欧美大地为“大国重器·白鹤滩水电站”安装大坝地震响应观测系统

自2021年6月白鹤滩水电站首批机组正式投产发电以来，截止2022年11月白鹤滩水电站共有14台百万千瓦水轮发电机组正式投入商业运行。白鹤滩水电站建成后，为仅次于三峡水电站成为中国第二大水电站和世界第二大水电站，能够满足约7500万人一年的生活用电需求，可替代标准煤约1968万吨，减排二氧化碳约5200万吨。

为保障白鹤滩的长期安全稳定运营，2022年10月，欧美大地仪器设备中国有限公司的技术、售后工程师赴白鹤滩水电站，完成了白鹤滩大坝地震响应观测系统的安装调试。 

  01   大坝地震响应观测系统

欧美大地仪器设备中国有限公司为白鹤滩水电站提供了16套GeoSIG公司的强震记录仪，组成了大坝地震响应观测系统。此系统由GMSplus强震数据记录仪和AC-73三轴力平衡加速度计，以及相应的供电、通讯设施组成。主要用于白鹤滩水电站大坝的地震动态响应监测，保证坝体的健康运行。

在大坝监测中，动态测量往往比静态测量更为重要，因为地震会对大坝造成永 久的损坏，从而造成严重的后果。对预定的参数进行及时准确的监测可以提供了解结构运行状况的数据，从而监测其变化率。结合其他静态监测，例如形变、位移渗漏和孔隙水压力，可以进一步反映大坝的性能。

观测研究也表明，一部分水库蓄水后的地震活动水平和活动特征都与蓄水前有明显的差异。世界上许多大型水库蓄水后都伴有地震活动异常，特别是高坝大库蓄水后地震活动明显增强的例子较多。水库诱发地震在时间和空间分布、震源机制、序列特征等诸多方面与天然地构造地震相比较，有其自己的特征。因此，根据水库的规模和诱发地震的大小确定相应规模的监测台网并开展预测研究也是必要的。

上述典型的大坝地震响应观测系统将提供大坝健康状况的有价值信息。可以设置结构可接受变化的阈值，以提供自动通知。在遭受地震事件后，可以提供关于大坝变化的有价值的信息。凭借可靠的数据和分析，在任何给定的时间都能生成有关结构生存能力的安全决策。

工程师在坝顶和廊道内安装调试强震记录仪

坝顶强震记录仪调试完毕

  02   大坝强震动安全监测

我国大坝强震动安全监测从1962年开始，其进展大致可划分为4个阶段。

第 一阶段

强震观测阶段

为了研究广东新丰江水库水平裂缝产生的原因，提出抗震加固方案，研制出多通道电流计式强震仪，并建立了我国第 一个试验性水工建筑物强震观测台站，也是我国强震观测工作的开始。以后，陆续建立了黄壁庄、密云、官厅、丰满、江都、丹江口、刘家峡和陡河等10余座大坝强震观测台站。

该阶段强震观测的特点是，观测仪器多为用感光纸或感光胶片直接记录的强震加速度仪。仪器的主要缺点是动态范围小，记录“丢头”和记录的处理分析慢。后期生产使用了模拟磁带式强震仪，即被称为第二代强震仪，提高了记录的处理分析速度，但其他缺点依然存在。随着强震观测的开展，取得了不少的强震记录，利用这些强震记录，科技人员计算了反应谱曲线，获得了符合我国场地特性的“平均反应谱”或“设计反应谱”，使反应谱分析得以真正用于工程设计，从而使我国水工建筑物抗震设计从“静力”法过渡到以反应谱为中心的“动力”分析方法阶段。

第二阶段

强震动安全监测阶段

我国研制并生产了数字磁带记式强震仪，又开发了水工建筑物强震加速度记录处理分析程序，实现了强震观测与现场及时分析紧密结合，使强震观测进入强震动安全监测的新阶段。我国先后在官厅、三门峡、龙羊峡、东江、水口、李家峡和小浪底等大坝上建立了大坝强震动安全监测系统。

此强震动安全监测阶段的特点是，监测仪器采用数字磁带记录式加速度强震仪。这类仪器采用了瞬时浮点放大器，使仪器的动态范围扩大到90~102dB，采用了预存储器，解决了记录“丢头”问题，保证了记录波形的完整。数字磁带记录的强震动的处理分析首先是对取得记录的磁带，通过模数转换的回放装置连接微机直接读取记数据，实现了强震观测记录能在现场及时分析，使强震观测进入强震动安全监测新阶段。

第三阶段

大坝震害速报阶段

大坝震害速报阶段的特点是监测仪器升级采用了数字固态存储式加速度强震仪。加速度计采用力平衡式，有效地提高了仪器的频响特性。使低频端接近0Hz，动态范围可达120dB以上。记录器应用微处理器，采用24bit的A/D 变换，使仪器动态范围可达120dB以上。目前，强震动记录的读取十分快捷便利，通过串口或者网络便可获得强震动数据。通过软件系统的设置，强震仪强震动记录可自动传输到管理中心的主机上，实现自动分析处理、统计报表和评估建筑的可能震害。主管部门根据速报信息，启动应急预案，减轻或防止地震次生水灾的发生。

在这一阶段，我国大坝强震动安全监测已取得和积累了一批有价值的、具有影响的记录数据，其中包括新丰江、黄壁庄、密云、官厅、陡河、刘家峡、龙羊峡、克孜尔和二滩等大坝，为大坝抗震设计积累了宝贵的资料。

第四阶段

基于水工建筑物强震动监测技术规范和物联网的大坝强震动监测与震损评估阶段

鉴于2008年汶川地震时，许多重要的水工建筑物由于没有设置强震动监测设备或由于管理方面的问题，没有取得强震动监测记录的现状，中国水利水电科学研究院主编了水工建筑物强震动监测技术规范，分别由电力行业和水利行业在2009年、2011年颁布实施，从而使水工建筑物强震动监测有技术法规可循。水工建筑物强震动监测技术规范主要内容包括：强震动监测台阵布置、监测系统组成与技术要求、监测系统的测试安装与验收、监测系统的管理与维护、强震动记录的处理分析、震害调查等内容。随着对大坝强震动安全监测认识的提高以及《水工建筑物强震动安全监测规范》的有效实行，新完工的重要水库大坝工程均建立了强震动监测系统，提升了大坝强震动安全监测的技术水平。

 主要大坝类型 

 影响大坝的典型因素 

 典型的大坝两种振型 

 推荐的大坝地震响应观测系统布点 

  03   大坝地震响应观测系统相关设备 

AC-73三轴力平衡加速度计

AC-73传感器组件是一款为宽频地震监测设计的机电式三轴加速度计，用于宽频地震，强震，结构测量和监测。这些监测应用都需要高灵敏度的、坚固的传感器，且要求最少的维护和方法简单的定期测试。

GMSplus数据记录仪

用于满足长距离部署若干测量点的需求，应用于：

• 宽频地震、天然地震、结构测量和监测

• 野外和城区的实时地震学

• 高密度地震监测网

• 基于仪器数据绘制震动/灾害区域图

• 地震预警°和快速响应

• 灾害评估，灾难管理

• 地震报警和安全停机

• 环境振动测试（可选全无线）

• 诱发振动监测和通告

• 仪器符合建筑规范

参考文献：

[1] 胡晓,张艳红,常廷改,许亮华,苏克忠,曾迪.大坝强震动监测技术及震损快速评估方法[J].中国水利水电科学研究院学报,2018,16(05):385-393.

[2] 许亮华,郭永刚,杜修力.水工建筑物强震动加速度记录的分析处理[J].地震工程与工程振动,2012,32(05):26-32.