龔琳惠，文排科，唐 波,4，朱 婭

(1.貴州省務(wù)川自治縣公路管理所，貴州 務(wù)川 564300；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；4. 貴州省仁懷市水務(wù)局，貴州 仁懷 564500)

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微震活動對巖質(zhì)開挖邊坡影響研究

龔琳惠1, 2，文排科3，唐 波3,4，朱 婭2

(1.貴州省務(wù)川自治縣公路管理所，貴州 務(wù)川 564300；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；4. 貴州省仁懷市水務(wù)局，貴州 仁懷 564500)

針對貴州省貴安新區(qū)清楊路某巖質(zhì)開挖邊坡，為揭示其在開挖過程中內(nèi)部巖體微震活動的影響，以巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA2D-SRM為研究手段，分析了靜應(yīng)力作用下的邊坡失穩(wěn)破壞機制；并采用IMS微震設(shè)備建立了爆破震動下的邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：靜應(yīng)力作用下邊坡具有較高的穩(wěn)定系數(shù)；爆破誘發(fā)了邊坡內(nèi)部巖體呈長條帶分布的大量微震事件產(chǎn)生，最大位移為2.56×10-4m，出現(xiàn)在四級臺階巖體內(nèi)部，RFPA模擬出的潛在滑移面與微震事件空間分布特征整體上具有良好的一致性。

道路工程；開挖邊坡；爆破震動；數(shù)值模擬；微震監(jiān)測

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性研究一直以來都是巖土工程界研究的熱點和難點。從目前邊坡現(xiàn)場監(jiān)測手段來看，主要分為邊坡表面監(jiān)測與坡體內(nèi)部巖體監(jiān)測。坡表大地測量法、GPS監(jiān)測、紅外遙感監(jiān)測法等已能實現(xiàn)較好的外觀監(jiān)測。坡體內(nèi)部監(jiān)測手段主要有鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓監(jiān)測儀等，這些技術(shù)大都是預先在巖體內(nèi)部不良地質(zhì)或不確定地質(zhì)區(qū)域埋設(shè)監(jiān)測儀器，通過監(jiān)測巖體在施工和運行過程中的變形特征實現(xiàn)對圈定區(qū)域巖體的穩(wěn)定性判斷，然而卻很難動態(tài)實時地對邊坡內(nèi)部微破裂誘發(fā)潛在失穩(wěn)區(qū)域提前給出預警[1-4]。

國內(nèi)外研究表明，巖質(zhì)邊坡破壞失穩(wěn)與其內(nèi)部巖體微震活動有密切關(guān)系，微震活動是巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞的前兆[5]。利用微震監(jiān)測儀器，在發(fā)生微震活動的巖體區(qū)域內(nèi)布設(shè)傳感器，探測震源所發(fā)出的彈性波，確定發(fā)生震源的位置及微震活動的強弱和頻率，判斷潛在的巖體失穩(wěn)活動規(guī)律，便可實現(xiàn)其穩(wěn)定性預測預報。該技術(shù)對巖體的應(yīng)力集中、裂隙發(fā)展、摩擦滑動尤為敏感，能早期發(fā)現(xiàn)崩滑體，并能預測其滑動位置和崩滑體發(fā)展趨勢，為防止失穩(wěn)采取預防措施贏得了時間[6-7]。微震監(jiān)測技術(shù)作為動態(tài)監(jiān)測方法，具有遠距離、三維、實時的特點，已廣泛應(yīng)用于隧道圍巖穩(wěn)定性、地下礦山地壓、大型地下油庫安全、水利工程高陡邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測等[8]。目前，應(yīng)用該技術(shù)對公路巖質(zhì)邊坡實施監(jiān)測研究還比較少，有必要開展這方面的研究。

筆者以貴安新區(qū)清楊路第四標段一公路巖質(zhì)開挖邊坡為例，選取邊坡典型剖面進行靜應(yīng)力作用下的邊坡失穩(wěn)破壞數(shù)值模擬分析；建立邊坡現(xiàn)場微震監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測邊坡在施工過程中現(xiàn)場路面爆破震動對其內(nèi)部巖體的損傷程度；并對比分析現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬的研究結(jié)果，驗證微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的可行性。

1 工程背景

貴安新區(qū)清楊路第四標段一路塹巖質(zhì)邊坡處于施工末期，受周圍路面爆破震動影響較大。邊坡所在具體位置樁號為K14+850 m左幅，邊坡工程地質(zhì)條件較復雜，內(nèi)部節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中J1(107°∠42°)、J2(105°∠38°)、J3(110°∠40°)在邊坡上將構(gòu)成外傾結(jié)構(gòu)面，對邊坡影響較大。邊坡頂部有少量回填土覆蓋，高程1 306 m以上為安順組強風化白云巖，以下為中風化白云巖，包含3層厚度約為0.5 m的泥質(zhì)白云巖軟弱夾層，層理構(gòu)造明顯。邊坡高度為42 m，邊坡走向為190°，設(shè)計坡度63°，由5級臺階組成，從上往下臺階高度依次為5，7，9，10，11 m，邊坡工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面

2 靜應(yīng)力作用下邊坡RFPA模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)系統(tǒng)是一個基于有限元應(yīng)力分析模塊和微觀單元破壞分析模塊的巖石變形、破裂過程研究的新型數(shù)值分析工具。其將材料介質(zhì)模型離散化成由細觀基元組成的數(shù)值模型，假定離散化后的細觀基元的力學性質(zhì)服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律(如weibull分布)，由此通過考慮巖石非均勻性，將復雜的宏觀非線性問題轉(zhuǎn)化成簡單的細觀線性問題[9]。RFPA2D-SRM二維強度折減版是在RFPA2D-Basic二維基本版的基礎(chǔ)上，將強度折減的原理引入到真實破裂過程分析方法中推出的，能夠為深入研究邊坡的穩(wěn)定性提供理論支持和指導[10-11]。邊坡數(shù)值計算模型如圖2，用數(shù)值試樣模型來表示實際計算模型，模型邊界采取底部和左側(cè)固定，模型上部施加固定的靜載荷以模擬自重應(yīng)力。模型尺寸：50 000 mm×42 000 mm，剖面單元數(shù)500×420=210 000個。根據(jù)邊坡現(xiàn)場提供的地勘資料，參照同類巖體的力學參數(shù)，邊坡巖體及節(jié)理的計算參數(shù)如表1。

表1 模型計算參數(shù)

圖2 邊坡數(shù)值模型

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

圖3為邊坡剖面漸進破壞過程中的剪切應(yīng)力圖和聲發(fā)射過程圖，基于強度折減后，邊坡在第32加載步產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，經(jīng)計算得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.471，說明目前邊坡還處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖3(a)～(d)為邊坡剪切應(yīng)力演化，由圖可知邊坡初始應(yīng)力集中出現(xiàn)在邊坡腳至3條節(jié)理的長條帶區(qū)域，尤以節(jié)理區(qū)域數(shù)值較大，隨著強度的折減，節(jié)理區(qū)長條帶開始出現(xiàn)破壞，并與坡頂巖體逐漸貫通形成明顯的破壞區(qū)，下兩層泥質(zhì)白云巖之間也出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，并開始向深部轉(zhuǎn)移。圖3(e)～(h)為邊坡聲發(fā)射演化，由圖可知邊坡初始破壞單元出現(xiàn)在3條節(jié)理中下部區(qū)域，主要表現(xiàn)為拉伸破壞，隨著強度的折減，沿3條節(jié)理面指向坡頂巖體內(nèi)部叢生出大量的拉伸破壞單元，尤以強風化帶與中風化帶分界面上出現(xiàn)較密集。在邊坡巖體內(nèi)部靠近下層泥質(zhì)白云巖沿巖層傾向上也出現(xiàn)了較多的剪切破壞單元，進一步說明了自然邊坡失穩(wěn)也是沿著節(jié)理或者軟弱帶演化、擴展。因此，巖質(zhì)邊坡內(nèi)部節(jié)理、巖層弱化帶、強弱層接觸區(qū)是邊坡穩(wěn)定性分析中需要考慮的重要影響因素。

圖3 邊坡典型剖面漸近破壞過程

3 邊坡現(xiàn)場IMS微震監(jiān)測

3.1 邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

微震監(jiān)測是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于礦山安全開采的監(jiān)測技術(shù)手段，能夠為礦山安全生產(chǎn)提供有力的保障。利用微震監(jiān)測設(shè)備，在需要密切關(guān)注的邊坡巖體內(nèi)部安裝微震傳感器，探測動力擾動下內(nèi)部微破裂所發(fā)出的彈性波，反演出震源發(fā)生的時間、位置、震級大小等，判斷出邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域，實現(xiàn)邊坡在施工過程中的穩(wěn)定性監(jiān)測及預報[12-15]。

邊坡穩(wěn)定性采用監(jiān)測由澳大利亞IMS公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括6個加速度傳感器、信號傳輸電纜、netADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、netSP(數(shù)據(jù)處理器)、分析計算機等，監(jiān)測系統(tǒng)基本組成如圖4。

圖4 邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)基本組成

8通道的傳感器覆蓋了邊坡100 m×50 m×42 m的區(qū)域范圍，能夠?qū)吰聨r體內(nèi)部狀態(tài)變化實施24 h連續(xù)監(jiān)測，獲取大量微震事件發(fā)生的時間、震源位置、誤差、震級以及能量等震源參數(shù)。傳感器安裝在鉆孔底部的硬巖上，孔口三維坐標由全站儀測得，鉆孔方位角及傾角由地質(zhì)羅盤儀測定，通過坐標反算可求得孔底三維坐標，傳感器具體安裝參數(shù)見表2。為使系統(tǒng)定位誤差達到最小，傳感器空間布置采用5個單分量傳感器呈近似正五邊形布置，三分量傳感器布置在正五邊形幾何中心，如圖5。

表2 傳感器安裝參數(shù)

圖5 邊坡三維模型及傳感器布置

3.2 系統(tǒng)定位精度及靈敏度分析

為對微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案的合理性進行評估，有必要進行系統(tǒng)精度和靈敏度分析。圖6為IMS可視化軟件Jdi分析出的邊坡重點監(jiān)測區(qū)域定位誤差分布，圖7為微震系統(tǒng)靈敏度分布，其中定位誤差分布圖上的數(shù)值表示定位精度，系統(tǒng)靈敏度分布圖上的數(shù)值為里氏震級，無單位。由圖6可知該微震監(jiān)測系統(tǒng)在重點監(jiān)測區(qū)域的定位精度最高達5 m左右，整體精度控制在14 m范圍內(nèi)，微震系統(tǒng)靈敏度能達到里氏震級 -2.2～-3.3范圍內(nèi)。定位精度與系統(tǒng)靈敏度能滿足邊坡現(xiàn)場的安全監(jiān)測要求，因此，可認為該監(jiān)測系統(tǒng)的方案布置較合理。

圖6 重點監(jiān)測區(qū)域定位誤差分布

圖7 系統(tǒng)靈敏度分布

3.3 微震事件位移分布

圖8為RFPA計算剖面所對應(yīng)區(qū)域的位移變化云圖。由圖8可以看出，巖體內(nèi)部微破裂產(chǎn)生的位移主要集中在邊坡4級馬道中部至3級馬道中部，并有向坡腳附近發(fā)展的趨勢。結(jié)合現(xiàn)場施工情況分析，說明爆破震動對邊坡四級臺階中間對應(yīng)的內(nèi)部巖體造成的損傷程度比較大，在此周圍產(chǎn)生了比較大的位移，最大位移數(shù)值為2.56×10-4m，且有向四周發(fā)展擴大的趨勢，建議后期的加固要重點考慮到這一點。

圖8 微震監(jiān)測位移云圖

3.4 微震事件數(shù)與炸藥用量關(guān)系

圖9為2013年10月12—19日監(jiān)測到的每日事件數(shù)與監(jiān)測范圍內(nèi)邊坡現(xiàn)場路面爆破炸藥用量之間的關(guān)系。由圖9可知每日的微震事件數(shù)量曲線與當日炸藥使用量曲線整體上走勢趨于一致。炸藥使用量越多，造成邊坡內(nèi)部巖體損傷范圍和程度就越大，微震活動性就相對頻繁[16]。同時，也說明了目前邊坡現(xiàn)場內(nèi)部巖體的整體損傷程度較小，微震事件的產(chǎn)生絕大部分是由于現(xiàn)場路面爆破擾動引起的。

圖9 微震事件數(shù)與炸藥用量之間的關(guān)系

4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

圖10(a)為數(shù)值模擬出的邊坡潛在滑移面，圖10(b)為IMS監(jiān)測出的微震事件在邊坡巖體內(nèi)的空間分布。圖10(b)中，圓球代表微震事件，圓球大小代表微震能量，圓球越大即能量越大，由圖10可知爆破誘發(fā)了邊坡內(nèi)部巖體呈條帶狀分布的大量微震事件，微震事件主要集中在三級臺階和四級臺階對應(yīng)的巖體內(nèi)部節(jié)理區(qū)域，且有向坡腳延伸發(fā)展的趨勢。對比分析數(shù)值模擬與現(xiàn)場IMS監(jiān)測結(jié)果，兩者在整體上具有良好的一致性，但由于RFPA數(shù)值模擬分析只能計算出靜應(yīng)力作用下的邊坡失穩(wěn)破壞過程，無法考慮到外界動力擾動對邊坡整體穩(wěn)定性的影響，所以在局部范圍有所差別。但無論是微震監(jiān)測結(jié)果還是數(shù)值分析結(jié)果都直觀地顯示了巖體內(nèi)部弱化帶是控制邊坡巖體整體穩(wěn)定性的主要因素。目前，邊坡內(nèi)部微震事件產(chǎn)生的位移較小，能量較大的事件主要集聚在4級馬道周圍,但有向四周貫通發(fā)展的趨勢，這是后期監(jiān)測的重點。從整體上看監(jiān)測到的微震事件震級都比較小，說明現(xiàn)在邊坡還處于安全狀態(tài)。但是從局部上來看，邊坡4級和3級馬道對應(yīng)內(nèi)部巖體能量損失相對較大，坡腳中央內(nèi)部巖體次之，2級和1級馬道對應(yīng)內(nèi)部巖體最小。

圖10 數(shù)值模擬滑移面與微震事件空間分布對比

5 結(jié) 論

1)靜應(yīng)力作用下，通過選取邊坡典型剖面進行RFPA數(shù)值模擬分析，經(jīng)強度折減后，邊坡在內(nèi)部3條節(jié)理形成的長條帶區(qū)域出現(xiàn)了大量的破壞單元，其中以拉伸破壞為主，并逐漸向坡頂貫通，形成潛在的滑移面。經(jīng)計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.471，目前還處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)由微震監(jiān)測結(jié)果可知，爆破誘發(fā)了邊坡內(nèi)部呈長條帶狀分布的大量微震事件，其產(chǎn)生的位移主要集中在邊坡4級馬道至3級馬道對應(yīng)的巖體內(nèi)部，最大位移值為2.56×10-4m，并有向坡腳附近發(fā)展的趨勢，后期的加固應(yīng)重點考慮到這一點。

3)對比分析RFPA數(shù)值模擬與現(xiàn)場IMS微震監(jiān)測結(jié)果，可以看出兩者在整體上具有良好的一致性，且都直觀顯示了巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征是影響邊坡穩(wěn)定性的主控因素。

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Influence of Microseismic Activity on Rock Cutting Slope

Gong Linhui1, 2, Wen Paike3, Tang Bo3, 4, Zhu Ya2

(1. Road Transportation Administrative Bureau of Wuchuan Autonomous County in Guizhou Province,Wuchuan 564300,Guizhou, China; 2. School of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;3. School of Mining, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China; 4. Renhuai Water Affairs Bureauin Guizhou Province,Renhuai 564500, Guizhou, China)

Focusing on a rock cutting slope located at Qingyang road in Gui’an new area of Guizhou province, the failure mechanism of slope was analyzed under static stress with RFPA2D-SRM software, in order to reveal the influence of microseismic activity occurring in inner rock masses on slope during excavation. Then the slope microseismic monitoring system was established by IMS monitoring equipment to monitor the law of microseismic activity of slope under the blasting vibration. Results show that the slope has a relatively high stability coefficient under static stress. The blasting vibration induces the occurrence of a large number of microseismic events in strip distribution in the internal slope. The maximum displacement which appears at the inner rock body of four-step sidestep of slope is 2.56×10-4m. And the potential slip surface of slope simulated by RFPA has good agreement with the spatial distribution characteristics of microseismic events on the whole.

road engineering; cutting slope; blasting vibration; numerical simulation; microseismic monitoring

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.13

2014-11-20；

2015-01-26

貴州省高層次人才科研條件特助經(jīng)費項目(TZJF-2010年- 044號)

龔琳惠(1986—)，女，貴州務(wù)川人，助理工程師，主要從事道路工程方面的工作。E-mail：lin09210107@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)06-068-05