岳沖 趙靜 牛安福 吉平 李曉帆 蘇琴 楊凡

摘要：分析計算安寧河斷裂帶上冕寧跨斷層水準場地原始觀測數(shù)據(jù)及年均速率結果，結合1-1C測段加密觀測數(shù)據(jù)的差異性特征，重點對滑坡、抽水2個主要影響因素，利用有限元方法構建該場地三維Mohr-Coulomb彈塑性滑坡體模型及二維抽水影響的單向流固耦合模型，模擬獲得2種主要因素的影響模式。結果顯示：冕寧水準1-1C測線中距離1C點約300 m范圍為古滑坡體所處邊坡的坡腳區(qū)域，古滑坡體對坡腳區(qū)域長期的累積作用使得該區(qū)域存在隆升變形特征，進而使1-1C測段在抽水造成的大幅下降過程中出現(xiàn)沉降量逐漸減小后再次增大的特征;地下水抽取造成沿水井形成了較為明顯的抽水漏斗沉降變形特征，在含水系統(tǒng)平衡被打破后，1號點所處土體邊坡更易受到抽水帶來的沉降變形影響，出現(xiàn)與井口處相當甚至比井口附近更大的沉降變形。

關鍵詞：冕寧跨斷層水準;有限元法;Mohr-Coulomb;流固耦合模型

中圖分類號：P315.725文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0666-08

0引言

斷層作為地殼形變的薄弱地帶，強地震的孕育及發(fā)生往往伴隨著顯著的斷層變化（王永安等，2003，2004;岳沖等，2019）。定點跨斷層測量作為斷層形變監(jiān)測的有效手段，能夠直接反映測點處斷層段落的運動變化，但受布設場地等環(huán)境因素的影響，并不能保證所有的觀測樁均布設在基巖上，特別是位于川滇地區(qū)的跨斷層場地，由于地形起伏變化較大，部分觀測樁布設于山體底部土體內，觀測樁穩(wěn)定性的差異會影響測項異常變化的可信程度。在實際的異常分析過程中，除了分析跨斷層場地所跨斷層本身調整運動帶來的變化以外，更多需要結合跨斷層水準場地條件分析觀測樁周邊地下水位升降、人為載荷干擾、坡體穩(wěn)定性變化等因素的影響（馬伶俐等，2019），只有通對比分析不同影響模式下變形特征，才能結合實際異常測項變化，進一步對異常信度等做出評判。

位于安寧河斷裂帶上的冕寧跨斷層水準場地3-1測段水準自2016年出現(xiàn)大幅下降變化，國內學者進行了大量研究工作，趙強和蘇琴（2018）利用BABS-InSAR技術獲取冕寧水準場地地面沉降結果，提出該場地受溫泉開采影響的結論，但受測點所處山坡植被的影響，未能給出測線變化較大的1號點及所處邊坡的位移變化，其計算結果顯示沉降漏斗中心最大的沉降速率為27 mm/a，與1號點附近過渡點沉降量值相當，與沉降漏斗沉降量向邊緣遞減的認識并不一致;馬伶俐等（2019）針對該測項周邊滑坡體及抽水井等影響因素的現(xiàn)場落實以及數(shù)據(jù)的進一步跟蹤分析提出了場地受溫泉單一因素影響的質疑。因此針對冕寧跨斷層水準場地大幅變化的成因及機理，本文重點討論滑坡及抽水2個影響因素，通過有限元方法構建冕寧場地三維Mohr-Coulomb彈塑性滑坡體模型及二維抽水影響的單向流固耦合模型，獲得滑坡及抽水2種因素的影響模式，進而對跨斷層水準異常變化的成因機理進行研究。

1研究區(qū)概況及異常分析

1.1研究區(qū)概況

本文主要研究位于安寧河斷裂帶上的冕寧跨斷層水準場地（28.56°N，102.21°E），據(jù)衛(wèi)星影像和實地觀察，安寧河斷裂帶在該場地主要由安寧河東支斷裂（主斷裂）和安寧河西支斷裂組成（圖1），安寧河西支斷裂在冶勒盆地大壩子切割全新世洪積扇，形成邊坡脊、斷塞塘等顯著的斷錯地貌，呈近NS向延伸;安寧河東支斷裂從紫馬垮向南經(jīng)彝海、小鹽井至馬尿河邊，總體走向近NS，沿斷裂走向分布有串珠狀斷塞塘、斷層崖、反向陡坎等斷錯地貌，表明其具有強烈的全新世活動性。東支斷裂具有規(guī)模較大的破碎帶，冕寧水準場地3號位于基巖破碎帶西側，其北側存在2～3條分支斷裂，向南在馬尿河南岸至秧柴溝一線，形成顯著的槽谷地貌。地震研究43卷第4期岳沖等：基于有限元方法的冕寧跨斷層水準大幅變化機理

1.2冕寧跨斷層水準異常分析

冕寧跨斷層水準測線由3個觀測端點構成（圖1c）（趙強，蘇琴，2018;馬伶俐等，2019），其中1號點位于斷層下盤，其臺基位于山坡底部，主要由松散的沖洪積塊碎石層組成，充填物以砂為主，含少量泥質成分;2號點位于河流西側，臺基為昔格達組（Q1x）深灰色半固結的泥巖、粉砂巖;3號點位于斷層上盤，其臺基處于馬尿河右岸階地上，階地堆積物由大塊的漂石、卵石及砂組成，厚度約2 m，階地基座為花崗巖。整個場地長約3 km（其中1-2測段測線長約1.67 km，2-3測段測線長約1.33 km），為單線水準場地。整個觀測測線建于1980年11月，于1981年9月開始跨斷層短水準觀測，觀測之初，每年觀測3～4個周期;1996—2012年，每年觀測6個周期;2013年4月以后，每年觀測12期，于2017年12月停測。

由圖2a原始曲線可以看出：自20世紀80年代開始觀測以來，3-2測段數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定，證明2號、3號點穩(wěn)定性較強，觀測期間未發(fā)生顯著相對高差變化;相較之下，3-1測段于2006年之后整體運動速率有所增強，證明1號點自2006年以來出現(xiàn)下沉變化，自2016年6月開始，出現(xiàn)顯著壓縮變化，達19 mm，而3-2測段未出現(xiàn)同步異常變化，證明該測段變化可能主要由1號點引起。

為進一步定量分析跨斷層水準變化，排除降雨、氣溫等年度影響因素，本文通過計算斷層年均速率對比2個測段的活動強度變化（江在森等，2001;岳沖等，2017）。其中，斷層的年均速率計算公式為：vt=1n∑ni=1（hti-ht-1i）（i=1，2，…，n）（1）式中：n為一年中觀測期數(shù);hti為第t年的第i個觀測值。

圖2b計算結果顯示：2016年前，3-1，3-2測段年均速率分別為-0.27，0.003 mm/a，3-1測段年均速率高于3-2測段，也證明1號測點的活動性較強，但2個測段年均速率均在0值附近變化，也反映冕寧跨斷層水準場地所在區(qū)域較弱的斷層垂向活動特征。

為進一步獲得1號點周圍區(qū)域內位移下降變化，收集2016年1月以來1-1C測段（圖1c ）內觀測過渡點結果，測量結果（以2016年1月測量結果為對比數(shù)據(jù)，其它月份均與此月結果對比）如圖3所示。通過差分數(shù)據(jù)可以看出：2016年1—6月（圖3a），距離1號點800 m范圍內，點位變化相對穩(wěn)定，而在距離1號點約800～1 300 m范圍內出現(xiàn)小幅隆升-下降變化;自2016年7月起（圖3b），距離1號點800 m范圍內陸續(xù)出現(xiàn)大幅沉降變化，沉降變化時段主要集中于2016年7—10月，2016年11月后整個測段沉降速率降低，其中最大的沉降點位于距離1號點64.5 m區(qū)域，最大沉降幅度達到27.5 mm;而在距離1號點約800～1 300 m范圍出現(xiàn)先隆升后下降變化，也證明在該區(qū)域內可能存在其它影響因素，使得其變化與0～800 m范圍內存在較大差異。

2計算方法及模型設計

2.1強度折減法

針對邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要分為極限平衡法和有限元（或有限差分）法，而有限元法中強度折減法通過分析獲得安全系數(shù)，既能保持有限元模擬復雜問題的優(yōu)勢，又能給出明確的安全系數(shù)，在邊坡穩(wěn)定性模擬計算中得到了廣泛的應用（鄭穎人等，2005;黃盛銓等，2008;呂慶等，2008;江權等，2009;張強等，2011;Griffiths，Lane，1999）。

強度折減法最早由Zienkiewic等（1975）提出，抗剪強度折減系數(shù)定義為：在外載荷保持不變的情況下，邊坡內土體所能提供的最大抗剪強度與外載荷在邊坡內所產生的實際剪應力之比。折減后的抗剪強度參數(shù)為：c′=c/Fcφ′=arctan（tanφ/Fφ）（2）式中：c，φ分別為材料的峰值粘聚力和內摩擦角;c′，φ′分別為臨界破壞狀態(tài)下材料的粘聚力和內摩擦角;Fc和Fφ為粘聚力和抗滑動折減系數(shù)，通過不斷迭代模擬計算，逐漸增大折減系數(shù)，直至邊坡達到發(fā)生失穩(wěn)破裂的臨界狀態(tài)（計算不收斂的邊界）。

2.2滑坡體模擬

本文以1號點所處邊坡為主要研究區(qū)域設計三維滑坡體模型，模型尺寸為800 m×1 000 m，整個邊坡高度參考場地等高線分布為300 m（馬伶俐等，2019），邊坡角度為30°，模型示意圖見圖4a。本文使用有限元軟件ABAQUS完成整個模型構建及模擬計算工作，其中采用線性六面體單位（C3D8R）進行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格間距為10 m，整個模型共獲得159 200個單元，171 296個節(jié)點。

1號點臺基主要由松散的沖積碎石組成，內含砂、泥質等（馬伶俐等，2019），土體采用理想線彈塑性Mohr-Coulomb模型，模型的基本參數(shù)設置如下：密度為1 500 kg/m3，彈性模量為10 MPa，泊松比為0.35，粘聚力為20 kPa（陳正漢，郭楠，2019），內摩擦角為30°（李寧等，2018;Cai，Ugal，2004）。因沉積土深度的不確定性，分別考慮沉積層厚度分別為20，40，60，80 m和全尺寸沉積土共5個模型，以探索不同厚度沉積層對地表位移的影響，其中基巖考慮為彈性體，密度為2 630 kg/m3，彈性模量為300 MPa，泊松比0.36（陳衛(wèi)兵等，2007;呂慶等，2008;許瑞寧，2016;陳正漢，郭楠，2019）。

在整個模擬計算過程中，模型的邊界條件設置如下：模型底部固定，其西側和東側邊界沿X方向固定，其北側和南側邊界沿Z方向固定，模型表面保持自由（邊界條件按照不同坐標軸顏色進行區(qū)分）。計算時考慮重力作用影響，重力加速度為9.8 m/s2。計算步驟如下：首先對模型施加重力載荷作用，建立模型應力平衡狀態(tài);在應力平衡狀態(tài)下逐漸增加強度折減系數(shù)（折減系數(shù)的峰值為2），迭代計算，直至數(shù)值不收斂，以此作為土坡達到臨界破壞的標準。

2.3抽水影響模擬

本文結合冕寧跨斷層水準場地周邊遙感影像（圖1a）、等高線分布及異常落實結果（馬伶俐等，2019），構建跨1號點至水井的二維剖面模型（圖4b）。根據(jù)InSAR等監(jiān)測結果顯示，沿短軸方向沉降范圍約0.4 km（趙強，蘇琴，2018），因此，整個模型設計長600 m（水井中心距左側邊界400 m），井口處高200 m，1號點距井口215 m，1號點所處邊坡比井口處高50 m，水井深度為70 m。根據(jù)場地周邊大于10 m的沉積層結果（馬伶俐等，2019），井口以下20 m設置為沉積層（彈性模量5 MPa，泊松比0.4）（金小榮等，2005;曾超峰，2014）;馬伶俐等（2019）認為該水井可能將55 m處含水細層打通，因此，井下20～55 m處設置為砂巖（彈性模型10 MPa，泊松比0.32），井口55 m以下為昔格達組地層（楊氏模量80 MPa，泊松比0.4）（孫長升，2015;許瑞寧，2016;張偉松，盧海峰，2017;楊寶，2018;杜宇翔等，2020）。整個模型兩側沿水平方向固定，底部沿垂直方向固定，其上側地表均勻施加抽水引起的地表壓強變化，水井井底和邊坡表面設置滲透系數(shù)為0，主要模擬沉降變化最大時段2016年7—10月共計4個月抽水量引起的地表變形。

3模擬結果及分析

3.1累積位移變化分析

本文重點研究邊坡失穩(wěn)對跨斷層水準的影響，共模擬5組不同厚度沉積層模型失穩(wěn)破壞前累積位移結果。通過在模型地表構建剖面線（圖5a中黑線所示，從模型左側至右側點號依次為1～86號，其中，坡腳點為34號點，坡頂點為75號點），模擬結果顯示折減系數(shù)最大達1.16時，模型達到失穩(wěn)破壞的臨界狀態(tài)，我們獲得接近失穩(wěn)前折減系數(shù)為1.1時，5組模型地表垂向累積位移結果如圖5b所示。從模擬結果可以看出：松散沉積層厚度由20 m增加至全尺寸的沉積土模型，在滑坡體邊坡處的變形區(qū)（位移絕對值大于0 m）逐漸向坡腳處（34號點）擴展，在坡頂處變形區(qū)逐步向模型右側（86號點）擴展，即滑坡失穩(wěn)造成的變形范圍以及沉降位移量均顯著增大，最大位移量變化主要集中在坡頂點附近區(qū)域;而隨著沉積層厚度的不斷增加，失穩(wěn)帶來的坡體運動逐步在坡腳區(qū)域累積，進而造成邊坡坡腳區(qū)域地表的隆升變形。

為了進一步展示邊坡失穩(wěn)初期模型內部位移特征，圖5a為強度折減系數(shù)為1.01時的全尺寸沉積土模型位移結果。圖5a顯示，隨著土邊坡整體強度不斷降低，坡頂區(qū)域土體逐漸失穩(wěn)并向邊坡中部區(qū)域遷移運動，當強度折減系數(shù)達到1.16時，在邊坡中部區(qū)域形成較大垮塌位移，進而造成滑坡運動，如圖1a中紫色框即為在山坡中上部區(qū)域發(fā)生的古滑坡跡象，而滑坡發(fā)生后整個坡頂區(qū)域土體向坡體中部及坡腳區(qū)域堆積，進一步帶來坡腳區(qū)域的隆升。而本文所研究的跨斷層水準1-1C測線距離1C點約300 m范圍即為該古滑坡體所處邊坡的坡腳區(qū)域，古滑坡體對坡腳區(qū)域的長期累積作用使得該區(qū)域存在隆升變形特征，進而使1-1C測段在大幅沉降過程中出現(xiàn)沉降量先減小后增大的跡象。而冕寧水準2號點跨過了該滑坡區(qū)域，且2號點布設于半固結的昔格達組地層上，相對較為穩(wěn)定，因此滑坡體并未影響2號點變化，冕寧3-2測線變化相對較為穩(wěn)定。3.2抽水影響模擬結果

施加4個月抽水量模擬地表沉降的結果如圖6所示。為對比抽水量變化對地表沉降量的影響，模型模擬抽水量由10 m2/h（圖6b中模型1）增加至20 m2/h（圖6b中模型2），圖6a展示抽水量為20 m2/h時的地表沉降位移結果。從圖6a可以看出：伴隨著不斷抽水，原來平衡狀態(tài)下的含水系統(tǒng)被打破，孔隙水壓力減小，導致有效應力變化，進而造成土體變形，沿水井形成了較為明顯的抽水漏斗沉降變形，而整個左側邊坡在抽水過程中作為自然排水面，加之較為松散的沉積層結構，存在放大沉降位移量現(xiàn)象;從具體沉降量（圖6b）可以看出，模型1中井口處沉降量達到13.3 mm，井口左側邊坡區(qū)域作為自由排水面，在整個抽水過程中坡腳區(qū)域隨水體逐步滲透排出、沉積土體固結并向坡腳區(qū)域累積，沉降量出現(xiàn)先減小后逐漸增加趨勢，最大達到15.8 mm后逐步穩(wěn)定;而當抽水量達到20 m2/h時，整個區(qū)域沉降量明顯增加，同時整個邊坡沉降變化速率也顯著增大，其中井口處沉降量達到26.6 mm，坡腳最小沉降量為24.7 mm，1號點區(qū)域沉降量達到31.6 mm。

因此，作為土體邊坡上的1號點，因受邊坡結構本身以及沉積層的影響，在整個抽水過程中，更易受到抽水帶來的沉降變形，出現(xiàn)與井口處相當甚至比井口附近更大的沉降變形，但后期隨著抽水量的穩(wěn)定以及地表水、地下水的不斷補給，地下含水系統(tǒng)將再次達到平衡狀態(tài)，地下水水位下降一定幅度后將趨于穩(wěn)定，進而地表沉降位移也將趨于穩(wěn)定。

4結論

本文針對冕寧跨斷層水準3-1測線出現(xiàn)的大幅沉降變化異常，計算并分析了冕寧場地年均變化速率、測段加密數(shù)據(jù)，結合異常落實過程中的滑坡及抽水2個主要因素，利用有限元方法構建冕寧場地Mohr-Coulomb彈塑性滑坡體模型及抽水影響的單向流固耦合模型，通過模擬獲得2種主要因素的影響模式，結果顯示：

（1）斷層年均速率結果顯示3-1，3-2測段年均速率分別為-0.27和0.003 mm/a，3-1測段運動速率高于3-2測段，也證明1號點活動性較強;1-1C測段加密觀測結果顯示沉降變形主要集中于2016年7—10月，最大的沉降點位于距離冕寧1號點64.5 m點位區(qū)域，最大沉降幅度達到27.5 mm，1-1C測段沉降量呈“增加—減小—增加—減小”的變化特征。

（2）模擬5組不同厚度沉積層模型失穩(wěn)破壞前累積位移結果顯示：隨松散沉積層厚度的不斷增加，失穩(wěn)變形的范圍逐步擴大，邊坡沉降位移也逐漸增大，最大位移變化主要集中在坡頂點附近區(qū)域，失穩(wěn)帶來的坡體運動逐步在坡腳區(qū)域形成累積，進而造成邊坡坡腳區(qū)域地表的隆升變形。冕寧水準1-1C測線中距離1C點約300 m范圍為古滑坡體所處邊坡的坡腳區(qū)域，古滑坡體對坡腳區(qū)域長期的累積作用使得該區(qū)域存在隆升變形特征，進而使1-1C測段在抽水造成的大幅下降過程中出現(xiàn)沉降量逐漸減小后再次增大的跡象。

（3）模擬4個月抽水造成地表沉降的結果顯示：沿水井形成了較為明顯的抽水漏斗沉降變形特征，1號點所處土體邊坡，因本身自由排水面以及松散沉積層的影響，在含水系統(tǒng)平衡被打破后，更易受到抽水帶來的沉降變形影響，出現(xiàn)與井口處相當甚至比井口附近更大的沉降變形。

受該地區(qū)地下水文資料、水井鉆孔資料等限制，本文對地下介質分布、物性參數(shù)等進行必要的簡化，模擬得到的造成1號點沉降變化的抽水量介于10～20 m2/h，與實地異常落實的10 m2/h結果（馬伶俐等，2019）基本一致，通過定量模擬滑坡與抽水兩種影響因素的影響模式，為跨斷層測量出現(xiàn)大幅變化后的判定提供定性分析的依據(jù)，未來隨著該區(qū)域研究資料的進一步完善，作者也將進一步跟蹤補充該區(qū)域的研究結果。

兩位審稿人對本文進行認真的審閱并提出了寶貴建議，四川省地震局測繪工程院提供高質量的測量數(shù)據(jù)，在此表示衷心感謝。

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