涉縣臺短期施工對地傾斜觀測影響

張英杰，馬 棟，李玉國，徐 強(qiáng)

（1.涉縣地震臺,河北 涉縣 056400；2.河北省地震局,石家莊 050021）

1 引言

保證地震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實性是地形變觀測人員工作的基本要求。數(shù)據(jù)處理需要對明確的干擾進(jìn)行剔除，從而保證科研人員及地震預(yù)測專家準(zhǔn)確使用數(shù)據(jù)。而了解載荷變化對觀測數(shù)據(jù)的影響能使科研人員及預(yù)測專家更好地判斷是前兆異常還是干擾。在構(gòu)建載荷模型計算形變影響中，毛偉建[1]利用格林函數(shù)計算了地球?qū)Ρ砻嫒魏呜?fù)載的響應(yīng)，杜瑞林[2]采用Farrell[3]的數(shù)值模擬方法計算了長江三峽水庫蓄水引起的地形變變化量，這兩種載荷均屬于面積大、體積大、質(zhì)量大的情況。邱澤華[4]分別用不同模型估計了觀測點(diǎn)到干擾源的最小“安靜”距離；張磊[5]、馬棟等[6]根據(jù)邱澤華的理論分析了載荷變化與薊縣臺、永年臺水管傾斜儀的異常關(guān)系，該模型把載荷變化視為作用在一個質(zhì)點(diǎn)上。也有多位學(xué)者基于有限元分析軟件ABAQUS、ANSYS，根據(jù)水平載荷、樁基、石壩、邊坡問題建立三維有限元計算模型進(jìn)行分析計算，得出較不錯的成果[7-9]。閆偉等[10]基于不規(guī)則載荷模型計算了近地表的垂向位移理論值，但沒有給出應(yīng)用實例。涉縣地磁臺建設(shè)中的土體載荷變化提供了一個機(jī)會來驗證不同模型的可靠性和實用性。分析這些變化產(chǎn)生的影響能讓臺站工作人員更好地去除已知干擾，從而更有效地為科研及地震預(yù)測人員服務(wù)。為分析載荷變化對觀測產(chǎn)生的影響，本文在前人工作基礎(chǔ)上，根據(jù)涉縣臺地層及周邊大體形狀，用大型有限元分析軟件對其進(jìn)行建模分析。建模采用自底向上方式，把模型按地層資料分成土體和巖石兩部分，分別賦于不同的材料屬性。為計算施工外運(yùn)土體載荷變化對水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)的影響，按照施工前和施工完成后建模，計算兩模型受自重力影響下形變儀器位置的垂向位移變化。動土邊界及底部的不規(guī)則性，使得計算土體總體質(zhì)量時需要考慮其空間高程分布。

2 臺站及動土情況

2.1 臺站情況

涉縣地震臺位于邯鄲市涉縣河南店鎮(zhèn)河二村西。按地質(zhì)情況來說，臺站位置在涉縣盆地的南部邊緣地帶。臺站周圍的主要斷裂有長治斷裂、涉縣盆地斷裂、林縣斷裂、磁縣大名斷裂等。沿茨村-涉縣化肥廠-井店鎮(zhèn)、走向為NE50°～60°、傾向NE、傾角60°～70°的涉縣斷裂與臺站的最近距離約為3 km。涉縣臺形變山洞的巖石為中奧陶系馬家溝灰?guī)r，臺站及周邊沒有較大斷層。

2.2 動土情況

涉縣地磁基準(zhǔn)臺建設(shè)工程屬于2009年中國地震局背景場項目，由絕對觀測室、相對記錄室、觀測標(biāo)志3 部分建筑構(gòu)成。為保證地磁觀測數(shù)據(jù)的可靠、準(zhǔn)確、不受外界干擾，需要對觀測場地進(jìn)行雜物外運(yùn)及清理。涉縣地磁基準(zhǔn)臺建設(shè)工程中地基場地的清理工作主要集中在2013年3—5月，共計外運(yùn)土方量約17 000 m2（圖1）。

圖1 動土區(qū)域圖

涉縣臺形變山洞洞體進(jìn)深約120 m，引洞深約60 m，山洞內(nèi)裝有垂直擺、水管傾斜儀、伸縮儀等儀器。日常觀測數(shù)據(jù)受降雨、氣壓等因素影響，這些與地震無關(guān)的信息混雜在觀測結(jié)果中，影響預(yù)報人員對地殼構(gòu)造運(yùn)動的分析，需要定量消除這些干擾因素。

3 涉縣地震臺巖土體有限元建模

為分析土體載荷變化對水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)河北涉縣地震臺周圍地形及動土區(qū)域情況進(jìn)行三維有限元建模。建立模型之前，需要對整個模型及每個模塊進(jìn)行規(guī)劃，以便更好地進(jìn)行模擬計算。涉縣臺動土區(qū)域、臺站生活區(qū)、地磁觀測區(qū)都處于土層范圍，涉縣臺形變儀器擺放位置處于巖石層范圍。

河北涉縣地震臺周圍地形較為復(fù)雜。臺站生活區(qū)與形變山洞儀器布設(shè)位置處于同一水平面；臺站西側(cè)是逐步增高的小山包，由于在山坡上有很多農(nóng)田，村民在讓農(nóng)田最大化的情況下，使得臺站向山頂呈梯田式海拔升高；臺站東側(cè)及南側(cè)呈梯田式下降（圖2）。

圖2 涉縣地震臺周圍情況圖

涉縣臺鉆孔體應(yīng)變儀2013年9月井下探頭被雷電擊壞暫停觀測。為保證其資料數(shù)據(jù)正常連續(xù)運(yùn)行，在距原觀測孔位置外約70 m 處進(jìn)行重新鉆孔安裝，觀測規(guī)范要求鉆孔體應(yīng)變儀必須與基巖耦合。新鉆孔于2014年11月09日終孔，終孔深度127 m，鉆孔巖性為灰?guī)r，通過鉆孔編錄及對當(dāng)時巖層現(xiàn)場查看，認(rèn)定其位置分為6 層（表1）。

表1 涉縣地震臺鉆孔巖層特性

由于涉縣臺形變儀器都是布設(shè)在形變山洞內(nèi)，其水平大致與涉縣臺站處于同一海拔高度。根據(jù)涉縣臺周邊地形構(gòu)造，按照其大體形狀采用自底向上建模。即先根據(jù)周圍地形建立一些關(guān)鍵點(diǎn)，而后根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)連接成線、線構(gòu)成面、面構(gòu)建體、體構(gòu)建成層。為方便計算處理，以笛卡爾坐標(biāo)系為總體坐標(biāo)系，模型基礎(chǔ)范圍越大，邊界條件對其結(jié)果精確性影響越小[11]，所以盡可能構(gòu)建較大模型。涉縣臺水管傾斜儀布設(shè)位置距動土區(qū)域最遠(yuǎn)距離約為200 m，建立240 m×300 m×60 m 的底部、側(cè)面為矩型模型，240 m×300 m 為底部。以動土最底層為最低點(diǎn)，以形變山洞山體頂峰為最高點(diǎn)，為方便計算又不影響結(jié)果精度，把模型分為2 層，即灰?guī)r層和土層。由表1 可知，在鉆孔體應(yīng)變位置地表至32 m 處全為土體。根據(jù)其地層情況把形變山洞至動土區(qū)域范圍全部設(shè)為土層，其2 個層體的密度、彈性模量、泊松比參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理力學(xué)計算參數(shù)

選擇Solid186 作為構(gòu)建模型實體，巖體和土體都設(shè)為各向同性完全彈性體。以臺站范圍東南角為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿臺站東北邊界為x正方向，垂直于臺站地表豎直向上為y正方向，臺站地磁觀測區(qū)南邊界西延為z正方向，自底向上建模，由關(guān)鍵點(diǎn)生成線模型（圖3）。

圖3 涉縣地震臺及周圍地形線連接模型圖

然后生成面，面構(gòu)成體，根據(jù)已選材料屬性及實體分層后自由劃分網(wǎng)格（圖4）。

圖4 涉縣地震臺及周圍地形線網(wǎng)格圖

4 計算結(jié)果及分析

4.1 開挖前建模

把定義好的屬性材料分別賦于巖石層和土層，把兩個體采用glue 方式粘在一起。由于只計算產(chǎn)生的垂向位移變化，把底部位移變化進(jìn)行約束，重力加速度設(shè)為9.8 m/s2。先對未開挖時模型自重力影響進(jìn)行計算，按照以上條件進(jìn)行垂向位移計算（圖5）。

由圖5 可以看出，模型在自重力載荷作用下，產(chǎn)生的較大垂向位移處位于土層上部表面邊界位置，最大值達(dá)到60 cm，而處于相對較低位置的動土區(qū)域，垂向位移較小。土層區(qū)域在y方向自上至下垂向位移逐漸減少，土層在與巖石層接觸區(qū)域比土層表面產(chǎn)生的垂向位移小。巖石層區(qū)域產(chǎn)生的垂向位移小，說明在自重載荷作用下，對土層垂向位移影響較大，而對于巖石層影響較小。計算水管傾斜儀4 個端點(diǎn)安裝位置產(chǎn)生的垂向位移變化如下：

圖5 開挖前模型自重力作用下垂向位移變化

水管傾斜儀S 端的位移量是-0.486 69 ×10-3m，N 端為-0.477 61× 10-3m，W 端為-0.557 61× 10-3m，E 端為-0.379 79× 10-3m。

4.2 開挖后建模

為計算涉縣地磁臺站建設(shè)3 個施工動土區(qū)域外運(yùn)土體載荷變化對水管傾斜儀數(shù)據(jù)的影響，對開挖后的地形進(jìn)行建模計算。建模方式與開挖前一樣，采用自底向上建模。先把開挖前模型建好，按照外運(yùn)土方量在土體部分建立3 個長方體模塊，采用布爾運(yùn)算從土體部分減去該3 個部分的體積。后續(xù)操作步驟與未動土建模一樣，賦于巖石區(qū)域與土體區(qū)域材料屬性，采用自由網(wǎng)格劃分模塊，給予模型垂向加速度，定義底部邊界約束，在模型只受自重載荷作用下計算結(jié)果如圖6。

圖6 開挖后模型自重力作用下垂向位移變化

由圖6 可以看出，開挖后模型在自重力載荷作用下，產(chǎn)生的較大垂向位移處仍是位于土層上部表面的邊界位置，而處于相對較低位置的動土區(qū)域。如開挖后的C 區(qū)域，垂向位移較小。土層區(qū)域中在y 方向自上至下垂向位移仍呈逐漸減少趨勢，在C 動土區(qū)域外圍土體上表層位移并沒有產(chǎn)生明顯變化。垂向位移變化大小隨著土層與巖石區(qū)域距離增大而減小。巖石層區(qū)域產(chǎn)生的垂向位移小，再次說明在自重載荷作用下，對土層的垂向位移影響較大，而對于巖石層影響較小。

計算水管傾斜儀4 個端點(diǎn)位置產(chǎn)生的垂向位移變化為：水管傾斜儀S 端的位移量是-0.486 62×10-3m，N 端為-0.477 53×10-3m，W 端為-0.557 56×10-3m，E 端為-0.379 67×10-3m。通過構(gòu)建2 個模型，得出開挖前后水管傾斜儀4 個端點(diǎn)位置在受自重力載荷作用下的垂向位移變化。

把開挖后產(chǎn)生的垂向位移變化減去開挖前垂向位移變化，即可得到4 個位置處在受3 個動土區(qū)域載荷變化后的影響量為：水管傾斜儀S 端的位移影響量是0.7×10-7m，N 端為0.8×10-7m，W 端為0.5×10-7m，E 端為1.2×10-7m，則水管傾斜儀NS 分量的變化是為0.1×10-7m，EW 分量為0.7×10-7m。根據(jù)水管傾斜儀高差轉(zhuǎn)換傾斜量計算公式可得，對NS 分量的影響量為0.07 ms，EW 分量的影響量為0.48 ms。

4.3 資料質(zhì)量分析

為分析土體載荷變化是否對儀器的日常觀測曲線造成影響，筆者計算了2011—2016年涉縣臺水管傾斜儀每月的變化幅度及年變形態(tài)日均值（圖7）。無論從每月變化還是日均值，兩者曲線走勢在2013年的動土?xí)r段3—5月與2011年、2012年、2014年、2015年、2016年3—5月沒有明顯的差異。

水管傾斜儀的每日變化量在0.2～1.0 ms 之間，水管傾斜儀NS 分量在2011—2016 的平均月變化分別為13.2 ms（毫角秒）、13.4 ms、13.2 ms、8.0 ms、20.6 ms、18.1 ms，EW 分量分別為5.4 ms、1.4 ms、-2.3 ms、4.0 ms、14.8 ms、-4.2 ms。為分析短期施工內(nèi)是否對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，分析了動土前半年至動土完成后半年的數(shù)據(jù)月變量，時間跨度為2012年10月至2013年11月（圖8）。由圖8 可知，觀測數(shù)據(jù)呈不規(guī)則變化。對比圖7 可知，其他年份3—5月變化與動土?xí)r段2013年3—5月變化趨勢較為一致，未見明顯差異。

圖8 水管傾斜儀動土前后半年月變圖

為分析施工動土期間水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)的變化幅度，對主要動土施工時間段2013年3—5月觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制（圖9），可見NS 分量并沒有明顯變化，而EW 分量則成上升趨勢。對比其他年份同時段數(shù)據(jù)（圖7），該時段都呈現(xiàn)明顯上升，因此判定此現(xiàn)象為年變形態(tài)，與施工動土無關(guān)。

圖7 水管傾斜儀日均值

圖9 水管傾斜儀2013年3—5月動土期間觀測數(shù)據(jù)變化圖

通過以上分析，觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯變化，可知模型得出的評估量級比觀測結(jié)果小。

5 結(jié)論與討論

本研究就涉縣臺短期施工對水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)影響進(jìn)行分析，所用數(shù)據(jù)為預(yù)處理完成之后的數(shù)據(jù)，已經(jīng)排除了已知干擾如儀器標(biāo)定、調(diào)零等儀器響應(yīng)及人為干擾、氣象因素干擾等。

根據(jù)涉縣地震臺周邊地形情況用ANSYS 大型有限元分析軟件對地磁建設(shè)外運(yùn)土體前、后分別建模，對模型底部位移進(jìn)行約束，計算在只受重力影響下產(chǎn)生的位移變化，并結(jié)合載荷變化期間水管傾斜儀觀測資料運(yùn)行情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，涉縣地磁臺站建設(shè)外運(yùn)土體載荷變化并未對涉縣地震臺水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯的影響。

ANSYS 建模是在只考慮自重載荷影響下進(jìn)行計算，實際情況影響結(jié)果的限制條件很多。ANSYS 有限元分析軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程較多，而在施工大變形領(lǐng)域較少，使得借鑒例證不多，這樣導(dǎo)致缺少一些影響因素賦于模型中，從而影響了結(jié)果的精確性。

致謝感謝賈曉輝博士在模型構(gòu)建時提供的思路。