利用不规则载荷模型分析马家岭流动水准异常

2016-09-03郑海刚闫伟王雪莹何康李军辉王俊

中国地震 2016年3期

郑海刚闫伟王雪莹何康李军辉王俊

1）安徽省地震局，合肥市长江西路558号 230031

2）中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

作为预测地震活动的手段，利用大地测量的方法研究地壳形变在国内外已得到广泛应用（武汉测绘学院，1979）。其中，跨断层流动水准观测对研究现代地壳运动、了解断层现今活动方式和特点、提取有效地震前兆信息等有一定的意义（朱治国等，2010）。近年来，随着旅游开发和基础建设项目的日益增多，流动水准观测环境受到的破坏也日益严重，很多观测场地周边存在越来越多的载荷影响（李祖宁等，2007；朱航等，2010；刘瑞春等，2012）。

探究载荷对周边形变观测的影响对地震前兆观测、地基沉降监测等研究中具有一定意义（杨国春等，2002；黄庆享，2005；张惠兰，2013）。在以往研究中，有人借助数值分析探讨载荷变化对周边观测的影响特征（杜瑞林等，2004），也有人将分析模型简化为质心点载荷（李祖宁等，2007）。为了更加精细地刻画载荷的近场影响，闫伟等（2015）基于均匀、各向同性的半无限弹性体的点状载荷模型，推导了水平倾斜场的解析解计算方法，给出了二维、三维不规则形状载荷对地面或地下某点的垂直位移和倾斜矢量的解析解计算方法。本文将基于二维不规则载荷模型，对环境荷载变化造成的地面垂直位移进行数值模拟及定量计算，以此探讨安徽霍山马家岭流动水准快速上升变化的机理。

1 场地地震地质背景及观测概况

1.1 地震地质背景

马家岭水准场地位于安徽省霍山地区，该区处于秦岭-大别山断褶带与华北地块区南缘带交汇处的大别山东北部（刘泽民等，2015）。该区域历史上破坏地震活动强烈，公元1336年以来，共发生MS≥5.0地震9次，其中MS≥6.0地震2次，最大震级为1917年1月24日霍山 6⅟4级地震（郑兆苾等，1999）（图1）。自1970年有微震记录以来，发现该地区现代微震、小震活动频繁，并且这些小地震的活动频度与华东地区中强地震间有一定相关性（陈宇卫等，2007；倪红玉等，2015）。

图1 霍山地区地震地质及流动水准测点分布

霍山地区地质构造复杂，在漫长的地质演化过程中发育了一系列NWW、NE向断裂，主要有NWW向的磨子潭-晓天断裂、肥西-韩摆渡断裂、梅山-龙河口断裂；NE向的落儿岭-土地岭断裂（图1）。其中，落儿岭-土地岭断裂为晚更新世断裂，且历史地震的分布与该断裂的走向一致（姚大全等，2010）。断层泥测试结果表明，该断裂在晚更新世早期有1次断层活动（姚大全等，1999）。

1.2 观测概况

马家岭流动水准观测场地位于安徽省霍山县落儿岭乡马家岭村，共有M1、M22个测点，均为基岩标，测距300m，海拔高程约260m。该测线跨越落儿岭-土地岭断裂布设，断裂走向N45°E，倾向SE，倾角约60°（图2）。该场地 1992年 6月开始观测，目前每2个月观测1期，每年观测6期。

图2 马家岭水准场地布设图

2 异常变化特征及环境干扰因素

2.1 异常变化特征

自1992年霍山马家岭流动水准观测以来，趋势性变化分为 3个阶段：①1992～2001年平稳变化阶段；②2002～2011年趋势性上升阶段；③2012～2015年平稳变化阶段。在平稳变化的基础上，测线测值于2014年10月份开始转折上升，之后有4期数据均呈上升状态（截至2015年6月），2015年8月7日测值（加密观测）开始转折下降，至8月28日测值与8月7日持平，数据变化趋于稳定。笔者认为，上述异常变化是一次水准受荷载影响后的快速上升过程（表1、图3）。

表1 马家岭流动水准观测值

图3 马家岭流动水准时序变化

2.2 环境干扰因素

异常变化出现后，笔者对马家岭流动水准观测场地周边进行了环境调研和干扰因素分析，发现M1、M2观测点虽然浸泡在水里，但未见点位受到破坏，且因为观测点均为基岩标，所以浸水并不会对观测造成重大影响。2014年12月开始，观测场地附近开始建设霍山大峡谷游客中心及停车场，2015年4月施工结束。其间建成约200m2的游客中心以及填埋区约30375.99m2、填埋高度平均0.5m的停车场（图4）。

3 荷载影响的定量计算

3.1 原理

二维不规则载荷模型，是将模型的总作用力P进行散点化，各散点的作用力记为Pi，分别求取各散点对某点M的垂向位移 wi和倾斜量（Txi，Tyi），所有散点作用的矢量和即为 M点的垂向位移w和倾斜量（Tx，Ty）（闫伟等，2015）。设网格个数为n，则有

图4 停车场填埋面积估算图

在实际计算时，以不同长度将二维不规则模型进行格网化处理，然后利用质点载荷模型（李祖宁等，2007；闫伟等，2015）分别求取各格网对M点的垂向位移 wi和倾斜量 Txi、Tyi，最后利用式（2）、（3）求取该点的垂向位移 w和倾斜量（Tx，Ty）。

3.2 荷载计算

对马家岭流动水准观测场地进行现场环境调查时发现，在场地附近新建一霍山大峡谷漂流游客中心，中心为2层钢筋混泥土结构楼房，建筑面积约200m2，荷载1500kg／m2（熊先宝等，2000），增加荷载约 300t；另，新建一处停车场，面积约 30375.99m2，平均填埋高度0.5m，取砂土比重1.9t／m3（龚文慧，2008），增加荷载约 28857t。由此可知，马家岭水准场地附近，由于建设霍山大峡谷漂流游客中心，新增荷载合计约29157t。

3.3 定量模拟

模拟中对载荷进行了散点化处理，以所有散点对M1、M2点作用的矢量和作为周边载荷变化引起的垂直位移量。计算时根据场地所处地区多为闪长片麻岩的特征，取弹性模量E＝5.0×107Pa、ν＝0.25（顾晓鲁，2003）。

计算结果显示（图5），M1点受载荷引起的垂向位移为－0.569mm；M2点为－1.339mm。由此可见：①M2点下沉较 M1点大，且填埋土方地点与 M2点同盘，所以表现为曲线上升；②荷载引起曲线上升的量级应为M2点与M1点的垂直位移之差，即1.339-0.569≈0.77mm。其中，曲线上升与马家岭水准实测曲线相吻合，定量模拟的高差0.77mm与实测最大高差0.70mm相当，这进一步说明马家岭水准观测场地周边霍山大峡谷游客中心和停车场的建设对马家岭水准观测有一定影响，而这一认定基本可以确定马家岭流动水准观测的快速上升异常为环境干扰因素所致。