基于FLAC3D模拟库水位改变对周围倾斜场的影响★

李宏伟 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台，山西 大同 037000)



·水利工程·

基于FLAC3D模拟库水位改变对周围倾斜场的影响★

李宏伟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台，山西 大同 037000)

采用FLAC3D软件，对郭庄水库库水位的改变引起周围倾斜场的变化进行了分析，结果表明，2013年7月库水位的上升对昔阳倾斜仪测点处的影响约为0.01角秒，远远小于实际观测值的2角秒，因此该测点2013年7月的大幅度变化不是由库水位的上升造成的。

水库库水位，FLAC3D，倾斜场，位移量

地震前兆异常跟踪过程中，最重要的核心问题是科学判定异常。如何从定性到定量分析异常变化与干扰的影响规律，为地震预测研究提供坚实可靠的依据，是地震预测研究的探索和努力方向。

随着基础设施建设的增多，各个台站的观测环境受到越来越严重的影响，台站周边存在着越来越多的载荷影响[1，2]，其中包括水库库水位的改变，这些干扰在某种程度上可以等效为载荷的变化，许多学者也从理论上分析了载荷对周边应变场观测的影响[3-5]，也有不少学者利用数值分析技术探讨水库库水位的改变对周围岩体稳定性的影响[6-9]，水库库水位的改变确实可以引起周围应力场的改变，但定量化的研究对周围倾斜场影响的文献还涉及不多，鉴于此，采用数值模拟的方法对郭庄水库库水位上升引起的倾斜场变化进行模拟计算。

1 水库及测点概况

郭庄水库位于昔阳县城南的郭庄村附近松溪河上游，属海河流域子牙河水系，设计水库库容为2 000万m3左右的中型水库[10]，2013年7月，8月，9月水库进、出水量如表1，表2所示。

表1 郭庄水库2013年进库水量

表2 郭庄水库2013年出库水量

昔阳水平摆倾斜仪安放于昔阳地震台山洞中，山洞开挖于奥陶系中统上马家沟组深灰色厚层石灰岩中，山洞覆盖厚度约12 m，每年雨季洞内湿度增大，从近几年的观测资料来看，每年雨季曲线均出现大幅台阶变化。2013年7月东西向最大倾斜角度达2 000毫角秒左右(见图1)，远超过正常的背景值，观测点西南方向约4.63 km处的郭庄水库在测点倾斜变化前有约300万m3水量进库，因此初步判断测点大幅度倾斜变化与水库库容的增加有关，但具体原因仍需进一步论证。

2 水库库容改变影响的定量分析

2.1 三维地质模型的构建

将水库库水位上升变化等效为在水库所在位置的上方额外增加载荷，将水库库水位的上升量转化为竖直向下的法向应力，相当于均匀载荷的加载。由表1，表2可知，水库进、出水量的最大变化为2013年7月份的进库量，达310.91万m3，为了获取最大影响范围及影响量级，以2013年7月份的变化量为计算依据来模拟获取水库荷载的变化量，经计算得到等效载荷约为3.1×1010N。

采用FLAC3D数值模拟软件中的Brick六面块体网格单元进行建模，该单元由8个节点组成；设定模型大小为8 km×8 km×4 km，单个网格长度为200 m，单元个数为3.2×104个，水库面积简化为(750×750)m2，建模时将水库置于模型中央，在模型底部和侧面施加位移约束，水库表面上施加面载荷。

观测点位于太行山断块隆起区，周围出露的地层岩性以灰岩和砂岩为主；取弹性模量E=3.0×104MPa，泊松比μ=0.25，比重ρ=2.7 kg/m3。

2.2 位移量计算

图2是加载计算平衡后的垂直向位移分布图，可以看出，在水库上方加载垂向应力后所引起的垂直向位移场是以水库为中心，快速向水库外围衰减，最大垂向位移为1.87×10-4m。

图3是加载计算平衡后沿X方向的水平位移图，可以看出，面载荷模型加载所引起的水平向位移场最大位移点不是垂向最大位移点，而是存在一定的水平偏离，其中最大水平位移量为3.0×10-5m。

2.3 倾斜量计算

任意点M(x，y，z)的倾斜角度α可以通过质点的水平位移Wxy与垂直位移Wz的比值求反正切值计算(见图4，式(1))。由以上计算得到的垂直位移场与水平位移场分布可知，水库库水位的改变引起的最大倾斜点位置不在水库中心的位置，而应位于离开水库中心一定的位置。

(1)

式中:α——倾斜角度；Wxy——M点相对于变形前的水平方向的位移；Wz——M点相对于变形前的垂向位移。

图5是经过计算得到的倾斜场，结果显示，倾斜量的最大值位置与水平位移量最大值位置一致，倾斜量自最大处向载荷中心与外围逐渐缩小，经计算台站所在处的倾斜量约为0.01角秒。

3 结语

地表倾斜监测作为重要的地震前兆监测手段，在地震监测预

报研究中发挥着重要的作用，尤其在地震短临预报研究中取得了许多研究成果，为地震预报研究积累了丰富的观测资料。在各类干扰因素中，载荷的变化是其主要的影响因素之一，如何定量分析载荷的变化对观测值的影响规律，是进行分析预报的首要工作。

根据构建的FLAC3D模型计算结果得出，郭庄水库2013年7月库水 位改变对倾斜监测点的影响远远小于实际监测值，因此认为昔阳倾斜仪测点在2013年7月的大幅度变化与郭庄水库库水位的上升关系不大，可能同时段还有其他干扰因素的存在。据文献[11]可知，观测值大幅变化前测区附近有降雨，根据数值模拟计算结果得出的倾斜值与实际观测较为吻合，据此推测此次变化可能受降雨的影响。

水库库水位改变对周围倾斜场的影响在实际分析中，不能仅从时间进程的角度去给出判定，还应通过构建理论模型定量分析，给出影响范围及量级，但模型结果的可靠性与地质模型构建的精细程度、参数的选取以及荷载变化量的多少有关。

[1] 朱 航,苏 琴,杨 涛，等.耿达短水准观测资料在汶川MS8.0地震前后异常的辩别[J].地震学报，2010，32(6)：649-658.

[2] 马 栋,陈建国,郑 爽，等.荷载对钻孔应变观测影响的实例分析[J].地震研究，2014，37(1)：79-81.

[3] 吕 芳，张淑亮，胡玉良，等.山西静乐井水位异常调查与分析[J].山西地震，2013(3)：28-31.

[4] 张惠兰.建筑物载荷位置及大小对地表及隧道的影响研究[J].交通与建筑科学，2013，5(10)：149-151.

[5] 胡卫建,张俊山,谢 智，等.载荷对钻孔应变测值影响的实验动力学解析[J].地震，2002，22(3)：95-104.

[6] 邱泽华.钻孔应变观测点到地面载荷干扰源最小“安静”距离的理论分析[J].岩石力学与工程学报，2004，24(4)：80-86.

[7] 郑争锋,龚 辉.水位涨落对库岸滑坡稳定性影响研究[J].山西建筑,2016,42(12):56-57.

[8] 杜飞翔,张德成.某水库右岸斜坡体稳定性分析研究[J].山西建筑,2016,42(16):75-77.

[9] 宋丹青.水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响[D].兰州：兰州大学,2015.

[10] 宋丹青,王 丰,梅明星,等.水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响[J].郑州大学学报(工学版),2016(1):1.

[11] 刘黎明.针梁式钢模台车在郭庄水库泄洪洞的应用[J].山西水利科技,2014(4):27-28.

[12] 李宏伟,刘瑞春,王 霞，等.山西昔阳地震台水平摆观测受降雨影响的数值分析[J].山西地震,2016(2):1-4.

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 ★:山西省地震局科研项目(项目编号：SBK-1509)；2016年度震情跟踪青年课题(项目编号：2016010219)

李宏伟(1986- )，男，硕士，工程师； 王 霞(1987- )，女，硕士，工程师； 李文超(1990- )，男，助理工程师

TV697.25

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