林開盛，張蜀豫，焦雨起

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041)

近年來，隨著科技進(jìn)步，微震監(jiān)測技術(shù)得到了迅速發(fā)展。在水電站建設(shè)領(lǐng)域，嚴(yán)波[1]、徐奴文等[2]在猴子巖水電站地下廠房開展了微震監(jiān)測與開挖技術(shù)研究，有效提升施工質(zhì)量。于群[3-4]、張文東[5]、胡守斌等[6]在錦屏引水隧洞施工中應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)行了巖爆預(yù)測研究。李昂等[7]開展了基于微震技術(shù)的烏東德水電站右岸地下廠房巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)預(yù)警研究。雷英成等[8]開展了觀音巖水電站大壩混凝土微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理研究。黃志平等[9]在引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞進(jìn)行了微震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究。張伯虎等[10]在水電廠房塌空區(qū)域建立精度較高的ISS微震系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

前人對于微震監(jiān)測的應(yīng)用研究，主要集中在圍巖變形預(yù)警方面[11-12]，而對微震事件時空分布特征方面研究較少。本文針對雙江口水電站進(jìn)廠交通洞巖爆微震事件時空分布特征進(jìn)行研究分析，識別和圈定進(jìn)廠交通洞巖爆災(zāi)害和圍巖穩(wěn)定性的風(fēng)險區(qū)域，建立基于微震監(jiān)測的巖爆變形預(yù)測系統(tǒng)，為其他類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

雙江口水電站進(jìn)廠交通洞進(jìn)口位于左岸飛水巖溝上游側(cè)，全長約1 473.10 m，洞底高程2 253.00 m，斷面尺寸11.24 m×8.7 m(寬×高)。洞身圍巖以似斑狀黑云鉀長花崗巖為主，偉晶巖脈發(fā)育，主要裂隙有：J1.N55～80°W/SW∠25～40°、J2.N60～85°E/NW∠65～88°、J3.N20～35°W/NE∠75～86° 3組，上述裂隙面多起伏粗糙。巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，洞壁潮濕，局部有滴水，考慮高地應(yīng)力折減后，圍巖類別以Ⅲa類為主，洞壁整體穩(wěn)定性較好。進(jìn)廠交通洞最大埋深達(dá)500 m，最高地應(yīng)力水平達(dá)到38.8 MPa，同時巖體不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，強(qiáng)度應(yīng)力比偏低，極易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。從雙江口水電站進(jìn)廠交通洞地質(zhì)剖面(圖1)所示，當(dāng)掌子面推進(jìn)至樁號(交)1+110～050 m時，進(jìn)廠交通洞陸續(xù)出現(xiàn)巖爆災(zāi)害。

圖1 雙江口水電站進(jìn)廠交通洞地質(zhì)剖面

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

微震監(jiān)測系統(tǒng)(Micro-seismic Monitoring System，MMS)，開發(fā)于20世紀(jì)70年代初期，近年來伴隨著科技進(jìn)步，該系統(tǒng)也得到了長足發(fā)展。其采集信號原理見圖2。

圖2 微震監(jiān)測原理

微震監(jiān)測技術(shù)[13]主要特點(diǎn)包括：①能精準(zhǔn)確定巖體內(nèi)部破裂的時間、空間和能量釋放強(qiáng)度；②傳感器存活時間長；③可以覆蓋很大的監(jiān)測區(qū)域。

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由軟件和硬件組成[14]。硬件含單軸加速度傳感器、Paladin傳感器連接盒等，軟件含網(wǎng)絡(luò)采集軟件、三維可視化分析軟件等。

根據(jù)進(jìn)廠交通洞的現(xiàn)場施工狀況，將多支加速度傳感器分別安裝在進(jìn)廠交通洞內(nèi)不同高程，在空間區(qū)域形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)論證，考慮到傳感器挪移的影響，最終確定相鄰傳感器安裝孔斷面距離為40 m，傳感器與掌子面最近的距離應(yīng)為40～80 m，以同時達(dá)到保護(hù)儀器與保證監(jiān)測效果的目的。為保證傳感器監(jiān)測效果，從進(jìn)廠交通洞斷面(交)1+160 m開始布設(shè)傳感器安裝孔，共計布設(shè)52個傳感器安裝孔，每個斷面布設(shè)2只傳感器，分別布設(shè)于進(jìn)廠交通洞左右兩側(cè)邊墻(圖3)。

圖3 相鄰斷面間距情況下傳感器斷面與掌子面關(guān)系示意

為保證傳感器與巖體黏接牢固、能充分接收巖體應(yīng)力波信息，傳感器孔深度設(shè)為2.5～3.0 m，角度設(shè)為30°傾斜向上。為方便傳感器安裝孔布設(shè)，安裝孔口與開挖底板保持2.0 m或者3.0 m的距離，同一開挖斷面兩只傳感器安裝孔孔口與開挖底板距離相同，相鄰斷面?zhèn)鞲衅靼惭b孔孔口與底板距離不同，其典型斷面布置見圖4。

a) 安裝孔直徑42 mm b) 安裝孔直徑43 mm圖4 典型傳感器安裝孔布設(shè)

2.3 三維可視化地質(zhì)模型

為了提高微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析效果，建立了進(jìn)廠交通洞三維可視化地質(zhì)模型，見圖5。施工過程中將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至營地處理中心，進(jìn)而對微震事件波形進(jìn)行人工定位處理，確定微震事件的震源參數(shù)，然后錄入智慧工程系統(tǒng)，最終利用ESG三維可視化顯示系統(tǒng)展示出微震事件發(fā)生的時間、空間位置及震級大小，實(shí)時在線監(jiān)測進(jìn)廠交通洞巖爆情況。

圖5 雙江口水電站進(jìn)廠交通洞三維可視化地質(zhì)模型

2.4 巖爆等級判定方法

雙江口水電站巖爆等級判定采用矩震級和日微震事件數(shù)綜合判定[15]，針對出現(xiàn)的微震事件異常增加現(xiàn)象，考慮巖爆等級需提高一級，判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。該標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)合雙江口水電站巖爆微震監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況校核綜合制定。

表1 巖爆等級判定方法

3 巖爆微震事件時空分布特征研究

雙江口水電站進(jìn)廠交通洞巖爆微震監(jiān)測系統(tǒng)于2017年8月6日開始進(jìn)場安裝，經(jīng)過敲擊試驗(yàn)及調(diào)試后，于8月11日開始正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，2018年10月24日完成監(jiān)測任務(wù)。該時段內(nèi)進(jìn)廠交通洞內(nèi)共采集到微震事件1 952個。成功預(yù)測31次輕微至中等巖爆，主要集中部位為洞室左拱肩(表2)。

表2 進(jìn)廠交通洞成功預(yù)測巖爆統(tǒng)計

3.1 微震事件時間分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件時間分布規(guī)律(圖6)可以看出：該時段內(nèi)進(jìn)廠交通洞內(nèi)共采集到有效微震事件數(shù)1 952個，其中7個時間段微震事件較多，分別為：①2017年9月11日至9月19日；②2017年9月28日至10月23日；③2017年11月24日至12月10日；④2017年12月20日至12月26日；⑤2018年1月5日至1月10日；⑥2018年1月20日至1月26日；⑦2018年3月23日至4月4日。

7個時段微震活動頻繁，日均微震事件數(shù)大多在15個以上，最高達(dá)到32個，其余時間段內(nèi)微震事件數(shù)較少，除少數(shù)單日微震事件數(shù)超過15個的日期外，日微震事件數(shù)均保持在0～10個。結(jié)合現(xiàn)場施工情況做出分析：爆破作業(yè)對圍巖有擾動，引起圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，最終導(dǎo)致微震事件。

微震事件矩震級可以揭示圍巖損傷程度，從圖7中可以看出：微震事件矩震級主要分布范圍為-2.7～-0.5，矩震級較低，巖爆等級為輕微至中等。

圖6 微震事件時間分布

圖7 微震事件震級與時間關(guān)系

3.2 微震事件空間分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件空間分布規(guī)律見圖8，對應(yīng)微震事件空間密度云見圖9(球顏色代表微震事件震級，顏色越深代表震級越大；球大小代表微震事件能量大小，球越大代表釋放能量越多)。從圖9a、圖9b可以看出進(jìn)廠交通洞微震事件較為聚集的共有4個區(qū)域：①(交)0+885 m～(交)0+792 m；②(交)0+708 m～(交)0+605 m；③(交)0+571 m～(交)0+486 m；④(交)0+428 m～(交)0+356 m。其中沿進(jìn)尺方向左側(cè)拱肩微震事件更為聚集。

a) 俯視

b) 剖面圖8 微震事件空間分布

a) 俯視

b) 剖面圖9 微震事件密度云

3.2.1第一個微震事件活躍期空間分布特征分析

2017年9月28日至10月23日，共采集到有效微震事件數(shù)339個，主要集中在樁號：(交)0+778 m～(交)0+862 m，且洞室左拱肩比較集中(圖10—12)。

圖10 微震事件空間分布

圖11 微震事件密度云

圖12 微震事件時間分布

其中，9月28日事件數(shù)為20個，10月3日事件數(shù)為22個，10月8日事件數(shù)為23個，10月10日事件數(shù)為15個，10月11日事件數(shù)為32個，10月12日事件數(shù)為20個，10月13日事件數(shù)為21個，10月19日事件數(shù)為16個，10月22日事件數(shù)為31個，其他時間段事件數(shù)保持在1～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預(yù)測9次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩連續(xù)大面積掉塊現(xiàn)象。

3.2.2第二個微震事件活躍期空間分布特征分析

2017年11月24日至12月10日，共采集到有效微震事件數(shù)204個，主要集中在樁號：(交)0+605 m～(交)0+661 m，且洞室左拱肩比較集中(圖13、14)。

圖13 微震事件空間分布

圖14 微震事件密度云

其中，11月24日事件數(shù)為16個，11月27日事件數(shù)為18個，11月29日事件數(shù)為17個，12月4日事件數(shù)為20個，12月8日事件數(shù)為21個，12月9日事件數(shù)為16個，其他時間段事件數(shù)保持在4～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預(yù)測6次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩連續(xù)掉塊和有裂縫現(xiàn)象。

3.2.3第三個微震事件活躍期空間分布特征分析

2018年1月5日至1月10日，共采集到有效微震事件數(shù)82個，主要集中在樁號：(交)0+518 m～(交)0+533 m，且洞室左拱肩比較集中(圖15、16)。

圖15 微震事件空間分布

圖16 微震事件密度云

其中，2018年1月5日事件數(shù)為16個，1月7日事件數(shù)為22個，1月9日事件數(shù)為23個，其他時間段事件數(shù)保持在5～9個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預(yù)測3次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩較大面積掉塊現(xiàn)象。

3.2.4第四個微震事件活躍期空間分布特征分析

2018年3月23日至4月4日，共采集到有效微震事件數(shù)188個，主要集中在樁號：(交)0+388 m～(交)0+424 m，且洞室左拱肩比較集中(圖17、18)。

圖17 微震事件空間分布

圖18 微震事件密度云

其中，3月23日事件數(shù)為18個，3月24日事件數(shù)為24個，3月29日事件數(shù)為16個，3月30日事件數(shù)為20個，3月31日事件數(shù)為17個，4月1日事件數(shù)為17個，4月3日事件數(shù)為26個，其他時間段事件數(shù)保持在4～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預(yù)測7次輕微-中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩較大面積連續(xù)掉塊現(xiàn)象，部分巖塊有較強(qiáng)烈的彈射現(xiàn)象。

3.3 現(xiàn)場破壞特征

雙江口水電站進(jìn)廠交通開挖后二次應(yīng)力分布集中在拱肩、拱腳部位，造成連續(xù)掉塊、墻面開裂、強(qiáng)烈彈射等巖爆現(xiàn)象。通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)集中區(qū)域和現(xiàn)場照片對比發(fā)現(xiàn)，微震監(jiān)測可以很好地預(yù)測現(xiàn)場巖爆情況并為調(diào)控現(xiàn)場施工進(jìn)度和下一步施工計劃提供參考依據(jù)(圖19)。進(jìn)廠交通洞左拱肩損傷類型主要包括連續(xù)大面積“V”型爆坑、小面積“窩型”爆坑、長裂縫，右拱腳主要為小面積損傷。

a) 左拱肩連續(xù)大面積掉塊

b) 左拱肩小范圍掉塊

c) 左拱肩裂縫

4 結(jié)語

通過對進(jìn)廠交通洞巖爆微震事件時空分布特征進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論。

a) 進(jìn)廠交通洞微震活動較為頻繁時間段有7個，微震事件較為聚集的區(qū)域有4個，其中進(jìn)尺方向左側(cè)拱肩位置微震事件更為聚集。

b) 成功預(yù)測31次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為左拱肩連續(xù)大面積掉塊、左拱肩小范圍掉塊、噴混凝土長大裂縫或大方量噴混凝土剝落現(xiàn)象以及右拱腳小范圍損傷。

c) 根據(jù)微震事件聚集區(qū)域，確定洞室局部損傷嚴(yán)重區(qū)域，進(jìn)而反演圍巖應(yīng)力集中區(qū)域，最后初步預(yù)測最大主應(yīng)力方向，為洞室的下一步開挖和雙江口水電站其他洞室的開挖確定損傷區(qū)域提供參考。