道路建设对DSQ水管倾斜仪影响分析

余尚江 成万里 卢 亚 黄恩贤 曲翠兰

（中国河南464000信阳地震台）

道路建设对DSQ水管倾斜仪影响分析

余尚江 成万里 卢 亚 黄恩贤 曲翠兰

（中国河南464000信阳地震台）

2013年9月30日信阳地震台DSQ水管倾斜仪NS向观测数据曲线出现大幅向南下滑现象，EW向数据正常。实地调查发现，此次不正常变化由地震台临近村庄修路（距离最近处小于20 m）造成，因人为降低地面载荷，使外界环境发生变化，导致观测数据异常，排除地震异常可能。

DSQ水管倾斜仪；观测系统；降水；载荷应力干扰

0 引言

当前中国城市化进程飞快，地震监测台站被各种人类构筑物包围，严重影响地倾斜类仪器观测质量。此类观测仪器主要监视地面微倾斜，因而人类构筑物造成的载荷应力成为主要干扰源之一。为精准查明并排除此类干扰，且为有效保护观测环境创造条件，地震研究人员需采用相应计算方法，精确地定量分析干扰源。然而，目前直接运用数学方法定量分析地倾斜的研究成果较少，难以形成系统有效的分析手段。DSQ型水管倾斜仪（以下简称DSQ仪）能够提供地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等科学数据，把握地震事件周期、应力的变化以及相关地壳变形之间的关系（孙伶俐等，2011）。鉴于此，以DSQ仪为载体，建立计算简单且接近客观实际的模型，定量分析该模型引起的地倾斜及其对地倾斜仪的影响。以期实时查明地震观测资料中异常现象的产生原因，并为保护台站观测环境提供重要依据。本文以分析2013年9月30日信阳地震台DSQ水管倾斜仪NS向观测数据曲线出现的大幅向南下滑现象为例，构筑相应计算模型，分析载荷应力变化，进而找出干扰，排除异常。

1 台站背景

信阳地震台（以下简称信阳台）始建于1971年，向南距贤山约0.8 km，距南湾水库约1 km，气候介于南北过度带，自然条件优越。信阳台形变观测点位于大别山弧形构造带北缘，主要出露地层为下古生界角闪片麻岩。该区地貌为河谷阶地，基底较稳定。测点山体较小，相对高度25 m，山顶及山坡均有1—2 m深的岩石风化层，表层为亚粘土，山顶及山北、南、西坡有随季节变化的草皮植被。

DSQ仪所在山洞全长140 m，洞体为预制混凝土块、机砖结构的被覆体，被覆体外铺设二毡三油防水层，洞口装有1个密封门和3个船舱门，洞室温度年变化量小于0.5℃，日温差小于0.1℃，相对湿度稳定在100%。DSQ水管仪置于山洞进深30—75 m的通道中，分NS、EW两个测量方向，主体墩为灰岩墩，规格为0.47 m×0.47 m× 0.60 m。山洞覆盖厚度EW向西端15 m，东端18 m，NS向均18 m以上（刘建华等，2004）（图1）。

图1　信阳台形变测震山洞Fig.1 The cave of crustal deformation at Xinyang Seismic Station

2 异常落实

2013年9月30日信阳台DSQ仪NS向出现向南倾斜变化：观测数值从30日的193×10-3″下降到10月4日的-300×10-3″上下，固体潮形态发生严重畸变（图2）；EW分量无异常变化。

图2　信阳台DSQ仪2013年9月28日—10月5日NS、EW分量曲线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 异常初判

考虑到信阳台观测环境，并结合多年观测经验，认为台基发生垂直位移的干扰因素主要有：观测系统故障、降水及载荷应力变化。通过系统排查，排除观测系统故障和降水干扰原因。由DSQ仪工作原理可知，当连通管一端台基出现相对垂直位移变化时，另一端液面相对于钵体发生变化，该变化通过浮子、位移传感器等转化为电信号输出记录①武汉地震科学仪器研究院，DSQ型水管倾斜仪原理、安装与使用，ZL99116637.X，2006。而这种变化实际反映了测点地面发生垂直变化。因此，DSQ仪NS分量大幅下滑应为测点周边地面载荷发生较大改变所致。

2.2 干扰源排查

一般认为，载荷变迁会对地倾斜单分量产生影响（陈德福等，2008）。从DSQ仪表现的NS分量发生大幅向南倾斜，EW分量正常的变化特征推断，形变山洞NS向可能出现载荷应力的变化，且表现为南向载荷相对量增加或北向载荷量减小。综合考虑信阳台观测环境，认为南偏东向的绿城·百合地产土方施工和南湾水库可能导致此次数据畸变（图3）。

（1）南湾水库大坝距形变山洞仅1.2 km，是造成此次数据异常的潜在干扰源。根据载荷加载效应推断，在此次非正常变化前后，若水库水位和库容量持续上升，导致水库大坝地区载荷明显增加，就可能造成DSQ仪向南大幅向南倾斜。然而，南湾水库水文站水位资料显示，2013年9月25日—10月4日进库量和出库量较低，水位稳定在94.99—95.35 m，库容量无明显变化（表1）。因此，南湾水库水位变化不是造成此次DSQ仪异常的原因。

（2）形变山洞ES向500m处，绿城·百合新城土方开挖建设。调查发现，施工现场（图3）开挖深基坑且开挖土基本就地堆放，未产生明显的载荷变迁，距离DSQ仪太远，可忽略不计。因此，认为该工程非DSQ仪NS分量的畸变干扰源。

图3　DSQ周边大型工程、水库位置Fig.3 The position of large engineering，reservoirs around the DSQ

表1　南湾水库（坝上）站水位统计Table 1 Statistics of Nanwan reservoir（dam） water level

图4　DSQ仪观测点与村道建设分布位置Fig.4 The position of the country road and DSQ

2.3 干扰源确认

对2013年9月30日—10月4日信阳台DSQ仪NS分量异常进行落实，排除观测系统故障、降水及载荷应力类干扰原因。为确定该异常类型，对信阳台周边环境进行详细排查，发现形变山洞NE向村庄正在修筑水泥路，路面南端距DSQ仪南北分量不到50 m。此次修筑水泥路开始于9月20日，道路总长1 050 m。DSQ仪观测点与村道建设分布位置见图4。由于此处为土丘，修建图中的道路（黄线部分）需大量挖方运土，调查发现，此次修路运出土方量约50 400 m3，重约141 120 t，DSQ仪北端的载荷量明显降低。

10月3日晚村道建设完工，10月4日起DSQ仪NS分量停止向南倾斜，保持现有变化量不变，固体潮曲线形态恢复正常。由此可初步判断，村道建设为此次DSQ仪大幅向南倾斜的主要原因。

图5　水平线性模型Fig.5 Horizontal linear model

3 载荷分析

3.1 计算模型

众所周知，地面载荷产生的地倾斜之一为负荷导致观测点地基形变所引起的地倾斜（熊先保等，2000）。将干扰源——村庄道路抽象简化，建立一个水平线性模型，见图5，取东向和北向为正，假定此干扰源位于NE方位，x、y表示观测点到该模型最近端A点和最远端B点（村庄道路两端点，见图4）的方向和距离。

由弹性理论（冯锐等，1978；杜庆华等，1986）可知，当半无限体边界上有一个垂直于边界面的集中力P时，假定观测点与载荷应力加载部位同时位于地表时，在x、y方向上引起的地倾斜量φ为

其中，P为集中在一点的作用力；μ为介质的剪切模量；v为介质的泊松比。

3.2 综合判定

为更好地论证村道建设为此次DSQ水管倾斜仪观测数据曲线大幅南倾的主要干扰源，尝试将载荷应力参数带入公式（1）、（2）进行计算。

经调查，此次村庄道路建设运出的土方造成载荷应力卸载量P=1.38×109N，x=20 m，y=425 m。在此取信阳当地砂岩体与破碎片麻岩（主要为砂岩体）的平均剪切模量，即μ=2.0×106Pa，泊松比v=0.20，带入公式（1），得到最近端的倾斜量φx≈0.22″=220×10-3″，即村道建设载荷降低造成的最大地面倾斜量。同理，带入公式（2）计算得到最远端的倾斜量φy≈0.000487″=487×10-6″，远小于最近端的最大地面倾斜量。

而本次DSQ仪NS向倾斜量φ=493×10-3″，显然与最近端的倾斜量基本处于同一个量级，而其他干扰因素对DSQ仪的影响根本达不到此数量级，基本可以认定：DSQ仪NS分量向南倾的干扰源为村庄道路建设。至于φx未能达到DSQ仪显示的倾斜量φ，可能与仪器系统或特殊的地下构造有关，需要作进一步研究。

4 结论

通过实地调查取证，定量计算DSQ仪到村庄道路最近端x方向上的倾斜量为φx=220×10-3″，而DSQ仪记录显示的NS向倾斜量φ=493×10-3″，两者基本处于同一个量级，而其他干扰因素对DSQ仪的影响达不到该数量级，可认定此次观测数据不正常变化的干扰源为临近村庄修路，在短时间内人为增加形变观测山洞东边山体的地面载荷，且距离太近（最近处只有20 m），产生严重的外界环境干扰，人为干扰特征明显，是一次明显的环境干扰引起的异常变化，排除地震异常的可能。

感谢河南省地震局周小川、浙江省地震局尹晶飞的热心指导。

陈德福，聂磊.液体静力水准仪及其应用［M］.北京：地震出版社，2008.

杜庆华，余寿文，姚振汉.弹性理论［M］.北京：科学出版社，1986：109-111.

冯锐.地倾斜与地震［M］.北京：地震出版社，1978：170-172.

刘建华，薛红轩，王丰，等.河南省地震监测志［M］.北京：地震出版社，2004.

孙伶俐，罗俊秋，吕品姬，等.十堰台数字化水管仪倾斜潮汐观测质量评定［J］.大地测量与地球动力学，2011，31（Z1）：59-63.

熊先保，张远城，徐智明，等.新增大楼对地倾斜观测的影响［J］.地壳形变与观测，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，硕士，助理工程师，主要从事地形变研究工作。E-mail：ylm2015@163.com

河南省地震局科研基金项目（项目号：41255647）