龍海劍，李小強(qiáng)，馬 建，王治國(guó)，李 畢，毛浩宇

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司三分局，四川 成都 611730； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

一系列大型的水利水電項(xiàng)目和工程在四川省、云南省等西南地區(qū)開展建設(shè)，由于地形等諸多原因，需要考慮樞紐的布置以及施工等因素。對(duì)于這類工程而言，往往會(huì)采用地下廠房、深埋隧道等方案修建引水發(fā)電系統(tǒng)。此外，西南地區(qū)天然地應(yīng)力水平普遍較高，巖體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，存在較多軟弱結(jié)構(gòu)面。值得注意的是，該地區(qū)巖體強(qiáng)度與地應(yīng)力相比較低。就施工而言，其安全標(biāo)準(zhǔn)要求高，卻面臨著施工作業(yè)困難復(fù)雜等問題，急需解決深埋地下結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性和安全控制等一系列相關(guān)問題，為工程施工期和運(yùn)行期的安全提供保障[1]。

巖體在破壞之前，會(huì)持續(xù)以聲波的形式釋放積蓄的能量，在工程領(lǐng)域稱為微震。這種能量的釋放，會(huì)在一定程度上反映結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程，每個(gè)具體的微震事件包含豐富的信息，可反映出結(jié)構(gòu)周邊巖體狀態(tài)的變化。處理、分析接收到的微震信息，一般可作為評(píng)估巖體是否穩(wěn)定的依據(jù)，可進(jìn)一步對(duì)巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡等地壓現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)報(bào)。XU等[2]在錦屏Ⅰ級(jí)水電站左岸巖質(zhì)邊坡建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)微震信號(hào)特征劃分由施工活動(dòng)誘發(fā)的損傷區(qū)域；趙金帥等[3]通過分析微震事件特征，研究白鶴灘水電站母線洞錯(cuò)動(dòng)帶破壞變形，為廠房支護(hù)提供參考。

本次以某水電站導(dǎo)流洞為研究對(duì)象，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)某水電站導(dǎo)流洞開挖過程圍巖破裂情況及其穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并研究導(dǎo)流洞在開挖施工過程中，由于開挖卸荷所引發(fā)的應(yīng)力重分布現(xiàn)象，采用先進(jìn)的高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)與分析洞室群微震活動(dòng)，識(shí)別并圈定導(dǎo)流洞圍巖可能發(fā)生失穩(wěn)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，建立一個(gè)基于微震監(jiān)測(cè)的導(dǎo)流洞圍巖失穩(wěn)變形的測(cè)報(bào)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)開挖強(qiáng)卸荷作用下導(dǎo)流洞預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制，為其安全開挖和支護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 某水電站導(dǎo)流洞工程概況

某水電站為大渡河干流水電規(guī)劃的第6級(jí)電站，壩址位于金川縣城上游約13 km，壩址以上流域面積為39 978 km2，占全流域面積的51.7%。前期地質(zhì)勘探表明，某水電站導(dǎo)流洞斷裂主要為層面裂隙和順層斷層，隧洞大部分洞段處于地下水位以下，全洞圍巖以Ⅳ1，Ⅲ1類為主(Ⅲ1類占37.0%；Ⅲ2類占19.4%；Ⅳ1類占38.6%；Ⅳ2類占5.0%)。Ⅳ1，Ⅳ2類巖體主要位于隧洞進(jìn)口段和洞室中部的軟弱夾層段，圍巖穩(wěn)定性差。

導(dǎo)流洞進(jìn)出口邊坡地質(zhì)條件與泄洪洞進(jìn)出口邊坡相同，洞身段長(zhǎng)1 042.87 m，軸線方向進(jìn)水口為SW245°，出水口為SW200°。最大垂直埋深線380 m，巖層產(chǎn)狀NW320°～330°SW∠60°～89°。隧洞圍巖可看到少量的緩傾角斷裂，其與附近陡傾層面裂隙組合，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的不穩(wěn)定塊體，對(duì)頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，易引起局部掉塊或塌方的災(zāi)害，加強(qiáng)支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)。其地質(zhì)剖面圖及三維可視圖如圖1所示。

2 某水電站導(dǎo)流洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來，對(duì)于地下洞室群洞的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，常見的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般為應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及變形監(jiān)測(cè)等。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的大變形和宏觀的失穩(wěn)現(xiàn)象，這類常用監(jiān)測(cè)手段已日漸成熟。地下巖土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞失穩(wěn)或產(chǎn)生大變形前，對(duì)于巖體內(nèi)部的微破裂以及微破裂產(chǎn)生過程中的前兆信息，卻沒有成熟的手段。就常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目而言，其局限性在于它們只能完成對(duì)巖體局部特殊點(diǎn)位監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)周邊大范圍巖體的穩(wěn)定性不能做到全面的宏觀評(píng)價(jià)[4]。

近四、五年來，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種可監(jiān)測(cè)巖體微破裂三維空間信息的技術(shù)，日漸發(fā)展成熟，并應(yīng)用于實(shí)踐中。微震監(jiān)測(cè)不單單可以使用監(jiān)測(cè)獲得的應(yīng)力波來分析微震事件發(fā)生的位置，發(fā)生的時(shí)間和相關(guān)的震源參數(shù)，而且，采用靈敏度較高的微震監(jiān)測(cè)設(shè)備，還可以獲取比震級(jí)更小的巖石微破裂前兆事件，進(jìn)而完成地下洞室群圍巖損傷及圍巖失穩(wěn)的測(cè)報(bào)[5-7]。

2.1 微震監(jiān)測(cè)方法及原理

巖體在外部應(yīng)力擾動(dòng)下，彈性能集中的現(xiàn)象在內(nèi)部出現(xiàn)，當(dāng)能量積聚達(dá)到相應(yīng)的閾值后，在內(nèi)部會(huì)引發(fā)微裂隙的產(chǎn)生，并且擴(kuò)展，其伴隨著彈性波或應(yīng)力波的釋放在周圍巖體快速傳播，即產(chǎn)生了聲發(fā)射，在地質(zhì)上也稱為微地震(Microseismic，MS)[8]，其采集信號(hào)原理如圖2所示。傳感器接收原始的微震信號(hào)數(shù)據(jù)，通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集單元，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換和加工、計(jì)算機(jī)軟件解析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)微震事件定位、事件震源參數(shù)獲取的目的，并校正傳感器位置、跟蹤破壞趨勢(shì)，最終可以對(duì)微震事件在儀器軟件上進(jìn)行三維空間和時(shí)間軸下可視化演示，從而對(duì)巖體內(nèi)微震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可作為評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。

經(jīng)過最近十年的發(fā)展，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)首次在國(guó)外礦山工程的安全監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)特征有：1)可以直接確定巖體內(nèi)部微破裂的空間分布，時(shí)間和能量釋放的強(qiáng)度大?。?)傳感器布設(shè)點(diǎn)位可選擇遠(yuǎn)離巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的區(qū)域，保障了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不因施工而損害其長(zhǎng)期的運(yùn)行；3)監(jiān)測(cè)可以覆蓋到較大范圍內(nèi)的區(qū)域。

震級(jí)是表征地震強(qiáng)弱量度，常用英文字母M表示，其是依地震發(fā)生時(shí)，由震源釋放的地震波能量大小而確定的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。震級(jí)通常是依據(jù)地震波記錄并完成測(cè)定后得到的一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值不包含量綱，被用來表示各個(gè)地震強(qiáng)度的相對(duì)大小。1935年美國(guó)地震學(xué)家里克特首先提出震級(jí)概念，并用局部震級(jí)ML來表示整體地震震級(jí)，稱為里氏震級(jí)[9]。表示為：

ML=lgA(Δ)-lgA0(Δ)

(1)

其中，A為距離震源為Δ上測(cè)得的最大振幅，mm；A0為對(duì)照地震事件的振幅。

1945年谷登在分析前人資料的基礎(chǔ)上完善了地震震級(jí)理論，建立了遠(yuǎn)震和深源地震的震級(jí)標(biāo)度，推動(dòng)了地震震級(jí)劃分的發(fā)展。目前國(guó)際上通用的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是里氏震級(jí)，分為9個(gè)等級(jí)，震級(jí)小于3的地震都是微地震，可被儀器監(jiān)測(cè)到的微震震級(jí)介于-2.5～3.5之間，不同震級(jí)區(qū)間劃分如圖3所示。

目前最基本的震級(jí)標(biāo)度包括局部震級(jí)ML、體波震級(jí)(Mb和MB)、面波震級(jí)MS和矩震級(jí)Mo四種。對(duì)于ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用矩震級(jí)Mo定義微震事件震級(jí)大小[11]，判定其公式為:

(2)

其中，ρ0為震源的介質(zhì)密度；C0為震源處P波波速；R為震源和接收點(diǎn)間的距離；Fc為P波或S波的輻射類型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取為0.52。

2.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)安裝

1)該項(xiàng)目采用的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是ESG的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成部分包括硬件和軟件兩部分，配置了遠(yuǎn)端的PC采集設(shè)備，使用了模塊化設(shè)計(jì)。

硬件部分組成有單軸加速度傳感器、配備相應(yīng)的電源，并包含擁有信號(hào)波形處理功能的Paladin傳感器連接盒、Paladin(v.2)-24位地震記錄儀、PMTS-Paladin主控時(shí)間服務(wù)器、纖維光學(xué)分束器、監(jiān)視器等。而軟件部分而言，其由信號(hào)采集軟件、三維可視化分析軟件，網(wǎng)絡(luò)采集處理軟件等其他相配套的軟件組成。

課堂教學(xué)，尤其是新課教授，是學(xué)生英語提升的關(guān)鍵。一直以來，高效課堂是學(xué)校教學(xué)不懈追求的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)高效，就要確保有效教學(xué)的覆蓋面，讓課堂真正成為全體學(xué)生的課堂。這就需要分層教學(xué)來實(shí)現(xiàn)。

2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由主機(jī)控制中心、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集中心和接收傳感器陣列三大部分組成。其中單支傳感器最佳監(jiān)測(cè)半徑為150 m，傳感器可進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。

引進(jìn)微震監(jiān)測(cè)，以獲取導(dǎo)流洞掘進(jìn)過程中掌子面前后20 m及系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)巖體的微破裂活動(dòng)，進(jìn)而預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)的發(fā)生。根據(jù)具體的導(dǎo)流洞現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度和環(huán)境狀況，分別將數(shù)支加速度傳感器布設(shè)在選定的導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)內(nèi)，安裝時(shí)應(yīng)注意安裝位置應(yīng)選擇不同高程，以便于在空間范圍內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

加速度傳感器安裝應(yīng)滿足鉆孔斷面間距40 m，掌子面與傳感器的最近距離應(yīng)為40 m～80 m，實(shí)現(xiàn)保護(hù)儀器設(shè)備，并保證監(jiān)測(cè)穩(wěn)定和監(jiān)測(cè)效果。從導(dǎo)流洞出水口上岔洞開始安裝傳感器，隨后遷入主洞。在每個(gè)斷面安裝兩只設(shè)備，導(dǎo)流洞左右兩側(cè)邊墻分別安裝。傳感器布置圖如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集

為保證能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)導(dǎo)流洞情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，應(yīng)把相關(guān)數(shù)據(jù)通過通信設(shè)施傳輸至項(xiàng)目地的處理中心設(shè)備，進(jìn)一步完成微震事件波形的處理，實(shí)現(xiàn)定位與參數(shù)分析，確定每一個(gè)微震事件的震源參數(shù)，并錄入智慧化工程管理系統(tǒng)。最后使用ESG三維空間可視化系統(tǒng)，繪制出微震事件發(fā)生的時(shí)間、空間分布位置和微震震級(jí)大小特征，最后定期編寫出微震監(jiān)測(cè)報(bào)告書，并整理成冊(cè)，具體流程圖如圖5所示。

2.4 波形識(shí)別

1)施工開挖爆破事件。爆破所產(chǎn)生的波形，其特點(diǎn)是，在一個(gè)窗口內(nèi)，會(huì)將一個(gè)或是多個(gè)波形疊加在一起，波形一般比較整齊，在窗口上沿著時(shí)間軸分布的時(shí)間較長(zhǎng)，且距離爆破點(diǎn)相近的傳感器，其采集到的波形振幅將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他位置布設(shè)的傳感器采集到的波形振幅[12]。圖6為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的導(dǎo)流洞內(nèi)的爆破波形。從已獲得的數(shù)據(jù)可知，距離爆破點(diǎn)最近的傳感器，其測(cè)定相關(guān)波形的振幅數(shù)量級(jí)為4.1 V，矩震級(jí)為0.7級(jí)，震源影響半徑為7.19 m。

2)巖石微破裂事件。導(dǎo)流洞開挖過程中，較為典型的巖石微破裂所產(chǎn)生的波形如圖7所示，信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，未開展爆破作業(yè)，信號(hào)持續(xù)大約150 ms，衰減較慢，尾波較發(fā)育，其振幅相對(duì)較小。由圖7所示的巖石破裂波形數(shù)值可以看出，信號(hào)波成分單一，頻帶分布較窄，集中分布的范圍在500 Hz附近。根據(jù)現(xiàn)有的資料可知，深部巖體因卸荷等因素所誘發(fā)的巖石微破裂事件，其矩震級(jí)一般小于0，釋放能量數(shù)量級(jí)一般為10 J～104J[13]。

3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2020年7月29日，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在導(dǎo)流洞項(xiàng)目開始進(jìn)場(chǎng)安裝，通過開展敲擊試驗(yàn)及一系列的調(diào)試完成后，于7月30日開始正式投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的任務(wù)目標(biāo)，截至2021年6月2日，共有710個(gè)微震事件。

3.1 微震事件分布特征

圖8為2020年7月30日～2021年6月2日微震事件時(shí)間分布規(guī)律本年度內(nèi)，一共采集到相關(guān)微震事件70個(gè)，其中一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，微震事件較為集中，期間還有明顯突增現(xiàn)象，是2020年10月4日～至11月8日，其中10月29日～11月4日微震活動(dòng)頻繁，有明顯突增現(xiàn)象，最高達(dá)到單日9個(gè)微震事件，為監(jiān)測(cè)期間日微震事件數(shù)最多。其余時(shí)間段微震事件數(shù)較少，每日保持在1個(gè)～3個(gè)左右。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況分析：導(dǎo)流洞監(jiān)測(cè)期間主要進(jìn)行爆破開挖，爆破開挖的卸荷作用擾動(dòng)圍巖，結(jié)構(gòu)面影響，自身巖體較為破碎，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整。在2020年10月～11月8日，導(dǎo)流洞第一層在進(jìn)行K0+600～K0+500段爆破開挖，該段根據(jù)地質(zhì)剖面圖，可以明顯看到分布4條斷層，有2條更是形成楔形狀切割巖體，再受到旁邊泄洪洞的施工影響，該段微震事件有明顯增長(zhǎng)。其余時(shí)間段微震事件數(shù)較少，每日保持在1個(gè)～3個(gè)左右。此外在2021年2月25日～3月7日，單日微震事件有輕微增長(zhǎng)現(xiàn)象。綜合考慮[14]，圍巖失穩(wěn)等級(jí)判定為輕微。微震事件震級(jí)與時(shí)間關(guān)系圖如圖9所示。

3.2 微震事件空間分布特征

2020年7月30日～2021年6月2日導(dǎo)流洞微震事件的空間分布如圖 10所示，經(jīng)軟件分析后，獲得了對(duì)應(yīng)的微震事件空間密度云圖(見圖11)，圖中微震事件球的顏色代表事件震級(jí)，顏色越深表明震級(jí)越大；事件球的大小代表事件能量，球體越大說明微震釋放能量越高[15]。本年度微震事件在樁號(hào)K0+530～K0+590和K0+900～K0+980有一定聚集現(xiàn)象，其余段微震事件比較分散。在K0+530～K0+590段左側(cè)微震事件比右側(cè)多，分析原因是由于爆破開挖卸荷，結(jié)構(gòu)面分布影響以及泄洪洞在其左側(cè)施工造成的影響。在K0+900～K0+980段，分布較為密集但單日微震數(shù)量較少，分析原因是由于該段靠近出水口，自身圍巖相對(duì)破碎，在樁號(hào)K0+960附近分布一條斷層，上岔洞、下岔洞及主洞在這里存在群洞效應(yīng)，再受到導(dǎo)流洞、泄洪洞及邊坡的施工影響，該段圍巖發(fā)生持續(xù)性累積破壞。

3.3 微震活動(dòng)特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

某水電站圍巖失穩(wěn)等級(jí)的判別依據(jù)為矩震級(jí)和日微震事件數(shù)，將對(duì)二者數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定。若出現(xiàn)微震事件數(shù)量異常增加現(xiàn)象，考慮將圍巖失穩(wěn)等級(jí)提高一級(jí)。失穩(wěn)等級(jí)的劃分，可參考綜合判定標(biāo)準(zhǔn)表，當(dāng)實(shí)際情況和表中規(guī)定的數(shù)據(jù)沖突時(shí)，一般采用交叉判別的方法。

判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 判定標(biāo)準(zhǔn)

等級(jí)為無或輕微時(shí)，施工人員注意施工安全，可以考慮灑水、打孔等方式釋放應(yīng)力；等級(jí)為中等較強(qiáng)時(shí)，施工人員應(yīng)注意施工安全，加強(qiáng)微震聚集區(qū)支護(hù)；等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)，應(yīng)停止施工。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了某水電站導(dǎo)流洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)流洞開挖過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，研究施工中微震活動(dòng)的分布和關(guān)聯(lián)性，建立巖石破壞預(yù)警體系機(jī)制，得出如下結(jié)論：1)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集波形確定微震事件分布和矩震級(jí)，有效的定位了多次微震事件，形成微震事件密度云，可分析微震頻次和圍巖累計(jì)破壞。2)通過分析微震活動(dòng)矩震級(jí)預(yù)測(cè)圍巖失穩(wěn)等級(jí)，2020年7月30日～2021年6月2日，金川導(dǎo)流洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共采集到微震事件710個(gè)，矩震級(jí)分布在-2.0～0.6，圍巖失穩(wěn)等級(jí)為輕微。