鄭海剛， 閆 偉， 王雪瑩， 何 康， 李軍輝， 王 俊

(1.安徽省地震局，合肥 230031； 2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

利用不規(guī)則載荷模型分析泗縣臺水管異常

鄭海剛1， 閆 偉2， 王雪瑩1， 何 康1， 李軍輝1， 王 俊1

(1.安徽省地震局，合肥 230031； 2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

通過環(huán)境調(diào)查等手段，收集整理泗縣臺觀測山洞周邊環(huán)境變化參數(shù)及相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用二維不規(guī)則載荷模型模擬計算荷載引起的傾斜變化量。結(jié)果顯示，泗縣臺周邊2處荷載干擾源對泗縣水管傾斜儀EW向觀測有一定影響，最大傾斜影響量為354.07 ms，遠(yuǎn)小于水管EW實際觀測傾斜量1 630.28 ms，說明荷載變化僅對泗縣臺水管EW向E傾變化初始階段有影響，并不是目前其持續(xù)E傾的主要影響因素。

水管傾斜；環(huán)境干擾；載荷模型；定量模擬

0 引言

洞體形變前兆觀測手段主要包括水管、水平擺、伸縮等，均安置在巖體洞穴內(nèi)，觀測條件較好，受大風(fēng)、降溫、降雨等氣象因素影響較小。即使有影響，其時、空、強(qiáng)也與氣象因素的時、空、強(qiáng)有密切的聯(lián)系，可以通過形變同步觀測的數(shù)據(jù)記錄，進(jìn)行對比分析，在一定程度上去除此類干擾[1-6]。但是，隨著地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)項目日益增多，原來比較偏遠(yuǎn)的觀測山洞，越來越多的受到建設(shè)施工的影響。這類影響主要?dú)w結(jié)于荷載變化，其影響特征不同于氣象因素，雖然在時、空上與形變觀測有一定的相關(guān)性，可以通過詳細(xì)調(diào)查予以確認(rèn)，但其影響強(qiáng)度往往較難直接確定。

實際工作中，確定荷載變化對形變觀測影響強(qiáng)度的方法主要有地表集中載荷模型[7-8]、三維集中載荷模型[9-10]、數(shù)值模擬分析[11-12]等。為了更加精細(xì)地刻畫載荷的近場影響，閆偉等[13]基于均勻、各向同性的半無限彈性體的點狀載荷模型，推導(dǎo)了水平傾斜場的解析解計算方法，給出了二維不規(guī)則形狀載荷對地面某點的傾斜矢量的解析解計算方法。本文基于二維不規(guī)則載荷模型，對荷載變化影響泗縣水管EW觀測的傾斜量進(jìn)行了模擬計算，以此來探討泗縣臺水管EW向異常變化的機(jī)理。

1 場地地震地質(zhì)背景及觀測概況

1.1 地震地質(zhì)背景

泗縣地震臺位于安徽省宿州市泗縣屏山鎮(zhèn)屏山南坡，117.86°E，33.56°N。周圍地勢平坦，廣泛被第四紀(jì)覆蓋，屏山孤立出落，最高點119.2 m，長數(shù)公里，山體走向近東西。巖層傾向北北東，巖層傾角小于30°[14]。泗縣臺處于郯廬斷裂帶西側(cè)8 km，臺基為震旦紀(jì)石英砂巖，地質(zhì)條件穩(wěn)定。區(qū)域范圍內(nèi)僅發(fā)生5次MS5.0以上地震，中強(qiáng)地震活動較弱(圖1)。

1.2 觀測山洞概況

泗縣地震臺始建于1996年，2000年1月開始投入正式觀測，目前主要觀測手段有測震和地形變，主要形變觀測儀器有DSQ水管儀、SS-Y伸縮儀、SSQ-2I水平擺，3套儀器均安裝在屏山人防工程山洞內(nèi)。山洞水平貫通屏山山體，進(jìn)深>100 m，最大覆蓋厚度40 m，洞口覆蓋層厚25 m，洞室密閉，洞體用混凝土砌圈，常年溫度17.5±1℃[14]。

圖1 泗縣臺區(qū)域地震構(gòu)造及位置圖

2 異常變化特征及環(huán)境干擾因素

2.1 異常變化特征

泗縣臺水管EW向持續(xù)E傾異常，2014年4月28日出現(xiàn)至今，已持續(xù)跟蹤接近33個月。截止2016年11月20日，變化幅度達(dá)到1 630.28 ms，相當(dāng)于2009—2014年泗縣水管EW向總體趨勢下降量的2倍多(圖2)。期間，在2015年1月和2016年1月各有一次上升速率減緩現(xiàn)象，判斷為新的狀態(tài)下的年變形態(tài)，但仍需后續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)。

圖2 泗縣臺水管傾斜儀EW向日均值

2.2 環(huán)境干擾因素

通過現(xiàn)場實際調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泗縣臺周邊潛在的影響因素較多，共有17處，主要有水塘、磚廠、電視塔建設(shè)等，但與泗縣水管EW向持續(xù)E傾異常時間進(jìn)程較為一致或在異常持續(xù)期間出現(xiàn)的干擾源僅有5處(表1，圖3)，具體為挖土區(qū)、南廣場、住宅區(qū)、北廣場、道路建設(shè)，這些干擾因素均分布在泗縣臺觀測山洞西北方向1.0 km范圍內(nèi)。

圖3 泗縣臺周邊環(huán)境干擾因素分布圖

根據(jù)洞室地傾斜類地震臺站建設(shè)規(guī)范[15-16]，荷載變遷質(zhì)量大于5×105kg時，觀測室建設(shè)距離干擾源至少應(yīng)大于等于1.0 km。也就是說，當(dāng)荷載變遷質(zhì)量大于5×105kg，距離臺站觀測室距離小于1.0 km時，干擾源就會對臺站觀測儀器造成影響。因此，本文僅對荷載變化量較大的、對儀器觀測有影響的2處(南廣場、挖土區(qū))干擾源(表1)，進(jìn)行二維不規(guī)則載荷模型數(shù)值計算，求取每處荷載變化量對泗縣臺水管EW的影響量以及它們的整體影響量(表1)。

表1 荷載變化點參數(shù)統(tǒng)計表

3 荷載影響定量分析

3.1 計算原理

二維不規(guī)則載荷模型，是將模型的總作用力P進(jìn)行散點化，各散點的作用力記為Pi，分別求取各散點對某點M的垂向位移wi和傾斜量(Txi，Tyi)，所有散點作用的矢量和即為M點的垂向位移w和傾斜量(Tx，Ty)[13]。設(shè)網(wǎng)格個數(shù)為n，則有

(1)

W=∑Wi

(2)

Tx=∑Txi， Ty=∑Tyi

(3)

在實際計算時，以不同長度將二維不規(guī)則模型進(jìn)行格網(wǎng)化處理，然后利用質(zhì)點載荷模型[7,13]分別求取各格網(wǎng)對M點的垂向位移wi和傾斜量Txi、Tyi，最后利用式(2)、(3)求取該點的垂向位移w和傾斜量(Tx，Ty)。

3.2 物理參數(shù)選取

泗縣臺觀測山洞臺基巖性為中分化石英砂巖，依照《地基與基礎(chǔ)》[17]推薦參數(shù)，其彈性模量取值范圍為(2.78～5.40)×104MPa，泊松比取值范圍為0.20～0.05。本文在模擬過程中為了得到荷載對水管觀測影響的最大值，取其彈性模量為2.78×104MPa，泊松比為0.05。2處干擾源的物質(zhì)來源一致，取其巖土比重1 900 kg/m3[18]。

3.3 模擬計算結(jié)果

從模擬結(jié)果(表2)可以看出，挖土區(qū)荷載變化對泗縣臺水管EW向的影響量為573.50 ms(圖4a)，指示變化方向為E傾；南廣場荷載變化對泗縣水管EW向的影響量為-219.43 ms(圖4b)，指示變化方向為W傾。2處干擾源對泗縣臺水管EW的綜合影響量為354.07 ms，指示變化方向為E傾，其影響方向與實際觀測變化方向相同；影響量級與干擾因素結(jié)束時(2014年12月31日)泗縣臺水管EW向?qū)嶋H觀測值437.83 ms基本相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于泗縣臺水管EW向現(xiàn)有的實際觀測值1 630.28 ms(圖1)。說明泗縣臺觀測山洞周邊荷載變化僅對泗縣水管EW向E傾變化初始階段有影響，并不是其目前持續(xù)E傾變化的主要影響因素。

表2 荷載變化點最大影響量統(tǒng)計表

注：傾斜量的正值指示東偏，負(fù)值指示西偏。

注：圖中五角星為泗縣臺位置圖4 荷載引起周邊傾斜位移變化的空間分布圖

4 結(jié)論與討論

本文利用不規(guī)則二維載荷模型模擬計算了荷載變化引起的傾斜變化量，從定性和定量2個方面分析了荷載變化對泗縣水管EW向E傾異常的影響機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1)泗縣臺觀測山洞周邊存在的17處潛在干擾因素，其中有5處荷載在變化點出現(xiàn)的時間和泗縣臺水管EW向E傾異常出現(xiàn)的時間具有一致性，有2處荷載變化點對泗縣水管EW向?qū)嶋H觀測有一定影響。

2)數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，取土場荷載變化和南廣場荷載變化引起的綜合影響量遠(yuǎn)小于泗縣臺水管EW向?qū)嶋H觀測的E傾量，荷載變化僅對泗縣臺水管EW向E傾變化的初始階段有影響，并不是其目前持續(xù)E傾的主要影響因素。

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Analysis of DSQ Tiltmeter Anomaly at Sixian Seismic Station Using Irregular Load Model

ZHENG Hai-gang1, YAN Wei2, WANG Xue-ying1, HE Kang1, LI Jun-hui1, WANG Jun1

(1. Earthquake Administration of Anhui Province, Hefei 230031, China; 2.China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China)

This paper collected parameters of environment changes and rock mechanics by environmental investigation at the observation field of Sixian seismic station, and calculated the tilt field caused by load changes using the two-dimensional irregularly load model. The results show that the two load changes have some influence to the EW observation of DSQ tiltmeter at Sixian seismic station, the maximum effects of amount is about 354.07 ms, which is much less than the observed value of 1 630.28 ms. From the point of view of quantitative simulation confirm, the anomaly of DSQ tiltmeter at Sixian seismic station cannot be attributed to load changes.

DSQ tiltmeter; environmental disturbance; load model; quantitative simulation

2016-12-29

中國地震局震情跟蹤定向任務(wù)(2016010210)

鄭海剛(1981—)，男，陜西寶雞人，工程師，主要從事地震地質(zhì)及地震形變研究.E-mail：zhghfut@163.com

P315.7

A

1003-1375(2017)03-0045-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.008

鄭海剛，閆偉，王雪瑩，等. 利用不規(guī)則載荷模型分析泗縣臺水管異常[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(3):45-48.