黃河蓄水工程對烏海體應(yīng)變影響

熊 峰 陳立峰 查 斯 劉永梅

（中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

黃河蓄水工程對烏海體應(yīng)變影響

熊 峰 陳立峰 查 斯 劉永梅

（中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

通過數(shù)值建模，定量分析“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水，對烏海地震臺體積式應(yīng)變儀測值2015年1月—4月破年變規(guī)律形態(tài)的影響，按照地表載荷影響力學(xué)模型及巖層加載載荷形變機(jī)理計(jì)算，水庫蓄水引起的應(yīng)變量接近體應(yīng)變實(shí)測值。由此確認(rèn)，該工程水庫蓄水對烏海體應(yīng)變中短期異常變化具有較大影響。

水庫蓄水；體積式應(yīng)變儀測值；載荷影響

0 引言

大型水庫蓄水影響生態(tài)環(huán)境平衡，也會對庫區(qū)巖體產(chǎn)生影響。除由板塊運(yùn)動和其他構(gòu)造過程引起的緩慢且穩(wěn)定變化的構(gòu)造應(yīng)力外，地殼中也存在瞬態(tài)和周期性的載荷作用，如：固體潮汐力作用、水庫水位變化產(chǎn)生的加卸載效應(yīng)、強(qiáng)震發(fā)生引起的靜態(tài)和動態(tài)載荷作用等。這些瞬態(tài)和周期性的載荷作用于斷層，引起斷層應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，從而影響斷層帶地震活動性，導(dǎo)致強(qiáng)震提前或延遲發(fā)生（黃元敏等，2008）。水庫蓄水對周邊環(huán)境的影響較為復(fù)雜，從巖體力學(xué)角度，水體載荷的重力作用產(chǎn)生彈性載荷效應(yīng)，導(dǎo)致一定孔隙壓力變化，從而改變庫區(qū)及周圍地區(qū)應(yīng)力場和巖土體的強(qiáng)度（陽生權(quán)，2012）。水庫庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖體和斷裂力學(xué)性質(zhì)及流體狀態(tài)與運(yùn)移特征、地下水對斷層物質(zhì)的軟化作用，在蓄水初期，庫水載荷可能起主要作用，隨著水位變化，水在巖石裂隙中的不斷滲流，孔隙壓的改變主要由庫水的滲透、側(cè)壓和水荷載重的聯(lián)合作用引起（王秋月等，2010；程惠紅等，2013）。孔隙壓力加卸載過程中巖石的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變和體積應(yīng)變逐漸累積，巖石強(qiáng)度及變形規(guī)律隨孔隙壓力的變化規(guī)律表明，巖石的累計(jì)變形還可能誘發(fā)、誘導(dǎo)地層破壞甚至災(zāi)害性事件發(fā)生（劉向君等，2011）。

2010年1月至2015年6月，烏海地震臺（以下簡稱烏海臺）周邊300 km內(nèi)發(fā)生MS4.0以上地震21次，最大地震為2015年4月15日內(nèi)蒙古阿左旗MS5.8地震，其中震中距300 km內(nèi)發(fā)生地震10次，200 km內(nèi)7次，50 km左右4次，可見烏海周邊地震活動比較活躍。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，2015年1—7月烏海體應(yīng)變破年變變化，水庫蓄水是否影響斷裂帶上的地震活動性，對烏海鉆孔體積式應(yīng)變儀觀測產(chǎn)生什么影響，在此進(jìn)行分析。

1 測點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造

烏海是鄂爾多斯古大陸的一部分，系古地中海浸區(qū)經(jīng)第3次喜瑪拉雅山隆起而成，北端由祈連山、呂梁山、賀蘭山構(gòu)造形成山字形脊柱頂部，東部是綿延百里的桌子山，中部為崗德爾山，西部為五虎山，各山體均屬賀蘭山脈北端余脈，三山成南北走向平行排列，中間形成兩條平坦的谷地。烏海北邊是臨河斷陷盆地，南邊是銀川斷陷盆地，西側(cè)是吉蘭泰斷陷盆地，東側(cè)是鄂爾多斯地臺，黃河沿崗德爾山西谷流經(jīng)市區(qū)，阻斷烏蘭布和沙漠進(jìn)入河套地區(qū)。烏海地處華北板塊西北邊緣，當(dāng)華北地震處于高潮時，烏海周邊地震活動比較活躍（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，2006）。烏海體應(yīng)變測點(diǎn)位于南北構(gòu)造體系的北端、天山—陰山緯向的中部南側(cè)，東邊是桌子山東緣斷裂，西邊是桌子山西緣斷裂，水庫距離桌子山西緣斷裂不到10 km。

2 烏海體應(yīng)變測項(xiàng)

2.1 觀測系統(tǒng)

烏海地震臺體應(yīng)變測項(xiàng)采用TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變測量儀，2010年2月開始觀測，測點(diǎn)海拔1 160 m。觀測儀器安裝在體應(yīng)變觀測井內(nèi)，儀器探頭密封于地下基巖內(nèi)，通過地下線路與室內(nèi)數(shù)據(jù)采集器相連。鉆孔體應(yīng)變參數(shù)見表1。

表1　鉆孔體應(yīng)變參數(shù)Table 1 Basic situation of drilling type volumetric strain gauge

2.2 數(shù)據(jù)分析

（1）體應(yīng)變數(shù)據(jù)異常。烏海臺鉆孔體應(yīng)變記錄年變特征主要表現(xiàn)為：①具有較為明顯的年變化周期，完成1個年變周期所需時間基本相同；②年變化每年有3個波峰，年初上升，年末下降；③數(shù)據(jù)年動態(tài)表現(xiàn)為每年1—4月曲線上升，而2015年該時段呈下降狀態(tài)；④2015年4月15日震中距54.7 km的阿左旗MS5.8地震發(fā)生后，20日數(shù)據(jù)曲線轉(zhuǎn)平，6月10日起逐漸上升。2010年1月—2015年7月烏海體應(yīng)變年變趨勢對比曲線見圖1。

（2）潮汐因子變化分析。烏海臺鉆孔體應(yīng)變M2波潮汐因子變化曲線見圖2。2014年3月14日至5月18日數(shù)據(jù)采集器發(fā)生故障，導(dǎo)致潮汐因子曲線出現(xiàn)較大臺階變化，而其他時段M2波潮汐因子變化正常且變化值均小于0.1，儀器運(yùn)行正常，測值可靠。

圖1　烏海體應(yīng)變趨勢對比Fig.1 Comparison of volumetric strain trends at Wuhai Seismic Station

圖2　烏海體應(yīng)變M2波潮汐因子曲線Fig.2 Tidal factor curve of M2wave at Wuhai Seismic Station

3 庫區(qū)蓄水影響

3.1 黃河海勃灣水利樞紐工程

“黃河海勃灣水利樞紐工程”位于烏海臺鉆孔體應(yīng)變井NW向約24.5 km處，在此簡稱水庫。水庫正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，面積118 km2，總庫容4.87×108m3。土石壩布置在黃河左岸，壩長6 371 m，頂寬7 m，最大壩高16.2 m；泄洪閘共16孔，布置在黃河主河槽中左部。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面積80 km2，水位1 073.5 m。

3.2 載荷影響

地層受到的載荷作用發(fā)生變化時，會產(chǎn)生一定形變。在加卸載作用下，不同彈性模量的巖石內(nèi)部發(fā)生形變，巖石加載后彈性形變、彈性巖石卸載前原始狀態(tài)、彈性巖石卸載后變化、巖石加載后彈塑性變化、彈塑性巖石卸載前原始狀態(tài)、彈塑性巖石卸載后變化，6種模型見圖3。水庫載荷可以改變庫區(qū)巖體應(yīng)力場，見圖3（a），如果巖石彈性模量較大（如閃長巖、花崗巖、灰?guī)r等），則易發(fā)生彈性應(yīng)變；如果巖石彈性模量較?。ㄈ缒嗷?guī)r、石膏等），則易發(fā)生彈塑性應(yīng)變。烏海體積應(yīng)變儀探頭所處基巖為灰?guī)r，彈性模量較大，水庫蓄水導(dǎo)致載荷加載，基巖發(fā)生彈性應(yīng)變，見圖3（b），載荷體應(yīng)變表現(xiàn)為張性變化。

3.3 體應(yīng)變理論變化數(shù)值

3.3.1 理論模型。為了定量分析水庫蓄水造成的載荷變化對烏海鉆孔體應(yīng)變觀測的影響，根據(jù)地表載荷影響的力學(xué)模型（駱鳴津等，2008），從理論上計(jì)算載荷變化引起的烏海體應(yīng)變測值。

圖3　不同彈性模量巖石在加卸載作用下內(nèi)部形變模式模型（a）原始狀態(tài)；（b）彈性巖石；（c）彈塑性巖石Fig.3 Model of internal deformation of rock with different elastic modulus under the action of loading and unloading

根據(jù)半無限空間均布載荷模型，把彈性球狀物從中間切成兩半，其中的每一半都可稱為半無限體。用空間坐標(biāo)表示，在x≤0，y和z沒有限制的空間，彈性體就是應(yīng)力和應(yīng)變成正比的物體。利用圓柱坐標(biāo)調(diào)和函數(shù)，推導(dǎo)地面負(fù)荷對應(yīng)力應(yīng)變影響的理論模型，即：假定負(fù)荷力垂直作用在半無限平面介質(zhì)面上，且介質(zhì)各向同性，以負(fù)荷著力點(diǎn)為圓柱坐標(biāo)系原點(diǎn)，向下為z，水平向外為r；利用滿足圓柱坐標(biāo)調(diào)和函數(shù)V（r，θ，z）的解（劉穎，2008），進(jìn)行傅里葉—貝塞爾積分（梁昆淼，1978），推導(dǎo)載荷對鉆孔產(chǎn)生的平面應(yīng)變

根據(jù)平面應(yīng)變err（r，z）、ezz（r，z）、eθθ（r，z），推演應(yīng)力σrr（r，z）、σzz（r，z）、σθθ（r，z）。則

式中，P為荷載作用于坐標(biāo)原點(diǎn)并與地面垂直的集中力，r為荷載力作用點(diǎn)至參考點(diǎn)水平投影的距離，z為鉆孔深度，系數(shù)E為巖石的彈性模量，v為巖石泊松系數(shù)。式（4）中k為壓縮模量，eυ（r，z）=err+ ezz+ eθθ，συ（r，z）=σrr+ σzz+ σθθ。根據(jù)體應(yīng)變與面應(yīng)變的關(guān)系（蔣駿，1994），荷載對鉆孔體應(yīng)變的影響為

3.3.2 參數(shù)設(shè)置。為計(jì)算水庫蓄水造成的載荷，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)為：①蓄水造成載荷增加量：P=2.48×1011kg；②水庫中心至體應(yīng)變觀測井的水平距離r=2.45×104m；③體應(yīng)變探頭深度108 m，黃河水深2—12 m，水庫死水位1 069 m；④鉆孔體應(yīng)變井口至水庫底面高差約93—103 m，取深度z=5—15 m；⑤烏海體應(yīng)變鉆孔巖性為灰?guī)r，巖石彈性模量E=（5—10）×104MPa、泊松比v=0.2—0.35（謝仁海等，2007）。

3.3.3 不同參數(shù)條件下水庫蓄水引起的體應(yīng)變理論變化數(shù)值。假定儀器探頭距水庫底面分別深5 m和15 m，帶入公式（5），計(jì)算當(dāng)E=10×104MPa及E=5×104MPa時，v為0.20、0.35時，水庫蓄水體應(yīng)變理論變化值結(jié)果見表2。

表2　不同參數(shù)條件下水庫蓄水體應(yīng)變理論變化值Table 2 Theoretical value of the numerical value of the volumetric strain gauge in the reservoir with different parameters

由于未進(jìn)行現(xiàn)場基巖彈性模量測試及泊松比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)巖石物理力學(xué)參數(shù)，按照地表載荷影響的力學(xué)模型（駱鳴津等，2008）及巖層加載載荷形變機(jī)理，水庫蓄水階段載荷引起的體應(yīng)變變化與載荷作用大小相等方向相反，即水庫蓄水階段載荷引起的體應(yīng)變量理論極值范圍為（-4.361— -26.570）×10-6（表2）；而2015年1—4月，在扣除線性漂移后，烏海體應(yīng)變變化量達(dá)-4.186×10-6（圖4）。根據(jù)載荷理論模型，水庫蓄水理論應(yīng)變量（-4.361— -26.570）×10-6接近烏海體應(yīng)變變化量-4.186×10-6?？梢源_認(rèn)，2015年1月—4月烏海體應(yīng)變破年變變化，受“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水影響。

圖4　烏海體應(yīng)變2015年1月—6月變化曲線Fig.4 Volume strain of Wuhai Seismic Station from January to June，2015

4 庫水載荷與地震觸發(fā)關(guān)系

庫水載荷的加載位置對地震觸發(fā)產(chǎn)生重要影響，主要體現(xiàn)在：當(dāng)庫水加載于斷層正上方或斷層上盤時，對正斷層型地震具有促進(jìn)作用，對逆斷層型地震具有抑制作用。當(dāng)庫水載荷作用于斷層下盤時，對于傾角較大的正斷層與逆斷層地震，庫水起抑制作用；而對傾角很小的斷層起促進(jìn)作用，但不會產(chǎn)生很強(qiáng)的水庫地震（王秋月，2010）。

2015年4月15日內(nèi)蒙古發(fā)生MS5.8地震，烏海體應(yīng)變數(shù)值曲線趨勢性向下異常從20日起轉(zhuǎn)平，至6月10日逐漸上升，除受蓄水工程影響，該地區(qū)近幾年地震活動性較強(qiáng)，不排除震前異常、震后恢復(fù)的可能。此次地震距“黃河海勃灣水利樞紐工程”54.7 km，庫水載荷在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓受庫水滲透、側(cè)壓和水載荷重的聯(lián)合作用，隨著距離增加而逐漸減弱，不應(yīng)成為觸發(fā)中強(qiáng)地震的主要因素，可見阿左旗MS5.8地震的發(fā)生應(yīng)與斷裂帶地震活動性密切相關(guān)。

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Abstract

Through numerical modeling，the impact of “the Yellow River water conservancy project Haibowan” reservoir water for the volume strain gauge measurements at Wuhai Seismic Station in January to April 2015 is quantitatively analyzed.According to the surface load influence mechanical model and stratum load deformation mechanism，the theoretical stain is calculated，and is closed the measured value of volume strain meter.It is confirmed that the reservoir water storage has a great impact on the short-term abnormal changes in the volume strain gauge of Wuhai Seismic Station.

Impact analysis of the Yellow River water storage project on the volume strain of Wuhai

Xiong Feng，Chen Lifeng，Cha Si and Liu Yongmei
（Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China）

reservoir filling，volumetric strain gauge，load effect

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.015

熊峰（1971—），女，內(nèi)蒙古人，工程師，主要從事前兆數(shù)據(jù)管理工作