高地应力条件下地下洞室微震监测及围岩稳定性评价.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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,
5、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
6、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
7、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、
8、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
9、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
10、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
11、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
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