微震监测在某水电站导流洞的应用★

龙海剑，李小强，马 建，王治国，李 毕，毛浩宇

(1.中国水利水电第七工程局有限公司三分局，四川 成都 611730； 2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

0 引言

一系列大型的水利水电项目和工程在四川省、云南省等西南地区开展建设，由于地形等诸多原因，需要考虑枢纽的布置以及施工等因素。对于这类工程而言，往往会采用地下厂房、深埋隧道等方案修建引水发电系统。此外，西南地区天然地应力水平普遍较高，岩体结构更为复杂，存在较多软弱结构面。值得注意的是，该地区岩体强度与地应力相比较低。就施工而言，其安全标准要求高，却面临着施工作业困难复杂等问题，急需解决深埋地下结构的围岩稳定性和安全控制等一系列相关问题，为工程施工期和运行期的安全提供保障[1]。

岩体在破坏之前，会持续以声波的形式释放积蓄的能量，在工程领域称为微震。这种能量的释放，会在一定程度上反映结构失稳过程，每个具体的微震事件包含丰富的信息，可反映出结构周边岩体状态的变化。处理、分析接收到的微震信息，一般可作为评估岩体是否稳定的依据，可进一步对岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡等地压现象进行预报。XU等[2]在锦屏Ⅰ级水电站左岸岩质边坡建立微震监测系统，根据微震信号特征划分由施工活动诱发的损伤区域；赵金帅等[3]通过分析微震事件特征，研究白鹤滩水电站母线洞错动带破坏变形，为厂房支护提供参考。

本次以某水电站导流洞为研究对象，采用微震监测技术对某水电站导流洞开挖过程围岩破裂情况及其稳定性进行监测，并研究导流洞在开挖施工过程中，由于开挖卸荷所引发的应力重分布现象，采用先进的高精度微震监测系统，监测与分析洞室群微震活动，识别并圈定导流洞围岩可能发生失稳的高风险区域，建立一个基于微震监测的导流洞围岩失稳变形的测报系统。实现开挖强卸荷作用下导流洞预测预警机制，为其安全开挖和支护提供技术支撑。

1 某水电站导流洞工程概况

某水电站为大渡河干流水电规划的第6级电站，坝址位于金川县城上游约13 km，坝址以上流域面积为39 978 km2，占全流域面积的51.7%。前期地质勘探表明，某水电站导流洞断裂主要为层面裂隙和顺层断层，隧洞大部分洞段处于地下水位以下，全洞围岩以Ⅳ1，Ⅲ1类为主(Ⅲ1类占37.0%；Ⅲ2类占19.4%；Ⅳ1类占38.6%；Ⅳ2类占5.0%)。Ⅳ1，Ⅳ2类岩体主要位于隧洞进口段和洞室中部的软弱夹层段，围岩稳定性差。

导流洞进出口边坡地质条件与泄洪洞进出口边坡相同，洞身段长1 042.87 m，轴线方向进水口为SW245°，出水口为SW200°。最大垂直埋深线380 m，岩层产状NW320°～330°SW∠60°～89°。隧洞围岩可看到少量的缓倾角断裂，其与附近陡倾层面裂隙组合，会产生一定数量的不稳定块体，对顶部结构稳定性影响较大，易引起局部掉块或塌方的灾害，加强支护应及时跟进。其地质剖面图及三维可视图如图1所示。

2 某水电站导流洞微震监测系统

近年来，对于地下洞室群洞的稳定性监测，常见的监测项目一般为应力、应变、位移以及变形监测等。对于已经出现的大变形和宏观的失稳现象，这类常用监测手段已日渐成熟。地下岩土结构发生破坏失稳或产生大变形前，对于岩体内部的微破裂以及微破裂产生过程中的前兆信息，却没有成熟的手段。就常规监测项目而言，其局限性在于它们只能完成对岩体局部特殊点位监测，对结构周边大范围岩体的稳定性不能做到全面的宏观评价[4]。

近四、五年来，微震监测技术作为一种可监测岩体微破裂三维空间信息的技术，日渐发展成熟，并应用于实践中。微震监测不单单可以使用监测获得的应力波来分析微震事件发生的位置，发生的时间和相关的震源参数，而且，采用灵敏度较高的微震监测设备，还可以获取比震级更小的岩石微破裂前兆事件，进而完成地下洞室群围岩损伤及围岩失稳的测报[5-7]。

2.1 微震监测方法及原理

岩体在外部应力扰动下，弹性能集中的现象在内部出现，当能量积聚达到相应的阈值后，在内部会引发微裂隙的产生，并且扩展，其伴随着弹性波或应力波的释放在周围岩体快速传播，即产生了声发射，在地质上也称为微地震(Microseismic，MS)[8]，其采集信号原理如图2所示。传感器接收原始的微震信号数据，通过微震监测系统的信号采集单元，经过信号转换和加工、计算机软件解析处理，实现对微震事件定位、事件震源参数获取的目的，并校正传感器位置、跟踪破坏趋势，最终可以对微震事件在仪器软件上进行三维空间和时间轴下可视化演示，从而对岩体内微震事件进行实时监测，也可作为评价岩体稳定性的依据。

经过最近十年的发展，微震监测技术首次在国外矿山工程的安全监测广泛应用。微震监测技术的主要优势特征有：1)可以直接确定岩体内部微破裂的空间分布，时间和能量释放的强度大小；2)传感器布设点位可选择远离岩体结构发生破坏的区域，保障了监测系统不因施工而损害其长期的运行；3)监测可以覆盖到较大范围内的区域。

震级是表征地震强弱量度，常用英文字母M表示，其是依地震发生时，由震源释放的地震波能量大小而确定的等级标准。震级通常是依据地震波记录并完成测定后得到的一个数值，这个数值不包含量纲，被用来表示各个地震强度的相对大小。1935年美国地震学家里克特首先提出震级概念，并用局部震级ML来表示整体地震震级，称为里氏震级[9]。表示为：

ML=lgA(Δ)-lgA0(Δ)

(1)

其中，A为距离震源为Δ上测得的最大振幅，mm；A0为对照地震事件的振幅。

1945年谷登在分析前人资料的基础上完善了地震震级理论，建立了远震和深源地震的震级标度，推动了地震震级划分的发展。目前国际上通用的震级标准是里氏震级，分为9个等级，震级小于3的地震都是微地震，可被仪器监测到的微震震级介于-2.5～3.5之间，不同震级区间划分如图3所示。

目前最基本的震级标度包括局部震级ML、体波震级(Mb和MB)、面波震级MS和矩震级Mo四种。对于ESG微震监测系统，采用矩震级Mo定义微震事件震级大小[11]，判定其公式为:

(2)

其中，ρ0为震源的介质密度；C0为震源处P波波速；R为震源和接收点间的距离；Fc为P波或S波的辐射类型经验系数，取为0.52。

2.2 微震监测系统布设安装

1)该项目采用的微震监测系统是ESG的微震监测系统，该系统的组成部分包括硬件和软件两部分，配置了远端的PC采集设备，使用了模块化设计。

硬件部分组成有单轴加速度传感器、配备相应的电源，并包含拥有信号波形处理功能的Paladin传感器连接盒、Paladin(v.2)-24位地震记录仪、PMTS-Paladin主控时间服务器、纤维光学分束器、监视器等。而软件部分而言，其由信号采集软件、三维可视化分析软件，网络采集处理软件等其他相配套的软件组成。

课堂教学，尤其是新课教授，是学生英语提升的关键。一直以来，高效课堂是学校教学不懈追求的目标。要实现高效，就要确保有效教学的覆盖面，让课堂真正成为全体学生的课堂。这就需要分层教学来实现。

2)监测系统由主机控制中心、监测系统采集中心和接收传感器阵列三大部分组成。其中单支传感器最佳监测半径为150 m，传感器可进行24 h连续监测。

引进微震监测，以获取导流洞掘进过程中掌子面前后20 m及系统有效监测范围内岩体的微破裂活动，进而预测预报岩体失稳的发生。根据具体的导流洞现场施工进度和环境状况，分别将数支加速度传感器布设在选定的导流洞结构内，安装时应注意安装位置应选择不同高程，以便于在空间范围内形成网状结构。

加速度传感器安装应满足钻孔断面间距40 m，掌子面与传感器的最近距离应为40 m～80 m，实现保护仪器设备，并保证监测稳定和监测效果。从导流洞出水口上岔洞开始安装传感器，随后迁入主洞。在每个断面安装两只设备，导流洞左右两侧边墙分别安装。传感器布置图如图4所示。

2.3 数据采集

为保证能够实时观测导流洞情况，进行实时在线监测，应把相关数据通过通信设施传输至项目地的处理中心设备，进一步完成微震事件波形的处理，实现定位与参数分析，确定每一个微震事件的震源参数，并录入智慧化工程管理系统。最后使用ESG三维空间可视化系统，绘制出微震事件发生的时间、空间分布位置和微震震级大小特征，最后定期编写出微震监测报告书，并整理成册，具体流程图如图5所示。

2.4 波形识别

1)施工开挖爆破事件。爆破所产生的波形，其特点是，在一个窗口内，会将一个或是多个波形叠加在一起，波形一般比较整齐，在窗口上沿着时间轴分布的时间较长，且距离爆破点相近的传感器，其采集到的波形振幅将远远超过其他位置布设的传感器采集到的波形振幅[12]。图6为微震监测系统获得的导流洞内的爆破波形。从已获得的数据可知，距离爆破点最近的传感器，其测定相关波形的振幅数量级为4.1 V，矩震级为0.7级，震源影响半径为7.19 m。

2)岩石微破裂事件。导流洞开挖过程中，较为典型的岩石微破裂所产生的波形如图7所示，信号产生时，未开展爆破作业，信号持续大约150 ms，衰减较慢，尾波较发育，其振幅相对较小。由图7所示的岩石破裂波形数值可以看出，信号波成分单一，频带分布较窄，集中分布的范围在500 Hz附近。根据现有的资料可知，深部岩体因卸荷等因素所诱发的岩石微破裂事件，其矩震级一般小于0，释放能量数量级一般为10 J～104J[13]。

3 微震监测结果分析

2020年7月29日，微震监测系统在导流洞项目开始进场安装，通过开展敲击试验及一系列的调试完成后，于7月30日开始正式投入运行，实现了实时监测的任务目标，截至2021年6月2日，共有710个微震事件。

3.1 微震事件分布特征

图8为2020年7月30日～2021年6月2日微震事件时间分布规律本年度内，一共采集到相关微震事件70个，其中一个时间段内，微震事件较为集中，期间还有明显突增现象，是2020年10月4日～至11月8日，其中10月29日～11月4日微震活动频繁，有明显突增现象，最高达到单日9个微震事件，为监测期间日微震事件数最多。其余时间段微震事件数较少，每日保持在1个～3个左右。结合现场工况分析：导流洞监测期间主要进行爆破开挖，爆破开挖的卸荷作用扰动围岩，结构面影响，自身岩体较为破碎，围岩出现应力调整。在2020年10月～11月8日，导流洞第一层在进行K0+600～K0+500段爆破开挖，该段根据地质剖面图，可以明显看到分布4条断层，有2条更是形成楔形状切割岩体，再受到旁边泄洪洞的施工影响，该段微震事件有明显增长。其余时间段微震事件数较少，每日保持在1个～3个左右。此外在2021年2月25日～3月7日，单日微震事件有轻微增长现象。综合考虑[14]，围岩失稳等级判定为轻微。微震事件震级与时间关系图如图9所示。

3.2 微震事件空间分布特征

2020年7月30日～2021年6月2日导流洞微震事件的空间分布如图 10所示，经软件分析后，获得了对应的微震事件空间密度云图(见图11)，图中微震事件球的颜色代表事件震级，颜色越深表明震级越大；事件球的大小代表事件能量，球体越大说明微震释放能量越高[15]。本年度微震事件在桩号K0+530～K0+590和K0+900～K0+980有一定聚集现象，其余段微震事件比较分散。在K0+530～K0+590段左侧微震事件比右侧多，分析原因是由于爆破开挖卸荷，结构面分布影响以及泄洪洞在其左侧施工造成的影响。在K0+900～K0+980段，分布较为密集但单日微震数量较少，分析原因是由于该段靠近出水口，自身围岩相对破碎，在桩号K0+960附近分布一条断层，上岔洞、下岔洞及主洞在这里存在群洞效应，再受到导流洞、泄洪洞及边坡的施工影响，该段围岩发生持续性累积破坏。

3.3 微震活动特征及风险评估

某水电站围岩失稳等级的判别依据为矩震级和日微震事件数，将对二者数据进行综合判定。若出现微震事件数量异常增加现象，考虑将围岩失稳等级提高一级。失稳等级的划分，可参考综合判定标准表，当实际情况和表中规定的数据冲突时，一般采用交叉判别的方法。

判定标准如表1所示。

表1 判定标准

等级为无或轻微时，施工人员注意施工安全，可以考虑洒水、打孔等方式释放应力；等级为中等较强时，施工人员应注意施工安全，加强微震聚集区支护；等级为强烈时，应停止施工。

4 结论

本文构建了某水电站导流洞微震监测系统，对导流洞开挖过程进行实时的监测，研究施工中微震活动的分布和关联性，建立岩石破坏预警体系机制，得出如下结论：1)微震监测系统采集波形确定微震事件分布和矩震级，有效的定位了多次微震事件，形成微震事件密度云，可分析微震频次和围岩累计破坏。2)通过分析微震活动矩震级预测围岩失稳等级，2020年7月30日～2021年6月2日，金川导流洞微震监测系统共采集到微震事件710个，矩震级分布在-2.0～0.6，围岩失稳等级为轻微。