zr－1型电容轴向钻孔应变仪总体设计.docVIP

高精度轴向应变观测方法的讨论 孔向阳 （山东长清地震台 250300） 本文以适应大震应急快速布防的高精度轴向应变测量为重点进行讨论。 钻孔式前兆观测具有高频特性好、抗干扰能力强、对场地要求不高、易于维护管理等优点。轴向应变仪结构简单，用于测量钻孔的轴向应变有其独特的优点：首先完整基岩的钻孔沿轴向不存在放大效应，属于线应变观测；其二探头使用自应力水泥耦合，耦合界面的应力平衡周期在钻孔径向较长，而轴向很快能够稳定下来。所以轴向应变仪能够适应地震危险区快速布防的要求，并能够在短时间内获得可靠的高精度前兆数据。轴向应变仪安装在30 m～50 m的浅孔中，每个方向的钻孔安装一只探头，各方向互不干扰，容易区分干扰事件与应变事件。 一、关于轴向应变观测状况 在国内，上世纪九十年代初，有关专家提出使用轴向应变计进行三维应变观测的方法，并进行了理论上的分析研究〔１〕。 三维测量模型一般为：三维坐标x、y、z轴，沿每个轴的平行方向布设一个分量，命名为x向、y向、z向。在三维坐标轴所确定的三维空间相互垂直的三个平面中，与任意两个坐标轴成45度角布设三个分量，命名为xy45、yz45、xz45。为兼顾传统水平应变测量，指定y轴为南北向，x轴为东西向，z轴为垂直方向。其余各分向依照地理结构可做180度调整。 三维六分量测量,通过对六组数据的数学计算可以得到一组体应变、三组面应变、六组剪应变数据，三维测量系统可以进行自检，比较容易判定应变事件的真实性，能够计算出三维空间的最大主应力及其方向，使局部应变场的测量信息更为丰富。 国外相关资料，日本石井宏博士在综合探头中设计了铅直应变计（垂直轴向应变观测），参见图1。石井式应变探头中设置了三个水平应变元件，两个斜向元件，一个铅直元件，不难理解该设计方案是为了得到三维应变观测的效果，但是钻孔径向应变存在放大效应，轴向应变则不存在，斜向元件介于二者之间，在不同的边界条件进行三维计算[注]，因国内所得到的相关资料内容有限，其分析方法以及计算结论不得而知，与轴向应变仪的三维测量相比其一致性要差，优点是能够安装在同一个探头中，容易做到深孔测量。 图1 地壳活动综合观测装置及其观测记录曲线（2000.4.17～5.8，日本瑞浪，井下深度 150 m） 一般认为近地表完整基岩的垂直应变较小，ε⊥ -μ（ε1+ε2），而（ε1+ε2）≤（ε1-ε2）；另外垂直应变受水位、气压干扰更大一些，所以关于垂直应变观测的手段以及测量资料在文献中很少见到。日本瑞浪150m钻孔应变曲线（图1）中显示，铅直应变（vertical strain）固体潮汐幅度明显大于水平应变 H-strain ，这与过去的理解有所不同。由此来说，在较深的钻孔中进行铅直轴向应变的观测试验是很有意义的。 二、轴向应变观测仪器的初步试验 高精度轴向应变观测有其独特的优点： 探头结构简单，制作成本低。探头结构简单有时也意味着能够在同等制作技术条件下，更容易获得稳定性好的高精度前兆数据。 对场地要求不高。钻孔式前兆仪器具有高频特性好、抗干扰能力强、对场地要求不高、易于维护管理等优点。 安装方便快捷，探头能够在短时间稳定下来。小孔径浅孔（直径80mm，深度30～50m）容易在短时间施工；自应力水泥稳定性对钻孔轴向不敏感，通过实验证实，使用体应变探头的耦合配方对轴向应变仪探头进行耦合试验，耦合介质稳定时间在20天左右。 三、地震危险区快速布防，有待进一步试验的方法 以往的前兆应变观测资料证实，部分破坏性地震的短临前兆异常只有10-8～10-9 量级，因此在地震危险区快速布设高精度应变测量仪器，可以给短临异常的分析预报提供更丰富的前兆信息，同时也能够得到地震过程中有价值的高频信息（如地震造成的同震微应变阶跃）。 地震危险区快速布设方式的设想： 1、垂直应变测量。在小孔径垂直浅孔（直径80mm，深度30～50m）安装轴向应变探头，进行高精度垂直应变测量。 2、多分量水平应变测量。在小孔径斜向孔的钻进中，钻杆因刚性不足下垂，在达到一定深度时较容易成为水平孔，附图3，这就为轴向应变仪在野外水平布设提供了一个很好的环境，（需对探头耦合部位钻孔的方向、斜度、深度做精确测定）。利用钻孔施工的这一特性，可以较为容易的布设水平三分向的轴向应变测量。轴向应变仪探头安装快捷方便，并且通过试验证实，探头耦 图3 斜向小孔钻井示意图 合之后能够在短时间稳定下来。水平三分向与垂直分向即可以组成简化条件下的三维测量系统。因为尚未进行实地试验，对此不作过多的叙述。 四、结束语 轴向应变仪在地震危险区可以快速选点布防，这个特性在高精度应变测量仪器中是比较突出的。 三维应变测量能够为前兆观测提供更多的应变场信息是毫无疑问的，以往在测量中获得真实可靠的弱的前兆信息，如提取10-8量级的中短期趋势信息存在一