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(zhǎng)江西路558號(hào) 230031

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

作為預(yù)測(cè)地震活動(dòng)的手段，利用大地測(cè)量的方法研究地殼形變?cè)趪?guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用（武漢測(cè)繪學(xué)院，1979）。其中，跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)對(duì)研究現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)、了解斷層現(xiàn)今活動(dòng)方式和特點(diǎn)、提取有效地震前兆信息等有一定的意義（朱治國(guó)等，2010）。近年來(lái)，隨著旅游開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)環(huán)境受到的破壞也日益嚴(yán)重，很多觀測(cè)場(chǎng)地周邊存在越來(lái)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(duì)周邊形變觀測(cè)的影響對(duì)地震前兆觀測(cè)、地基沉降監(jiān)測(cè)等研究中具有一定意義（楊國(guó)春等，2002；黃慶享，2005；張惠蘭，2013）。在以往研究中，有人借助數(shù)值分析探討載荷變化對(duì)周邊觀測(cè)的影響特征（杜瑞林等，2004），也有人將分析模型簡(jiǎn)化為質(zhì)心點(diǎn)載荷（李祖寧等，2007）。為了更加精細(xì)地刻畫(huà)載荷的近場(chǎng)影響，閆偉等（2015）基于均勻、各向同性的半無(wú)限彈性體的點(diǎn)狀載荷模型，推導(dǎo)了水平傾斜場(chǎng)的解析解計(jì)算方法，給出了二維、三維不規(guī)則形狀載荷對(duì)地面或地下某點(diǎn)的垂直位移和傾斜矢量的解析解計(jì)算方法。本文將基于二維不規(guī)則載荷模型，對(duì)環(huán)境荷載變化造成的地面垂直位移進(jìn)行數(shù)值模擬及定量計(jì)算，以此探討安徽霍山馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)快速上升變化的機(jī)理。

1 場(chǎng)地地震地質(zhì)背景及觀測(cè)概況

1.1 地震地質(zhì)背景

馬家?guī)X水準(zhǔn)場(chǎng)地位于安徽省霍山地區(qū)，該區(qū)處于秦嶺-大別山斷褶帶與華北地塊區(qū)南緣帶交匯處的大別山東北部（劉澤民等，2015）。該區(qū)域歷史上破壞地震活動(dòng)強(qiáng)烈，公元1336年以來(lái)，共發(fā)生MS≥5.0地震9次，其中MS≥6.0地震2次，最大震級(jí)為1917年1月24日霍山 6?4級(jí)地震（鄭兆苾等，1999）（圖1）。自1970年有微震記錄以來(lái)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)現(xiàn)代微震、小震活動(dòng)頻繁，并且這些小地震的活動(dòng)頻度與華東地區(qū)中強(qiáng)地震間有一定相關(guān)性（陳宇衛(wèi)等，2007；倪紅玉等，2015）。

圖1 霍山地區(qū)地震地質(zhì)及流動(dòng)水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)分布

霍山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程中發(fā)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(cè)試結(jié)果表明，該斷裂在晚更新世早期有1次斷層活動(dòng)（姚大全等，1999）。

1.2 觀測(cè)概況

馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地位于安徽省霍山縣落兒嶺鄉(xiāng)馬家?guī)X村，共有M1、M22個(gè)測(cè)點(diǎn)，均為基巖標(biāo)，測(cè)距300m，海拔高程約260m。該測(cè)線跨越落兒嶺-土地嶺斷裂布設(shè)，斷裂走向N45°E，傾向SE，傾角約60°（圖2）。該場(chǎng)地 1992年 6月開(kāi)始觀測(cè)，目前每2個(gè)月觀測(cè)1期，每年觀測(cè)6期。

圖2 馬家?guī)X水準(zhǔn)場(chǎng)地布設(shè)圖

2 異常變化特征及環(huán)境干擾因素

2.1 異常變化特征

自1992年霍山馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)以來(lái)，趨勢(shì)性變化分為 3個(gè)階段：①1992～2001年平穩(wěn)變化階段；②2002～2011年趨勢(shì)性上升階段；③2012～2015年平穩(wěn)變化階段。在平穩(wěn)變化的基礎(chǔ)上，測(cè)線測(cè)值于2014年10月份開(kāi)始轉(zhuǎn)折上升，之后有4期數(shù)據(jù)均呈上升狀態(tài)（截至2015年6月），2015年8月7日測(cè)值（加密觀測(cè)）開(kāi)始轉(zhuǎn)折下降，至8月28日測(cè)值與8月7日持平，數(shù)據(jù)變化趨于穩(wěn)定。筆者認(rèn)為，上述異常變化是一次水準(zhǔn)受荷載影響后的快速上升過(guò)程（表1、圖3）。

表1 馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)值

圖3 馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)時(shí)序變化

2.2 環(huán)境干擾因素

異常變化出現(xiàn)后，筆者對(duì)馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地周邊進(jìn)行了環(huán)境調(diào)研和干擾因素分析，發(fā)現(xiàn)M1、M2觀測(cè)點(diǎn)雖然浸泡在水里，但未見(jiàn)點(diǎn)位受到破壞，且因?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)均為基巖標(biāo)，所以浸水并不會(huì)對(duì)觀測(cè)造成重大影響。2014年12月開(kāi)始，觀測(cè)場(chǎng)地附近開(kāi)始建設(shè)霍山大峽谷游客中心及停車場(chǎng)，2015年4月施工結(jié)束。其間建成約200m2的游客中心以及填埋區(qū)約30375.99m2、填埋高度平均0.5m的停車場(chǎng)（圖4）。

3 荷載影響的定量計(jì)算

3.1 原理

二維不規(guī)則載荷模型，是將模型的總作用力P進(jìn)行散點(diǎn)化，各散點(diǎn)的作用力記為Pi，分別求取各散點(diǎn)對(duì)某點(diǎn)M的垂向位移 wi和傾斜量（Txi，Tyi），所有散點(diǎn)作用的矢量和即為 M點(diǎn)的垂向位移w和傾斜量（Tx，Ty）（閆偉等，2015）。設(shè)網(wǎng)格個(gè)數(shù)為n，則有

圖4 停車場(chǎng)填埋面積估算圖

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，以不同長(zhǎng)度將二維不規(guī)則模型進(jìn)行格網(wǎng)化處理，然后利用質(zhì)點(diǎn)載荷模型（李祖寧等，2007；閆偉等，2015）分別求取各格網(wǎng)對(duì)M點(diǎn)的垂向位移 wi和傾斜量 Txi、Tyi，最后利用式（2）、（3）求取該點(diǎn)的垂向位移 w和傾斜量（Tx，Ty）。

3.2 荷載計(jì)算

對(duì)馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在場(chǎng)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(jié)構(gòu)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(chǎng)，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?guī)X水準(zhǔn)場(chǎng)地附近，由于建設(shè)霍山大峽谷漂流游客中心，新增荷載合計(jì)約29157t。

3.3 定量模擬

模擬中對(duì)載荷進(jìn)行了散點(diǎn)化處理，以所有散點(diǎn)對(duì)M1、M2點(diǎn)作用的矢量和作為周邊載荷變化引起的垂直位移量。計(jì)算時(shí)根據(jù)場(chǎng)地所處地區(qū)多為閃長(zhǎng)片麻巖的特征，取彈性模量E＝5.0×107Pa、ν＝0.25（顧曉魯，2003）。

計(jì)算結(jié)果顯示（圖5），M1點(diǎn)受載荷引起的垂向位移為－0.569mm；M2點(diǎn)為－1.339mm。由此可見(jiàn)：①M(fèi)2點(diǎn)下沉較 M1點(diǎn)大，且填埋土方地點(diǎn)與 M2點(diǎn)同盤(pán)，所以表現(xiàn)為曲線上升；②荷載引起曲線上升的量級(jí)應(yīng)為M2點(diǎn)與M1點(diǎn)的垂直位移之差，即1.339-0.569≈0.77mm。其中，曲線上升與馬家?guī)X水準(zhǔn)實(shí)測(cè)曲線相吻合，定量模擬的高差0.77mm與實(shí)測(cè)最大高差0.70mm相當(dāng)，這進(jìn)一步說(shuō)明馬家?guī)X水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地周邊霍山大峽谷游客中心和停車場(chǎng)的建設(shè)對(duì)馬家?guī)X水準(zhǔn)觀測(cè)有一定影響，而這一認(rèn)定基本可以確定馬家?guī)X流動(dòng)水準(zhǔn)觀測(cè)的快速上升異常為環(huán)境干擾因素所致。

圖5 不規(guī)則載荷引起周邊垂向位移場(chǎng)的空間分布

4 結(jié)論與討論

本文采用不規(guī)則載荷模型模擬計(jì)算了載荷變化引起的垂直位移量，從定性和定量2個(gè)方面分析了載荷變化引起馬家?guī)X水準(zhǔn)異常變化的可能性，并得到如下結(jié)論：

（1）霍山大峽谷漂流終點(diǎn)停車場(chǎng)建設(shè)主要以填埋土方和房屋建設(shè)為主，填方面積約3萬(wàn)m2，產(chǎn)生的荷載量約2.9萬(wàn)t，且填方地點(diǎn)與 M2點(diǎn)同盤(pán)，從而導(dǎo)致 M2點(diǎn)下沉量大于M1點(diǎn)，高差觀測(cè)曲線上升。

（2）運(yùn)用不規(guī)則載荷模型計(jì)算得到M2點(diǎn)與M1點(diǎn)的垂直位移差為0.77mm，這與觀測(cè)曲線實(shí)測(cè)最大高差0.70mm相當(dāng)，從定量角度進(jìn)一步說(shuō)明馬家?guī)X水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地周邊霍山大峽谷游客中心和停車場(chǎng)的建設(shè)確實(shí)對(duì)馬家?guī)X水準(zhǔn)觀測(cè)產(chǎn)生一定影響。

（3）本文在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中未能考慮測(cè)量斷層的影響，這主要由于使用的二維不規(guī)則載荷模型為單層介質(zhì)模型，在載荷重新分配過(guò)程中未考慮散點(diǎn)之間存在的垂向作用力或剪應(yīng)力。這導(dǎo)致本研究對(duì)測(cè)量斷層的耦合關(guān)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(bǔ)這一缺憾。