合評價(jià)水庫的安全指標(biāo)。在地震領(lǐng)域的研究以及地震儀器的研制上，歐美國家有許多較為先進(jìn)的理念和思路。筆者結(jié)合蘇丹麥洛維工程中地震儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝，著重論述了該電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)、實(shí)施。

2 地震儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

大多數(shù)水電工程一般設(shè)置一個(gè)或多個(gè)地震監(jiān)測儀，并布置在不同的地點(diǎn)，以期獲得測點(diǎn)震動(dòng)的信息(加速度，速度和位移)。

系統(tǒng)布置最基本的三種方法是:

(1)獨(dú)立式記錄地震監(jiān)測站。

(2)互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站。

(3)集中式記錄地震監(jiān)測站。

每種方法都具有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，各項(xiàng)目實(shí)施的最終地震監(jiān)測方式應(yīng)由設(shè)計(jì)者根據(jù)有利于數(shù)據(jù)讀取或判斷數(shù)據(jù)來確定，并考慮相關(guān)成本。

2.2 獨(dú)立式記錄地震監(jiān)測站

少量的地震儀設(shè)計(jì)采用獨(dú)立記錄監(jiān)測站。一旦發(fā)生振動(dòng)情況，每個(gè)記錄儀單獨(dú)地記錄振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間過程曲線。在每個(gè)記錄儀都連接到公共時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)上時(shí)，才能提供在各個(gè)單獨(dú)記錄儀之間準(zhǔn)確的相互關(guān)系數(shù)據(jù)。

其布置特點(diǎn)是:一臺傳感器(加速度計(jì))+一臺數(shù)據(jù)記錄儀，儀器間互不相連。

不足之處:在不同的記錄儀之間沒有公共的觸發(fā)機(jī)制，因此，在網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上所記錄的振動(dòng)不可能建立相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。

2.3 互聯(lián)式記錄地震監(jiān)測站

對于多臺地震儀系統(tǒng)則選用互聯(lián)式地震監(jiān)測站或集中式記錄地震監(jiān)測站并提供公共時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)采用互聯(lián)式時(shí)，在連接方式、數(shù)據(jù)的流動(dòng)和可訪問性及其造價(jià)等方面有較多的選擇余地。

如果該測點(diǎn)沒有設(shè)置網(wǎng)絡(luò)同步化，那么，它將按照指定的內(nèi)置觸發(fā)條件執(zhí)行地震記錄。每個(gè)記錄儀均可發(fā)出輸出信號進(jìn)行局部通訊。某個(gè)記錄儀故障僅會影響該測點(diǎn)，這樣的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可靠性很高。如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷情況，每個(gè)記錄儀均將作為一個(gè)單獨(dú)的記錄儀運(yùn)行。

布置特點(diǎn):在監(jiān)測站點(diǎn)上布置幾個(gè)配有內(nèi)置式或外置式傳感器的記錄儀，用一條屏蔽的電纜將各個(gè)記錄儀相互連接。為方便起見，可采用外部電纜接線盒。各個(gè)測站的連接形式以環(huán)形、星形或者網(wǎng)狀形式布置，站點(diǎn)之間的距離可達(dá)1 km。這樣安排對于許多實(shí)際工程而言是有利的和較低成本的解決方案。

2.4 集中記錄網(wǎng)絡(luò)

在這種網(wǎng)絡(luò)中，安裝在幾個(gè)部位的傳感器被連接到網(wǎng)絡(luò)中心，在那里有中央記錄設(shè)備。集中記錄網(wǎng)絡(luò)要視網(wǎng)絡(luò)管理多功能性的需要和造價(jià)的允許及數(shù)據(jù)訪問的容易性、存貯容量等因素決定。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的介入，系統(tǒng)的管理、調(diào)試、資料的處理分析、數(shù)據(jù)的及時(shí)上報(bào)等就顯得更加容易和便捷。

2.5 地震儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

無論是上述哪種選擇，都應(yīng)該考慮全球定位系統(tǒng)接收器，利用它可以獲得準(zhǔn)確的實(shí)際時(shí)間。

通訊電纜或全球移動(dòng)通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器具有自動(dòng)撥號功能，并且允許外部訪問和通過網(wǎng)絡(luò)中心進(jìn)行系統(tǒng)控制，可以使處于千里之外的控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)閱數(shù)據(jù)。同時(shí)還要考慮系統(tǒng)的供電安全性、絕緣及超壓防護(hù)。

3 蘇丹麥洛維工程地震儀系統(tǒng)的整體布置

麥洛維水電站地震儀系統(tǒng)采用瑞士GeoSIG產(chǎn)品，選用集中記錄網(wǎng)絡(luò)布置，即公共時(shí)間、公共觸發(fā)、中央控制結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通訊模式為RS485，其總體布置見圖1。

4 硬件配置

麥洛維工程地震儀監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括:三軸加速度計(jì)11臺、記錄儀11臺、網(wǎng)絡(luò)連接盒11個(gè)、中央通訊控制盒1臺、GPS接收器1臺、終端計(jì)算機(jī)1臺及電源。

4.1 三軸加速度計(jì)

三軸加速度計(jì)安裝在基巖或堅(jiān)固穩(wěn)定部位，用于采集大壩建筑物震動(dòng)信號，并將實(shí)時(shí)的震動(dòng)信號傳輸至地震記錄儀判斷震動(dòng)加速度物理值。

三軸加速度計(jì)主要分:AC-23-DH深孔三軸加速度計(jì)和AC-23表面三軸加速度計(jì)兩種。深孔三軸加速度計(jì)主要安裝在鉆孔或壩體埋管中，鉆孔和埋管應(yīng)深達(dá)基巖。首先預(yù)埋帶導(dǎo)槽的鋁合金或PVC管在鉆孔或填土中，加速度計(jì)和導(dǎo)輪按預(yù)定方向達(dá)到設(shè)計(jì)位置和方向。采用水泥灌漿將加速度計(jì)錨固到壩體基巖中。

此種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)為:在大壩建筑物未成形之前即可安裝，通過現(xiàn)場簡單配置即可開始對壩基震動(dòng)的監(jiān)測，而不必等到壩體建筑物完工。

該傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下:

通道:三通道; 防水IP68，1MPa;

量程:±2g; 頻段:0.1～50Hz;

供電:12V; 正常工作溫度:－20℃ ～+70℃。

AC-23或AC-23-H表面加速度計(jì)安裝在大壩基礎(chǔ)廊道和壩頂儀器坑中等易于到達(dá)的部位，采用鋁合金防水盒體，并通過1個(gè)錨固螺栓和3個(gè)水平調(diào)節(jié)螺桿安裝，可垂直安裝在混凝土面，也可水平安裝在混凝土基礎(chǔ)上。為了獲得比較真實(shí)的地震參考值，避免施工震動(dòng)對地震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的影響，將其中一臺地震儀(LD5A-AC1)安裝在距下游壩腳200多m的巖石山體之上，作為地震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的參考基準(zhǔn)儀器。

4.2 記錄儀

麥洛維工程采用GSR-16DC記錄儀，配合三軸加速度計(jì)，根據(jù)預(yù)設(shè)定的參數(shù)評估和記錄震動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)類型可分為主機(jī)和附機(jī)兩種。其中設(shè)置主記錄器1臺，用以連接GPS接收器且與其他10臺附機(jī)同步。

記錄儀主要參數(shù)如下:

通道:3通道; 動(dòng)態(tài)范圍:3×10－5g;

分辨率:16bit; 取樣率:100、200、250可選，40%取樣率;

存儲容量:標(biāo)準(zhǔn)128MB，最大2GB;

供電:12VDC超壓保護(hù);

通訊:每臺記錄儀預(yù)留RS232接口，可與計(jì)算機(jī)現(xiàn)場通訊。

4.3 網(wǎng)絡(luò)連接盒

網(wǎng)絡(luò)連接盒用于地震儀RS485網(wǎng)絡(luò)的中繼和通訊，并具有RS485網(wǎng)絡(luò)超壓保護(hù)功能，是組成地震儀網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組件。對于CCC網(wǎng)絡(luò)，每臺地震記錄儀必須配置一臺網(wǎng)絡(luò)連接盒。

4.4 中央通訊控制盒

中央通訊控制盒用于地震儀集中記錄網(wǎng)絡(luò)的通信控制，一段通過RS232電纜直接與計(jì)算機(jī)相連，另外一段與強(qiáng)震儀網(wǎng)絡(luò)中的主記錄儀相連。

4.5 GPS 接收器

GPS接收器用于接收GPS信號，同步記錄時(shí)間并定位，它直接與網(wǎng)絡(luò)中主記錄儀連接。

4.6 終端計(jì)算機(jī)

終端計(jì)算機(jī)用于安裝通訊控制數(shù)據(jù)處理分析軟件，下載、顯示、分析數(shù)據(jù)。普通計(jì)算機(jī)即可滿足要求。

4.7 電 纜

圖1 蘇丹麥洛維大壩地震儀系統(tǒng)平面布置示意圖

用于地震儀網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)震儀電纜主要分為兩種:傳感器電纜和網(wǎng)絡(luò)通訊電纜。其中傳感器電纜采用12芯電纜，屏蔽雙絞線加強(qiáng)聚亞安酯護(hù)套電纜;通訊電纜采用8芯電纜，屏蔽雙絞線加強(qiáng)聚亞安酯護(hù)套電纜。

在麥洛維工程中，整個(gè)地震儀系統(tǒng)僅網(wǎng)絡(luò)電纜敷設(shè)長度即達(dá)3589m。

4.8 電源及防雷、接地

麥洛維工程地震儀系統(tǒng)電源布置采用分布式原則，就近接入大壩永久電源系統(tǒng)，在儀器室和坑中設(shè)置短路保護(hù)器和超壓保護(hù)裝置，并鋪設(shè)16 mm2銅芯接地線與大壩接地網(wǎng)連接，避免雷電和靜電對儀器造成損壞。

5 軟件配置

本工程采用與GSR-16DC記錄儀配套的Geo-DAS軟件進(jìn)行儀器的通訊控制、數(shù)據(jù)的下載、儀器參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的處理分析。該軟件一體性較好，界面簡潔，可操作性強(qiáng)，人機(jī)交互簡單易懂。其功能主要有:硬件的通訊、硬件參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)分析四大模塊。

5.1 硬件通訊

該軟件硬件通訊操作簡單，在硬件參數(shù)配置完成后，每臺地震儀測站可實(shí)現(xiàn)一鍵連接。各個(gè)地震儀信息分列顯示在窗口界面上，可直觀的查看儀器各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)，并且用戶各個(gè)操作將立即記錄到日志文件中，以便用戶追溯操作過程，避免用戶錯(cuò)誤操作。

5.2 硬件參數(shù)配置

打開參數(shù)配置選項(xiàng)卡后，相應(yīng)儀器參數(shù)可在此修改，例如:儀器的編號，震動(dòng)觸發(fā)閥值等，并且用戶可將系統(tǒng)配置文件備份，在系統(tǒng)被錯(cuò)誤操作后可將參數(shù)配置恢復(fù)到正確配置。

5.3 數(shù)據(jù)下載

任何地震或測試數(shù)據(jù)將記錄在儀器內(nèi)存中，在登錄相應(yīng)讀數(shù)儀并通過選擇數(shù)據(jù)下載操作，數(shù)據(jù)名和相應(yīng)信息將列表顯示，用戶可選擇一個(gè)、多個(gè)或者全部數(shù)據(jù)下載，下載窗口下部將會顯示正在下載的數(shù)據(jù)圖形和進(jìn)程。

5.4 數(shù)據(jù)查看

用戶通過打開該軟件相應(yīng)存儲目錄下的文件夾，可對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和查看。每個(gè)地震事件中包含了三個(gè)方向震動(dòng)圖形和地震事件的詳細(xì)信息，此圖形可直觀的查看震波的發(fā)展和衰減過程，震動(dòng)峰值將直接顯示并且可查看其他各個(gè)時(shí)刻的震動(dòng)數(shù)據(jù)。震動(dòng)數(shù)據(jù)可以以加速度、速度和電壓三種形式顯示。

5.5 數(shù)據(jù)處理分析

在具備相應(yīng)知識后，通過選擇下拉菜單中的各種分析類型選項(xiàng)，用戶可對地震事件進(jìn)行分析處理，并可將分析處理后的地震圖形保存至用戶指定位置，以便日后分析查看。

6 結(jié)語

麥絡(luò)維水電站大壩長9700m，為目前世界之最。該電站地震儀系統(tǒng)從第一臺加速度計(jì)的安裝到系統(tǒng)完全竣工，從硬件到軟件進(jìn)行了長時(shí)間的施工期運(yùn)行和測試，并根據(jù)國際工程規(guī)范的要求不斷的改進(jìn)和完善。根據(jù)工程的需要，通過技術(shù)改造，成功的連接了11臺強(qiáng)震儀到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，突破了該類型RS485強(qiáng)震儀監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)最多測站為10臺的限制。

截止目前，該強(qiáng)震儀系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了工程預(yù)期設(shè)計(jì)目的，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈敏、操作維護(hù)簡單。系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和處理界面設(shè)計(jì)合理，對我國地震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)以及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)有一定的參考價(jià)值。

［1］茹繼平，肖 巖.美國地震工程模擬網(wǎng)系統(tǒng)NEES計(jì)劃及在我國實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的設(shè)想［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，23(6):91 －94.

［2］李 雷，鄧存華，等.地震臺站地震圖管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(3):94－99.