井水位對(duì)地震波響應(yīng)的小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

翟澤宇 谷洪彪* 魏海濱 徐邑榮

（1、防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201 2、河北省地震動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201）

在進(jìn)行井水位對(duì)地震波響應(yīng)的機(jī)理研究中，震中距、震級(jí)、震源深度及井孔結(jié)構(gòu)、井深等影響因素的差異，構(gòu)造不連續(xù)面的存在，介質(zhì)體水文地質(zhì)參數(shù)的不均一性和各向異性，均決定了該過程的異常復(fù)雜性[1-2]；地震導(dǎo)致含水層滲透系數(shù)不同程度的增大導(dǎo)致水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化[3-5]；震源機(jī)制、地震波傳播理論及區(qū)域斷裂展布與井水位相關(guān)關(guān)系分析[6-8]；對(duì)孔隙彈性理論不能解釋的現(xiàn)象則采用描述井水位變化的幾種假定模型來闡述其成因[9-10]。

然而，實(shí)際尺度下進(jìn)行該研究最大困難是缺少地震時(shí)井-孔含水層系統(tǒng)對(duì)地震波響應(yīng)的孔隙水壓力變化的實(shí)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的研究結(jié)論有待于進(jìn)一步深入研究和論證；同時(shí)，地震波-含水層相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)也很少，也被證明是最直接也是較準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法。因此，目前將小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)與滲流試驗(yàn)相結(jié)合應(yīng)用于井水位對(duì)地震波的響應(yīng)機(jī)理研究是一次新的嘗試。本文以井水位對(duì)地震的響應(yīng)現(xiàn)象為研究背景，開展孔隙介質(zhì)承壓含水層小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)模型滲流試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 井-含水層系統(tǒng)物理模型

封閉的井-含水層系統(tǒng)相當(dāng)于安裝在地殼中的一種非常靈敏的應(yīng)變儀，一切地球物理信息源對(duì)含水層的作用都是造成含水介質(zhì)的體膨脹而引起的井水位升降，而水位升降原理可表述為如下思路：含水層受力變形或破壞，將引起其內(nèi)部孔隙水壓力的變化，孔隙水壓力變化信息在井-含水層系統(tǒng)中傳遞進(jìn)而引起井水位動(dòng)態(tài)變化。基于此，本試驗(yàn)選用的原位井-含水層系統(tǒng)的物理模型是由布雷德霍夫特提出的。

1.2 井-含水層系統(tǒng)振動(dòng)滲流試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

基于以上研究思路并結(jié)合井-含水層系統(tǒng)物理模型，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6種承壓含水層滲流模型，各模型中采用的振動(dòng)臺(tái)滲流系統(tǒng)包含4部分：滲流槽供、排水的定水頭裝置、滲流砂槽和測壓板、地震模擬振動(dòng)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集傳感器及配套采集系統(tǒng)（圖1）。

圖1 井-含水層系統(tǒng)振動(dòng)滲流試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物圖

系統(tǒng)中儲(chǔ)水容器為鋼化塑料材料制成的圓柱形容器，體積120L，置于一定高度的試驗(yàn)臺(tái)之上，用于供水和保持滲流槽承壓含水層的承壓性。供、排水的定水頭裝置為采用溢流原理控制供水和排水水位，可以上、下自由調(diào)節(jié)高度，使其在滲流過程中保持一個(gè)合理的位置。砂槽制作材料為有機(jī)玻璃，長、寬、高分別40cm、25cm、30cm，槽體配有有機(jī)玻璃材料的承壓隔水板，槽體左右兩側(cè)分布3cm寬度的進(jìn)出水緩沖帶，進(jìn)水口處于較高位置，出水口位于較低位置，上部密封，留有4個(gè)排氣孔，飽水排氣后密封各孔以保證含水層達(dá)到一定壓力水頭，槽體側(cè)面共分布8個(gè)測壓管，測壓管的間距為6cm，利用硅膠管將滲流槽一側(cè)的測壓管與測壓板相連，用于監(jiān)測不同時(shí)間、滲流槽不同位置的水位情況。

2 試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

2.1 滲流試驗(yàn)

本次所試驗(yàn)使用的孔隙介質(zhì)承壓含水層為單一水平結(jié)構(gòu)，滲流介質(zhì)為石英砂，該過程的關(guān)鍵是保證承壓含水層的密閉性和承壓性。

含水層介質(zhì)采用1～3級(jí)天然水晶，按粒徑大小，高純石英砂分為Ⅰ型粗粒石英砂、Ⅱ型粗粒石英砂、中粒石英砂和細(xì)粒石英砂，將這4種石英砂作為含水層介質(zhì)。

本試驗(yàn)?zāi)M在天然條件下承壓含水層的實(shí)際滲流過程，利用儲(chǔ)水容器中的上游定水頭裝置通過與砂槽相連的管路使水進(jìn)入滲流砂槽中。本過程分為地震模擬振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)前、振動(dòng)過程中、振動(dòng)后的滲流對(duì)比試驗(yàn)，目的是測定地震波與含水層相互作用對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)（滲透系數(shù)）的影響。振動(dòng)前后的滲流試驗(yàn)各進(jìn)行24小時(shí)。利用達(dá)西公式計(jì)算得到不同層位滲透系數(shù)大小(1)。

表1 井水位對(duì)地震波響應(yīng)的小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況

其中，Q：滲透流量(m3/d)；L：滲透路徑長度(m)；H1：上游水位高度(m)；H2：下游水位高度(m)；A：入滲截面面積(m2)。

2.2 加載方法

本試驗(yàn)可以選擇任意的地震波記錄，依據(jù)汶川地震時(shí)相關(guān)臺(tái)站記錄，選取汶川臥龍臺(tái)、地震波的時(shí)程曲線和頻譜曲線如圖2。

圖2 輸入汶川臥龍臺(tái)地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線（土層、自由地表，震中距21km）

3 結(jié)論

本文對(duì)地震波-孔隙介質(zhì)含水層相互作用對(duì)井水位影響的小型振動(dòng)臺(tái)模型及其試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

3.1 本文總結(jié)了井水位對(duì)地震波響應(yīng)的機(jī)理解釋，認(rèn)為震中距、震級(jí)、震源深度及井孔結(jié)構(gòu)、井深等影響因素的差異，構(gòu)造不連續(xù)面的存在，介質(zhì)體水文地質(zhì)參數(shù)的不均一性和各向異性導(dǎo)致機(jī)理的復(fù)雜性，并闡明其不足，提出開展地震模擬振動(dòng)臺(tái)滲流試驗(yàn)來解釋實(shí)驗(yàn)室尺度下的響應(yīng)機(jī)理。

3.2 針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙螅Y(jié)合地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出6種承壓含水層滲流模型，各模型包含4部分：滲流槽供、排水的定水頭裝置、滲流砂槽和測壓板、地震模擬振動(dòng)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集傳感器及配套采集系統(tǒng)。

3.3 對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)為含水層的制備、傳感器的布置及其數(shù)據(jù)采集方案，主要包括：承壓含水層模擬方法，振動(dòng)前、振動(dòng)時(shí)、振動(dòng)后滲流試驗(yàn)的開展以及水文地質(zhì)參數(shù)的測定，孔隙壓力、振動(dòng)加速度的輸入和采集方案。

該試驗(yàn)方案為進(jìn)行井水位地震波響應(yīng)的小型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的實(shí)施作了相關(guān)鋪墊工作，對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度地震波-孔隙介質(zhì)含水層相互作用對(duì)井水位影響給出基準(zhǔn)模型奠定基礎(chǔ)。