井水位对地震波响应的小型振动台试验方案设计

翟泽宇 谷洪彪* 魏海滨 徐邑荣

（1、防灾科技学院，河北 三河 065201 2、河北省地震动力重点实验室，河北 三河 065201）

在进行井水位对地震波响应的机理研究中，震中距、震级、震源深度及井孔结构、井深等影响因素的差异，构造不连续面的存在，介质体水文地质参数的不均一性和各向异性，均决定了该过程的异常复杂性[1-2]；地震导致含水层渗透系数不同程度的增大导致水流运动规律变化[3-5]；震源机制、地震波传播理论及区域断裂展布与井水位相关关系分析[6-8]；对孔隙弹性理论不能解释的现象则采用描述井水位变化的几种假定模型来阐述其成因[9-10]。

然而，实际尺度下进行该研究最大困难是缺少地震时井-孔含水层系统对地震波响应的孔隙水压力变化的实测数据，现有的研究结论有待于进一步深入研究和论证；同时，地震波-含水层相互作用的振动台模型试验也很少，也被证明是最直接也是较准确的试验方法。因此，目前将小型地震模拟振动台与渗流试验相结合应用于井水位对地震波的响应机理研究是一次新的尝试。本文以井水位对地震的响应现象为研究背景，开展孔隙介质承压含水层小型地震模拟振动台模型渗流试验。

1 试验模型

1.1 井-含水层系统物理模型

封闭的井-含水层系统相当于安装在地壳中的一种非常灵敏的应变仪，一切地球物理信息源对含水层的作用都是造成含水介质的体膨胀而引起的井水位升降，而水位升降原理可表述为如下思路：含水层受力变形或破坏，将引起其内部孔隙水压力的变化，孔隙水压力变化信息在井-含水层系统中传递进而引起井水位动态变化。基于此，本试验选用的原位井-含水层系统的物理模型是由布雷德霍夫特提出的。

1.2 井-含水层系统振动渗流试验模型

基于以上研究思路并结合井-含水层系统物理模型，本次试验共设计6种承压含水层渗流模型，各模型中采用的振动台渗流系统包含4部分：渗流槽供、排水的定水头装置、渗流砂槽和测压板、地震模拟振动台、数据采集传感器及配套采集系统（图1）。

图1 井-含水层系统振动渗流试验模型实物图

系统中储水容器为钢化塑料材料制成的圆柱形容器，体积120L，置于一定高度的试验台之上，用于供水和保持渗流槽承压含水层的承压性。供、排水的定水头装置为采用溢流原理控制供水和排水水位，可以上、下自由调节高度，使其在渗流过程中保持一个合理的位置。砂槽制作材料为有机玻璃，长、宽、高分别40cm、25cm、30cm，槽体配有有机玻璃材料的承压隔水板，槽体左右两侧分布3cm宽度的进出水缓冲带，进水口处于较高位置，出水口位于较低位置，上部密封，留有4个排气孔，饱水排气后密封各孔以保证含水层达到一定压力水头，槽体侧面共分布8个测压管，测压管的间距为6cm，利用硅胶管将渗流槽一侧的测压管与测压板相连，用于监测不同时间、渗流槽不同位置的水位情况。

2 试验过程设计

2.1 渗流试验

本次所试验使用的孔隙介质承压含水层为单一水平结构，渗流介质为石英砂，该过程的关键是保证承压含水层的密闭性和承压性。

含水层介质采用1～3级天然水晶，按粒径大小，高纯石英砂分为Ⅰ型粗粒石英砂、Ⅱ型粗粒石英砂、中粒石英砂和细粒石英砂，将这4种石英砂作为含水层介质。

本试验模拟在天然条件下承压含水层的实际渗流过程，利用储水容器中的上游定水头装置通过与砂槽相连的管路使水进入渗流砂槽中。本过程分为地震模拟振动台振动前、振动过程中、振动后的渗流对比试验，目的是测定地震波与含水层相互作用对水文地质参数（渗透系数）的影响。振动前后的渗流试验各进行24小时。利用达西公式计算得到不同层位渗透系数大小(1)。

表1 井水位对地震波响应的小型振动台试验加载工况

其中，Q：渗透流量(m3/d)；L：渗透路径长度(m)；H1：上游水位高度(m)；H2：下游水位高度(m)；A：入渗截面面积(m2)。

2.2 加载方法

本试验可以选择任意的地震波记录，依据汶川地震时相关台站记录，选取汶川卧龙台、地震波的时程曲线和频谱曲线如图2。

图2 输入汶川卧龙台地震动加速度时程曲线（土层、自由地表，震中距21km）

3 结论

本文对地震波-孔隙介质含水层相互作用对井水位影响的小型振动台模型及其试验方案设计进行了研究。主要结论如下：

3.1 本文总结了井水位对地震波响应的机理解释，认为震中距、震级、震源深度及井孔结构、井深等影响因素的差异，构造不连续面的存在，介质体水文地质参数的不均一性和各向异性导致机理的复杂性，并阐明其不足，提出开展地震模拟振动台渗流试验来解释实验室尺度下的响应机理。

3.2 针对实验目的及要求，结合地震模拟振动台试验发展现状，设计出6种承压含水层渗流模型，各模型包含4部分：渗流槽供、排水的定水头装置、渗流砂槽和测压板、地震模拟振动台、数据采集传感器及配套采集系统。

3.3 对整个试验过程进行了设计，重点为含水层的制备、传感器的布置及其数据采集方案，主要包括：承压含水层模拟方法，振动前、振动时、振动后渗流试验的开展以及水文地质参数的测定，孔隙压力、振动加速度的输入和采集方案。

该试验方案为进行井水位地震波响应的小型振动台模型试验的实施作了相关铺垫工作，对实验室尺度地震波-孔隙介质含水层相互作用对井水位影响给出基准模型奠定基础。