陸明勇 牛安福 張凌空 劉天海 高福旺

1）中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)是在地表下數(shù)十米的基巖中(或土層中)安裝儀器探頭對(duì)地震應(yīng)力－應(yīng)變前兆變化進(jìn)行觀測(cè)；但仍存在環(huán)境因素影響如降雨，如進(jìn)行輔助地下水位觀測(cè)的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)消除降雨的影響，主要是通過(guò)降雨引起地下水位的變化來(lái)進(jìn)行分析研究并消除降雨影響，其方法為擬合相關(guān)分析、運(yùn)用巖土應(yīng)力-應(yīng)變理論建立模型進(jìn)行研究等；無(wú)地下水位觀測(cè)資料的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變消除降雨影響研究不多，主要是進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析或運(yùn)用巖土應(yīng)力-應(yīng)變理論進(jìn)行定性分析。而水文地質(zhì)等領(lǐng)域基于水量平衡原理(質(zhì)量守恒定律)即降水入滲系數(shù)乘以降雨量等于地下水位上升與給水度之積，得到降雨量與潛水位上升幅度之間的計(jì)算公式，以及由此得到降雨與應(yīng)力-應(yīng)變公式；但降雨對(duì)潛水位變化的影響是一個(gè)過(guò)程，不僅需要定量關(guān)系，而且需要反映過(guò)程變化的信息如降雨滲透延遲或滯后效應(yīng)，這些關(guān)系為不能反映變化過(guò)程信息的近似公式且無(wú)法回答降雨停止后潛水位變化對(duì)降雨響應(yīng)過(guò)程。

（1）我國(guó)鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)規(guī)范要求：鉆孔深度應(yīng)該大于等于30 m(若在山洞中則＞2 m)；安置探頭的測(cè)量段要求巖孔應(yīng)避開(kāi)巖石裂隙密集區(qū)、巖脈、透鏡體，采芯率宜＞70%等，儀器觀測(cè)處應(yīng)該在致密巖石處。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)大部分鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變鉆孔深度為30～80 m左右，“十一五”期間新上的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變鉆孔深度有兩種：30 m、60 m。而淺部地殼上部從地表之下依此可以分為：包氣帶、潛水層、第一穩(wěn)定隔水層、承壓水層等，不同的地區(qū)以及不同的地形，上述分層的巖土性質(zhì)、深度等特征變化較大，如太原盆地第四系全新統(tǒng)潛水含水巖系埋深0～50 m，太原市在100～150 m為壓縮性較強(qiáng)的粘土層、粉質(zhì)粘土層及粉土層，即穩(wěn)定的隔水層；長(zhǎng)江三角洲(南部)區(qū)域地表總厚度200～350 m的全新世、更新世松散沉積物所覆蓋即為潛水層巖土。截止2011年6月，我國(guó)正式觀測(cè)的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)共有118臺(tái)套，主要分布在華北、長(zhǎng)江中下游、西南等地區(qū)。因此，目前我國(guó)鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)井鉆孔深度存在于第一穩(wěn)定隔水層即潛水層和承壓水層分界面處的情況，第一穩(wěn)定隔水層上面的地下水位實(shí)際上是潛水層水位，地下水位變化應(yīng)為潛水層水位變化，如天津?qū)氎?、安徽合肥與六安等地震臺(tái)的體應(yīng)變觀測(cè)。

（2）運(yùn)用水文地質(zhì)、地下水動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法以及地殼巖石中有效應(yīng)力原理，基于潛水層在研究鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨響應(yīng)，獲得了考慮降雨滲透延遲或滯后效應(yīng)的降雨與鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變之間的隨時(shí)間變化定量關(guān)系：在降雨對(duì)潛水位影響的延遲或滯后效應(yīng)過(guò)程中（t≤t0），鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨未產(chǎn)生響應(yīng)；在降雨影響潛水層水位變化后，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨的響應(yīng)變化與降雨量累加和、降水滲入系數(shù)成正比，與潛水層的(重力)給水度成反比；另外，鉆孔應(yīng)變對(duì)降雨的響應(yīng)變化還與觀測(cè)處巖石拉梅常數(shù)、剪切模量成反比。在降雨完全停止以后足夠長(zhǎng)的情況下，在其他條件不變的情況下，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨的響應(yīng)變化與時(shí)間成反比。

（3）鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨響應(yīng)一般可以分為3個(gè)階段：①鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)降雨響應(yīng)滯后(延遲)階段，是因?yàn)榻涤隄B透到潛水面需要一段時(shí)間、潛水面變化有一滯后(延遲)過(guò)程；②鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變開(kāi)始變化至降雨完全結(jié)束階段；在降雨率最大之前，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變快速變化；其后降雨開(kāi)始減小，但鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)匀豢焖僮兓且驗(yàn)椴煌牡胤綕撍娓叩筒煌?，潛水面高的地方，潛水受重力影響要流向潛水面低的地方；另外降雨滲透到潛水面也需要時(shí)間即降雨仍然快速滲透到潛水里；在降雨完全停止前一段時(shí)間，降雨小、鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變變化也小；③降雨完全結(jié)束后初期，由于降雨滲透未完全結(jié)束，整個(gè)潛水面在重力作用下緩慢調(diào)整變化直到整個(gè)潛水面水平，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變緩慢增大變化直到停止；然后降雨滲透結(jié)束、潛水蒸發(fā)和滲透，潛水面開(kāi)始緩慢減小，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變緩慢減小即壓性減弱，在無(wú)降雨和其他條件不變的情況下，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變與時(shí)間成反比，時(shí)間越長(zhǎng)，減小越多。