黃河蓄水工程對烏海體應變影響

熊 峰 陳立峰 查 斯 劉永梅

（中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震局）

黃河蓄水工程對烏海體應變影響

熊 峰 陳立峰 查 斯 劉永梅

（中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震局）

通過數值建模，定量分析“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水，對烏海地震臺體積式應變儀測值2015年1月—4月破年變規律形態的影響，按照地表載荷影響力學模型及巖層加載載荷形變機理計算，水庫蓄水引起的應變量接近體應變實測值。由此確認，該工程水庫蓄水對烏海體應變中短期異常變化具有較大影響。

水庫蓄水；體積式應變儀測值；載荷影響

0 引言

大型水庫蓄水影響生態環境平衡，也會對庫區巖體產生影響。除由板塊運動和其他構造過程引起的緩慢且穩定變化的構造應力外，地殼中也存在瞬態和周期性的載荷作用，如：固體潮汐力作用、水庫水位變化產生的加卸載效應、強震發生引起的靜態和動態載荷作用等。這些瞬態和周期性的載荷作用于斷層，引起斷層應力狀態調整，從而影響斷層帶地震活動性，導致強震提前或延遲發生（黃元敏等，2008）。水庫蓄水對周邊環境的影響較為復雜，從巖體力學角度，水體載荷的重力作用產生彈性載荷效應，導致一定孔隙壓力變化，從而改變庫區及周圍地區應力場和巖土體的強度（陽生權，2012）。水庫庫區地質構造、巖性、巖體和斷裂力學性質及流體狀態與運移特征、地下水對斷層物質的軟化作用，在蓄水初期，庫水載荷可能起主要作用，隨著水位變化，水在巖石裂隙中的不斷滲流，孔隙壓的改變主要由庫水的滲透、側壓和水荷載重的聯合作用引起（王秋月等，2010；程惠紅等，2013）?？紫秹毫有遁d過程中巖石的軸向應變、徑向應變和體積應變逐漸累積，巖石強度及變形規律隨孔隙壓力的變化規律表明，巖石的累計變形還可能誘發、誘導地層破壞甚至災害性事件發生（劉向君等，2011）。

2010年1月至2015年6月，烏海地震臺（以下簡稱烏海臺）周邊300 km內發生MS4.0以上地震21次，最大地震為2015年4月15日內蒙古阿左旗MS5.8地震，其中震中距300 km內發生地震10次，200 km內7次，50 km左右4次，可見烏海周邊地震活動比較活躍。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，2015年1—7月烏海體應變破年變變化，水庫蓄水是否影響斷裂帶上的地震活動性，對烏海鉆孔體積式應變儀觀測產生什么影響，在此進行分析。

1 測點地質構造

烏海是鄂爾多斯古大陸的一部分，系古地中海浸區經第3次喜瑪拉雅山隆起而成，北端由祈連山、呂梁山、賀蘭山構造形成山字形脊柱頂部，東部是綿延百里的桌子山，中部為崗德爾山，西部為五虎山，各山體均屬賀蘭山脈北端余脈，三山成南北走向平行排列，中間形成兩條平坦的谷地。烏海北邊是臨河斷陷盆地，南邊是銀川斷陷盆地，西側是吉蘭泰斷陷盆地，東側是鄂爾多斯地臺，黃河沿崗德爾山西谷流經市區，阻斷烏蘭布和沙漠進入河套地區。烏海地處華北板塊西北邊緣，當華北地震處于高潮時，烏海周邊地震活動比較活躍（內蒙古自治區地震局，2006）。烏海體應變測點位于南北構造體系的北端、天山—陰山緯向的中部南側，東邊是桌子山東緣斷裂，西邊是桌子山西緣斷裂，水庫距離桌子山西緣斷裂不到10 km。

2 烏海體應變測項

2.1 觀測系統

烏海地震臺體應變測項采用TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應變測量儀，2010年2月開始觀測，測點海拔1 160 m。觀測儀器安裝在體應變觀測井內，儀器探頭密封于地下基巖內，通過地下線路與室內數據采集器相連。鉆孔體應變參數見表1。

表1　鉆孔體應變參數Table 1 Basic situation of drilling type volumetric strain gauge

2.2 數據分析

（1）體應變數據異常。烏海臺鉆孔體應變記錄年變特征主要表現為：①具有較為明顯的年變化周期，完成1個年變周期所需時間基本相同；②年變化每年有3個波峰，年初上升，年末下降；③數據年動態表現為每年1—4月曲線上升，而2015年該時段呈下降狀態；④2015年4月15日震中距54.7 km的阿左旗MS5.8地震發生后，20日數據曲線轉平，6月10日起逐漸上升。2010年1月—2015年7月烏海體應變年變趨勢對比曲線見圖1。

（2）潮汐因子變化分析。烏海臺鉆孔體應變M2波潮汐因子變化曲線見圖2。2014年3月14日至5月18日數據采集器發生故障，導致潮汐因子曲線出現較大臺階變化，而其他時段M2波潮汐因子變化正常且變化值均小于0.1，儀器運行正常，測值可靠。

圖1　烏海體應變趨勢對比Fig.1 Comparison of volumetric strain trends at Wuhai Seismic Station

圖2　烏海體應變M2波潮汐因子曲線Fig.2 Tidal factor curve of M2wave at Wuhai Seismic Station

3 庫區蓄水影響

3.1 黃河海勃灣水利樞紐工程

“黃河海勃灣水利樞紐工程”位于烏海臺鉆孔體應變井NW向約24.5 km處，在此簡稱水庫。水庫正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，面積118 km2，總庫容4.87×108m3。土石壩布置在黃河左岸，壩長6 371 m，頂寬7 m，最大壩高16.2 m；泄洪閘共16孔，布置在黃河主河槽中左部。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面積80 km2，水位1 073.5 m。

3.2 載荷影響

地層受到的載荷作用發生變化時，會產生一定形變。在加卸載作用下，不同彈性模量的巖石內部發生形變，巖石加載后彈性形變、彈性巖石卸載前原始狀態、彈性巖石卸載后變化、巖石加載后彈塑性變化、彈塑性巖石卸載前原始狀態、彈塑性巖石卸載后變化，6種模型見圖3。水庫載荷可以改變庫區巖體應力場，見圖3（a），如果巖石彈性模量較大（如閃長巖、花崗巖、灰巖等），則易發生彈性應變；如果巖石彈性模量較小（如泥灰巖、石膏等），則易發生彈塑性應變。烏海體積應變儀探頭所處基巖為灰巖，彈性模量較大，水庫蓄水導致載荷加載，基巖發生彈性應變，見圖3（b），載荷體應變表現為張性變化。

3.3 體應變理論變化數值

3.3.1 理論模型。為了定量分析水庫蓄水造成的載荷變化對烏海鉆孔體應變觀測的影響，根據地表載荷影響的力學模型（駱鳴津等，2008），從理論上計算載荷變化引起的烏海體應變測值。

圖3　不同彈性模量巖石在加卸載作用下內部形變模式模型（a）原始狀態；（b）彈性巖石；（c）彈塑性巖石Fig.3 Model of internal deformation of rock with different elastic modulus under the action of loading and unloading

根據半無限空間均布載荷模型，把彈性球狀物從中間切成兩半，其中的每一半都可稱為半無限體。用空間坐標表示，在x≤0，y和z沒有限制的空間，彈性體就是應力和應變成正比的物體。利用圓柱坐標調和函數，推導地面負荷對應力應變影響的理論模型，即：假定負荷力垂直作用在半無限平面介質面上，且介質各向同性，以負荷著力點為圓柱坐標系原點，向下為z，水平向外為r；利用滿足圓柱坐標調和函數V（r，θ，z）的解（劉穎，2008），進行傅里葉—貝塞爾積分（梁昆淼，1978），推導載荷對鉆孔產生的平面應變

根據平面應變err（r，z）、ezz（r，z）、eθθ（r，z），推演應力σrr（r，z）、σzz（r，z）、σθθ（r，z）。則

式中，P為荷載作用于坐標原點并與地面垂直的集中力，r為荷載力作用點至參考點水平投影的距離，z為鉆孔深度，系數E為巖石的彈性模量，v為巖石泊松系數。式（4）中k為壓縮模量，eυ（r，z）=err+ ezz+ eθθ，συ（r，z）=σrr+ σzz+ σθθ。根據體應變與面應變的關系（蔣駿，1994），荷載對鉆孔體應變的影響為

3.3.2 參數設置。為計算水庫蓄水造成的載荷，設置各項參數為：①蓄水造成載荷增加量：P=2.48×1011kg；②水庫中心至體應變觀測井的水平距離r=2.45×104m；③體應變探頭深度108 m，黃河水深2—12 m，水庫死水位1 069 m；④鉆孔體應變井口至水庫底面高差約93—103 m，取深度z=5—15 m；⑤烏海體應變鉆孔巖性為灰巖，巖石彈性模量E=（5—10）×104MPa、泊松比v=0.2—0.35（謝仁海等，2007）。

3.3.3 不同參數條件下水庫蓄水引起的體應變理論變化數值。假定儀器探頭距水庫底面分別深5 m和15 m，帶入公式（5），計算當E=10×104MPa及E=5×104MPa時，v為0.20、0.35時，水庫蓄水體應變理論變化值結果見表2。

表2　不同參數條件下水庫蓄水體應變理論變化值Table 2 Theoretical value of the numerical value of the volumetric strain gauge in the reservoir with different parameters

由于未進行現場基巖彈性模量測試及泊松比實驗，根據巖石物理力學參數，按照地表載荷影響的力學模型（駱鳴津等，2008）及巖層加載載荷形變機理，水庫蓄水階段載荷引起的體應變變化與載荷作用大小相等方向相反，即水庫蓄水階段載荷引起的體應變量理論極值范圍為（-4.361— -26.570）×10-6（表2）；而2015年1—4月，在扣除線性漂移后，烏海體應變變化量達-4.186×10-6（圖4）。根據載荷理論模型，水庫蓄水理論應變量（-4.361— -26.570）×10-6接近烏海體應變變化量-4.186×10-6?？梢源_認，2015年1月—4月烏海體應變破年變變化，受“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水影響。

圖4　烏海體應變2015年1月—6月變化曲線Fig.4 Volume strain of Wuhai Seismic Station from January to June，2015

4 庫水載荷與地震觸發關系

庫水載荷的加載位置對地震觸發產生重要影響，主要體現在：當庫水加載于斷層正上方或斷層上盤時，對正斷層型地震具有促進作用，對逆斷層型地震具有抑制作用。當庫水載荷作用于斷層下盤時，對于傾角較大的正斷層與逆斷層地震，庫水起抑制作用；而對傾角很小的斷層起促進作用，但不會產生很強的水庫地震（王秋月，2010）。

2015年4月15日內蒙古發生MS5.8地震，烏海體應變數值曲線趨勢性向下異常從20日起轉平，至6月10日逐漸上升，除受蓄水工程影響，該地區近幾年地震活動性較強，不排除震前異常、震后恢復的可能。此次地震距“黃河海勃灣水利樞紐工程”54.7 km，庫水載荷在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓受庫水滲透、側壓和水載荷重的聯合作用，隨著距離增加而逐漸減弱，不應成為觸發中強地震的主要因素，可見阿左旗MS5.8地震的發生應與斷裂帶地震活動性密切相關。

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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，內蒙古人，工程師，主要從事前兆數據管理工作