防災博覽丨中國地震科學實驗場——城市與重大工程地震韌性觀測系統

文/中國地震局工程力學研究所 公茂盛

城市群體建筑觀測某學 校教 學樓

城市與工程抗震韌性評估是目前國際地震工程發展前沿領域，關乎防震減災工作能否取得實效。針對我國地震多發區“震源破裂-工程場地-傳播路徑-結構響應”全鏈條強震動觀測缺失，支撐城市與工程韌性評估基礎數據匱乏的現狀，“十四五”國家重大科技基礎設施中國地震科學實驗場設立了“城市與重大工程地震韌性觀測系統”。本系統由5個觀測子系統和1個數據處理分析子系統組成，旨在通過該系統建設獲取不同場地效應、各類工程結構等觀測數據，以揭示工程場地對地震動影響效應、地震波淺層傳播規律以及工程結構震損破壞規律，闡釋大地震致災機理以及城市群體建筑震害分布規律，為我國城市與工程地震災害情景構建以及抗震韌性評估研究與應用，提供重要基礎數據及驗證場景。

復雜工程場地觀測子系統

對于工程結構地震破壞特征與機理而言，除了與結構本身特征及屬性有關外，輸入地震動特征也是最為重要的因素之一。為了闡明不同類型工程場地地震動傳播、放大和分布規律，設立和建設復雜工程場地觀測子系統，主要包括地震動盆地效應、山地地形效應、差動效應、深厚軟弱土層放大效應以及場地地震液化效應等5個觀測臺陣。復雜工程場地觀測子系統位于四川省西昌市裕隆鄉附近，垂直于安寧河斷裂兩側，5個臺陣相互靠近進而形成從地下到地表一體聯合觀測。

某建設中的差動效應觀測臺站

與傳統強震動觀測不同，本子系統不僅實現了井下-地表地震動聯合觀測，還在觀測手段上及物理量方面有大幅提升，如：盆地效應與山地地形效應觀測臺陣在觀測井下及地表強震動的同時，還在部分站點設置了GNSS、旋轉強震儀等觀測設備，以實現同震位移、旋轉地震動等同步觀測，可以更好揭示地震波在盆地中傳播規律及山地地形對地震波傳播影響規律；場地液化臺陣在觀測地震動同時，還設置孔壓計，以獲取液化場地中地震動和液化層孔壓記錄，從而深化人們對場地地震液化機理以及地震液化對土層地震響應影響規律的認識。復雜工程場地觀測子系統不僅為研究各類場地效應、地震動傳播規律、水平與旋轉耦合規律、場地液化機理等提供基礎數據，也為工程結構抗震分析、韌性評估等提供了重要地震動輸入。本子系統建成后將是世界范圍內觀測手段最豐富、觀測物理量最多、觀測精度最高的工程場地聯合觀測臺陣系統。

城市地下空間精細探查和監測子系統

為揭示高頻地震波場在盆地邊緣斷裂帶和盆地內傳播規律，認識復雜地下空間對地震波傳播能量重新分配機制，剖析地震動與傳播路徑效應有關科學問題，設立和建設城市地下空間精細探查和監測子系統。主要以云南省大理市賓川城區為中心，建設一套基于新型分布式光纖振動傳感（DAS）技術的大尺度、高密度、地下振動連續監測網絡，實現城市與周邊地區地震和人文振動事件的精細監測、高頻地震波場沿斷裂帶和在盆地內傳播特征捕獲，以及地下結構精細成像和地下介質動態變化跟蹤。該子系統監測網絡由6個測站、10口百米深度觀測井和地表80余千米網格狀分布傳感光纜組成，覆蓋了大理市賓川盆地及其周邊主要斷裂帶。

通過該高時空分辨率新型光纖振動監測網絡，可以對不同類型振動事件進行可靠甄別與高精度定位，給出高空間分辨率寬頻帶地表和地下地震波場傳播圖像，獲得高空間分辨率地下空間三維結構，得到高精度、高時空分辨率地下空間動態變化和誘發地震波場變化，實現長時間、高密度、寬頻帶、長距離和井地聯合振動感知，為地震動致災機理研究、地震災害情景模擬與驗證、地震地質災害監測和預防、城市地下空間開發等提供可靠基礎數據支撐。

典型工程結構觀測子系統

與美國、日本等地震工程發達國家相比，我國對各類結構工程地震反應觀測與監測存在明顯短板，尤其獲得有重要意義的結構地震反應記錄更少。為更好揭示不同類型典型房屋建筑工程結構地震反應特性和地震損傷演化機理，設立典型工程結構觀測子系統。主要在云南省昆明市、大理市及四川省西昌市等地震多發區和設防高烈度區，選擇磚混結構、框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、鋼結構等不同類型建筑房屋，以及采用減隔震措施的新型結構，開展地震反應觀測。本子系統由29棟建筑結構觀測臺陣組成，基本實現了建筑結構類型和建筑使用功能全覆蓋。

某典型工程結構學校建筑

與傳統建筑結構強震觀測內容相比，本子系統在觀測手段及觀測反應參數方面都有大幅提升，通過設置強震儀、旋轉強震儀、加速度計、位移計、應變計、GNSS等多種觀測設備，不僅可以對結構附近自由地表地震動以及結構水平和豎向加速度反應進行觀測，還可以對結構整體同震位移、扭轉加速度、關鍵部位應變、隔震支座相對位移等反應參數進行實時監測。這些結構觀測臺陣一旦在地震中獲得反應記錄，可以用來分析結構整體和局部非線性反應特征、闡釋結構地震損傷機理與破壞規律、評估結構地震損傷水平、檢驗結構抗震設計建造技術以及改善抗震設計技術方法，同時也可為地震震害評估及烈度評定等工作提供數據支撐和參考依據。

重大及特殊工程觀測子系統

隨著我國社會經濟不斷高速發展，建設了大量交通、能源等重大基礎設施，特別是越來越多重大工程開始在地震高發區建設，如在我國地震危險性較高的西南川滇地區，建設了大量涉及國計民生的大型復雜工程結構，包括重大橋梁、大型隧道等重大工程及風電場、引水工程等特殊工程設施，這些工程設施所面臨的地震災害風險不容忽視，一旦發生地震破壞，將帶來不可估量的嚴重后果。為揭示重大及特殊工程地震破壞致災機理，實現重大及特殊工程安全監測與損傷評估，設立重大及特殊工程觀測子系統，主要在地震頻發的川滇地區，建設重要及典型橋梁、大型隧道工程、典型風機塔以及重要引水工程等7個地震反應觀測臺陣。與傳統工程結構健康監測與診斷相比，本子系統重點關注兩個方面內容，一是工程場地地震動觀測，以解決重大工程尤其是線型工程結構（如大型橋梁與隧道工程）非一致多點地震動輸入問題，二是地震作用下工程結構多手段、多物理量綜合觀測，以解決大震作用下結構地震損傷快速評估及地震災變失效機理問題。

布設觀測臺陣的某典型曲線梁橋

在工程場地觀測方面，設置井下-地表聯合觀測設施，布設強震儀、旋轉強震儀以及井下加速度計等設備，獲取工程所在場地的基巖及地表地震動。在工程結構觀測方面，根據不同結構類型布設強震儀、旋轉強震儀、加速度計、應變儀、位移計、GNSS、光纖等手段，獲取工程結構加速度、位移等地震響應以及結構關鍵部位局部應變與變形、整體傾斜和移位等多個反應量。通過工程場地和結構聯合觀測，揭示地震動特征及其致災機理，分析土-結構相互作用機制，闡釋工程結構在強烈地震動作用下損傷演化過程，實現重大工程地震安全診斷，這對于提升我國重大工程地震災害防治能力、保障國家重大戰略實施和人民生命財產安全等具有重大意義。

城市群體建筑觀測子系統

隨著我國城鎮化進程深入發展，城市系統正在向大型化、復雜化、智能化發展，而面向城市尺度的群體建筑系統性地震反應觀測與風險感知在全球范圍內依然匱乏。為揭示城市建筑群地震致災機理以及城市建筑房屋在實際地震作用下反應與震害分布規律，設立城市群體建筑觀測子系統，其核心意義在于通過布設傳感器設備，直接獲取大量建筑結構真實地震反應數據，從而科學評估城市區域整體抗震韌性，精準識別城市抗震薄弱環節。

本子系統主要在云南省大理市城區，按照平均間距1千米×1千米密度，選擇100棟不同類型及不同使用功能的典型房屋建筑，布設地震反應觀測系統，觀測設備包括簡易三分量加速度計、GNSS等。結合城市人口經濟、基礎設施等地理信息數據庫，對城市系統運行與地震災害演化進行立體式監測，實現城市系統災前、災時與災后各個階段全周期觀測，形成城市抗震韌性實時監測與評價能力。本子系統建設將為城市抗震韌性建設、地震災害預測以及災害風險防控提供科學依據，為其他城市開展群體建筑觀測與抗震韌性提升提供參考范例，也為城市抗震韌性分析、地震災害情景構建等方法技術發展提供可靠驗證場景和數據支撐。

城市群體建筑觀測某臺陣GNSS觀測設備

中國地震科學實驗場是十四五國家重大科技基礎設施工程，城市與工程抗震韌性觀測系統是其中重要組成部分，具有國際先進水平。根據項目總體實施規劃，預計2027年底全部建設完成，屆時本系統將實現“震源破裂-工程場地-傳播路徑-結構響應”全鏈條強震動觀測，獲得成果為城市與工程地震破壞和災后恢復情景構建提供科學依據和數據支撐，最終服務國家“城鄉韌性提升”計劃。

來源丨《防災博覽》2026年4月第2期 總第148期

編輯丨詹碧華

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