防灾博览丨中国地震科学实验场——城市与重大工程地震韧性观测系统

文/中国地震局工程力学研究所 公茂盛

城市群体建筑观测某学 校教 学楼

城市与工程抗震韧性评估是目前国际地震工程发展前沿领域，关乎防震减灾工作能否取得实效。针对我国地震多发区“震源破裂-工程场地-传播路径-结构响应”全链条强震动观测缺失，支撑城市与工程韧性评估基础数据匮乏的现状，“十四五”国家重大科技基础设施中国地震科学实验场设立了“城市与重大工程地震韧性观测系统”。本系统由5个观测子系统和1个数据处理分析子系统组成，旨在通过该系统建设获取不同场地效应、各类工程结构等观测数据，以揭示工程场地对地震动影响效应、地震波浅层传播规律以及工程结构震损破坏规律，阐释大地震致灾机理以及城市群体建筑震害分布规律，为我国城市与工程地震灾害情景构建以及抗震韧性评估研究与应用，提供重要基础数据及验证场景。

复杂工程场地观测子系统

对于工程结构地震破坏特征与机理而言，除了与结构本身特征及属性有关外，输入地震动特征也是最为重要的因素之一。为了阐明不同类型工程场地地震动传播、放大和分布规律，设立和建设复杂工程场地观测子系统，主要包括地震动盆地效应、山地地形效应、差动效应、深厚软弱土层放大效应以及场地地震液化效应等5个观测台阵。复杂工程场地观测子系统位于四川省西昌市裕隆乡附近，垂直于安宁河断裂两侧，5个台阵相互靠近进而形成从地下到地表一体联合观测。

某建设中的差动效应观测台站

与传统强震动观测不同，本子系统不仅实现了井下-地表地震动联合观测，还在观测手段上及物理量方面有大幅提升，如：盆地效应与山地地形效应观测台阵在观测井下及地表强震动的同时，还在部分站点设置了GNSS、旋转强震仪等观测设备，以实现同震位移、旋转地震动等同步观测，可以更好揭示地震波在盆地中传播规律及山地地形对地震波传播影响规律；场地液化台阵在观测地震动同时，还设置孔压计，以获取液化场地中地震动和液化层孔压记录，从而深化人们对场地地震液化机理以及地震液化对土层地震响应影响规律的认识。复杂工程场地观测子系统不仅为研究各类场地效应、地震动传播规律、水平与旋转耦合规律、场地液化机理等提供基础数据，也为工程结构抗震分析、韧性评估等提供了重要地震动输入。本子系统建成后将是世界范围内观测手段最丰富、观测物理量最多、观测精度最高的工程场地联合观测台阵系统。

城市地下空间精细探查和监测子系统

为揭示高频地震波场在盆地边缘断裂带和盆地内传播规律，认识复杂地下空间对地震波传播能量重新分配机制，剖析地震动与传播路径效应有关科学问题，设立和建设城市地下空间精细探查和监测子系统。主要以云南省大理市宾川城区为中心，建设一套基于新型分布式光纤振动传感（DAS）技术的大尺度、高密度、地下振动连续监测网络，实现城市与周边地区地震和人文振动事件的精细监测、高频地震波场沿断裂带和在盆地内传播特征捕获，以及地下结构精细成像和地下介质动态变化跟踪。该子系统监测网络由6个测站、10口百米深度观测井和地表80余千米网格状分布传感光缆组成，覆盖了大理市宾川盆地及其周边主要断裂带。

通过该高时空分辨率新型光纤振动监测网络，可以对不同类型振动事件进行可靠甄别与高精度定位，给出高空间分辨率宽频带地表和地下地震波场传播图像，获得高空间分辨率地下空间三维结构，得到高精度、高时空分辨率地下空间动态变化和诱发地震波场变化，实现长时间、高密度、宽频带、长距离和井地联合振动感知，为地震动致灾机理研究、地震灾害情景模拟与验证、地震地质灾害监测和预防、城市地下空间开发等提供可靠基础数据支撑。

典型工程结构观测子系统

与美国、日本等地震工程发达国家相比，我国对各类结构工程地震反应观测与监测存在明显短板，尤其获得有重要意义的结构地震反应记录更少。为更好揭示不同类型典型房屋建筑工程结构地震反应特性和地震损伤演化机理，设立典型工程结构观测子系统。主要在云南省昆明市、大理市及四川省西昌市等地震多发区和设防高烈度区，选择砖混结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、钢结构等不同类型建筑房屋，以及采用减隔震措施的新型结构，开展地震反应观测。本子系统由29栋建筑结构观测台阵组成，基本实现了建筑结构类型和建筑使用功能全覆盖。

某典型工程结构学校建筑

与传统建筑结构强震观测内容相比，本子系统在观测手段及观测反应参数方面都有大幅提升，通过设置强震仪、旋转强震仪、加速度计、位移计、应变计、GNSS等多种观测设备，不仅可以对结构附近自由地表地震动以及结构水平和竖向加速度反应进行观测，还可以对结构整体同震位移、扭转加速度、关键部位应变、隔震支座相对位移等反应参数进行实时监测。这些结构观测台阵一旦在地震中获得反应记录，可以用来分析结构整体和局部非线性反应特征、阐释结构地震损伤机理与破坏规律、评估结构地震损伤水平、检验结构抗震设计建造技术以及改善抗震设计技术方法，同时也可为地震震害评估及烈度评定等工作提供数据支撑和参考依据。

重大及特殊工程观测子系统

随着我国社会经济不断高速发展，建设了大量交通、能源等重大基础设施，特别是越来越多重大工程开始在地震高发区建设，如在我国地震危险性较高的西南川滇地区，建设了大量涉及国计民生的大型复杂工程结构，包括重大桥梁、大型隧道等重大工程及风电场、引水工程等特殊工程设施，这些工程设施所面临的地震灾害风险不容忽视，一旦发生地震破坏，将带来不可估量的严重后果。为揭示重大及特殊工程地震破坏致灾机理，实现重大及特殊工程安全监测与损伤评估，设立重大及特殊工程观测子系统，主要在地震频发的川滇地区，建设重要及典型桥梁、大型隧道工程、典型风机塔以及重要引水工程等7个地震反应观测台阵。与传统工程结构健康监测与诊断相比，本子系统重点关注两个方面内容，一是工程场地地震动观测，以解决重大工程尤其是线型工程结构（如大型桥梁与隧道工程）非一致多点地震动输入问题，二是地震作用下工程结构多手段、多物理量综合观测，以解决大震作用下结构地震损伤快速评估及地震灾变失效机理问题。

布设观测台阵的某典型曲线梁桥

在工程场地观测方面，设置井下-地表联合观测设施，布设强震仪、旋转强震仪以及井下加速度计等设备，获取工程所在场地的基岩及地表地震动。在工程结构观测方面，根据不同结构类型布设强震仪、旋转强震仪、加速度计、应变仪、位移计、GNSS、光纤等手段，获取工程结构加速度、位移等地震响应以及结构关键部位局部应变与变形、整体倾斜和移位等多个反应量。通过工程场地和结构联合观测，揭示地震动特征及其致灾机理，分析土-结构相互作用机制，阐释工程结构在强烈地震动作用下损伤演化过程，实现重大工程地震安全诊断，这对于提升我国重大工程地震灾害防治能力、保障国家重大战略实施和人民生命财产安全等具有重大意义。

城市群体建筑观测子系统

随着我国城镇化进程深入发展，城市系统正在向大型化、复杂化、智能化发展，而面向城市尺度的群体建筑系统性地震反应观测与风险感知在全球范围内依然匮乏。为揭示城市建筑群地震致灾机理以及城市建筑房屋在实际地震作用下反应与震害分布规律，设立城市群体建筑观测子系统，其核心意义在于通过布设传感器设备，直接获取大量建筑结构真实地震反应数据，从而科学评估城市区域整体抗震韧性，精准识别城市抗震薄弱环节。

本子系统主要在云南省大理市城区，按照平均间距1千米×1千米密度，选择100栋不同类型及不同使用功能的典型房屋建筑，布设地震反应观测系统，观测设备包括简易三分量加速度计、GNSS等。结合城市人口经济、基础设施等地理信息数据库，对城市系统运行与地震灾害演化进行立体式监测，实现城市系统灾前、灾时与灾后各个阶段全周期观测，形成城市抗震韧性实时监测与评价能力。本子系统建设将为城市抗震韧性建设、地震灾害预测以及灾害风险防控提供科学依据，为其他城市开展群体建筑观测与抗震韧性提升提供参考范例，也为城市抗震韧性分析、地震灾害情景构建等方法技术发展提供可靠验证场景和数据支撑。

城市群体建筑观测某台阵GNSS观测设备

中国地震科学实验场是十四五国家重大科技基础设施工程，城市与工程抗震韧性观测系统是其中重要组成部分，具有国际先进水平。根据项目总体实施规划，预计2027年底全部建设完成，届时本系统将实现“震源破裂-工程场地-传播路径-结构响应”全链条强震动观测，获得成果为城市与工程地震破坏和灾后恢复情景构建提供科学依据和数据支撑，最终服务国家“城乡韧性提升”计划。

来源丨《防灾博览》2026年4月第2期 总第148期

编辑丨詹碧华

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