利用不規則載荷模型分析馬家嶺流動水準異常

鄭海剛 閆偉 王雪瑩 何康 李軍輝 王俊

1）安徽省地震局，合肥市長江西路558號 230031

2）中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

作為預測地震活動的手段，利用大地測量的方法研究地殼形變在國內外已得到廣泛應用（武漢測繪學院，1979）。其中，跨斷層流動水準觀測對研究現代地殼運動、了解斷層現今活動方式和特點、提取有效地震前兆信息等有一定的意義（朱治國等，2010）。近年來，隨著旅游開發和基礎建設項目的日益增多，流動水準觀測環境受到的破壞也日益嚴重，很多觀測場地周邊存在越來越多的載荷影響（李祖寧等，2007；朱航等，2010；劉瑞春等，2012）。

探究載荷對周邊形變觀測的影響對地震前兆觀測、地基沉降監測等研究中具有一定意義（楊國春等，2002；黃慶享，2005；張惠蘭，2013）。在以往研究中，有人借助數值分析探討載荷變化對周邊觀測的影響特征（杜瑞林等，2004），也有人將分析模型簡化為質心點載荷（李祖寧等，2007）。為了更加精細地刻畫載荷的近場影響，閆偉等（2015）基于均勻、各向同性的半無限彈性體的點狀載荷模型，推導了水平傾斜場的解析解計算方法，給出了二維、三維不規則形狀載荷對地面或地下某點的垂直位移和傾斜矢量的解析解計算方法。本文將基于二維不規則載荷模型，對環境荷載變化造成的地面垂直位移進行數值模擬及定量計算，以此探討安徽霍山馬家嶺流動水準快速上升變化的機理。

1 場地地震地質背景及觀測概況

1.1 地震地質背景

馬家嶺水準場地位于安徽省霍山地區，該區處于秦嶺-大別山斷褶帶與華北地塊區南緣帶交匯處的大別山東北部（劉澤民等，2015）。該區域歷史上破壞地震活動強烈，公元1336年以來，共發生MS≥5.0地震9次，其中MS≥6.0地震2次，最大震級為1917年1月24日霍山 6?4級地震（鄭兆苾等，1999）（圖1）。自1970年有微震記錄以來，發現該地區現代微震、小震活動頻繁，并且這些小地震的活動頻度與華東地區中強地震間有一定相關性（陳宇衛等，2007；倪紅玉等，2015）。

圖1 霍山地區地震地質及流動水準測點分布

霍山地區地質構造復雜，在漫長的地質演化過程中發育了一系列NWW、NE向斷裂，主要有NWW向的磨子潭-曉天斷裂、肥西-韓擺渡斷裂、梅山-龍河口斷裂；NE向的落兒嶺-土地嶺斷裂（圖1）。其中，落兒嶺-土地嶺斷裂為晚更新世斷裂，且歷史地震的分布與該斷裂的走向一致（姚大全等，2010）。斷層泥測試結果表明，該斷裂在晚更新世早期有1次斷層活動（姚大全等，1999）。

1.2 觀測概況

馬家嶺流動水準觀測場地位于安徽省霍山縣落兒嶺鄉馬家嶺村，共有M1、M22個測點，均為基巖標，測距300m，海拔高程約260m。該測線跨越落兒嶺-土地嶺斷裂布設，斷裂走向N45°E，傾向SE，傾角約60°（圖2）。該場地 1992年 6月開始觀測，目前每2個月觀測1期，每年觀測6期。

圖2 馬家嶺水準場地布設圖

2 異常變化特征及環境干擾因素

2.1 異常變化特征

自1992年霍山馬家嶺流動水準觀測以來，趨勢性變化分為 3個階段：①1992～2001年平穩變化階段；②2002～2011年趨勢性上升階段；③2012～2015年平穩變化階段。在平穩變化的基礎上，測線測值于2014年10月份開始轉折上升，之后有4期數據均呈上升狀態（截至2015年6月），2015年8月7日測值（加密觀測）開始轉折下降，至8月28日測值與8月7日持平，數據變化趨于穩定。筆者認為，上述異常變化是一次水準受荷載影響后的快速上升過程（表1、圖3）。

表1 馬家嶺流動水準觀測值

圖3 馬家嶺流動水準時序變化

2.2 環境干擾因素

異常變化出現后，筆者對馬家嶺流動水準觀測場地周邊進行了環境調研和干擾因素分析，發現M1、M2觀測點雖然浸泡在水里，但未見點位受到破壞，且因為觀測點均為基巖標，所以浸水并不會對觀測造成重大影響。2014年12月開始，觀測場地附近開始建設霍山大峽谷游客中心及停車場，2015年4月施工結束。其間建成約200m2的游客中心以及填埋區約30375.99m2、填埋高度平均0.5m的停車場（圖4）。

3 荷載影響的定量計算

3.1 原理

二維不規則載荷模型，是將模型的總作用力P進行散點化，各散點的作用力記為Pi，分別求取各散點對某點M的垂向位移 wi和傾斜量（Txi，Tyi），所有散點作用的矢量和即為 M點的垂向位移w和傾斜量（Tx，Ty）（閆偉等，2015）。設網格個數為n，則有

圖4 停車場填埋面積估算圖

在實際計算時，以不同長度將二維不規則模型進行格網化處理，然后利用質點載荷模型（李祖寧等，2007；閆偉等，2015）分別求取各格網對M點的垂向位移 wi和傾斜量 Txi、Tyi，最后利用式（2）、（3）求取該點的垂向位移 w和傾斜量（Tx，Ty）。

3.2 荷載計算

對馬家嶺流動水準觀測場地進行現場環境調查時發現，在場地附近新建一霍山大峽谷漂流游客中心，中心為2層鋼筋混泥土結構樓房，建筑面積約200m2，荷載1500kg／m2（熊先寶等，2000），增加荷載約 300t；另，新建一處停車場，面積約 30375.99m2，平均填埋高度0.5m，取砂土比重1.9t／m3（龔文慧，2008），增加荷載約 28857t。由此可知，馬家嶺水準場地附近，由于建設霍山大峽谷漂流游客中心，新增荷載合計約29157t。

3.3 定量模擬

模擬中對載荷進行了散點化處理，以所有散點對M1、M2點作用的矢量和作為周邊載荷變化引起的垂直位移量。計算時根據場地所處地區多為閃長片麻巖的特征，取彈性模量E＝5.0×107Pa、ν＝0.25（顧曉魯，2003）。

計算結果顯示（圖5），M1點受載荷引起的垂向位移為－0.569mm；M2點為－1.339mm。由此可見：①M2點下沉較 M1點大，且填埋土方地點與 M2點同盤，所以表現為曲線上升；②荷載引起曲線上升的量級應為M2點與M1點的垂直位移之差，即1.339-0.569≈0.77mm。其中，曲線上升與馬家嶺水準實測曲線相吻合，定量模擬的高差0.77mm與實測最大高差0.70mm相當，這進一步說明馬家嶺水準觀測場地周邊霍山大峽谷游客中心和停車場的建設對馬家嶺水準觀測有一定影響，而這一認定基本可以確定馬家嶺流動水準觀測的快速上升異常為環境干擾因素所致。

圖5 不規則載荷引起周邊垂向位移場的空間分布

4 結論與討論

本文采用不規則載荷模型模擬計算了載荷變化引起的垂直位移量，從定性和定量2個方面分析了載荷變化引起馬家嶺水準異常變化的可能性，并得到如下結論：

（1）霍山大峽谷漂流終點停車場建設主要以填埋土方和房屋建設為主，填方面積約3萬m2，產生的荷載量約2.9萬t，且填方地點與 M2點同盤，從而導致 M2點下沉量大于M1點，高差觀測曲線上升。

（2）運用不規則載荷模型計算得到M2點與M1點的垂直位移差為0.77mm，這與觀測曲線實測最大高差0.70mm相當，從定量角度進一步說明馬家嶺水準觀測場地周邊霍山大峽谷游客中心和停車場的建設確實對馬家嶺水準觀測產生一定影響。

（3）本文在數值計算過程中未能考慮測量斷層的影響，這主要由于使用的二維不規則載荷模型為單層介質模型，在載荷重新分配過程中未考慮散點之間存在的垂向作用力或剪應力。這導致本研究對測量斷層的耦合關系、斷層的影響等的討論不足，筆者期待在今后的研究中彌補這一缺憾。