道路建設(shè)對(duì)DSQ水管傾斜儀影響分析

余尚江 成萬(wàn)里 盧 亞 黃恩賢 曲翠蘭

（中國(guó)河南464000信陽(yáng)地震臺(tái)）

道路建設(shè)對(duì)DSQ水管傾斜儀影響分析

余尚江 成萬(wàn)里 盧 亞 黃恩賢 曲翠蘭

（中國(guó)河南464000信陽(yáng)地震臺(tái)）

2013年9月30日信陽(yáng)地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀NS向觀測(cè)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(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次不正常變化由地震臺(tái)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(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)異常，排除地震異?？赡?。

DSQ水管傾斜儀；觀測(cè)系統(tǒng)；降水；載荷應(yīng)力干擾

0 引言

當(dāng)前中國(guó)城市化進(jìn)程飛快，地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站被各種人類構(gòu)筑物包圍，嚴(yán)重影響地傾斜類儀器觀測(cè)質(zhì)量。此類觀測(cè)儀器主要監(jiān)視地面微傾斜，因而人類構(gòu)筑物造成的載荷應(yīng)力成為主要干擾源之一。為精準(zhǔn)查明并排除此類干擾，且為有效保護(hù)觀測(cè)環(huán)境創(chuàng)造條件，地震研究人員需采用相應(yīng)計(jì)算方法，精確地定量分析干擾源。然而，目前直接運(yùn)用數(shù)學(xué)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(jiǎn)稱DSQ儀）能夠提供地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)及地球參數(shù)等科學(xué)數(shù)據(jù)，把握地震事件周期、應(yīng)力的變化以及相關(guān)地殼變形之間的關(guān)系（孫伶俐等，2011）。鑒于此，以DSQ儀為載體，建立計(jì)算簡(jiǎn)單且接近客觀實(shí)際的模型，定量分析該模型引起的地傾斜及其對(duì)地傾斜儀的影響。以期實(shí)時(shí)查明地震觀測(cè)資料中異?，F(xiàn)象的產(chǎn)生原因，并為保護(hù)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境提供重要依據(jù)。本文以分析2013年9月30日信陽(yáng)地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)的大幅向南下滑現(xiàn)象為例，構(gòu)筑相應(yīng)計(jì)算模型，分析載荷應(yīng)力變化，進(jìn)而找出干擾，排除異常。

1 臺(tái)站背景

信陽(yáng)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱信陽(yáng)臺(tái)）始建于1971年，向南距賢山約0.8 km，距南灣水庫(kù)約1 km，氣候介于南北過(guò)度帶，自然條件優(yōu)越。信陽(yáng)臺(tái)形變觀測(cè)點(diǎn)位于大別山弧形構(gòu)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(cè)點(diǎn)山體較小，相對(duì)高度25 m，山頂及山坡均有1—2 m深的巖石風(fēng)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(zhǎng)140 m，洞體為預(yù)制混凝土塊、機(jī)磚結(jié)構(gòu)的被覆體，被覆體外鋪設(shè)二氈三油防水層，洞口裝有1個(gè)密封門和3個(gè)船艙門，洞室溫度年變化量小于0.5℃，日溫差小于0.1℃，相對(duì)濕度穩(wěn)定在100%。DSQ水管儀置于山洞進(jìn)深30—75 m的通道中，分NS、EW兩個(gè)測(cè)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(yáng)臺(tái)形變測(cè)震山洞Fig.1 The cave of crustal deformation at Xinyang Seismic Station

2 異常落實(shí)

2013年9月30日信陽(yáng)臺(tái)DSQ儀NS向出現(xiàn)向南傾斜變化：觀測(cè)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(yán)重畸變（圖2）；EW分量無(wú)異常變化。

圖2　信陽(yáng)臺(tái)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(yáng)臺(tái)觀測(cè)環(huán)境，并結(jié)合多年觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為臺(tái)基發(fā)生垂直位移的干擾因素主要有：觀測(cè)系統(tǒng)故障、降水及載荷應(yīng)力變化。通過(guò)系統(tǒng)排查，排除觀測(cè)系統(tǒng)故障和降水干擾原因。由DSQ儀工作原理可知，當(dāng)連通管一端臺(tái)基出現(xiàn)相對(duì)垂直位移變化時(shí)，另一端液面相對(duì)于缽體發(fā)生變化，該變化通過(guò)浮子、位移傳感器等轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出記錄①武漢地震科學(xué)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(shí)際反映了測(cè)點(diǎn)地面發(fā)生垂直變化。因此，DSQ儀NS分量大幅下滑應(yīng)為測(cè)點(diǎn)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(rèn)為，載荷變遷會(huì)對(duì)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(yīng)力的變化，且表現(xiàn)為南向載荷相對(duì)量增加或北向載荷量減小。綜合考慮信陽(yáng)臺(tái)觀測(cè)環(huán)境，認(rèn)為南偏東向的綠城·百合地產(chǎn)土方施工和南灣水庫(kù)可能導(dǎo)致此次數(shù)據(jù)畸變（圖3）。

（1）南灣水庫(kù)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(yīng)推斷，在此次非正常變化前后，若水庫(kù)水位和庫(kù)容量持續(xù)上升，導(dǎo)致水庫(kù)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(kù)水文站水位資料顯示，2013年9月25日—10月4日進(jìn)庫(kù)量和出庫(kù)量較低，水位穩(wěn)定在94.99—95.35 m，庫(kù)容量無(wú)明顯變化（表1）。因此，南灣水庫(kù)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(shè)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，施工現(xiàn)場(chǎng)（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(yuǎn)，可忽略不計(jì)。因此，認(rèn)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(kù)位置Fig.3 The position of large engineering，reservoirs around the DSQ

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

圖4　DSQ儀觀測(cè)點(diǎn)與村道建設(shè)分布位置Fig.4 The position of the country road and DSQ

2.3 干擾源確認(rèn)

對(duì)2013年9月30日—10月4日信陽(yáng)臺(tái)DSQ儀NS分量異常進(jìn)行落實(shí)，排除觀測(cè)系統(tǒng)故障、降水及載荷應(yīng)力類干擾原因。為確定該異常類型，對(duì)信陽(yáng)臺(tái)周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)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(zhǎng)1 050 m。DSQ儀觀測(cè)點(diǎn)與村道建設(shè)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(yùn)土，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次修路運(yùn)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(shè)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(fù)正常。由此可初步判斷，村道建設(shè)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(jì)算模型

眾所周知，地面載荷產(chǎn)生的地傾斜之一為負(fù)荷導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)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(jiǎn)化，建立一個(gè)水平線性模型，見圖5，取東向和北向?yàn)檎俣ù烁蓴_源位于NE方位，x、y表示觀測(cè)點(diǎn)到該模型最近端A點(diǎn)和最遠(yuǎn)端B點(diǎn)（村莊道路兩端點(diǎn)，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(dāng)半無(wú)限體邊界上有一個(gè)垂直于邊界面的集中力P時(shí)，假定觀測(cè)點(diǎn)與載荷應(yīng)力加載部位同時(shí)位于地表時(shí)，在x、y方向上引起的地傾斜量φ為

其中，P為集中在一點(diǎn)的作用力；μ為介質(zhì)的剪切模量；v為介質(zhì)的泊松比。

3.2 綜合判定

為更好地論證村道建設(shè)為此次DSQ水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線大幅南傾的主要干擾源，嘗試將載荷應(yīng)力參數(shù)帶入公式（1）、（2）進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)調(diào)查，此次村莊道路建設(shè)運(yùn)出的土方造成載荷應(yīng)力卸載量P=1.38×109N，x=20 m，y=425 m。在此取信陽(yáng)當(dāng)?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(shè)載荷降低造成的最大地面傾斜量。同理，帶入公式（2）計(jì)算得到最遠(yuǎn)端的傾斜量φy≈0.000487″=487×10-6″，遠(yuǎn)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(gè)量級(jí)，而其他干擾因素對(duì)DSQ儀的影響根本達(dá)不到此數(shù)量級(jí)，基本可以認(rèn)定：DSQ儀NS分量向南傾的干擾源為村莊道路建設(shè)。至于φx未能達(dá)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(gòu)造有關(guān)，需要作進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)地調(diào)查取證，定量計(jì)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(gè)量級(jí)，而其他干擾因素對(duì)DSQ儀的影響達(dá)不到該數(shù)量級(jí)，可認(rèn)定此次觀測(cè)數(shù)據(jù)不正常變化的干擾源為臨近村莊修路，在短時(shí)間內(nèi)人為增加形變觀測(cè)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(yán)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(dǎo)。

陳德福，聶磊.液體靜力水準(zhǔn)儀及其應(yīng)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(xué)出版社，1986：109-111.

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孫伶俐，羅俊秋，呂品姬，等.十堰臺(tái)數(shù)字化水管儀傾斜潮汐觀測(cè)質(zhì)量評(píng)定［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31（Z1）：59-63.

熊先保，張遠(yuǎn)城，徐智明，等.新增大樓對(duì)地傾斜觀測(cè)的影響［J］.地殼形變與觀測(cè)，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(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：41255647）