水管倾斜仪观测受水库荷载影响实例分析

张娜　龚燕民　王艳

摘要河北省易县地震台 DSQ 型水管倾斜仪 NE 向2022年2月14日以来观测数据曲线出现趋势下降 E 倾变化，年变观测数据曲线不同于往年。对该异常进行了分析，并结合三维集中荷载模型模拟计算结果表明：2022年2月14日—4月6 日旺隆水库共泄流总库容量达到279.5万 m3，造成倾斜变化理论值为1.27×10?7，高于倾斜干扰的限定指标1.455×10?8一个量级，推测旺隆水库泄流荷载是造成易县台水管仪 NE 分量加速异常变化的主要因素。

关键词水管倾斜仪；荷载；水库；异常

中图分类号： P315.63文献标识码： A文章编号：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

河北省易县地震台（以下称易县台）隶属于保定地震监测中心站，始建于1974年，位于易县县城西北方向龙里华村，距县城15 km。台站位于太行山隆起带与华北平原拗陷区的分界部位，台址处于太行山北段低山丘陵地区，东邻紫荆关断裂带。台基岩性为中生代侵入闪长岩花岗基底岩与震旦系沉积岩和闪长岩小侵入体的接合部。地形变观测方法包括地倾斜、地应变、台站跨断层测量等。易县台是形变观测综合的国家基本台。

易县台 D SQ 水管倾斜仪（以下简称水管仪）1995年正式投入观测，2001年7月依托首都圈改造项目对观测系统通过“九五”并网改造专项进行了改造，2014年10月由武汉地震科学仪器研究院有限公司将仪器升级改造成“十五”仪器。易县台水管仪共有3个观测分量，其中 NS 分量方位角为0°00.00′，基线长10.15 m；EW 分量方位角为263°44.52′，基线长15.76 m；NE 分量方位角为233°46.63′，基线长15.30 m。很多学者对易县台水管仪观测数据进行了分析与研究，1998年张北6.2级地震前易县台水管仪 NS 分量出现异常，在震前5天异常变化明显[1]；2004年5月山西平遥4.0级地震前1—2天易县台水管仪 NE 向出现明显的固体潮畸变[2]；2008年汶川8.0级大地震前水管仪 EW 分量曲线在2008年4—5月间整体呈现上升—转折下行—急速回升形态，地面由 E 倾转为 W 倾[3]。自2001年正式观测以来，水管仪 NE 分量观测数据连续，记录曲线清晰， M2波潮汐因子、观测精度较高，同震响应良好，每年年初 NE 分量观测曲线呈 N 倾变化，5月转为 E 倾变化，7、8月受降雨干扰影响观测曲线出现不同程度的“鼓包”现象，特别是2016年和2021年尤为突出，直至11月后转为 N 倾变化。然而易县台水管仪 NE 分量自2022年2月14日起观测数据曲线持续出现趋势下降 E 倾变化，年变观测曲线周期变化不同于往年，本文针对易县台水管仪 NE 分量加速 E 倾短临异常变化进行一系列的核实调查及跟踪分析。

1 观测山洞与周围环境调查

易县台观测山洞（图1）建于1950年，人工开凿，位于易县台台址正南800 m 华盖山山腰，属于军队备用山洞，高程100 m。山洞大约呈北东东走向，山洞洞深长约200 m，共有7个硐室，在距洞口150余米处分岔为2条路，两条路夹角约为90° ， 在山洞除离硐室最近的 NWS 硐室外，其他6个硐室都是与华盖山山脉走向基本一致，山洞的洞宽不等，约在3.0—3.5 m 之间，高度在1.8—2.0 m 之间。山洞顶部覆盖层厚约40 m，洞温在（13.0±0.3）℃ ， 保温效果好。山洞岩性底部为闪长岩，顶部为中厚层夹薄层石灰岩和页岩，台址山洞岩石完整、致密，山洞洞口不在风口上，无滑坡及泥石流发生的可能，符合《地震台站建设规范地形变台站第1部分：洞室地倾斜和地应变台站》的要求。

易县台山洞周围的环境干扰源比较复杂，包括采石场、抽水井、水泥厂及水库。其中巨石矿业有限公司位于山洞东偏北3.3 km，2016年至今主要以采石为主，2017年4—5月因大量采石荷载变化致使易县台水管仪 NS 分量出现短期加速 S 倾异常变化，后恢复正常；山洞周围6 km 内有3口正常使用的抽水井，综合易县台历年各类形变观测曲线分析可知，抽水干扰对钻孔应变仪器观测数据影响较大，对倾斜观测仪器观测数据影响较小[4]；易县台站西南方向9 km 处的京兰水泥厂，2009年运行至今，无异常出现；易县台台站周围共有2座水库，一座是处在易县台山洞西北方向5.06 km 的旺隆水库，另一座是处在易县台山洞东北方向7.62 km 的黄蒿水库，异常核实过程中发现：旺隆水库自2022年2月14日起因河北省“十四五”时期水库除险加固和运行管护工作要求进行除险加固工程，每日持续泄流，泄流的水主要自北易水河分支流向梁各庄，在百益泉分支流向下游，汇入护城河（图2）。直到4月6 日全部泄流完成，4月10日开始动工修防渗网。此次泄流总量达到279.50万 m3，泄流途径地距易县台山洞大约2 km，泄流造成易县台山洞西北荷载减少，使得该区域的应力场发生变化。据张磊等[5]研究表明，当水库载荷突然发生大幅变化时，破坏了水库与观测点之间的相对平衡，造成观测点一定程度的位移变化，从而影响该点的地倾斜观测。为进一步验证此次水管仪加速 E 倾变化是否是水库泄流所致，将采用荷载模型进行定量计算分析。

2 水管仪 NE 分量异常及水库泄流影响

2.1 异常概述

2022年2月14日易县台水管仪 NE 分量观测数据曲线持续出现趋势下降 E 倾变化，年变观测曲线不同于往年。2022年2月14日—5月7 日水管仪 NE 分量观测数据异常变化幅度达到0.29″，同硐室易县台伸缩仪 NE 分量观测数据同一时段内出现明显的压性变化，异常变化幅度比水管仪 NE 分量变化幅度小（图3）。2022年5月6—7 日依据中国地震局监测预报司编著的《地震前兆异常落实工作指南》进行异常核实排查：①通过对观测仪器、数采、通讯、外线路等设备进行逐一检查，均未出现异常；2022年5月7 日进行水管仪仪器标定，结果为0.59109×10?3″，符合规范要求，标定结果确认水管仪观测仪器运行正常；②通过对山洞硐室内壁、地面的检查，未发现积水、漏水现象；③通过对气象因素对比分析，未出现影响因素；④未有人员在异常出现时对水管仪进行破坏、维修、调零，排除人为干扰；⑤现场环境干扰核实中，未发现新增水库、水井，只有旺隆水库2—4月放水泄流造成的区域荷载变化，其他均未出现任何变化。因此，我们只需针对水库泄流荷载进行异常分析。

2.2 旺隆水库泄流影响分析

2.2.1 水库泄流库容情况

旺隆水库是一座中型水库，地处易县县城西13 km，位于河北省易县北易水上游旺隆沟。1958年兴建，1960年竣工。控制流域面积37 km2，总库容1275万 m3，有大坝、放水洞、溢洪道等工程。本流域50%年径流量510万 m3，原兴利库容486万 m3，1990年在溢洪道兴建橡胶坝后，兴利库容达886万 m3[6]。

2.2.2 水库泄流日库容对水管仪 NE 分量观测影响的定性分析

旺隆水库2022年2月14日起开始日泄流，时间持续52天，最多日泄流容量达29万 m3，速度达到3 m3/s。2022年2月14—28日，15天内泄流总容量高达158.48万 m3，3月1 日—4月6 日，37天泄流总容量达到121.02万 m3。将日泄流容量与水管仪 NE 分量日变化值进行对比（图4），可以清晰地看出，2月17日和18日旺隆水库日泄流容量达到29万 m3和23.32万 m3时，对应的水管仪 NE 分量日变化幅度却只有?4.08×10?3″和?2.84×10?3″；而当3月12日水管仪 NE 分量日变化幅度为?10.38×10?3″时，而当日旺隆水库却未进行泄流。因此，日库容变化总量与水管 NE 分量数据变化关系一致性较差。但是，旺隆水库2022年2月起52天加速泄流库容总量达到300万 m3，荷载变化或许是引起水管仪 NE 分量加速 E 倾的主要原因，考虑通过荷载模拟定量分析。

2.2.3 水库泄流引起水管仪 NE 分量加速 E 倾的理论分析

水库卸载都是由于水位变化产生的，可以用三維集中荷载模型进行分析[7]。作为一级近似，可用三维无限半空间边界上作用集中荷载模型研究这种荷载 F 变化，其位移解：

为计算荷载对倾斜观测影响，只需对 x 水平方向求导即可，即：

式中，F 为水库泄流造成的荷载集中力，可根据 F=mg 得出 F=2.79×1010 N（水库变化量 m=2.79×109 kg， g≈10 N/kg），x、y、z 为易县台山洞到旺隆水库边缘的方位距离（x=5 km，y=0，z≈100 m）；G、λ为拉梅常数，可根据公式 G=E/[2×（1+ν）]得出，其中水的泊松比ν=0.5，水的体压缩杨氏模量 E ＝2.2×109 Pa[8]，由于水是液体只有一个拉梅常数 G，得出 G=0.7×109 Pa。拉梅常数λ我们定义为0 Pa ，由公式（2）计算得到ex=1.27×10?7。依据邱泽华[7]参考倾斜干扰的限定指标1.455×10?8可知，此次水库泄流造成的荷载影响已经超过近1个量级。因此，易县台水管仪 NE 分量加速 E 倾异常变化主要与水库泄流造成荷载变化有关。

2.2.4 同硐室内地倾斜实际变化与倾斜荷载理论值的对比

2022年2月14日—4月6 日旺隆水库泄流库容量为279.5万 m3，依据公式（2）计算得到倾斜变化理论值为26.19×10?3 s，即旺隆水库2022年2—4月造成易县台山洞倾斜仪器水平方向变化量为26.19 ms。结合易县台山洞2022年2月14日—4月6 日垂直摆、水管仪观测数据曲线变化（图5）发现：①垂直摆倾斜仪2022年2月14日—4月6 日 NS 分量观测数据曲线出现N 倾，变化幅度为33.70 ms；EW 分量观测数据曲线出现 E 倾，变化幅度为12.00 ms；②水管仪2022年2月14日—4月6 日 NS 分量观测数据曲线出现S 倾，变化幅度为661.52 ms（3月19日调零干扰影响，变化幅度增大）；EW 分量观测数据曲线出现 E 倾，变化幅度为65.53 ms；NE 分量观测数据曲线出现加速 E 倾，变化幅度为155.29 ms；③垂直摆两分量观测数据变化幅度与旺隆水库泄流荷载造成的倾斜理论变化值（26.19 ms）相差较少；④垂直摆 EW 分量观测数据曲线与水管仪 EW 分量、NE 分量观测数据曲线形态变化一致，都为 E 倾（表1）。

3 结语

易县台水管仪 NE 分量观测数据2022年2月起加速 E 倾异常变化，经过异常核实排查与论证，我们可以看出：

（1）2022年水管 NE 分量倾斜观测数据发生了 E 倾异常变化，依据《地震前兆异常落实工作指南》异常核实要求，通过对观测仪器、环境干扰、网络通讯、人为原因等因素核实，判定得出：此次水管仪E倾异常变化主要与旺隆水库泄流造成荷载影响有关，这是因为水库载荷突然发生大幅变化，破坏了水库与观测点之间的相对平衡，造成观测点一定程度的位移变化，从而影响到地倾斜结果；

（2）利用邱泽华[7]三维集中荷载模型进行模拟计算得出：2022年2月14日—4月6 日旺隆水库共泄流总库容量达到279.5万 m3，造成地倾斜变化模拟理论值1.27×10?7，高于倾斜干扰的限定指标1.455×10?8一个量级，此是造成易县台水管仪 NE 分量观测数据加速异常变化的主要因素；

（3）通过对易县台山洞内水管仪、垂直摆两套地倾斜仪器2022年2月14日—4月6 日观测数据实际异常幅度变化情况与水库泄流造成荷载倾斜理论值进行对比分析得出：①垂直摆倾斜仪两分量观测数据变化幅度与旺隆水库泄流荷载造成的倾斜理论变化值最接近；②垂直摆 EW 分量观测数据曲线与水管仪 EW 分量、NE 分量观测数据曲线异常形态变化一致，都为 E 倾，这是因为旺隆水库位于易县台形变山洞西北方向，应力主方向为东西向，因而此次泄流造成荷载应力对水管仪 EW 分量、NE 分量及垂直摆 EW 分量观测数据影响较大。

依据以上异常分析，我们得出旺隆水库泄流荷载是造成易县台2022年2月水管仪 NE 分量观测数据加速 E 倾的主要因素。

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