黄河蓄水工程对乌海体应变影响

熊 峰 陈立峰 查 斯 刘永梅

（中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局）

黄河蓄水工程对乌海体应变影响

熊 峰 陈立峰 查 斯 刘永梅

（中国呼和浩特010010内蒙古自治区地震局）

通过数值建模，定量分析“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水，对乌海地震台体积式应变仪测值2015年1月—4月破年变规律形态的影响，按照地表载荷影响力学模型及岩层加载载荷形变机理计算，水库蓄水引起的应变量接近体应变实测值。由此确认，该工程水库蓄水对乌海体应变中短期异常变化具有较大影响。

水库蓄水；体积式应变仪测值；载荷影响

0 引言

大型水库蓄水影响生态环境平衡，也会对库区岩体产生影响。除由板块运动和其他构造过程引起的缓慢且稳定变化的构造应力外，地壳中也存在瞬态和周期性的载荷作用，如：固体潮汐力作用、水库水位变化产生的加卸载效应、强震发生引起的静态和动态载荷作用等。这些瞬态和周期性的载荷作用于断层，引起断层应力状态调整，从而影响断层带地震活动性，导致强震提前或延迟发生（黄元敏等，2008）。水库蓄水对周边环境的影响较为复杂，从岩体力学角度，水体载荷的重力作用产生弹性载荷效应，导致一定孔隙压力变化，从而改变库区及周围地区应力场和岩土体的强度（阳生权，2012）。水库库区地质构造、岩性、岩体和断裂力学性质及流体状态与运移特征、地下水对断层物质的软化作用，在蓄水初期，库水载荷可能起主要作用，随着水位变化，水在岩石裂隙中的不断渗流，孔隙压的改变主要由库水的渗透、侧压和水荷载重的联合作用引起（王秋月等，2010；程惠红等，2013）。孔隙压力加卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变逐渐累积，岩石强度及变形规律随孔隙压力的变化规律表明，岩石的累计变形还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生（刘向君等，2011）。

2010年1月至2015年6月，乌海地震台（以下简称乌海台）周边300 km内发生MS4.0以上地震21次，最大地震为2015年4月15日内蒙古阿左旗MS5.8地震，其中震中距300 km内发生地震10次，200 km内7次，50 km左右4次，可见乌海周边地震活动比较活跃。2014年2月12日，黄河海勃湾水利枢纽工程分凌下闸蓄水，2015年1—7月乌海体应变破年变变化，水库蓄水是否影响断裂带上的地震活动性，对乌海钻孔体积式应变仪观测产生什么影响，在此进行分析。

1 测点地质构造

乌海是鄂尔多斯古大陆的一部分，系古地中海浸区经第3次喜玛拉雅山隆起而成，北端由祈连山、吕梁山、贺兰山构造形成山字形脊柱顶部，东部是绵延百里的桌子山，中部为岗德尔山，西部为五虎山，各山体均属贺兰山脉北端余脉，三山成南北走向平行排列，中间形成两条平坦的谷地。乌海北边是临河断陷盆地，南边是银川断陷盆地，西侧是吉兰泰断陷盆地，东侧是鄂尔多斯地台，黄河沿岗德尔山西谷流经市区，阻断乌兰布和沙漠进入河套地区。乌海地处华北板块西北边缘，当华北地震处于高潮时，乌海周边地震活动比较活跃（内蒙古自治区地震局，2006）。乌海体应变测点位于南北构造体系的北端、天山—阴山纬向的中部南侧，东边是桌子山东缘断裂，西边是桌子山西缘断裂，水库距离桌子山西缘断裂不到10 km。

2 乌海体应变测项

2.1 观测系统

乌海地震台体应变测项采用TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变测量仪，2010年2月开始观测，测点海拔1 160 m。观测仪器安装在体应变观测井内，仪器探头密封于地下基岩内，通过地下线路与室内数据采集器相连。钻孔体应变参数见表1。

表1　钻孔体应变参数Table 1 Basic situation of drilling type volumetric strain gauge

2.2 数据分析

（1）体应变数据异常。乌海台钻孔体应变记录年变特征主要表现为：①具有较为明显的年变化周期，完成1个年变周期所需时间基本相同；②年变化每年有3个波峰，年初上升，年末下降；③数据年动态表现为每年1—4月曲线上升，而2015年该时段呈下降状态；④2015年4月15日震中距54.7 km的阿左旗MS5.8地震发生后，20日数据曲线转平，6月10日起逐渐上升。2010年1月—2015年7月乌海体应变年变趋势对比曲线见图1。

（2）潮汐因子变化分析。乌海台钻孔体应变M2波潮汐因子变化曲线见图2。2014年3月14日至5月18日数据采集器发生故障，导致潮汐因子曲线出现较大台阶变化，而其他时段M2波潮汐因子变化正常且变化值均小于0.1，仪器运行正常，测值可靠。

图1　乌海体应变趋势对比Fig.1 Comparison of volumetric strain trends at Wuhai Seismic Station

图2　乌海体应变M2波潮汐因子曲线Fig.2 Tidal factor curve of M2wave at Wuhai Seismic Station

3 库区蓄水影响

3.1 黄河海勃湾水利枢纽工程

“黄河海勃湾水利枢纽工程”位于乌海台钻孔体应变井NW向约24.5 km处，在此简称水库。水库正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，面积118 km2，总库容4.87×108m3。土石坝布置在黄河左岸，坝长6 371 m，顶宽7 m，最大坝高16.2 m；泄洪闸共16孔，布置在黄河主河槽中左部。2014年2月12日，黄河海勃湾水利枢纽工程分凌下闸蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面积80 km2，水位1 073.5 m。

3.2 载荷影响

地层受到的载荷作用发生变化时，会产生一定形变。在加卸载作用下，不同弹性模量的岩石内部发生形变，岩石加载后弹性形变、弹性岩石卸载前原始状态、弹性岩石卸载后变化、岩石加载后弹塑性变化、弹塑性岩石卸载前原始状态、弹塑性岩石卸载后变化，6种模型见图3。水库载荷可以改变库区岩体应力场，见图3（a），如果岩石弹性模量较大（如闪长岩、花岗岩、灰岩等），则易发生弹性应变；如果岩石弹性模量较小（如泥灰岩、石膏等），则易发生弹塑性应变。乌海体积应变仪探头所处基岩为灰岩，弹性模量较大，水库蓄水导致载荷加载，基岩发生弹性应变，见图3（b），载荷体应变表现为张性变化。

3.3 体应变理论变化数值

3.3.1 理论模型。为了定量分析水库蓄水造成的载荷变化对乌海钻孔体应变观测的影响，根据地表载荷影响的力学模型（骆鸣津等，2008），从理论上计算载荷变化引起的乌海体应变测值。

图3　不同弹性模量岩石在加卸载作用下内部形变模式模型（a）原始状态；（b）弹性岩石；（c）弹塑性岩石Fig.3 Model of internal deformation of rock with different elastic modulus under the action of loading and unloading

根据半无限空间均布载荷模型，把弹性球状物从中间切成两半，其中的每一半都可称为半无限体。用空间坐标表示，在x≤0，y和z没有限制的空间，弹性体就是应力和应变成正比的物体。利用圆柱坐标调和函数，推导地面负荷对应力应变影响的理论模型，即：假定负荷力垂直作用在半无限平面介质面上，且介质各向同性，以负荷着力点为圆柱坐标系原点，向下为z，水平向外为r；利用满足圆柱坐标调和函数V（r，θ，z）的解（刘颖，2008），进行傅里叶—贝塞尔积分（梁昆淼，1978），推导载荷对钻孔产生的平面应变

根据平面应变err（r，z）、ezz（r，z）、eθθ（r，z），推演应力σrr（r，z）、σzz（r，z）、σθθ（r，z）。则

式中，P为荷载作用于坐标原点并与地面垂直的集中力，r为荷载力作用点至参考点水平投影的距离，z为钻孔深度，系数E为岩石的弹性模量，v为岩石泊松系数。式（4）中k为压缩模量，eυ（r，z）=err+ ezz+ eθθ，συ（r，z）=σrr+ σzz+ σθθ。根据体应变与面应变的关系（蒋骏，1994），荷载对钻孔体应变的影响为

3.3.2 参数设置。为计算水库蓄水造成的载荷，设置各项参数为：①蓄水造成载荷增加量：P=2.48×1011kg；②水库中心至体应变观测井的水平距离r=2.45×104m；③体应变探头深度108 m，黄河水深2—12 m，水库死水位1 069 m；④钻孔体应变井口至水库底面高差约93—103 m，取深度z=5—15 m；⑤乌海体应变钻孔岩性为灰岩，岩石弹性模量E=（5—10）×104MPa、泊松比v=0.2—0.35（谢仁海等，2007）。

3.3.3 不同参数条件下水库蓄水引起的体应变理论变化数值。假定仪器探头距水库底面分别深5 m和15 m，带入公式（5），计算当E=10×104MPa及E=5×104MPa时，v为0.20、0.35时，水库蓄水体应变理论变化值结果见表2。

表2　不同参数条件下水库蓄水体应变理论变化值Table 2 Theoretical value of the numerical value of the volumetric strain gauge in the reservoir with different parameters

由于未进行现场基岩弹性模量测试及泊松比实验，根据岩石物理力学参数，按照地表载荷影响的力学模型（骆鸣津等，2008）及岩层加载载荷形变机理，水库蓄水阶段载荷引起的体应变变化与载荷作用大小相等方向相反，即水库蓄水阶段载荷引起的体应变量理论极值范围为（-4.361— -26.570）×10-6（表2）；而2015年1—4月，在扣除线性漂移后，乌海体应变变化量达-4.186×10-6（图4）。根据载荷理论模型，水库蓄水理论应变量（-4.361— -26.570）×10-6接近乌海体应变变化量-4.186×10-6。可以确认，2015年1月—4月乌海体应变破年变变化，受“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水影响。

图4　乌海体应变2015年1月—6月变化曲线Fig.4 Volume strain of Wuhai Seismic Station from January to June，2015

4 库水载荷与地震触发关系

库水载荷的加载位置对地震触发产生重要影响，主要体现在：当库水加载于断层正上方或断层上盘时，对正断层型地震具有促进作用，对逆断层型地震具有抑制作用。当库水载荷作用于断层下盘时，对于倾角较大的正断层与逆断层地震，库水起抑制作用；而对倾角很小的断层起促进作用，但不会产生很强的水库地震（王秋月，2010）。

2015年4月15日内蒙古发生MS5.8地震，乌海体应变数值曲线趋势性向下异常从20日起转平，至6月10日逐渐上升，除受蓄水工程影响，该地区近几年地震活动性较强，不排除震前异常、震后恢复的可能。此次地震距“黄河海勃湾水利枢纽工程”54.7 km，库水载荷在岩石裂隙中不断渗流，孔隙压受库水渗透、侧压和水载荷重的联合作用，随着距离增加而逐渐减弱，不应成为触发中强地震的主要因素，可见阿左旗MS5.8地震的发生应与断裂带地震活动性密切相关。

程惠红，张怀，朱伯倩，等.卡里巴水库蓄水引起库区应力场变化影响分析［J］.地震，2013，33（4）：33-40.

黄元敏.载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究［D］.中国地震局地质研究所，2008：151-160.

蒋骏，张雁滨.潮汐线应变组合观测的物理力学实质及其调和分析［J］.地球物理学报，1994，37（Z2）：204-212.

梁昆淼.数学物理方法［M］.北京：人民教育出版社，1978：371.

刘向群，申剑坤，梁利喜.孔隙压力变化对岩石强度特性的影响［J］.岩石力学与工程学报，2011，（Z2）：3 457-3 463.

刘颖.圆柱函数［M］.北京：国防工业出版社，1983：66.

骆鸣津，池顺良，马鸿钧.地层绝对应力测量与钻孔应变测量［M］.北京：地震出版社，2008：170-177.

内蒙古自治区地震局.内蒙古自治区地震监测志［M］.呼和浩特：内蒙古人民出版社，2006：539-543.

王秋月，朱守彪.库水载荷对水库触发地震的机制研究［J］.大地测量与地球动力学，2010，30（Z1）：17-21.

谢仁海，渠天祥，钱光谟.构造地质学［M］.北京：中国矿业大学出版社，2007：25-37.

阳生权.岩体力学［J］.北京：机械工业出版社，2012.

中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范［M］.北京：地震出版社，2001：47-51.

中国地震局监测预报司.地形变测量［M］.北京：地震出版社，2008：63-67.

中国地震局监测预报司.地震前兆异常落实工作指南［M］.北京：地震出版社，2000：12-16.

Abstract

Through numerical modeling，the impact of “the Yellow River water conservancy project Haibowan” reservoir water for the volume strain gauge measurements at Wuhai Seismic Station in January to April 2015 is quantitatively analyzed.According to the surface load influence mechanical model and stratum load deformation mechanism，the theoretical stain is calculated，and is closed the measured value of volume strain meter.It is confirmed that the reservoir water storage has a great impact on the short-term abnormal changes in the volume strain gauge of Wuhai Seismic Station.

Impact analysis of the Yellow River water storage project on the volume strain of Wuhai

Xiong Feng，Chen Lifeng，Cha Si and Liu Yongmei
（Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China）

reservoir filling，volumetric strain gauge，load effect

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.015

熊峰（1971—），女，内蒙古人，工程师，主要从事前兆数据管理工作