井水位對地震波響應(yīng)的小型振動臺試驗方案設(shè)計

翟澤宇 谷洪彪* 魏海濱 徐邑榮

（1、防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201 2、河北省地震動力重點實驗室，河北 三河 065201）

在進行井水位對地震波響應(yīng)的機理研究中，震中距、震級、震源深度及井孔結(jié)構(gòu)、井深等影響因素的差異，構(gòu)造不連續(xù)面的存在，介質(zhì)體水文地質(zhì)參數(shù)的不均一性和各向異性，均決定了該過程的異常復(fù)雜性[1-2]；地震導(dǎo)致含水層滲透系數(shù)不同程度的增大導(dǎo)致水流運動規(guī)律變化[3-5]；震源機制、地震波傳播理論及區(qū)域斷裂展布與井水位相關(guān)關(guān)系分析[6-8]；對孔隙彈性理論不能解釋的現(xiàn)象則采用描述井水位變化的幾種假定模型來闡述其成因[9-10]。

然而，實際尺度下進行該研究最大困難是缺少地震時井-孔含水層系統(tǒng)對地震波響應(yīng)的孔隙水壓力變化的實測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的研究結(jié)論有待于進一步深入研究和論證；同時，地震波-含水層相互作用的振動臺模型試驗也很少，也被證明是最直接也是較準(zhǔn)確的試驗方法。因此，目前將小型地震模擬振動臺與滲流試驗相結(jié)合應(yīng)用于井水位對地震波的響應(yīng)機理研究是一次新的嘗試。本文以井水位對地震的響應(yīng)現(xiàn)象為研究背景，開展孔隙介質(zhì)承壓含水層小型地震模擬振動臺模型滲流試驗。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 井-含水層系統(tǒng)物理模型

封閉的井-含水層系統(tǒng)相當(dāng)于安裝在地殼中的一種非常靈敏的應(yīng)變儀，一切地球物理信息源對含水層的作用都是造成含水介質(zhì)的體膨脹而引起的井水位升降，而水位升降原理可表述為如下思路：含水層受力變形或破壞，將引起其內(nèi)部孔隙水壓力的變化，孔隙水壓力變化信息在井-含水層系統(tǒng)中傳遞進而引起井水位動態(tài)變化。基于此，本試驗選用的原位井-含水層系統(tǒng)的物理模型是由布雷德霍夫特提出的。

1.2 井-含水層系統(tǒng)振動滲流試驗?zāi)Ｐ?/h3>

基于以上研究思路并結(jié)合井-含水層系統(tǒng)物理模型，本次試驗共設(shè)計6種承壓含水層滲流模型，各模型中采用的振動臺滲流系統(tǒng)包含4部分：滲流槽供、排水的定水頭裝置、滲流砂槽和測壓板、地震模擬振動臺、數(shù)據(jù)采集傳感器及配套采集系統(tǒng)（圖1）。

圖1 井-含水層系統(tǒng)振動滲流試驗?zāi)Ｐ蛯嵨飯D

系統(tǒng)中儲水容器為鋼化塑料材料制成的圓柱形容器，體積120L，置于一定高度的試驗臺之上，用于供水和保持滲流槽承壓含水層的承壓性。供、排水的定水頭裝置為采用溢流原理控制供水和排水水位，可以上、下自由調(diào)節(jié)高度，使其在滲流過程中保持一個合理的位置。砂槽制作材料為有機玻璃，長、寬、高分別40cm、25cm、30cm，槽體配有有機玻璃材料的承壓隔水板，槽體左右兩側(cè)分布3cm寬度的進出水緩沖帶，進水口處于較高位置，出水口位于較低位置，上部密封，留有4個排氣孔，飽水排氣后密封各孔以保證含水層達到一定壓力水頭，槽體側(cè)面共分布8個測壓管，測壓管的間距為6cm，利用硅膠管將滲流槽一側(cè)的測壓管與測壓板相連，用于監(jiān)測不同時間、滲流槽不同位置的水位情況。

2 試驗過程設(shè)計

2.1 滲流試驗

本次所試驗使用的孔隙介質(zhì)承壓含水層為單一水平結(jié)構(gòu)，滲流介質(zhì)為石英砂，該過程的關(guān)鍵是保證承壓含水層的密閉性和承壓性。

含水層介質(zhì)采用1～3級天然水晶，按粒徑大小，高純石英砂分為Ⅰ型粗粒石英砂、Ⅱ型粗粒石英砂、中粒石英砂和細粒石英砂，將這4種石英砂作為含水層介質(zhì)。

本試驗?zāi)M在天然條件下承壓含水層的實際滲流過程，利用儲水容器中的上游定水頭裝置通過與砂槽相連的管路使水進入滲流砂槽中。本過程分為地震模擬振動臺振動前、振動過程中、振動后的滲流對比試驗，目的是測定地震波與含水層相互作用對水文地質(zhì)參數(shù)（滲透系數(shù)）的影響。振動前后的滲流試驗各進行24小時。利用達西公式計算得到不同層位滲透系數(shù)大小(1)。

表1 井水位對地震波響應(yīng)的小型振動臺試驗加載工況

其中，Q：滲透流量(m3/d)；L：滲透路徑長度(m)；H1：上游水位高度(m)；H2：下游水位高度(m)；A：入滲截面面積(m2)。

2.2 加載方法

本試驗可以選擇任意的地震波記錄，依據(jù)汶川地震時相關(guān)臺站記錄，選取汶川臥龍臺、地震波的時程曲線和頻譜曲線如圖2。

圖2 輸入汶川臥龍臺地震動加速度時程曲線（土層、自由地表，震中距21km）

3 結(jié)論

本文對地震波-孔隙介質(zhì)含水層相互作用對井水位影響的小型振動臺模型及其試驗方案設(shè)計進行了研究。主要結(jié)論如下：

3.1 本文總結(jié)了井水位對地震波響應(yīng)的機理解釋，認為震中距、震級、震源深度及井孔結(jié)構(gòu)、井深等影響因素的差異，構(gòu)造不連續(xù)面的存在，介質(zhì)體水文地質(zhì)參數(shù)的不均一性和各向異性導(dǎo)致機理的復(fù)雜性，并闡明其不足，提出開展地震模擬振動臺滲流試驗來解釋實驗室尺度下的響應(yīng)機理。

3.2 針對實驗?zāi)康募耙?，結(jié)合地震模擬振動臺試驗發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計出6種承壓含水層滲流模型，各模型包含4部分：滲流槽供、排水的定水頭裝置、滲流砂槽和測壓板、地震模擬振動臺、數(shù)據(jù)采集傳感器及配套采集系統(tǒng)。

3.3 對整個試驗過程進行了設(shè)計，重點為含水層的制備、傳感器的布置及其數(shù)據(jù)采集方案，主要包括：承壓含水層模擬方法，振動前、振動時、振動后滲流試驗的開展以及水文地質(zhì)參數(shù)的測定，孔隙壓力、振動加速度的輸入和采集方案。

該試驗方案為進行井水位地震波響應(yīng)的小型振動臺模型試驗的實施作了相關(guān)鋪墊工作，對實驗室尺度地震波-孔隙介質(zhì)含水層相互作用對井水位影響給出基準(zhǔn)模型奠定基礎(chǔ)。