李宏偉 王 霞 李文超

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037000)

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·水利工程·

基于FLAC3D模擬庫(kù)水位改變對(duì)周圍傾斜場(chǎng)的影響★

李宏偉1王 霞1李文超2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037000)

采用FLAC3D軟件，對(duì)郭莊水庫(kù)庫(kù)水位的改變引起周圍傾斜場(chǎng)的變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，2013年7月庫(kù)水位的上升對(duì)昔陽(yáng)傾斜儀測(cè)點(diǎn)處的影響約為0.01角秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際觀測(cè)值的2角秒，因此該測(cè)點(diǎn)2013年7月的大幅度變化不是由庫(kù)水位的上升造成的。

水庫(kù)庫(kù)水位，F(xiàn)LAC3D，傾斜場(chǎng)，位移量

地震前兆異常跟蹤過(guò)程中，最重要的核心問(wèn)題是科學(xué)判定異常。如何從定性到定量分析異常變化與干擾的影響規(guī)律，為地震預(yù)測(cè)研究提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)，是地震預(yù)測(cè)研究的探索和努力方向。

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的增多，各個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境受到越來(lái)越嚴(yán)重的影響，臺(tái)站周邊存在著越來(lái)越多的載荷影響[1，2]，其中包括水庫(kù)庫(kù)水位的改變，這些干擾在某種程度上可以等效為載荷的變化，許多學(xué)者也從理論上分析了載荷對(duì)周邊應(yīng)變場(chǎng)觀測(cè)的影響[3-5]，也有不少學(xué)者利用數(shù)值分析技術(shù)探討水庫(kù)庫(kù)水位的改變對(duì)周圍巖體穩(wěn)定性的影響[6-9]，水庫(kù)庫(kù)水位的改變確實(shí)可以引起周圍應(yīng)力場(chǎng)的改變，但定量化的研究對(duì)周圍傾斜場(chǎng)影響的文獻(xiàn)還涉及不多，鑒于此，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)郭莊水庫(kù)庫(kù)水位上升引起的傾斜場(chǎng)變化進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 水庫(kù)及測(cè)點(diǎn)概況

郭莊水庫(kù)位于昔陽(yáng)縣城南的郭莊村附近松溪河上游，屬海河流域子牙河水系，設(shè)計(jì)水庫(kù)庫(kù)容為2 000萬(wàn)m3左右的中型水庫(kù)[10]，2013年7月，8月，9月水庫(kù)進(jìn)、出水量如表1，表2所示。

表1 郭莊水庫(kù)2013年進(jìn)庫(kù)水量

表2 郭莊水庫(kù)2013年出庫(kù)水量

昔陽(yáng)水平擺傾斜儀安放于昔陽(yáng)地震臺(tái)山洞中，山洞開挖于奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組深灰色厚層石灰?guī)r中，山洞覆蓋厚度約12 m，每年雨季洞內(nèi)濕度增大，從近幾年的觀測(cè)資料來(lái)看，每年雨季曲線均出現(xiàn)大幅臺(tái)階變化。2013年7月東西向最大傾斜角度達(dá)2 000毫角秒左右(見圖1)，遠(yuǎn)超過(guò)正常的背景值，觀測(cè)點(diǎn)西南方向約4.63 km處的郭莊水庫(kù)在測(cè)點(diǎn)傾斜變化前有約300萬(wàn)m3水量進(jìn)庫(kù)，因此初步判斷測(cè)點(diǎn)大幅度傾斜變化與水庫(kù)庫(kù)容的增加有關(guān)，但具體原因仍需進(jìn)一步論證。

2 水庫(kù)庫(kù)容改變影響的定量分析

2.1 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

將水庫(kù)庫(kù)水位上升變化等效為在水庫(kù)所在位置的上方額外增加載荷，將水庫(kù)庫(kù)水位的上升量轉(zhuǎn)化為豎直向下的法向應(yīng)力，相當(dāng)于均勻載荷的加載。由表1，表2可知，水庫(kù)進(jìn)、出水量的最大變化為2013年7月份的進(jìn)庫(kù)量，達(dá)310.91萬(wàn)m3，為了獲取最大影響范圍及影響量級(jí)，以2013年7月份的變化量為計(jì)算依據(jù)來(lái)模擬獲取水庫(kù)荷載的變化量，經(jīng)計(jì)算得到等效載荷約為3.1×1010N。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Brick六面塊體網(wǎng)格單元進(jìn)行建模，該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成；設(shè)定模型大小為8 km×8 km×4 km，單個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)度為200 m，單元個(gè)數(shù)為3.2×104個(gè)，水庫(kù)面積簡(jiǎn)化為(750×750)m2，建模時(shí)將水庫(kù)置于模型中央，在模型底部和側(cè)面施加位移約束，水庫(kù)表面上施加面載荷。

觀測(cè)點(diǎn)位于太行山斷塊隆起區(qū)，周圍出露的地層巖性以灰?guī)r和砂巖為主；取彈性模量E=3.0×104MPa，泊松比μ=0.25，比重ρ=2.7 kg/m3。

2.2 位移量計(jì)算

圖2是加載計(jì)算平衡后的垂直向位移分布圖，可以看出，在水庫(kù)上方加載垂向應(yīng)力后所引起的垂直向位移場(chǎng)是以水庫(kù)為中心，快速向水庫(kù)外圍衰減，最大垂向位移為1.87×10-4m。

圖3是加載計(jì)算平衡后沿X方向的水平位移圖，可以看出，面載荷模型加載所引起的水平向位移場(chǎng)最大位移點(diǎn)不是垂向最大位移點(diǎn)，而是存在一定的水平偏離，其中最大水平位移量為3.0×10-5m。

2.3 傾斜量計(jì)算

任意點(diǎn)M(x，y，z)的傾斜角度α可以通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的水平位移Wxy與垂直位移Wz的比值求反正切值計(jì)算(見圖4，式(1))。由以上計(jì)算得到的垂直位移場(chǎng)與水平位移場(chǎng)分布可知，水庫(kù)庫(kù)水位的改變引起的最大傾斜點(diǎn)位置不在水庫(kù)中心的位置，而應(yīng)位于離開水庫(kù)中心一定的位置。

(1)

式中:α——傾斜角度；Wxy——M點(diǎn)相對(duì)于變形前的水平方向的位移；Wz——M點(diǎn)相對(duì)于變形前的垂向位移。

圖5是經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的傾斜場(chǎng)，結(jié)果顯示，傾斜量的最大值位置與水平位移量最大值位置一致，傾斜量自最大處向載荷中心與外圍逐漸縮小，經(jīng)計(jì)算臺(tái)站所在處的傾斜量約為0.01角秒。

3 結(jié)語(yǔ)

地表傾斜監(jiān)測(cè)作為重要的地震前兆監(jiān)測(cè)手段，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)

報(bào)研究中發(fā)揮著重要的作用，尤其在地震短臨預(yù)報(bào)研究中取得了許多研究成果，為地震預(yù)報(bào)研究積累了豐富的觀測(cè)資料。在各類干擾因素中，載荷的變化是其主要的影響因素之一，如何定量分析載荷的變化對(duì)觀測(cè)值的影響規(guī)律，是進(jìn)行分析預(yù)報(bào)的首要工作。

根據(jù)構(gòu)建的FLAC3D模型計(jì)算結(jié)果得出，郭莊水庫(kù)2013年7月庫(kù)水 位改變對(duì)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，因此認(rèn)為昔陽(yáng)傾斜儀測(cè)點(diǎn)在2013年7月的大幅度變化與郭莊水庫(kù)庫(kù)水位的上升關(guān)系不大，可能同時(shí)段還有其他干擾因素的存在。據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，觀測(cè)值大幅變化前測(cè)區(qū)附近有降雨，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出的傾斜值與實(shí)際觀測(cè)較為吻合，據(jù)此推測(cè)此次變化可能受降雨的影響。

水庫(kù)庫(kù)水位改變對(duì)周圍傾斜場(chǎng)的影響在實(shí)際分析中，不能僅從時(shí)間進(jìn)程的角度去給出判定，還應(yīng)通過(guò)構(gòu)建理論模型定量分析，給出影響范圍及量級(jí)，但模型結(jié)果的可靠性與地質(zhì)模型構(gòu)建的精細(xì)程度、參數(shù)的選取以及荷載變化量的多少有關(guān)。

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The simulation of the change in the water-level of reservoir influencing tilting field based on FLAC3D★

Li Hongwei1Wang Xia1Li Wenchao2

(1.EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China; 2.DatongSeismologicalofEarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Datong037000,China)

The paper analyzes the change of the water-level of Guozhuang reservoir causing the variation of tilting field through FLAC3D. The result shows that the influence on the tiltmeter of Xiyang station caused by the rising of reservoir water-level in July, 2013 is about 0.01 arcsecond, which is far less than the observation value of 2 arcsecond. Therefore, the significant change of the tiltmeter of Xiyang station is not caused by the rising of reservoir water-level.

water-level of reservoir, FLAC3D, tilting field, displacement

1009-6825(2016)31-0221-02

2016-08-24 ★:山西省地震局科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SBK-1509)；2016年度震情跟蹤青年課題(項(xiàng)目編號(hào)：2016010219)

李宏偉(1986- )，男，碩士，工程師； 王 霞(1987- )，女，碩士，工程師； 李文超(1990- )，男，助理工程師

TV697.25

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