基于FLAC3D模擬庫水位改變對周圍傾斜場的影響★

李宏偉 王 霞 李文超

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000)

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·水利工程·

基于FLAC3D模擬庫水位改變對周圍傾斜場的影響★

李宏偉1王 霞1李文超2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000)

采用FLAC3D軟件，對郭莊水庫庫水位的改變引起周圍傾斜場的變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，2013年7月庫水位的上升對昔陽傾斜儀測點(diǎn)處的影響約為0.01角秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際觀測值的2角秒，因此該測點(diǎn)2013年7月的大幅度變化不是由庫水位的上升造成的。

水庫庫水位，F(xiàn)LAC3D，傾斜場，位移量

地震前兆異常跟蹤過程中，最重要的核心問題是科學(xué)判定異常。如何從定性到定量分析異常變化與干擾的影響規(guī)律，為地震預(yù)測研究提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)，是地震預(yù)測研究的探索和努力方向。

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的增多，各個(gè)臺站的觀測環(huán)境受到越來越嚴(yán)重的影響，臺站周邊存在著越來越多的載荷影響[1，2]，其中包括水庫庫水位的改變，這些干擾在某種程度上可以等效為載荷的變化，許多學(xué)者也從理論上分析了載荷對周邊應(yīng)變場觀測的影響[3-5]，也有不少學(xué)者利用數(shù)值分析技術(shù)探討水庫庫水位的改變對周圍巖體穩(wěn)定性的影響[6-9]，水庫庫水位的改變確實(shí)可以引起周圍應(yīng)力場的改變，但定量化的研究對周圍傾斜場影響的文獻(xiàn)還涉及不多，鑒于此，采用數(shù)值模擬的方法對郭莊水庫庫水位上升引起的傾斜場變化進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 水庫及測點(diǎn)概況

郭莊水庫位于昔陽縣城南的郭莊村附近松溪河上游，屬海河流域子牙河水系，設(shè)計(jì)水庫庫容為2 000萬m3左右的中型水庫[10]，2013年7月，8月，9月水庫進(jìn)、出水量如表1，表2所示。

表1 郭莊水庫2013年進(jìn)庫水量

表2 郭莊水庫2013年出庫水量

昔陽水平擺傾斜儀安放于昔陽地震臺山洞中，山洞開挖于奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組深灰色厚層石灰?guī)r中，山洞覆蓋厚度約12 m，每年雨季洞內(nèi)濕度增大，從近幾年的觀測資料來看，每年雨季曲線均出現(xiàn)大幅臺階變化。2013年7月東西向最大傾斜角度達(dá)2 000毫角秒左右(見圖1)，遠(yuǎn)超過正常的背景值，觀測點(diǎn)西南方向約4.63 km處的郭莊水庫在測點(diǎn)傾斜變化前有約300萬m3水量進(jìn)庫，因此初步判斷測點(diǎn)大幅度傾斜變化與水庫庫容的增加有關(guān)，但具體原因仍需進(jìn)一步論證。

2 水庫庫容改變影響的定量分析

2.1 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

將水庫庫水位上升變化等效為在水庫所在位置的上方額外增加載荷，將水庫庫水位的上升量轉(zhuǎn)化為豎直向下的法向應(yīng)力，相當(dāng)于均勻載荷的加載。由表1，表2可知，水庫進(jìn)、出水量的最大變化為2013年7月份的進(jìn)庫量，達(dá)310.91萬m3，為了獲取最大影響范圍及影響量級，以2013年7月份的變化量為計(jì)算依據(jù)來模擬獲取水庫荷載的變化量，經(jīng)計(jì)算得到等效載荷約為3.1×1010N。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Brick六面塊體網(wǎng)格單元進(jìn)行建模，該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成；設(shè)定模型大小為8 km×8 km×4 km，單個(gè)網(wǎng)格長度為200 m，單元個(gè)數(shù)為3.2×104個(gè)，水庫面積簡化為(750×750)m2，建模時(shí)將水庫置于模型中央，在模型底部和側(cè)面施加位移約束，水庫表面上施加面載荷。

觀測點(diǎn)位于太行山斷塊隆起區(qū)，周圍出露的地層巖性以灰?guī)r和砂巖為主；取彈性模量E=3.0×104MPa，泊松比μ=0.25，比重ρ=2.7 kg/m3。

2.2 位移量計(jì)算

圖2是加載計(jì)算平衡后的垂直向位移分布圖，可以看出，在水庫上方加載垂向應(yīng)力后所引起的垂直向位移場是以水庫為中心，快速向水庫外圍衰減，最大垂向位移為1.87×10-4m。

圖3是加載計(jì)算平衡后沿X方向的水平位移圖，可以看出，面載荷模型加載所引起的水平向位移場最大位移點(diǎn)不是垂向最大位移點(diǎn)，而是存在一定的水平偏離，其中最大水平位移量為3.0×10-5m。

2.3 傾斜量計(jì)算

任意點(diǎn)M(x，y，z)的傾斜角度α可以通過質(zhì)點(diǎn)的水平位移Wxy與垂直位移Wz的比值求反正切值計(jì)算(見圖4，式(1))。由以上計(jì)算得到的垂直位移場與水平位移場分布可知，水庫庫水位的改變引起的最大傾斜點(diǎn)位置不在水庫中心的位置，而應(yīng)位于離開水庫中心一定的位置。

(1)

式中:α——傾斜角度；Wxy——M點(diǎn)相對于變形前的水平方向的位移；Wz——M點(diǎn)相對于變形前的垂向位移。

圖5是經(jīng)過計(jì)算得到的傾斜場，結(jié)果顯示，傾斜量的最大值位置與水平位移量最大值位置一致，傾斜量自最大處向載荷中心與外圍逐漸縮小，經(jīng)計(jì)算臺站所在處的傾斜量約為0.01角秒。

3 結(jié)語

地表傾斜監(jiān)測作為重要的地震前兆監(jiān)測手段，在地震監(jiān)測預(yù)

報(bào)研究中發(fā)揮著重要的作用，尤其在地震短臨預(yù)報(bào)研究中取得了許多研究成果，為地震預(yù)報(bào)研究積累了豐富的觀測資料。在各類干擾因素中，載荷的變化是其主要的影響因素之一，如何定量分析載荷的變化對觀測值的影響規(guī)律，是進(jìn)行分析預(yù)報(bào)的首要工作。

根據(jù)構(gòu)建的FLAC3D模型計(jì)算結(jié)果得出，郭莊水庫2013年7月庫水 位改變對傾斜監(jiān)測點(diǎn)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際監(jiān)測值，因此認(rèn)為昔陽傾斜儀測點(diǎn)在2013年7月的大幅度變化與郭莊水庫庫水位的上升關(guān)系不大，可能同時(shí)段還有其他干擾因素的存在。據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，觀測值大幅變化前測區(qū)附近有降雨，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出的傾斜值與實(shí)際觀測較為吻合，據(jù)此推測此次變化可能受降雨的影響。

水庫庫水位改變對周圍傾斜場的影響在實(shí)際分析中，不能僅從時(shí)間進(jìn)程的角度去給出判定，還應(yīng)通過構(gòu)建理論模型定量分析，給出影響范圍及量級，但模型結(jié)果的可靠性與地質(zhì)模型構(gòu)建的精細(xì)程度、參數(shù)的選取以及荷載變化量的多少有關(guān)。

[1] 朱 航,蘇 琴,楊 濤，等.耿達(dá)短水準(zhǔn)觀測資料在汶川MS8.0地震前后異常的辯別[J].地震學(xué)報(bào)，2010，32(6)：649-658.

[2] 馬 棟,陳建國,鄭 爽，等.荷載對鉆孔應(yīng)變觀測影響的實(shí)例分析[J].地震研究，2014，37(1)：79-81.

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The simulation of the change in the water-level of reservoir influencing tilting field based on FLAC3D★

Li Hongwei1Wang Xia1Li Wenchao2

(1.EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China; 2.DatongSeismologicalofEarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Datong037000,China)

The paper analyzes the change of the water-level of Guozhuang reservoir causing the variation of tilting field through FLAC3D. The result shows that the influence on the tiltmeter of Xiyang station caused by the rising of reservoir water-level in July, 2013 is about 0.01 arcsecond, which is far less than the observation value of 2 arcsecond. Therefore, the significant change of the tiltmeter of Xiyang station is not caused by the rising of reservoir water-level.

water-level of reservoir, FLAC3D, tilting field, displacement

1009-6825(2016)31-0221-02

2016-08-24 ★:山西省地震局科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：SBK-1509)；2016年度震情跟蹤青年課題(項(xiàng)目編號：2016010219)

李宏偉(1986- )，男，碩士，工程師； 王 霞(1987- )，女，碩士，工程師； 李文超(1990- )，男，助理工程師

TV697.25

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