地磁臺消防優化改造項目對地磁觀測環境的影響

王曉睿，孫國濤，高銀鴻，原 超

（大連地震臺，遼寧 大連 116021）

0 引言

針對大連地震臺瓦房店地磁臺三面臨山，每年春季周邊易發生山體火災，考慮到地磁記錄室采用的建筑材料大多是易燃的木質材料，結合消防部門意見和大連臺幾年來總結的防火經驗，提出了消防優化改造計劃，整個改造項目包括：消防通道工程、地下蓄水池工程和消防補水系統。其中蓄水池的分布情況如圖1所示。

由于地磁儀器對觀測環境的特殊要求，需要保證觀測數據的準確性。整個改造項目，除了要求符合一系列建筑施工的安全、質量、技術標準外，對地磁臺站的地磁場觀測數據的影響也是要考慮的因素。為了避免造成長期的影響，對于材料選擇、建筑物距離等問題都需要有細致的檢測和計算。

圖1 大連地震臺消防池布局平面圖示意圖Fig.1 The plane layout of the fire pool of Dalian Seismic Station

1 干擾分析以及應對方案

1.1 干擾分析

整體施工過程中，車輛等不可避免會對地磁測量產生干擾，除了這部分暫時的影響外，更重要的是必須排除施工完整后整個新增建筑設備對地磁觀測環境產生的永久性干擾。

1.2 應對方案

針對以上提出的干擾問題，做出如下對應方案。

1.2.1 盡量減少施工過程干擾

在整個項目建設期間，我臺對進場車輛進行嚴格管理，要求機械設備停放位置最大限度遠離地磁觀測儀器室，即便是路面施工期間，也要嚴格要求施工單位做好施工組織安排，務必在最短時間內完成儀器室周邊的施工內容，最大程度保證地磁觀測的正常進行。

在工程監理、施工單位和大連臺實施小組成員的共同努力下，我臺優化改造工程嚴格按照圖紙施工，各項工程的質量均達到設計要求。

1.2.2 規避長期不可恢復性干擾

使用對場地主磁場無干擾的無磁性建筑主材磁，必須使用的含有磁性的主材鋼筋則需要進一步的磁性檢測。同時，根據消防需求的蓄水池容量確定好鋼筋用量后，通過《地震臺站觀測環境技術要求》標準，根據《地震臺站觀測環境技術要求》（GB／T 19531.2-2004）第2部分：電磁觀測，計算建筑物與儀器的最小安全距離。具體計算詳見正文第二部分：主材檢測與建筑距離確認。

2 主材檢測與建筑距離（規模）確認

2.1 水泥、沙子、石子三種建筑主材的磁性檢測

2.1.1 檢測方法

對已選定并入場的建筑主材水泥、沙子、石子進行取樣檢測磁性。分別隨機取樣各5kg，采用G856-297核旋磁力儀，對主材樣品的磁性進行檢測。首先將探頭位置固定，將樣品材料遠離探頭，此時測量地磁場總強度（以下簡稱地磁場），然后將樣品材料無限靠近探頭，測量地磁場，反復兩次，記錄測量值。

2.1.2 檢測結果

數據如表1所示：

表1 各種主材磁性檢測數據

2.1.3 數據分析

取樣樣品接近儀器探頭時儀器讀數（磁場強度F）變化均小于1nT，讀數變化并非材料影響，屬于磁場正常變化，因此取樣樣品不含磁性物質。消防通道建設后，水泥、沙子及石子材料本身不會對地磁觀測數據造成影響，用量亦不受限制。

2.2 鋼筋材料的用量和建筑距離確定

排除水泥、沙子及石子的干擾后，需進一步對含有鐵磁性物質的鋼筋進行進一步計算確定。

2.2.1 計算標準

根據《地震臺站觀測環境技術要求》（GB／T 19531.2-2004）地磁場觀測環境的技術指標：“靜態磁騷擾強度應不大于0.5nT?！睂F磁性材料的建筑物或構筑物其幾何中心與地磁觀測點觀測儀器的最小距離計算。含鐵磁性材料的建筑物或構筑物其幾何中心與地磁觀測點觀測儀器的最小距離s,應滿足下面公式:

式中△B—鐵磁性物體產生的騷擾磁場強度，單位為納特（nT）；

M—鐵磁性物體的質量，單位為千克（kg）；

κ—鐵磁性物體的磁化率，無量綱；

B0—外磁場強度，即當地地磁總強度F，單位為納特（nT）；

d—鐵磁性物體的密度，單位為千克每立方米（kg/m3）；

s—鐵磁性物體幾何中心與地磁觀測點間的距離，單位為米（m）；

N—鐵磁性物體的退磁因子，無量綱。

2.2.2 確定安全距離

在工程設計上，我臺采取以下措施減少鋼材用量，以達到既不影響地磁觀測環境，又能確保工程質量的目的，具體措施如下：

(1)加大蓄水池底板混凝土厚度，減少底板鋼筋量；

(2)在蓄水池內部增加承重墻，使蓄水池既不影響蓄水量又通過增加支撐力減少頂層蓋板鋼筋量。

通過以上兩項措施，工程設計建筑50m3蓄水池三個，每個蓄水池鋼筋量約為0.68t，現采用的鋼筋中鐵磁性物體密度為17.3832t/m3，本地穩定地磁強度平均值為53345.0nT，退磁因子為0，根據數據：M=680kg、κ=1000、B0=53445nT、π=3.1415、d=17383.2kg/m3、N=0、△B=0.5nT;按照公式（1）計算：蓄水池距地磁觀測儀器最小距離為110m。

我臺在三個蓄水池擺放位置中（水池編號及距觀測儀器位置情況詳見圖1），其中1號水池距地磁觀測儀器215m，2號水池距地磁觀測儀器105m，3號水池距地磁觀測儀器120m。由于2號池未能滿足計算結果的要求，更改設計將50m3的蓄水量容量變更為40m3，通過減少該蓄水池10m3容量的方式減少鋼筋量到0.54t，計算得出安全距離為102m，進而保證不影響地磁觀測。

3 防火建筑物對地磁觀測環境的靜態和動態影響

消防優化改造竣工后，通過靜態（消防系統水泵未運行狀態下）和動態（消防系統水泵全運行狀態）的驗證，進一步確認新增建筑物對地磁觀測環境無影響。

3.1 靜態驗證

表2 場地地磁場梯度對比數據儀器室至1號蓄水池

3.1.1 測量方法

在防火系統不運行（水泵完全不運行）的情況下，使用G856-297核旋磁力儀，從儀器室出發到蓄水池結束，每5m測量一組地磁強度F值（共3個值），求平均值并與相同時間儀器室記錄儀器FHDZ-M15記錄值作為標準值進行通化，并將計算結果同未施工前臺站的原始數據進行對比分析；其中測量探頭距地面1.8m，記錄室儀器探頭距離地面-7m。

3.1.2 測量計算結果

測量結果匯總如表2所示，其中距離指測量儀器G856-297核旋磁力儀的探頭距儀器室的距離。

（1）1號消防池與儀器室間場地地磁場梯度對比結果見表2、圖2。

（2）2號消防池與儀器室間場地地磁場梯度對比結果見表3、圖3。

3號消防池與儀器室間場地地磁場梯度對比結果見表4、圖4。

3.1.3 數據分析

在防火系統不運行（水泵完全不運行）的情況下，排除磁場正常自然變化，距離儀器室≤100m時1號消防池對其不產生影響，距儀器室≤40m時2號消防池對其不產生影響，距儀器室≤50m時3號消防池對其不產生影響；防火消防池周圍10m范圍內對地磁場的影響非常明顯；故本次消防改造項目，新增建筑物對地磁觀測場地的環境沒有影響。

圖2 儀器室至1號蓄水池場地梯度對比Fig.2 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 1 impounding reservoir

圖3 儀器室至2號蓄水池場地梯度對比Fig.3 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 2 impounding reservior

表3 場地地磁場梯度對比數據儀器室至2號蓄水池

表4 場地地磁場梯度對比數據儀器室至3號蓄水池

圖4 儀器室至3號蓄水池場地梯度對比Fig.4 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 3 impounding reservior

3.2 動態驗證

3.2.1 測試方法

在磁場靜日變化情況下，進行了防火系統供水系統動態（水泵完全運行狀態）對地磁觀測影響的測試。測試內容如下：水泵完全運行十分鐘，然后停止運行十分鐘，反復三次，并監測同時間段下，儀器室記錄儀器FHDZ-M15記錄下的垂直分量（Z）相對值，對連續數據進行分析。

3.2.2 測量結果

試驗階段儀器室儀器記錄的垂直分量（Z）相對值如圖5-10所示。

3.2.3 數據分析

通過對防火系統完全運行狀態與正常非運行狀態的連續反復測試，從地磁儀器記錄的數據圖像來看，數據連續性好，曲線趨勢穩定，未有臺階、漂移等干擾跡象。

圖5 第一次運行前十分鐘數據（Z）Fig.5 Ten minutes' data before the first run

圖6 第一次運行時十分鐘數據（Z）Fig.6 Ten minutes' data for the first run

圖7 第二次運行前十分鐘數據(Z)Fig.7 Ten minutes'data before the second run

圖8 第二次運行時十分鐘數據(Z)Fig.8 Ten minutes' data for the second run

圖9 第三次運行前十分鐘數據(Z)Fig.9 Ten minutes' data before the third run

圖10 第三次運行時十分鐘數據(Z)Fig.10 Ten minutes' data for the third run

4 結論

經以上計算分析，得出以下結論：

（1）通對已選水泥、沙子、石子的磁性檢測，發現這些主材對地磁場觀測場地環境無明顯影響；

（2）已選鋼筋用量為0.54t的建筑物距離地磁儀器的安全距離為102m，鋼筋用量為0.68t的建筑物距離地磁儀器的安全距離為110m；

（3）消防優化改造新增建筑物對地磁觀測環境無影響；

（4）消防設施完全運行狀態下，對地磁觀測數據無影響。