高地应力条件下地下洞室微震监测及围岩稳定性评价.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：廖伟（），男，四川泸州人，本科，高级工程师，从事水电工程检测及监测工作。高地应力条件下地下洞室微震监测及围岩稳定性评价廖伟，张海龙（四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 ；雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 ）摘要：以深埋高地应力地下洞室为研究对象，构建高精度实时微震监测系统，实时在线监测了洞室开挖诱发的岩体内部微破裂萌生、发育、扩展、贯通的时空演化规律。引入离散元数值模拟，并结合现场破坏情况及常规监测数据，深入分析微震聚集区域围岩变形破坏机制；将 变换波形分析方法引入分析微震波形，并结合视应力、视体积、等震源参数，深入分析微震聚集区域震源参数变化特征，初步建立基于微震多震源参数的围岩变形预警模型。关键词：高地应力；地下厂房；微震监测；传感器；变形预警中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言近来年，我国西南地区一大批超大型水电工程正在建设，由于枢纽布置施工等方面的条件限制，这些水电站大都采用地下厂房，因此必须开挖、修建、运行大型地下洞室群 。然而，由于西南地区处于青藏高原东缘横断山系高山峡谷地区，河谷深切，天然地应力分布极其复杂，同时岩体结构复杂，软弱结构面发育 ，施工程序复杂、难度大，迫切需要解决大型地下洞室围岩稳定性及其控制等一系列问题 ，为工程建设和运行的安全和建设工期提供保障。某电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中下游的“龙头”水库。电站采用坝式开发，水库正常蓄水位 ，水库总库容为 亿，调节库容 亿，具有多年调节能力。电站装机容量 ，安装 台单机容量为 的水轮发电机组，多年平均年发电量 亿 。电站引水发电系统布置于右岸山体中，主要由进水塔、压力管道、发电厂房及副厂房、升压变电系统、尾水系统、附属洞室群等建筑物构成，为大型地下洞室群结构。其中，主厂房、主变室及尾水调压室等三大洞室并列平行布置于 （）层 （）层砂板岩中，岩石坚硬，岩体微风化 新鲜，以类围岩为主，部分类；厂房纵轴线方位为 向。厂区水平埋深 ，垂直埋深 。厂区主要发育有 、断层和节理裂隙等地质构造，地下水不发育。右岸山体实测最大主应力 ，方向区间为 ，倾向坡外，略缓于岸坡。厂区岩体强度应力比约为 ，属构造与重力叠加的高地应力区。从实际施工情况来看，两河口地下厂房洞室群的地质条件十分复杂，工程区属构造与重力叠加的应力场，地应力高，围岩强度应力比较小。厂区岩体节理裂隙较发育，岩体结构以镶嵌结构为主，根据不同部位，各组优势裂隙与洞室组合后形成不稳定块体，分别对洞室顶拱、边墙、端墙稳定构成不利影响；镶嵌结构的砂岩或砂板岩开挖后岩面掉块问题突出；在高地应力作用下，不利组合和镶嵌结构的砂岩或砂板岩会出现碎裂化、完整性降低、解体问题，出现松弛深度加大，引发大变形，带来围岩稳定问题，对人员与设备形成严重安全威胁。目前，水工建筑物的安全稳定监测分外部变形监测和内部变形监测。外部变形监测主要是从整体和局部监测水工建筑物所处环境、水工建筑物本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移。内部变形监测主要是通过埋设在水工建筑物内部特定部位的仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、测压管、渗流量仪、温度计等，对水工建筑物的应力应变、裂缝、渗流渗压以及温度等进行持续自动化观测，根据实测应变计算坝体内部应力，对于水工建筑物的安全进行评价。外部变形监测和内部变形监测只能给出水工建筑物已经出现大变形或者宏观失稳的监测结果，对水工建筑物微破裂及微破裂的演化过程的监测却无能为力，即无法给出水工建筑物变形前兆。水工建筑物常规安全监测与微震监测特征对比表如表 所示。表 微震监测与常规监测方法特征对比监测方法常规监测微震监测监测特点、监测数据直观，成果图多为二维曲线图、只能针对点监测、只能定期观测、观测误差导致无法揭示小变形、施工期一般人为观测、运行期一般智能监测、当在大变形时监测过程曲线拐点明显、监测数据直观，成果图多为四维空间图、微震监测属体监测、微震监测可实时监测、能捕捉水工建筑物微破裂及微破裂的演化过程、微震监测数据内容丰富，可计算出十余种震源参数、施工期和运行期均智能监测、根据微震震源参数对宏观变形进行预警 微震监测系统构建 微震监测系统简介微震监测系统（，），其最早应用可追溯到上世纪三十年代末，伴随着信息技术、计算机技术的发展和计算机水平的提高而日趋成熟。国内外大量研究资料表明，岩体在破坏之前必然持续一段时间以声的形式释放积蓄的能量，这种能量释放的强度随着结构临近失稳而变化，每一个微震事件都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，对接收到的信号进行处理分析 ，可作为评价岩体稳定性的依据。因此，可以利用微震的这一特点对岩体的稳定性进行监测，从而预报岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等灾害现象。该系统的原理与常规地震监测系统基本一样，只是它具有更强的敏感性和更高的精确性，使得其监测到的地下微震的震级更小、精度更高。本项目监测系统主要包括 数字信号处理系统、数字信号采集系统、加速度传感器、电缆光缆、数据通讯调制解调器以及基于远程网络传输的 三维可视化软件。微震监测系统覆盖主厂房顶拱、主厂房上游侧边墙、主厂房与主变室中隔墙、母线洞、主变室顶拱及主变室下游边墙，传感器可对地下洞室群深部岩体卸荷产生的微破裂事件实施 连续监测，获取大量微震事件的时空数据、误差、震级以及能量等多项震源参数，并对采集的数据进行滤波处理，提供用户震源信息的完整波形与波谱分析图，自动识别微震事件类型，通过滤波处理、设定阈值、带宽检波排除噪声事件。传感器布置方案调整针对地下厂房的开挖情况进行微震传感器网络动态调整，即随开挖逐渐下移传感器。（）方案 ：在考虑监测有效性和可行性后，选择如图 （）所示的传感器阵列布置性形式，传感器分别安装在三大洞室顶拱上方的 条并行的排水廊道内。（）（）（）图 传感器布置方案调整（）方案 ：鉴于地下厂房三大洞室底板开挖高程逐步降低，主厂房与主变室之间岩墙高度逐渐增加，同时母线洞开挖将产生多个水平、竖直交叉组合临空面，岩体卸荷之后将进入急剧的应力调整阶段，内部微破裂活动逐步增强，损伤加剧。经过现场踏勘与可行性分析，在主变室上游边墙 号与 号母线洞之间、号与 号母线洞之间、号与 号母线洞之间增加了 个加速度传感器并入监测系统，对该区域岩体重点监测，传感器示意见图 （）。（）方案 ：为了更好地采集主厂房与主变室之间高边墙、交叉洞室形成时岩体内部微破裂活动，为施工组织提出更加可靠的指导意见，在经过现场踏勘与可行性分析之后增加 台六通道 采集基站，个加速度传感器分别安装在在主厂房安装间、主变室上游边墙及 号母线洞内，传感器示意见图 （）。微震监测成果分析 微震活动与施工响应的关系通过现场施工、踏勘及事件频率分析，识别得到了大量岩石微破裂事件，分别获得了主厂房顶拱区、主厂房上游侧、主厂房下游侧、主变室及母线洞等部位开挖卸荷诱发的微震活动性时空分布特征。现重点分析母线洞大断面开挖诱发微震典型活动规律。月 日至月 日，受主变室上游母线洞大断面开挖影响，主变室出现 个主要微震聚集区域、，微震聚集区位于 号与 号母线洞至主变室上游边墙、顶拱区域，对该聚集区微震事件空间范围圈定，其微震聚集区的时间分布规律及 号、号母线洞拱顶锚杆应力计历时曲线见图 。可以看出，该区域微震事件在 月 日至 日内较为活跃，平均每日 个左右，分布在高程 岩体之间，矩震级在 之间，属于小震级事件；微震事件的发生表明围岩积聚能量的释放，围岩损伤程度不断增加，围岩向临空面变形或存在变形趋势。该区域微震活动较强期间（月 日至 日），号、号母线洞正进行大断面开挖。从 日起该区域微震事件逐渐增加，之后 号、号母线洞拱顶锚杆应力计荷载分别于 日、日起增加，上述结果表明，微震聚集特征可为预测预警地下洞室变形失稳风险提供有效参考。结合地质条件发现，该区域附近存在断层 和 通过，由此分析，微震事件主要由爆破开挖强度主导，围岩卸荷后应力不断调整、重新分布，同时受该区域软弱结构面的影响，加剧了该区域的变形失稳风险。图 聚集区域微震活动特征与位移变化关系对比微震聚集区位于 号与 号母线洞至主变室上游边墙、顶拱区域，对该聚集区微震事件空间范围圈定，其微震聚集区的时空分布规律见图 。可以看出，该区域 月 日至 日内微震活动逐渐增强，其中 日达到 个。结合现场施工发现，月初以来，号、号母线洞大断面开挖，该区域交叉临空面附近岩体卸荷，应力处于不断调整阶段，能量释放过程中岩体微破裂不断萌生、发育、扩展，围岩损伤程度不断增加，是近期潜在的变形失稳区域，应及时跟进支护。图 聚集区域微震活动特征从聚集区域、的微震活动时空分布特征来看，微震活动的迁移、聚集与现场施工扰动密切相关（主要是爆破开挖），可以很好地揭示施工扰动诱发的岩石微破裂及其损伤。母线洞之间岩墙及其顶拱区域岩体是主要卸荷区域，需结合微震活动特征控制开挖进度、装药量，并认真组织爆破施工工艺，及时跟进支护措施，避免大变形发生。开挖过程围岩破坏机制分析大型地下洞室围岩的宏观变形破坏通常是其内部岩石微破裂萌生、发育直至贯通的结果。因此，某一时段内微震事件出现聚集现象，反映了该聚集区域内岩体具有较高的失稳风险。对典型聚集区域内微震活动时空迁移演化规律进行分析，试图揭示厂房围岩变形破坏发生的主导机制，建立微震活动与围岩变形破坏的内在联系和相互反映机制，以期为工程施工监测预警提供参考。根据厂房地质条件，选取母线洞破坏最严重，最具有代表性的 号母线洞中心线作为典型断面进行离散元模拟分析计算。模型考虑了在 号母线洞断面广泛发育的 裂隙组。结合微震活动性和锚杆应力计变化过程（见图）可以得到：微震聚集区域在 月 日至 日日均微震事件 个左右；在 月 日至 日微震活动性较强，日均事件 个，且在锚杆应力计附近大量聚集。微震事件数量的增加表明，岩体内部微破裂发育扩展，岩体产生松弛变形。可以看出，微震事件数量迅速增加并回落后，锚杆应力计读数有了较大变化，微震事件的聚集变化先于锚杆应力计变化。这表明，岩体在内部微裂隙萌生、发育、扩展及贯通后才形成围岩松弛，引起锚杆应力计变化，说明微震监测能够提前圈定和预报松弛破坏区域，微震事件聚集是围岩宏观变形失稳的前兆。综合现场监测和数值模拟结果（见图 ），地下厂房在母线洞开挖后基本处于稳定状态，开挖卸荷形成的直角临空面诱发裂隙萌生扩展，微震事件聚集，变形较为严重，易出现拉张破坏现象。在开挖过程中应重点关注直角临空面状况。开挖围岩变形预警微震系统监测到的弹性波（应力波）信号中包含丰富的震源信息，典型的震源参数有矩震级、能量、地震矩、震源半径、应力降、视应力、视体积等，深入研究这些参数能够进一步从微观角度揭示岩体内部裂隙演化过程。以 号、号母线洞附近围岩为研究对象，将 变换波形分析技术引入微震信号波形分析领域，深入研究微震聚集区域微震信号频率变化规律，系统总结了围岩变形前后微震活动频率、视应力、视体积等微震信号参数变化规律，提出了基于微震信号参数变化的围岩变形预警。得到的主要结论如下：（）微震事件活动频率与围岩变形及施工扰动存在密切联系，微震事件活动频率及区域随着施工扰动区域及施工频率变化而变化。（）微震事件在某区域短期发生聚集，该区域视应力迅速增加，视体积基本不变或者缓慢增长，围岩变形量小；视应力迅速下降，视体积大幅增加，围岩变形急剧增长。因此，区域岩体内“微震事件短期聚集、视应力迅速增加、视体积缓慢增长”的微震活动特征可作为围岩变形预警的定性指标，为现场施工提供一定指导。图 微震活动性和锚杆应力计变化过程图 数值模拟对比微震监测 结论由于电站地下厂房三大洞室具有大跨度、高边墙、大夹角、陡倾角、高地应力的工程地质特点，而微震监测作为一种新型的三维实时监测技术，能够准确捕捉岩体内部微破裂信息，从而实现大型地下洞室开挖围岩稳定性的预测预报，为施工期安全及围岩支护动态设计提供有力的技术支撑，以期最终服务于西南地区深埋地下洞室群安全施工与运行，促进我国水电工程技术的提高和快速发展。参考文献：肖亚勋，冯夏庭，陈炳瑞，等 深埋隧洞即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征 岩土力学，（）：李彪，戴峰，徐奴文，等 深埋地下厂房微震监测系统及其工程应用 岩石力学与工程学报，（增 ）：赵周能，冯夏庭，陈炳瑞，等 深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究 岩土力学，（）：赵周能，冯夏庭，肖亚勋，等 不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析 岩土工程学报，（）：许峻，杨润海，张建国，等 脆性材料强破裂前兆的初步研究 地球物理学报，（）：王启耀 陡倾角层状岩体中大型地下洞室群围岩变形的预报与控制 上海：同济大学，朱维申，刘建华，杨法玉 小浪底水利枢纽地下厂房岩体支护效果数值分析研究 岩土力学，（）：孔祥福，李景龙，李嘉春，等 某水电站地下厂房围岩稳定性分析研究 岩土力学，（增）：江权，冯夏庭，苏国韶，等 高地应力下拉西瓦水电站地下洞室群稳定性分析 水力发电学报，（）：陈秀铜，李璐，等 大型地下厂房洞室群围岩稳定性分析 岩石力学与工程学报，（增 ）：（下转第 页）处理架构研究 水电与新源，（）：，安学利，周建中，刘力，等 基于熵权理论和信息融合技术的水电机组振动故障诊断 电力系统自动化，（）：万俊毅 水泵水轮机综合状态评估研究与应用 武汉：华中科技大学，王玲花，王坤，许永强 基于改进欧氏距离的水轮发电机组振动故障诊断方法研究 吉林水利，（）：，张霞，何南 综合评价方法分类及适用性研究 统计与决策，（）：刘思峰，蔡华，杨英杰，等 灰色关联分析模型研究进展 系统工程理论与实践，（）：杨海燕，赵林明，王利英 水轮发电机组振动的灰色关联分析 华北水利水电学院学报，（）：赵万里，王瑞莲 基于加权灰关联度分析的水轮发电机组振动故障诊断 水电能源科学，（）：罗松山 基于改进灰度模型的中长期电力负荷预测方法 长沙：湖南大学，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）结论本文以实际工程为例，采用数值模拟方法进行水工隧洞的建模，并对衬砌结构进行分析得到衬砌在各工况下的变形和应力状态及其分布规律 ，并由此判断衬砌结构的安全稳定性，得到合理的配筋方案。计算结果表明：（）正常运行工况为控制工况，衬砌结构的最大拉应力为 ，出现在边墙底部和底板处，沿截面中心线的拉应力的平均值为 ，最大压应力为 ，小于混凝土的抗压强度。（）根据控制工况下截面的应力分布情况及裂缝控制要求，采取双层布置钢筋，配筋参数如表 所示，纵向钢筋按照构造的要求，选取内外层均为 。参考文献：熊瑜，张正香 尼泊尔某水电站引水系统优化设计 水电站设计，（）：许韬，戚绍礼，胡天明，等 考虑初期支护作用的引水隧洞衬砌结构配筋计算 水力发电，（）：美国混凝土学会 环境工程混凝土结构的规范要求：陆军部 美国陆军工程兵团 岩石中的隧道和竖井：赵冰华，邵潮鑫，沈振中，等 水电站引水隧洞衬砌结构三维有限元分析 科学技术与工程，（）：（编辑：全力立檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）彭琦，王鱹剀，邓建辉，等 地下厂房围岩变形特征分析 岩石力学与工程学报，（）：徐奴文，唐春安，周钟，等 岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法 岩石力学与工程学报，（）：戴峰，李彪，徐奴文，等 猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析 岩石力学与工程学报，（）：戴峰，李彪，徐奴文，等 白鹤滩水电站地下厂房开挖过程微震特征分析 岩石力学与工程学报，（）：黄书岭，王继敏，丁秀丽，等 基于层状岩体卸荷演化的锦屏 级地下厂房洞室群稳定性与调控 岩石力学与工程学报，（）：杨为民，陈卫忠，李术才，等 快速拉格朗日法分析地下洞室群稳定性 岩土工程学报，（）：陈炳瑞，冯夏庭，曾雄辉，等 深埋隧洞 掘进微震实时监测与特征分析 岩石力学与工程学报，（）：李仲奎，戴荣，姜逸民 分析中的初始应力场生成及在大型地下洞室群计算中的应用 岩石力学与工程学报，（增 ）：（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）够满足风电场道路施工期和运维期的使用要求。采用该种路基路面结构可解决筑路材料成本高、耗时长等一系列问题，从而节省工程造价。参考文献：黄金钗 沿海滩涂风电场道路设计与施工 人民珠江，（）：许海楠 风电场道路的路基结构：刘磊 滩涂风电场场内道路设计 太阳能，（）：池钊伟 平原滩涂海岸风电场建设几个问题的初步探讨 华东电力，（）：国家能源局 风电场工程道路设计规范：北京：中国水利水电出版社，（编辑：惠方方）