水管傾斜儀觀測(cè)受水庫(kù)荷載影響實(shí)例分析

張娜　龔燕民　王艷

摘要河北省易縣地震臺(tái) DSQ 型水管傾斜儀 NE 向2022年2月14日以來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)趨勢(shì)下降 E 傾變化，年變觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線不同于往年。對(duì)該異常進(jìn)行了分析，并結(jié)合三維集中荷載模型模擬計(jì)算結(jié)果表明：2022年2月14日—4月6 日旺隆水庫(kù)共泄流總庫(kù)容量達(dá)到279.5萬(wàn) m3，造成傾斜變化理論值為1.27×10?7，高于傾斜干擾的限定指標(biāo)1.455×10?8一個(gè)量級(jí)，推測(cè)旺隆水庫(kù)泄流荷載是造成易縣臺(tái)水管儀 NE 分量加速異常變化的主要因素。

關(guān)鍵詞水管傾斜儀；荷載；水庫(kù)；異常

中圖分類號(hào)： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2096-7780（2023）05-0228-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-146

Analysis of water tube tiltmeter observation affected by reservoir load

Zhang Na1），Gong Yanmin2），Wang Yan1）

1） Baoding Seismic Monitoring Center Station， Hebei Baoding 071051， China 2） Yixian Seismic Station， Hebei Yixian 071000， China

AbstractThe NE component curve of DSQ water tube tiltmeter at Yixian seismic station in Hebei Province had a downward trend since February 14，2022. The annual change curve was different from that of previous years. Combined with the simulation results of three-dimensional concentrated load model，it is shown that the total reservoir capacity of Wanglong reservoir reached 279.50×104 m3 from February 14 to April 6，2022. The theoretical value of tilt change was 1.27×10?7，which is higher than the limit index of tilt interference of 1.455×10?8. It was inferred as the main factor causing the abnormal change of NE component acceleration of water tube instrument at Yixian station.

Keywordswater tube tiltmeter; load; reservoir; abnormal

引言

河北省易縣地震臺(tái)（以下稱易縣臺(tái)）隸屬于保定地震監(jiān)測(cè)中心站，始建于1974年，位于易縣縣城西北方向龍里華村，距縣城15 km。臺(tái)站位于太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)的分界部位，臺(tái)址處于太行山北段低山丘陵地區(qū)，東鄰紫荊關(guān)斷裂帶。臺(tái)基巖性為中生代侵入閃長(zhǎng)巖花崗基底巖與震旦系沉積巖和閃長(zhǎng)巖小侵入體的接合部。地形變觀測(cè)方法包括地傾斜、地應(yīng)變、臺(tái)站跨斷層測(cè)量等。易縣臺(tái)是形變觀測(cè)綜合的國(guó)家基本臺(tái)。

易縣臺(tái) D SQ 水管傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱水管儀）1995年正式投入觀測(cè)，2001年7月依托首都圈改造項(xiàng)目對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)通過(guò)“九五”并網(wǎng)改造專項(xiàng)進(jìn)行了改造，2014年10月由武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司將儀器升級(jí)改造成“十五”儀器。易縣臺(tái)水管儀共有3個(gè)觀測(cè)分量，其中 NS 分量方位角為0°00.00′，基線長(zhǎng)10.15 m；EW 分量方位角為263°44.52′，基線長(zhǎng)15.76 m；NE 分量方位角為233°46.63′，基線長(zhǎng)15.30 m。很多學(xué)者對(duì)易縣臺(tái)水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與研究，1998年張北6.2級(jí)地震前易縣臺(tái)水管儀 NS 分量出現(xiàn)異常，在震前5天異常變化明顯[1]；2004年5月山西平遙4.0級(jí)地震前1—2天易縣臺(tái)水管儀 NE 向出現(xiàn)明顯的固體潮畸變[2]；2008年汶川8.0級(jí)大地震前水管儀 EW 分量曲線在2008年4—5月間整體呈現(xiàn)上升—轉(zhuǎn)折下行—急速回升形態(tài)，地面由 E 傾轉(zhuǎn)為 W 傾[3]。自2001年正式觀測(cè)以來(lái)，水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)，記錄曲線清晰， M2波潮汐因子、觀測(cè)精度較高，同震響應(yīng)良好，每年年初 NE 分量觀測(cè)曲線呈 N 傾變化，5月轉(zhuǎn)為 E 傾變化，7、8月受降雨干擾影響觀測(cè)曲線出現(xiàn)不同程度的“鼓包”現(xiàn)象，特別是2016年和2021年尤為突出，直至11月后轉(zhuǎn)為 N 傾變化。然而易縣臺(tái)水管儀 NE 分量自2022年2月14日起觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線持續(xù)出現(xiàn)趨勢(shì)下降 E 傾變化，年變觀測(cè)曲線周期變化不同于往年，本文針對(duì)易縣臺(tái)水管儀 NE 分量加速 E 傾短臨異常變化進(jìn)行一系列的核實(shí)調(diào)查及跟蹤分析。

1 觀測(cè)山洞與周圍環(huán)境調(diào)查

易縣臺(tái)觀測(cè)山洞（圖1）建于1950年，人工開(kāi)鑿，位于易縣臺(tái)臺(tái)址正南800 m 華蓋山山腰，屬于軍隊(duì)備用山洞，高程100 m。山洞大約呈北東東走向，山洞洞深長(zhǎng)約200 m，共有7個(gè)硐室，在距洞口150余米處分岔為2條路，兩條路夾角約為90° ， 在山洞除離硐室最近的 NWS 硐室外，其他6個(gè)硐室都是與華蓋山山脈走向基本一致，山洞的洞寬不等，約在3.0—3.5 m 之間，高度在1.8—2.0 m 之間。山洞頂部覆蓋層厚約40 m，洞溫在（13.0±0.3）℃ ， 保溫效果好。山洞巖性底部為閃長(zhǎng)巖，頂部為中厚層夾薄層石灰?guī)r和頁(yè)巖，臺(tái)址山洞巖石完整、致密，山洞洞口不在風(fēng)口上，無(wú)滑坡及泥石流發(fā)生的可能，符合《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范地形變臺(tái)站第1部分：洞室地傾斜和地應(yīng)變臺(tái)站》的要求。

易縣臺(tái)山洞周圍的環(huán)境干擾源比較復(fù)雜，包括采石場(chǎng)、抽水井、水泥廠及水庫(kù)。其中巨石礦業(yè)有限公司位于山洞東偏北3.3 km，2016年至今主要以采石為主，2017年4—5月因大量采石荷載變化致使易縣臺(tái)水管儀 NS 分量出現(xiàn)短期加速 S 傾異常變化，后恢復(fù)正常；山洞周圍6 km 內(nèi)有3口正常使用的抽水井，綜合易縣臺(tái)歷年各類形變觀測(cè)曲線分析可知，抽水干擾對(duì)鉆孔應(yīng)變儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)影響較大，對(duì)傾斜觀測(cè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)影響較小[4]；易縣臺(tái)站西南方向9 km 處的京蘭水泥廠，2009年運(yùn)行至今，無(wú)異常出現(xiàn)；易縣臺(tái)臺(tái)站周圍共有2座水庫(kù)，一座是處在易縣臺(tái)山洞西北方向5.06 km 的旺隆水庫(kù)，另一座是處在易縣臺(tái)山洞東北方向7.62 km 的黃蒿水庫(kù)，異常核實(shí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：旺隆水庫(kù)自2022年2月14日起因河北省“十四五”時(shí)期水庫(kù)除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作要求進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程，每日持續(xù)泄流，泄流的水主要自北易水河分支流向梁各莊，在百益泉分支流向下游，匯入護(hù)城河（圖2）。直到4月6 日全部泄流完成，4月10日開(kāi)始動(dòng)工修防滲網(wǎng)。此次泄流總量達(dá)到279.50萬(wàn) m3，泄流途徑地距易縣臺(tái)山洞大約2 km，泄流造成易縣臺(tái)山洞西北荷載減少，使得該區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化。據(jù)張磊等[5]研究表明，當(dāng)水庫(kù)載荷突然發(fā)生大幅變化時(shí)，破壞了水庫(kù)與觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)平衡，造成觀測(cè)點(diǎn)一定程度的位移變化，從而影響該點(diǎn)的地傾斜觀測(cè)。為進(jìn)一步驗(yàn)證此次水管儀加速 E 傾變化是否是水庫(kù)泄流所致，將采用荷載模型進(jìn)行定量計(jì)算分析。

2 水管儀 NE 分量異常及水庫(kù)泄流影響

2.1 異常概述

2022年2月14日易縣臺(tái)水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線持續(xù)出現(xiàn)趨勢(shì)下降 E 傾變化，年變觀測(cè)曲線不同于往年。2022年2月14日—5月7 日水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)異常變化幅度達(dá)到0.29″，同硐室易縣臺(tái)伸縮儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)同一時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)明顯的壓性變化，異常變化幅度比水管儀 NE 分量變化幅度?。▓D3）。2022年5月6—7 日依據(jù)中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司編著的《地震前兆異常落實(shí)工作指南》進(jìn)行異常核實(shí)排查：①通過(guò)對(duì)觀測(cè)儀器、數(shù)采、通訊、外線路等設(shè)備進(jìn)行逐一檢查，均未出現(xiàn)異常；2022年5月7 日進(jìn)行水管儀儀器標(biāo)定，結(jié)果為0.59109×10?3″，符合規(guī)范要求，標(biāo)定結(jié)果確認(rèn)水管儀觀測(cè)儀器運(yùn)行正常；②通過(guò)對(duì)山洞硐室內(nèi)壁、地面的檢查，未發(fā)現(xiàn)積水、漏水現(xiàn)象；③通過(guò)對(duì)氣象因素對(duì)比分析，未出現(xiàn)影響因素；④未有人員在異常出現(xiàn)時(shí)對(duì)水管儀進(jìn)行破壞、維修、調(diào)零，排除人為干擾；⑤現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾核實(shí)中，未發(fā)現(xiàn)新增水庫(kù)、水井，只有旺隆水庫(kù)2—4月放水泄流造成的區(qū)域荷載變化，其他均未出現(xiàn)任何變化。因此，我們只需針對(duì)水庫(kù)泄流荷載進(jìn)行異常分析。

2.2 旺隆水庫(kù)泄流影響分析

2.2.1 水庫(kù)泄流庫(kù)容情況

旺隆水庫(kù)是一座中型水庫(kù)，地處易縣縣城西13 km，位于河北省易縣北易水上游旺隆溝。1958年興建，1960年竣工。控制流域面積37 km2，總庫(kù)容1275萬(wàn) m3，有大壩、放水洞、溢洪道等工程。本流域50%年徑流量510萬(wàn) m3，原興利庫(kù)容486萬(wàn) m3，1990年在溢洪道興建橡膠壩后，興利庫(kù)容達(dá)886萬(wàn) m3[6]。

2.2.2 水庫(kù)泄流日庫(kù)容對(duì)水管儀 NE 分量觀測(cè)影響的定性分析

旺隆水庫(kù)2022年2月14日起開(kāi)始日泄流，時(shí)間持續(xù)52天，最多日泄流容量達(dá)29萬(wàn) m3，速度達(dá)到3 m3/s。2022年2月14—28日，15天內(nèi)泄流總?cè)萘扛哌_(dá)158.48萬(wàn) m3，3月1 日—4月6 日，37天泄流總?cè)萘窟_(dá)到121.02萬(wàn) m3。將日泄流容量與水管儀 NE 分量日變化值進(jìn)行對(duì)比（圖4），可以清晰地看出，2月17日和18日旺隆水庫(kù)日泄流容量達(dá)到29萬(wàn) m3和23.32萬(wàn) m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的水管儀 NE 分量日變化幅度卻只有?4.08×10?3″和?2.84×10?3″；而當(dāng)3月12日水管儀 NE 分量日變化幅度為?10.38×10?3″時(shí)，而當(dāng)日旺隆水庫(kù)卻未進(jìn)行泄流。因此，日庫(kù)容變化總量與水管 NE 分量數(shù)據(jù)變化關(guān)系一致性較差。但是，旺隆水庫(kù)2022年2月起52天加速泄流庫(kù)容總量達(dá)到300萬(wàn) m3，荷載變化或許是引起水管儀 NE 分量加速 E 傾的主要原因，考慮通過(guò)荷載模擬定量分析。

2.2.3 水庫(kù)泄流引起水管儀 NE 分量加速 E 傾的理論分析

水庫(kù)卸載都是由于水位變化產(chǎn)生的，可以用三維集中荷載模型進(jìn)行分析[7]。作為一級(jí)近似，可用三維無(wú)限半空間邊界上作用集中荷載模型研究這種荷載 F 變化，其位移解：

為計(jì)算荷載對(duì)傾斜觀測(cè)影響，只需對(duì) x 水平方向求導(dǎo)即可，即：

式中，F(xiàn) 為水庫(kù)泄流造成的荷載集中力，可根據(jù) F=mg 得出 F=2.79×1010 N（水庫(kù)變化量 m=2.79×109 kg， g≈10 N/kg），x、y、z 為易縣臺(tái)山洞到旺隆水庫(kù)邊緣的方位距離（x=5 km，y=0，z≈100 m）；G、λ為拉梅常數(shù)，可根據(jù)公式 G=E/[2×（1+ν）]得出，其中水的泊松比ν=0.5，水的體壓縮楊氏模量 E ＝2.2×109 Pa[8]，由于水是液體只有一個(gè)拉梅常數(shù) G，得出 G=0.7×109 Pa。拉梅常數(shù)λ我們定義為0 Pa ，由公式（2）計(jì)算得到ex=1.27×10?7。依據(jù)邱澤華[7]參考傾斜干擾的限定指標(biāo)1.455×10?8可知，此次水庫(kù)泄流造成的荷載影響已經(jīng)超過(guò)近1個(gè)量級(jí)。因此，易縣臺(tái)水管儀 NE 分量加速 E 傾異常變化主要與水庫(kù)泄流造成荷載變化有關(guān)。

2.2.4 同硐室內(nèi)地傾斜實(shí)際變化與傾斜荷載理論值的對(duì)比

2022年2月14日—4月6 日旺隆水庫(kù)泄流庫(kù)容量為279.5萬(wàn) m3，依據(jù)公式（2）計(jì)算得到傾斜變化理論值為26.19×10?3 s，即旺隆水庫(kù)2022年2—4月造成易縣臺(tái)山洞傾斜儀器水平方向變化量為26.19 ms。結(jié)合易縣臺(tái)山洞2022年2月14日—4月6 日垂直擺、水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化（圖5）發(fā)現(xiàn)：①垂直擺傾斜儀2022年2月14日—4月6 日 NS 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)N 傾，變化幅度為33.70 ms；EW 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn) E 傾，變化幅度為12.00 ms；②水管儀2022年2月14日—4月6 日 NS 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)S 傾，變化幅度為661.52 ms（3月19日調(diào)零干擾影響，變化幅度增大）；EW 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn) E 傾，變化幅度為65.53 ms；NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)加速 E 傾，變化幅度為155.29 ms；③垂直擺兩分量觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度與旺隆水庫(kù)泄流荷載造成的傾斜理論變化值（26.19 ms）相差較少；④垂直擺 EW 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線與水管儀 EW 分量、NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化一致，都為 E 傾（表1）。

3 結(jié)語(yǔ)

易縣臺(tái)水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)2022年2月起加速 E 傾異常變化，經(jīng)過(guò)異常核實(shí)排查與論證，我們可以看出：

（1）2022年水管 NE 分量?jī)A斜觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生了 E 傾異常變化，依據(jù)《地震前兆異常落實(shí)工作指南》異常核實(shí)要求，通過(guò)對(duì)觀測(cè)儀器、環(huán)境干擾、網(wǎng)絡(luò)通訊、人為原因等因素核實(shí)，判定得出：此次水管儀E傾異常變化主要與旺隆水庫(kù)泄流造成荷載影響有關(guān)，這是因?yàn)樗畮?kù)載荷突然發(fā)生大幅變化，破壞了水庫(kù)與觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)平衡，造成觀測(cè)點(diǎn)一定程度的位移變化，從而影響到地傾斜結(jié)果；

（2）利用邱澤華[7]三維集中荷載模型進(jìn)行模擬計(jì)算得出：2022年2月14日—4月6 日旺隆水庫(kù)共泄流總庫(kù)容量達(dá)到279.5萬(wàn) m3，造成地傾斜變化模擬理論值1.27×10?7，高于傾斜干擾的限定指標(biāo)1.455×10?8一個(gè)量級(jí)，此是造成易縣臺(tái)水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)加速異常變化的主要因素；

（3）通過(guò)對(duì)易縣臺(tái)山洞內(nèi)水管儀、垂直擺兩套地傾斜儀器2022年2月14日—4月6 日觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際異常幅度變化情況與水庫(kù)泄流造成荷載傾斜理論值進(jìn)行對(duì)比分析得出：①垂直擺傾斜儀兩分量觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度與旺隆水庫(kù)泄流荷載造成的傾斜理論變化值最接近；②垂直擺 EW 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線與水管儀 EW 分量、NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線異常形態(tài)變化一致，都為 E 傾，這是因?yàn)橥∷畮?kù)位于易縣臺(tái)形變山洞西北方向，應(yīng)力主方向?yàn)闁|西向，因而此次泄流造成荷載應(yīng)力對(duì)水管儀 EW 分量、NE 分量及垂直擺 EW 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)影響較大。

依據(jù)以上異常分析，我們得出旺隆水庫(kù)泄流荷載是造成易縣臺(tái)2022年2月水管儀 NE 分量觀測(cè)數(shù)據(jù)加速 E 傾的主要因素。

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