涉县台短期施工对地倾斜观测影响

张英杰，马 栋，李玉国，徐 强

（1.涉县地震台,河北 涉县 056400；2.河北省地震局,石家庄 050021）

1 引言

保证地震数据的准确性及真实性是地形变观测人员工作的基本要求。数据处理需要对明确的干扰进行剔除，从而保证科研人员及地震预测专家准确使用数据。而了解载荷变化对观测数据的影响能使科研人员及预测专家更好地判断是前兆异常还是干扰。在构建载荷模型计算形变影响中，毛伟建[1]利用格林函数计算了地球对表面任何负载的响应，杜瑞林[2]采用Farrell[3]的数值模拟方法计算了长江三峡水库蓄水引起的地形变变化量，这两种载荷均属于面积大、体积大、质量大的情况。邱泽华[4]分别用不同模型估计了观测点到干扰源的最小“安静”距离；张磊[5]、马栋等[6]根据邱泽华的理论分析了载荷变化与蓟县台、永年台水管倾斜仪的异常关系，该模型把载荷变化视为作用在一个质点上。也有多位学者基于有限元分析软件ABAQUS、ANSYS，根据水平载荷、桩基、石坝、边坡问题建立三维有限元计算模型进行分析计算，得出较不错的成果[7-9]。闫伟等[10]基于不规则载荷模型计算了近地表的垂向位移理论值，但没有给出应用实例。涉县地磁台建设中的土体载荷变化提供了一个机会来验证不同模型的可靠性和实用性。分析这些变化产生的影响能让台站工作人员更好地去除已知干扰，从而更有效地为科研及地震预测人员服务。为分析载荷变化对观测产生的影响，本文在前人工作基础上，根据涉县台地层及周边大体形状，用大型有限元分析软件对其进行建模分析。建模采用自底向上方式，把模型按地层资料分成土体和岩石两部分，分别赋于不同的材料属性。为计算施工外运土体载荷变化对水管倾斜仪观测数据的影响，按照施工前和施工完成后建模，计算两模型受自重力影响下形变仪器位置的垂向位移变化。动土边界及底部的不规则性，使得计算土体总体质量时需要考虑其空间高程分布。

2 台站及动土情况

2.1 台站情况

涉县地震台位于邯郸市涉县河南店镇河二村西。按地质情况来说，台站位置在涉县盆地的南部边缘地带。台站周围的主要断裂有长治断裂、涉县盆地断裂、林县断裂、磁县大名断裂等。沿茨村-涉县化肥厂-井店镇、走向为NE50°～60°、倾向NE、倾角60°～70°的涉县断裂与台站的最近距离约为3 km。涉县台形变山洞的岩石为中奥陶系马家沟灰岩，台站及周边没有较大断层。

2.2 动土情况

涉县地磁基准台建设工程属于2009年中国地震局背景场项目，由绝对观测室、相对记录室、观测标志3 部分建筑构成。为保证地磁观测数据的可靠、准确、不受外界干扰，需要对观测场地进行杂物外运及清理。涉县地磁基准台建设工程中地基场地的清理工作主要集中在2013年3—5月，共计外运土方量约17 000 m2（图1）。

图1 动土区域图

涉县台形变山洞洞体进深约120 m，引洞深约60 m，山洞内装有垂直摆、水管倾斜仪、伸缩仪等仪器。日常观测数据受降雨、气压等因素影响，这些与地震无关的信息混杂在观测结果中，影响预报人员对地壳构造运动的分析，需要定量消除这些干扰因素。

3 涉县地震台岩土体有限元建模

为分析土体载荷变化对水管倾斜仪观测数据的影响，根据河北涉县地震台周围地形及动土区域情况进行三维有限元建模。建立模型之前，需要对整个模型及每个模块进行规划，以便更好地进行模拟计算。涉县台动土区域、台站生活区、地磁观测区都处于土层范围，涉县台形变仪器摆放位置处于岩石层范围。

河北涉县地震台周围地形较为复杂。台站生活区与形变山洞仪器布设位置处于同一水平面；台站西侧是逐步增高的小山包，由于在山坡上有很多农田，村民在让农田最大化的情况下，使得台站向山顶呈梯田式海拔升高；台站东侧及南侧呈梯田式下降（图2）。

图2 涉县地震台周围情况图

涉县台钻孔体应变仪2013年9月井下探头被雷电击坏暂停观测。为保证其资料数据正常连续运行，在距原观测孔位置外约70 m 处进行重新钻孔安装，观测规范要求钻孔体应变仪必须与基岩耦合。新钻孔于2014年11月09日终孔，终孔深度127 m，钻孔岩性为灰岩，通过钻孔编录及对当时岩层现场查看，认定其位置分为6 层（表1）。

表1 涉县地震台钻孔岩层特性

由于涉县台形变仪器都是布设在形变山洞内，其水平大致与涉县台站处于同一海拔高度。根据涉县台周边地形构造，按照其大体形状采用自底向上建模。即先根据周围地形建立一些关键点，而后根据关键点连接成线、线构成面、面构建体、体构建成层。为方便计算处理，以笛卡尔坐标系为总体坐标系，模型基础范围越大，边界条件对其结果精确性影响越小[11]，所以尽可能构建较大模型。涉县台水管倾斜仪布设位置距动土区域最远距离约为200 m，建立240 m×300 m×60 m 的底部、侧面为矩型模型，240 m×300 m 为底部。以动土最底层为最低点，以形变山洞山体顶峰为最高点，为方便计算又不影响结果精度，把模型分为2 层，即灰岩层和土层。由表1 可知，在钻孔体应变位置地表至32 m 处全为土体。根据其地层情况把形变山洞至动土区域范围全部设为土层，其2 个层体的密度、弹性模量、泊松比参数如表2所示。

表2 材料物理力学计算参数

选择Solid186 作为构建模型实体，岩体和土体都设为各向同性完全弹性体。以台站范围东南角为坐标原点，沿台站东北边界为x正方向，垂直于台站地表竖直向上为y正方向，台站地磁观测区南边界西延为z正方向，自底向上建模，由关键点生成线模型（图3）。

图3 涉县地震台及周围地形线连接模型图

然后生成面，面构成体，根据已选材料属性及实体分层后自由划分网格（图4）。

图4 涉县地震台及周围地形线网格图

4 计算结果及分析

4.1 开挖前建模

把定义好的属性材料分别赋于岩石层和土层，把两个体采用glue 方式粘在一起。由于只计算产生的垂向位移变化，把底部位移变化进行约束，重力加速度设为9.8 m/s2。先对未开挖时模型自重力影响进行计算，按照以上条件进行垂向位移计算（图5）。

由图5 可以看出，模型在自重力载荷作用下，产生的较大垂向位移处位于土层上部表面边界位置，最大值达到60 cm，而处于相对较低位置的动土区域，垂向位移较小。土层区域在y方向自上至下垂向位移逐渐减少，土层在与岩石层接触区域比土层表面产生的垂向位移小。岩石层区域产生的垂向位移小，说明在自重载荷作用下，对土层垂向位移影响较大，而对于岩石层影响较小。计算水管倾斜仪4 个端点安装位置产生的垂向位移变化如下：

图5 开挖前模型自重力作用下垂向位移变化

水管倾斜仪S 端的位移量是-0.486 69 ×10-3m，N 端为-0.477 61× 10-3m，W 端为-0.557 61× 10-3m，E 端为-0.379 79× 10-3m。

4.2 开挖后建模

为计算涉县地磁台站建设3 个施工动土区域外运土体载荷变化对水管倾斜仪数据的影响，对开挖后的地形进行建模计算。建模方式与开挖前一样，采用自底向上建模。先把开挖前模型建好，按照外运土方量在土体部分建立3 个长方体模块，采用布尔运算从土体部分减去该3 个部分的体积。后续操作步骤与未动土建模一样，赋于岩石区域与土体区域材料属性，采用自由网格划分模块，给予模型垂向加速度，定义底部边界约束，在模型只受自重载荷作用下计算结果如图6。

图6 开挖后模型自重力作用下垂向位移变化

由图6 可以看出，开挖后模型在自重力载荷作用下，产生的较大垂向位移处仍是位于土层上部表面的边界位置，而处于相对较低位置的动土区域。如开挖后的C 区域，垂向位移较小。土层区域中在y 方向自上至下垂向位移仍呈逐渐减少趋势，在C 动土区域外围土体上表层位移并没有产生明显变化。垂向位移变化大小随着土层与岩石区域距离增大而减小。岩石层区域产生的垂向位移小，再次说明在自重载荷作用下，对土层的垂向位移影响较大，而对于岩石层影响较小。

计算水管倾斜仪4 个端点位置产生的垂向位移变化为：水管倾斜仪S 端的位移量是-0.486 62×10-3m，N 端为-0.477 53×10-3m，W 端为-0.557 56×10-3m，E 端为-0.379 67×10-3m。通过构建2 个模型，得出开挖前后水管倾斜仪4 个端点位置在受自重力载荷作用下的垂向位移变化。

把开挖后产生的垂向位移变化减去开挖前垂向位移变化，即可得到4 个位置处在受3 个动土区域载荷变化后的影响量为：水管倾斜仪S 端的位移影响量是0.7×10-7m，N 端为0.8×10-7m，W 端为0.5×10-7m，E 端为1.2×10-7m，则水管倾斜仪NS 分量的变化是为0.1×10-7m，EW 分量为0.7×10-7m。根据水管倾斜仪高差转换倾斜量计算公式可得，对NS 分量的影响量为0.07 ms，EW 分量的影响量为0.48 ms。

4.3 资料质量分析

为分析土体载荷变化是否对仪器的日常观测曲线造成影响，笔者计算了2011—2016年涉县台水管倾斜仪每月的变化幅度及年变形态日均值（图7）。无论从每月变化还是日均值，两者曲线走势在2013年的动土时段3—5月与2011年、2012年、2014年、2015年、2016年3—5月没有明显的差异。

水管倾斜仪的每日变化量在0.2～1.0 ms 之间，水管倾斜仪NS 分量在2011—2016 的平均月变化分别为13.2 ms（毫角秒）、13.4 ms、13.2 ms、8.0 ms、20.6 ms、18.1 ms，EW 分量分别为5.4 ms、1.4 ms、-2.3 ms、4.0 ms、14.8 ms、-4.2 ms。为分析短期施工内是否对观测数据产生影响，分析了动土前半年至动土完成后半年的数据月变量，时间跨度为2012年10月至2013年11月（图8）。由图8 可知，观测数据呈不规则变化。对比图7 可知，其他年份3—5月变化与动土时段2013年3—5月变化趋势较为一致，未见明显差异。

图8 水管倾斜仪动土前后半年月变图

为分析施工动土期间水管倾斜仪观测数据的变化幅度，对主要动土施工时间段2013年3—5月观测数据进行绘制（图9），可见NS 分量并没有明显变化，而EW 分量则成上升趋势。对比其他年份同时段数据（图7），该时段都呈现明显上升，因此判定此现象为年变形态，与施工动土无关。

图7 水管倾斜仪日均值

图9 水管倾斜仪2013年3—5月动土期间观测数据变化图

通过以上分析，观测数据未出现明显变化，可知模型得出的评估量级比观测结果小。

5 结论与讨论

本研究就涉县台短期施工对水管倾斜仪观测数据影响进行分析，所用数据为预处理完成之后的数据，已经排除了已知干扰如仪器标定、调零等仪器响应及人为干扰、气象因素干扰等。

根据涉县地震台周边地形情况用ANSYS 大型有限元分析软件对地磁建设外运土体前、后分别建模，对模型底部位移进行约束，计算在只受重力影响下产生的位移变化，并结合载荷变化期间水管倾斜仪观测资料运行情况进行分析。结果表明，涉县地磁台站建设外运土体载荷变化并未对涉县地震台水管倾斜仪观测数据产生明显的影响。

ANSYS 建模是在只考虑自重载荷影响下进行计算，实际情况影响结果的限制条件很多。ANSYS 有限元分析软件应用于结构工程较多，而在施工大变形领域较少，使得借鉴例证不多，这样导致缺少一些影响因素赋于模型中，从而影响了结果的精确性。

致谢感谢贾晓辉博士在模型构建时提供的思路。