， ，， ， ，

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；

2.四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，成都 610072；

3.四川大學(xué) a 水利水電學(xué)院；b 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

1 研究背景

為兼顧國家節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)和對能源的大力需求，“十二五”規(guī)劃提出積極發(fā)展水電能源的方針，我國水電事業(yè)進(jìn)入前所未有的高峰期。由于西南地區(qū)大型水電項(xiàng)目多處于高山峽谷地區(qū)，廠房布置多數(shù)選擇采用地下形式，如溪洛渡、錦屏一級、大崗山、猴子巖等。然而，受復(fù)雜而獨(dú)特地質(zhì)條件的制約，地下廠房的穩(wěn)定問題貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織、支護(hù)選取甚至運(yùn)營發(fā)電的始終。尤其是在開挖強(qiáng)卸荷以后，一些高邊墻、大跨度、高地應(yīng)力、軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的大型地下廠房變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和工程人員安全。因此，對地下廠房開挖卸荷進(jìn)行穩(wěn)定分析，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地下廠房傳統(tǒng)的監(jiān)測方法(多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿計(jì)、外觀變形監(jiān)測點(diǎn)等)大多選取特殊斷面(軟弱結(jié)構(gòu)面、機(jī)組斷面等)的某個高程埋設(shè)監(jiān)測儀器，參照應(yīng)力、變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)判定地下廠房圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。這種方法可以對監(jiān)測點(diǎn)一定范圍內(nèi)圍巖外觀變形進(jìn)行較好的監(jiān)測，但是監(jiān)測結(jié)果具有一定的空間局限性，難以實(shí)現(xiàn)三維“體”形式的圍巖變形監(jiān)測，而且對巖體內(nèi)部的微破裂也難以進(jìn)行有效的監(jiān)測，而這些微破裂往往是宏觀失穩(wěn)破壞的前兆。作為一種新型的三維實(shí)時監(jiān)測方法，微震監(jiān)測技術(shù)能夠有效獲取巖體內(nèi)的微破裂事件，揭示巖體的損傷演化規(guī)律，識別和圈定巖體潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域，提前對圍巖宏觀變形預(yù)測和預(yù)警。國內(nèi)外早期的微震監(jiān)測主要針對深部礦區(qū)巖體活動規(guī)律進(jìn)行分析，如南非、加拿大等國的礦山[1]、門頭溝煤礦[2]、凡口鉛鋅礦[3]、銅陵冬瓜山銅礦[4-5]等用于監(jiān)測礦山地壓、預(yù)測巖爆等。微震監(jiān)測技術(shù)在眾多預(yù)測方法中效果顯著，近幾年在我國水電領(lǐng)域逐漸推廣，徐奴文等[6-7]在錦屏一級水電站左岸邊坡布置了加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)，研究了微震事件分布和施工情況、地質(zhì)條件的關(guān)系，并基于微震監(jiān)測結(jié)果對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。馮夏庭等[8-10]基于錦屏二級水電站深埋引水隧洞和排水洞開挖過程中的大量微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，闡明掌子面附近微震活動區(qū)與巖爆之間的相互聯(lián)系，并基于矩張量對深埋隧洞巖爆機(jī)制進(jìn)行了分析。張伯虎等[11-12]將微震監(jiān)測系統(tǒng)引入大崗山水電站地下廠房，結(jié)合微震事件的多項(xiàng)震源參數(shù)特征評價分析了地下廠房塌空區(qū)穩(wěn)定性。

本文針對猴子巖水電站地下廠房開挖卸荷作用下的圍巖穩(wěn)定問題，引入加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)對圍巖損傷實(shí)時反饋，通過分析地下廠房微震活動特征，初步判定圍巖的潛在失穩(wěn)區(qū)。借助潛在失穩(wěn)區(qū)的巖體聲波檢測成果，解釋微震聚集區(qū)圍巖的卸荷損傷特征，研究結(jié)果可為地下廠房后期施工提供參考。

2 地下廠房微震活動特征

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

猴子巖水電站是大渡河上游干流上的第9個梯級電站，攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m。地下廠房系統(tǒng)位于右岸的山體內(nèi)，三大洞室平行布置如圖1所示，主廠房尺寸219.5 m×29.2 m×68.7 m，主變室尺寸141.1 m×18.8 m×25.2 m，單個調(diào)壓室尺寸60.00 m×23.5 m×73.975 m。地下廠房水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，廠區(qū)第一主應(yīng)力多在20～35 MPa之間。主廠房開挖過程中，圍巖強(qiáng)卸荷引起的變形嚴(yán)重，主廠房邊墻、排水廊道等多處出現(xiàn)片幫，局部區(qū)域發(fā)生輕微巖爆，如圖2所示。

圖1 三大洞室及傳感器空間布置[14]

圖2 主廠房上游邊墻張拉破壞

采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，對開挖過程中的地下廠房圍巖卸荷損傷實(shí)時監(jiān)測分析。傳感器布置如圖1所示，分布于2個高程的10個加速傳感器(其中1個三軸傳感器，9個單軸傳感器)對施工期間產(chǎn)生的微破裂事件實(shí)施24 h連續(xù)監(jiān)測，覆蓋范圍主要包括主廠房、主變室的邊墻頂拱以及尾調(diào)室上游側(cè)圍巖。

微震是指局部范圍內(nèi)巖石由于某種誘發(fā)原因(如工程開挖)在裂紋產(chǎn)生時以地震波形式產(chǎn)生的震動[13]，對地震波信息進(jìn)行反演推算，可獲取微震事件的時空、震級、能量以及誤差等多項(xiàng)震源參數(shù)，根據(jù)微震事件各項(xiàng)震源參數(shù)信息的分布規(guī)律，分析研究圍巖損傷特征，預(yù)測預(yù)報(bào)潛在失穩(wěn)區(qū)域。

2.2 微震時間分布規(guī)律

微震監(jiān)測系統(tǒng)于2013年4月12日完成調(diào)試運(yùn)行，截止5月20日，在有效范圍內(nèi)識別得到微震事件458個。微震事件的時間分布如圖3所示，微震事件數(shù)量在5月19日之前發(fā)展基本平穩(wěn)，平均每天10個左右。5月19日，微震事件達(dá)到68個，聚集于2#與3#母線洞之間圍巖，常規(guī)監(jiān)測顯示該處變形嚴(yán)重，主廠房開挖被迫暫停。結(jié)合2013年4月20日至5月20日現(xiàn)場施工資料，期間主廠房集中進(jìn)行第3、第4層1 710～1 700 m高程的開挖，主變室開挖基本完成，尾調(diào)室進(jìn)行第3層(1 725.5～1 719 m高程)殘余部分的開挖，此外，壓力管道、第2層排水洞等多個管道也處于開挖施工期，圍巖開挖卸荷以后內(nèi)部應(yīng)力重新分布，局部范圍應(yīng)力集中，導(dǎo)致大量巖石微破裂的發(fā)生。

圖3 微震事件時間分布

2.3 微震空間演化特征

圖4是微震事件的空間分布規(guī)律，其中球體表示微震事件，不同顏色表示矩震級，球體大小表示地震能量。從圖4可以看出，微震事件主要聚集在主廠房下游側(cè)1#與3#母線洞之間及其上部圍巖，是微震活動揭示的地下廠房潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域。圖5是微震事件的密度云圖，顏色越深表示聚集事件越多，圖5顯示微震事件在1#與3#母線洞之間聚集嚴(yán)重，與圖4微震事件空間分布一致。圖6給出1 715 m高程(巖錨梁位置)地質(zhì)平切圖，對比微震事件的聚集特征可以發(fā)現(xiàn)，1#與3#母線洞之間發(fā)育f1-1-3以及fm1，fm3等多個次級斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體較破碎，強(qiáng)度偏低，尤其是斷層之間相互交匯，開挖卸荷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致微破裂的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展。除此之外，主廠房與主變室開挖以后，中間墻體由于開挖臨空面的產(chǎn)生受力狀態(tài)發(fā)生變化，三維的應(yīng)力狀態(tài)變成二維甚至局部出現(xiàn)單軸受壓狀態(tài)，巖石出現(xiàn)壓剪、張拉等多種形式的破壞。圖4、圖5微震事件的聚集和演化特征表明，1#與3#母線洞之間圍巖已形成開挖誘導(dǎo)、斷層控制的深部損傷區(qū)，需結(jié)合常規(guī)監(jiān)測和地質(zhì)勘探結(jié)果采取及時必要的支護(hù)措施。

圖4 微震事件空間分布

圖5 微震事件密度云圖

圖6 1 715 m高程地質(zhì)平切圖

深埋洞室群開挖卸荷過程微震事件的聚集和遷移規(guī)律影響因素是多方面的，包括爆破開挖過程、洞室開挖形狀和尺寸、開挖順序、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力狀態(tài)等[15]。其中，微震事件多由開挖卸荷以及卸荷后多因素相互作用引起。圍巖開挖卸荷以后，局部范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中和能量聚集，尤其是結(jié)構(gòu)面和高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力集中和能量聚集加劇到一定程度后，導(dǎo)致巖石微破裂的發(fā)生并伴隨地震能量的釋放。

3 微震活動區(qū)的圍巖質(zhì)量特征

為深入研究微震活動區(qū)的巖體質(zhì)量，建立微震活動與巖體卸荷松弛之間相互關(guān)系,本文借鑒物探檢測成果資料，結(jié)合微震聚集區(qū)的波速特征，全面評價地下洞室群的卸荷損傷特征和穩(wěn)定性。圖7 為主廠房1#—4#機(jī)組中心線附近的物探檢測斷面聲波孔布置圖。

圖7 主廠房聲波檢測孔布置

選取位于微震聚集區(qū)的下游側(cè)1 711 m高程的巖體2013年5月左右聲波測試結(jié)果，結(jié)合鉆孔全景圖像資料及聲波測試曲線拐點(diǎn)，將巖體松弛劃分為強(qiáng)松弛、弱松弛和完整巖體段，松弛帶劃分見圖8。根據(jù)1 711 m高程松弛帶的劃分，對各卸荷松弛帶波速進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)成果見表1，猴子巖地下廠房基巖為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，完整巖塊波速為6.7 km/s，取地下廠房完整巖體聲波波速6.0 km/s，計(jì)算各松弛帶巖體聲波波速衰減率；其中強(qiáng)松弛帶巖體聲波波速3.5～3.8 km/s，巖體衰減率35 %～45 %，弱松弛帶巖體聲波波速4.5～5.0 km/s，巖體衰減率15 %～25 %，完整巖體聲波波速6.0 km/s左右，巖體衰減率<3 %。

圖8 地下廠房下游邊墻▽1 711微震聚集區(qū)聲波曲線

表1 松弛區(qū)聲波波速統(tǒng)計(jì)

綜合圖5微震事件密度云圖、圖6地質(zhì)剖面圖及圖8物探檢測成果圖，結(jié)合松弛帶分區(qū)結(jié)果繪制1711m高程物探檢測成果平切圖(如圖9所示)。

圖9 1 711 m高程物探成果平切圖

根據(jù)1 711 m高程物探檢測成果平切圖可知：主廠房開挖至第4層時，圍巖的強(qiáng)松弛深度7.0～12 m，強(qiáng)松弛帶波速3.5～3.8 km/s；圍巖的弱松弛深度10～14m，強(qiáng)松弛帶波速4.5～5.0 km/s。微震事件密度云圖表明：巖體卸荷松弛嚴(yán)重區(qū)域微震事件有明顯聚集，結(jié)合1 715 m高程地質(zhì)平切圖，發(fā)育f1-1-3以及fm1，fm3等多個次級斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體較破碎，強(qiáng)度偏低，尤其是斷層之間相互交匯，開挖卸荷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致微破裂的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展。

由此推斷，微震活動區(qū)的圍巖在開挖卸荷以后，表層巖體松弛張拉變形嚴(yán)重，同時內(nèi)部多個軟弱結(jié)構(gòu)面承受壓剪破壞，斷層活化，加劇了深部巖體損傷，巖體質(zhì)量逐漸下降，演化為潛在失穩(wěn)區(qū)。建議設(shè)計(jì)在開展噴錨等淺層支護(hù)的同時，增加該區(qū)域的錨索、錨筋束等深層支護(hù)措施數(shù)量，避免后期繼續(xù)開挖卸荷帶來的變形擴(kuò)展、裂隙貫通等圍巖損傷加劇問題。

4 結(jié) 論

本文基于豐富的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了猴子巖水電站地下洞室群開挖期間微震時空分布特征，并結(jié)合聲波測試成果，探討了微震活動與巖體質(zhì)量的聯(lián)系，通過對地下廠房開挖卸荷過程的穩(wěn)定分析，得出以下結(jié)論：

(1)地下洞室群多區(qū)域大幅度的開挖強(qiáng)卸荷誘發(fā)大量巖石微破裂的產(chǎn)生，2013年4月12日至5月20日在有效范圍內(nèi)獲取微震事件458個，其中5月19日微震事件達(dá)到68個，表明爆破開挖引起的圍巖卸荷損傷嚴(yán)重。

(2)1#與3#母線洞之間及其上部圍巖是監(jiān)測期間微震事件的主要聚集區(qū)域，微震事件在該區(qū)域的聚集除了與該處f1-1-3，fm1，fm3等多個斷層活化有關(guān)，開挖形成的圍巖空間結(jié)構(gòu)也影響圍巖的受力狀態(tài)，圍巖周圍多個臨空面不利于圍巖穩(wěn)定。建議對該區(qū)域增強(qiáng)支護(hù)的同時，深入開展地質(zhì)勘查和研究，加深了解圍巖損傷變形機(jī)制。

(3)微震活動區(qū)的巖體平均波速偏低、完整性較差、松弛深度大，斷層控制區(qū)形成低波速帶。通過對微震活動區(qū)的巖體聲波質(zhì)量檢測結(jié)果分析，建立微震聚集與巖體質(zhì)量之間的聯(lián)系，也為地下洞室開挖卸荷的穩(wěn)定預(yù)測研究提供了一條新的思路。

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