道路建設對DSQ水管傾斜儀影響分析

余尚江 成萬里 盧 亞 黃恩賢 曲翠蘭

（中國河南464000信陽地震臺）

道路建設對DSQ水管傾斜儀影響分析

余尚江 成萬里 盧 亞 黃恩賢 曲翠蘭

（中國河南464000信陽地震臺）

2013年9月30日信陽地震臺DSQ水管傾斜儀NS向觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)大幅向南下滑現(xiàn)象，EW向數(shù)據(jù)正常。實地調查發(fā)現(xiàn)，此次不正常變化由地震臺臨近村莊修路（距離最近處小于20 m）造成，因人為降低地面載荷，使外界環(huán)境發(fā)生變化，導致觀測數(shù)據(jù)異常，排除地震異?？赡堋?/p>

DSQ水管傾斜儀；觀測系統(tǒng)；降水；載荷應力干擾

0 引言

當前中國城市化進程飛快，地震監(jiān)測臺站被各種人類構筑物包圍，嚴重影響地傾斜類儀器觀測質量。此類觀測儀器主要監(jiān)視地面微傾斜，因而人類構筑物造成的載荷應力成為主要干擾源之一。為精準查明并排除此類干擾，且為有效保護觀測環(huán)境創(chuàng)造條件，地震研究人員需采用相應計算方法，精確地定量分析干擾源。然而，目前直接運用數(shù)學方法定量分析地傾斜的研究成果較少，難以形成系統(tǒng)有效的分析手段。DSQ型水管傾斜儀（以下簡稱DSQ儀）能夠提供地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數(shù)等科學數(shù)據(jù)，把握地震事件周期、應力的變化以及相關地殼變形之間的關系（孫伶俐等，2011）。鑒于此，以DSQ儀為載體，建立計算簡單且接近客觀實際的模型，定量分析該模型引起的地傾斜及其對地傾斜儀的影響。以期實時查明地震觀測資料中異?，F(xiàn)象的產(chǎn)生原因，并為保護臺站觀測環(huán)境提供重要依據(jù)。本文以分析2013年9月30日信陽地震臺DSQ水管傾斜儀NS向觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)的大幅向南下滑現(xiàn)象為例，構筑相應計算模型，分析載荷應力變化，進而找出干擾，排除異常。

1 臺站背景

信陽地震臺（以下簡稱信陽臺）始建于1971年，向南距賢山約0.8 km，距南灣水庫約1 km，氣候介于南北過度帶，自然條件優(yōu)越。信陽臺形變觀測點位于大別山弧形構造帶北緣，主要出露地層為下古生界角閃片麻巖。該區(qū)地貌為河谷階地，基底較穩(wěn)定。測點山體較小，相對高度25 m，山頂及山坡均有1—2 m深的巖石風化層，表層為亞粘土，山頂及山北、南、西坡有隨季節(jié)變化的草皮植被。

DSQ儀所在山洞全長140 m，洞體為預制混凝土塊、機磚結構的被覆體，被覆體外鋪設二氈三油防水層，洞口裝有1個密封門和3個船艙門，洞室溫度年變化量小于0.5℃，日溫差小于0.1℃，相對濕度穩(wěn)定在100%。DSQ水管儀置于山洞進深30—75 m的通道中，分NS、EW兩個測量方向，主體墩為灰?guī)r墩，規(guī)格為0.47 m×0.47 m× 0.60 m。山洞覆蓋厚度EW向西端15 m，東端18 m，NS向均18 m以上（劉建華等，2004）（圖1）。

圖1　信陽臺形變測震山洞Fig.1 The cave of crustal deformation at Xinyang Seismic Station

2 異常落實

2013年9月30日信陽臺DSQ儀NS向出現(xiàn)向南傾斜變化：觀測數(shù)值從30日的193×10-3″下降到10月4日的-300×10-3″上下，固體潮形態(tài)發(fā)生嚴重畸變（圖2）；EW分量無異常變化。

圖2　信陽臺DSQ儀2013年9月28日—10月5日NS、EW分量曲線Fig.2 The curve of NS and EW components of model DSQ at Xinyang Seismic Station from Sep.28 to Oct.5，2013

2.1 異常初判

考慮到信陽臺觀測環(huán)境，并結合多年觀測經(jīng)驗，認為臺基發(fā)生垂直位移的干擾因素主要有：觀測系統(tǒng)故障、降水及載荷應力變化。通過系統(tǒng)排查，排除觀測系統(tǒng)故障和降水干擾原因。由DSQ儀工作原理可知，當連通管一端臺基出現(xiàn)相對垂直位移變化時，另一端液面相對于缽體發(fā)生變化，該變化通過浮子、位移傳感器等轉化為電信號輸出記錄①武漢地震科學儀器研究院，DSQ型水管傾斜儀原理、安裝與使用，ZL99116637.X，2006。而這種變化實際反映了測點地面發(fā)生垂直變化。因此，DSQ儀NS分量大幅下滑應為測點周邊地面載荷發(fā)生較大改變所致。

2.2 干擾源排查

一般認為，載荷變遷會對地傾斜單分量產(chǎn)生影響（陳德福等，2008）。從DSQ儀表現(xiàn)的NS分量發(fā)生大幅向南傾斜，EW分量正常的變化特征推斷，形變山洞NS向可能出現(xiàn)載荷應力的變化，且表現(xiàn)為南向載荷相對量增加或北向載荷量減小。綜合考慮信陽臺觀測環(huán)境，認為南偏東向的綠城·百合地產(chǎn)土方施工和南灣水庫可能導致此次數(shù)據(jù)畸變（圖3）。

（1）南灣水庫大壩距形變山洞僅1.2 km，是造成此次數(shù)據(jù)異常的潛在干擾源。根據(jù)載荷加載效應推斷，在此次非正常變化前后，若水庫水位和庫容量持續(xù)上升，導致水庫大壩地區(qū)載荷明顯增加，就可能造成DSQ儀向南大幅向南傾斜。然而，南灣水庫水文站水位資料顯示，2013年9月25日—10月4日進庫量和出庫量較低，水位穩(wěn)定在94.99—95.35 m，庫容量無明顯變化（表1）。因此，南灣水庫水位變化不是造成此次DSQ儀異常的原因。

（2）形變山洞ES向500m處，綠城·百合新城土方開挖建設。調查發(fā)現(xiàn)，施工現(xiàn)場（圖3）開挖深基坑且開挖土基本就地堆放，未產(chǎn)生明顯的載荷變遷，距離DSQ儀太遠，可忽略不計。因此，認為該工程非DSQ儀NS分量的畸變干擾源。

圖3　DSQ周邊大型工程、水庫位置Fig.3 The position of large engineering，reservoirs around the DSQ

表1　南灣水庫（壩上）站水位統(tǒng)計Table 1 Statistics of Nanwan reservoir（dam） water level

圖4　DSQ儀觀測點與村道建設分布位置Fig.4 The position of the country road and DSQ

2.3 干擾源確認

對2013年9月30日—10月4日信陽臺DSQ儀NS分量異常進行落實，排除觀測系統(tǒng)故障、降水及載荷應力類干擾原因。為確定該異常類型，對信陽臺周邊環(huán)境進行詳細排查，發(fā)現(xiàn)形變山洞NE向村莊正在修筑水泥路，路面南端距DSQ儀南北分量不到50 m。此次修筑水泥路開始于9月20日，道路總長1 050 m。DSQ儀觀測點與村道建設分布位置見圖4。由于此處為土丘，修建圖中的道路（黃線部分）需大量挖方運土，調查發(fā)現(xiàn)，此次修路運出土方量約50 400 m3，重約141 120 t，DSQ儀北端的載荷量明顯降低。

10月3日晚村道建設完工，10月4日起DSQ儀NS分量停止向南傾斜，保持現(xiàn)有變化量不變，固體潮曲線形態(tài)恢復正常。由此可初步判斷，村道建設為此次DSQ儀大幅向南傾斜的主要原因。

圖5　水平線性模型Fig.5 Horizontal linear model

3 載荷分析

3.1 計算模型

眾所周知，地面載荷產(chǎn)生的地傾斜之一為負荷導致觀測點地基形變所引起的地傾斜（熊先保等，2000）。將干擾源——村莊道路抽象簡化，建立一個水平線性模型，見圖5，取東向和北向為正，假定此干擾源位于NE方位，x、y表示觀測點到該模型最近端A點和最遠端B點（村莊道路兩端點，見圖4）的方向和距離。

由彈性理論（馮銳等，1978；杜慶華等，1986）可知，當半無限體邊界上有一個垂直于邊界面的集中力P時，假定觀測點與載荷應力加載部位同時位于地表時，在x、y方向上引起的地傾斜量φ為

其中，P為集中在一點的作用力；μ為介質的剪切模量；v為介質的泊松比。

3.2 綜合判定

為更好地論證村道建設為此次DSQ水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)曲線大幅南傾的主要干擾源，嘗試將載荷應力參數(shù)帶入公式（1）、（2）進行計算。

經(jīng)調查，此次村莊道路建設運出的土方造成載荷應力卸載量P=1.38×109N，x=20 m，y=425 m。在此取信陽當?shù)厣皫r體與破碎片麻巖（主要為砂巖體）的平均剪切模量，即μ=2.0×106Pa，泊松比v=0.20，帶入公式（1），得到最近端的傾斜量φx≈0.22″=220×10-3″，即村道建設載荷降低造成的最大地面傾斜量。同理，帶入公式（2）計算得到最遠端的傾斜量φy≈0.000487″=487×10-6″，遠小于最近端的最大地面傾斜量。

而本次DSQ儀NS向傾斜量φ=493×10-3″，顯然與最近端的傾斜量基本處于同一個量級，而其他干擾因素對DSQ儀的影響根本達不到此數(shù)量級，基本可以認定：DSQ儀NS分量向南傾的干擾源為村莊道路建設。至于φx未能達到DSQ儀顯示的傾斜量φ，可能與儀器系統(tǒng)或特殊的地下構造有關，需要作進一步研究。

4 結論

通過實地調查取證，定量計算DSQ儀到村莊道路最近端x方向上的傾斜量為φx=220×10-3″，而DSQ儀記錄顯示的NS向傾斜量φ=493×10-3″，兩者基本處于同一個量級，而其他干擾因素對DSQ儀的影響達不到該數(shù)量級，可認定此次觀測數(shù)據(jù)不正常變化的干擾源為臨近村莊修路，在短時間內人為增加形變觀測山洞東邊山體的地面載荷，且距離太近（最近處只有20 m），產(chǎn)生嚴重的外界環(huán)境干擾，人為干擾特征明顯，是一次明顯的環(huán)境干擾引起的異常變化，排除地震異常的可能。

感謝河南省地震局周小川、浙江省地震局尹晶飛的熱心指導。

陳德福，聶磊.液體靜力水準儀及其應用［M］.北京：地震出版社，2008.

杜慶華，余壽文，姚振漢.彈性理論［M］.北京：科學出版社，1986：109-111.

馮銳.地傾斜與地震［M］.北京：地震出版社，1978：170-172.

劉建華，薛紅軒，王豐，等.河南省地震監(jiān)測志［M］.北京：地震出版社，2004.

孫伶俐，羅俊秋，呂品姬，等.十堰臺數(shù)字化水管儀傾斜潮汐觀測質量評定［J］.大地測量與地球動力學，2011，31（Z1）：59-63.

熊先保，張遠城，徐智明，等.新增大樓對地傾斜觀測的影響［J］.地殼形變與觀測，2000，20（4）：78-82.

Abstract

The observation data curve of north-south component of DSQ water tube tiltmeter showed a sharp decline in south，but the data curve of east-west component reveal normality at Xinyang Seismic Station on September 30，2013.The field survey found that the abnormal change caused by road building near the village（the closest distance is less than 20 m），artificially reducing load on the ground changed the external environment，and resulted in abnormal observations.It excluded earthquake precursor anomaly.

The study of road construction effect on the DSQ water tube tiltmeter

Yu Shangjiang，Cheng Wanli，Lu Ya，Huang Enxian and Qu Cuilan
（Xinyang Seismic Station，Henan Province 464000，China）

abnormal characteristics，DSQ，observation system，rainfall，amount of load change

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.011

余尚江（1988—），男，碩士，助理工程師，主要從事地形變研究工作。E-mail：ylm2015@163.com

河南省地震局科研基金項目（項目號：41255647）