荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖過程微震活動特征與圍巖穩定性研究

高 喬， 馬 克， *， 唐春安， 馬天輝

(1. 大連理工大學巖石破裂與失穩研究中心， 遼寧 大連 116024； 2. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023)

0 引言

自“十三五”規劃以來，大容量、高水頭、高揚程的抽水蓄能電站在能源結構升級和新能源發展中發揮著越來越重要的作用，我國抽水蓄能建設進入蓬勃發展期[1]。與常規水電站類似，抽水蓄能電站廠房多采用地下形式，主要由大跨度、高邊墻、多孔洞交叉的地下廠房洞室群組成，地質條件復雜，地應力顯著，強卸荷開挖過程中地下洞室穩定性一直是其施工的關鍵問題[2-3]。因此，如何識別地下廠房開挖過程中的圍巖損傷區域，對抽水蓄能電站地下廠房的穩定性和安全性具有重要意義。

與常規水電站不同，抽水蓄能電站地下廠房具有高水頭差、機組淹沒深度大和安裝高程低等特點，其防滲要求較高，有效監測抽水蓄能電站地下廠房的圍巖損傷是關系到整個施工和運行成敗的主要問題[4-5]。蒲石河抽水蓄能電站地下廠房排水廊道的圍巖滲水現象明顯，研究發現高水頭壓力作用下，斷層破碎帶和巖體內的微裂隙、節理等軟弱結構面形成滲流通道，導致圍巖發生滲水[6]。白山抽水蓄能電站投入運行后，主廠房發生點(面)狀重力水下滲及毛細水侵潤滲流，墻面整片潮濕滲水，嚴重影響廠房結構穩定性和電站運行安全性，而節理裂隙發育的不良地質條件和施工擾動破壞了洞室圍巖巖體的完整性且防滲措施不及時是廠房滲漏不均的主要原因[7]。西龍池抽水蓄能電站地下廠房在開挖施工期間就暴露出滲水問題，主廠房頂拱特別是斷層、裂隙發育部位滲漏水現象明顯[8]。工程擾動不可避免地會引起地下洞室圍巖發生微裂隙的萌生、擴展和貫通，形成圍巖損傷區；巖體損傷造成巖體力學性能劣化的同時，還會對巖體滲透性能造成顯著影響，斷層破碎帶、節理裂隙發育帶往往是抽水蓄能電站廠房圍巖損傷和滲漏嚴重區，不利于廠房圍巖穩定[9-11]。

近年來，微震監測技術由于能夠有效地捕捉巖體內發生的微破裂信號而被廣泛應用于煤礦[12]、地下水封石油洞庫[13]、隧道[14]等大型巖體工程災害監測預警中，取得十分顯著的效果。微震監測技術能很好地探明深部巖體的不利地質構造以及識別施工擾動下圍巖內巖石微破裂的演化聚集規律，從而對巖體損傷區進行識別[15-16]。目前，微震監測技術尚未應用于國內抽水蓄能電站地下廠房的開挖過程。

本文以牡丹江荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖為工程背景，構建抽水蓄能電站地下廠房洞室群微震監測系統，對開挖卸荷過程中地下廠房圍巖內的微震活動進行監測分析。基于開挖階段的監測數據，分析微震活動的時空演化規律，識別地下廠房圍巖損傷區域，建立施工響應及地質構造與微震活動特征之間的動態關系，以期為抽水蓄能電站地下廠房開挖施工和支護防滲提供參考依據。

1 荒溝抽水蓄能電站廠區工程背景

1.1 工程概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市三道河子鄉境內，利用三道河右岸山間洼地修建總庫容為1 161×104m3的上水庫，最大水頭達445.6 m，總裝機容量為1 200 MW。地下廠房系統位于輸水隧洞中部上方的山體內，主廠房、主變洞和尾閘室3大主洞室從上游至下游依次平行布置，洞軸線方位為NW311°。主廠房開挖尺寸為143.0 m×26.5 m×55.3 m(長×寬×高，下同)，副廠房開挖尺寸為19.5 m×25.0 m×45.6 m，開挖全長163.2 m，拱頂高程為178.6 m。主變洞開挖尺寸為127.1 m×21.2 m×28.1 m,拱頂高程為175.2 m。尾閘室開挖尺寸為94.9 m×11.4 m×20.3 m，拱頂高程為159.2 m。

主廠房與主變洞通過4條垂直廠房縱軸線的母線洞相連，洞室間巖體厚度為37.45 m。尾閘室與主變洞之間巖體厚度為28.05 m。3層排水廊道環繞3大洞室，形成“大跨度、高邊墻、多洞室交叉”的復雜地下洞室群，其分布如圖1所示。

Fig. 1 Layout of underground powerhouse caverns at Huanggou pumped-storage power station

1.2 地質條件及施工方案

地下廠房沿2#輸水隧洞軸線地質剖面如圖2所示，地下廠房洞室群最大垂直埋深為310 m，廠區為切割不深的低山地形，地表地形坡度為20°～40°，表層為第四系松散層第②層混合土碎石。地下廠房區域基巖為華力晚期白崗花崗巖，開挖出露圍巖主要為新鮮白崗花崗巖，巖質堅硬、完整，屬于Ⅱ類圍巖，根據波速測試資料顯示其縱波波速為5.0～5.3 km/s。地下水位線高于頂拱約290 m，外水壓力較大，廠區以基巖裂隙水為主，其透水性受裂隙發育程度與填充物影響較大。廠區有f31、f32、f33、f344條陡傾角斷層通過，斷層的主要組成為碎屑夾泥，主廠房區陡傾角節理較發育，緩傾角節理偶有分布，主要結構面與廠房邊墻赤平投影分析如圖3所示。

圖2 廠區沿2#輸水隧洞軸線地質剖面

圖3 主廠房邊墻主要結構面赤平投影圖

地應力測試綜合結果表明，最大水平主應力方向約為N71°W，量值為12.2 MPa，中間主應力和最小主應力大小接近，分別為6.5 MPa和5.7 MPa，屬于中等地應力量級。

廠區各廊道、洞室的開挖采用鉆爆法施工，排水廊道以全斷面施工為主，3大洞室因斷面大實施分步開挖法，中部采用梯段爆破開挖，周邊采取光面爆破或預裂爆破開挖。主廠房分7層逐層開挖，頂部向底部依次開挖高度為10、8、8.1、6.6、7.4、7.5、6.2 m。截至2017年9月中旬微震監測系統構建時，主廠房第Ⅲ層、主變洞、排水廊道以及交通、通風洞基本開挖完成，尾閘室與母線洞開挖過半(見圖4)。經施工現場實地踏勘發現，主廠房上游側的排水廊道內曾出現不同程度的片幫掉塊甚至輕微巖爆現象。構建3大洞室位于微震監測陣列臺網內的抽水蓄能電站地下廠房微震監測系統，對地下廠房后續開挖過程中的圍巖穩定性進行實時監測。

圖4 地下廠房開挖方案示意圖

2 微震監測系統構建

2.1 地下廠房微震監測系統

荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監測系統主要由加速度傳感器、Paladin信號采集系統和Hyperion數據處理系統3部分組成。布置在地下廠房洞室圍巖內的傳感器接受到巖石微破裂釋放的彈性波信號后，經電纜傳輸至Paladin信號采集系統，電信號被轉換為數字信號存儲于Hyperion數據處理系統供用戶處理分析，借助網絡實現分析中心和決策部門之間實時進行信息交互。采用的G1030檢波傳感器為不銹鋼材質的單分量信號接收探頭，直徑和長度分別為32 mm和146 mm，敏感度為30 V/g，頻率響應范圍為50～5 000 Hz，能更好地適應荒溝電站中等地應力特點。Paladin信號采集系統采樣頻率為20 000 Hz，采用24位模數轉換和閾值觸發。

微震監測系統空間網絡拓撲圖如圖5所示。結合現場施工進度情況和微震監測系統要求，在基本開挖完的上、中層排水廊道和主變洞不同高程的邊墻上安裝18個加速度傳感器,高密度傳感器空間陣網同時覆蓋廠房3大洞室。上層排水廊道安裝6個傳感器，中層排水廊道安裝8個傳感器，其余4個傳感器布置在主變洞上下游邊墻以及洞口處，采用三維空間陣列式分布。傳感器安裝孔徑為40 mm，孔深3.5 m左右，角度近水平開口朝下，安裝時傳感器通過錨桿樹脂固定在孔底，借助螺釘和固化后的樹脂采集巖體內的彈性波信號。

圖5 微震監測系統空間網絡拓撲圖

2.2 定位誤差及波形識別

2017年9月28—29日，在地下廠房微震監測系統的傳感器陣列空間內選取9個點進行人工敲擊試驗，記錄下敲擊時間、敲擊位置、捕獲的敲擊波形。根據地質勘探報告資料中地下廠房圍巖波速測定結果，設定系統P波波速為4 700～5 500 m/s的17種不同波速，計算不同P波波速下敲擊試驗的定位誤差，結果如圖6所示。當系統P波波速為5 150 m/s時，系統定位平均誤差值最小為5.4 m(見表1)，能夠控制在6 m以內，滿足工程微震監測定位精度要求。

圖6 不同P波波速下敲擊點與定位結果誤差關系曲線

Fig. 6 Relationship between knocking points and microseismic monitoring errors under different P-wave velocity conditions

地下廠房開挖采用鉆爆法施工，爆破、風鉆預裂等施工擾動產生大量噪聲信號。運用ESG系統自帶的震源機制解析模塊和時頻分析技術，對地下廠房開挖過程中采集到的微震信號進行識別分類： 人工敲擊波形見圖7(a)； 巖石微破裂波形見圖7(b)； 風鉆鉆孔波形見圖7(c)； 開挖爆破波形見圖7(d)。

3 地下廠房圍巖微震活動特征及穩定性分析

3.1 微震活動時空演化規律

荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監測系統于2017年9月30日調試完成并投入監測。截至2017年12月31日，在有效空間范圍內共監測到巖石微破裂事件(微震，下同)339個，爆破事件126個。微震活動時間分布規律如圖8所示。由圖可以看出： 10月地下廠房處于停工期，微震事件很少發生； 11月初恢復施工，對主廠房中部安裝間進行開挖，微震事件增多，頻率小于10個/d； 12月初主廠房持續開挖爆破，同時母線洞和1#上層壓力鋼管也在進行開挖，施工強度大，微震事件頻率出現激增，最大達到24個/d； 12月下旬廠房施工以邊墻支護修邊為主，微震事件頻率有所降低。

表1 P波波速為5 150 m/s時人工敲擊定位誤差

(a) 人工敲擊波形

(b) 巖石微破裂波形

(c) 風鉆鉆孔波形

(d) 開挖爆破波形

圖8 微震活動時間分布規律(2017年)

繪制三維洞室群模型并導入ESG微震監測系統，更直觀地對微震活動空間分布規律進行分析，如圖9所示。圖中圓球表示地下廠房圍巖內巖石微震事件，圓球的顏色和大小分別表示矩震級和能量，矩震級分布在-0.8～-1.6。微震事件主要分布于廠房上游邊墻以頂拱高程180.0 m為上盤、以高程152.0 m為下盤呈條帶狀分布(微震聚集區Ⅰ)和主廠房下游邊墻靠近安裝間的端墻 (微震聚集區Ⅱ)。

圖9 微震事件空間分布規律

微震事件時空演化規律表明微震活動與施工動態存在一定聯系。圖10示出微震監測期間地下廠房的開挖爆破強度以及不同時段內的微震活動特性。從圖中可以看出： 微震事件累計數與爆破事件累計數呈正相關關系，持續開挖爆破事件越多，微震事件累計數增長趨勢越快，微震活動頻繁，這說明荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中圍巖的微震活動受施工擾動影響明顯。微震事件多發生在施工爆破點附近臨空面的圍巖內，其遷移演化規律與施工工作面推進過程一致。10月為開挖停工期，微震事件零星分布，少量聚集在開挖點下游邊墻底部(見圖10(a))；11月恢復施工，主廠房以中間梯段爆破為主，微震事件在廠房右側安裝間端墻和主廠房上游側頂拱2處洞室結構薄弱部位有發育積聚成核的跡象(見圖10(b))；12月工作面向前推進，微震事件在工作面附近主廠房上游邊墻及拱肩大量聚集形成條帶狀，微震成核跡象明顯且呈發散狀擴展(見圖10(c))。由圖10可以看出，在持續開挖爆破的擾動下，圍巖應力不斷調整，誘發大量微震事件，主廠房上游邊墻逐漸形成微震事件聚集區。對于開挖擾動下的微震活動聚集，后續開挖施工應注意控制開挖進度以及爆破強度，持續關注廠房上游側邊墻并及時進行支護。

圖10 施工擾動影響下的微震活動特性(2017年)

3.2 主廠房圍巖潛在損傷區識別

基于能量耗散原理，一次伴隨能量釋放的巖石微破裂代表著一次巖體輕微的損傷，隨著巖石微震事件的演化聚集表示圍巖巖體損傷加劇。微震釋放的能量是微震監測的基本參數，其大小可以作為識別圍巖巖體損傷區域的重要依據。通過分析地下廠房開挖過程的微震能量密度(見圖11)可以看出，主廠房上游邊墻頂拱樁號廠左0+20 m至廠左0+80 m段(即微震聚集區Ⅰ)微震事件聚集且發生高能量釋放，開挖卸荷作用下該處圍巖的巖體損傷程度最嚴重，是主廠房圍巖存在局部失穩風險的區域；而12月下旬通過排水廊道內的實地踏勘發現，微震能量高釋放區域內的中層排水廊道內側邊墻多處出現了開裂、片幫及掉塊的現象(圖11中a在樁號廠左0+75 m; 圖11中b在樁號廠左0+60 m；圖11中c在樁號廠左0+45 m)。中層排水廊道內發生的圍巖失穩現象都位于微震活動劇烈區域內，片幫掉塊處的圍巖出露節理發育，圍巖沿著節理發生明顯層狀剝落，而且圖11中c處有斷層f34穿過，分析認為微震活動劇烈不僅受施工擾動影響，還與圍巖內斷層破碎帶以及節理發育相關。

高能量釋放區域的微震活動呈明顯的條帶狀分布，建立地下廠房區斷層微震研究的三維模型(見圖12)對此進行分析，可以發現： 微震事件聚集區Ⅰ的分布與斷層f34的走向一致，說明主廠房上游側邊墻圍巖中的斷層破碎帶在施工擾動影響下發生進一步損傷，微震活動沿著斷層走向在樁號廠左0+20 m至廠左0+80 m段演化聚集。結合圖11現場踏勘分析發現，微震活動“遷移”至中層排水廊道圍巖斷層出露及節理發育處，導致中層排水廊道圍巖出現宏觀失穩的現象。據此，圈定主廠房上游邊墻頂拱樁號廠左0+20 m至廠左0+80 m段是圍巖潛在損傷區域，這與楊慶等[17]基于塊體理論的荒溝地下廠房可能失穩塊體區域相吻合。

圖11 基于微震能量密度云圖的損傷區域識別

Fig. 11 Damage region identification based on microseismic energy density cloud

(a) 微震事件與斷層位置關系

(b) 斷層分析模型的微震能量損傷云圖

4 結論與討論

通過構建牡丹江荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監測系統，對強開挖卸荷作用下地下廠房洞室群圍巖內部巖體微破裂進行實時監測。結合荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖期間實地勘探分析和微震監測結果，得到如下結論：

1) 首次將微震監測系統應用于抽水蓄能電站地下廠房開挖，地下廠房3大洞室位于傳感器三維空間陣列式臺網內。通過人工定點敲擊試驗確定監測區域巖體整體等效波速為5 150 m/s，定位誤差在6 m以內，能夠滿足地下工程微震監測定位精度要求。

2) 從地下廠房微震活動性時空演化規律看，有效監測區域范圍內圍巖微破裂主要集中在地質構造斷層發育區域(微震聚集區Ⅰ)和地下廠房洞室結構薄弱部位(微震聚集區Ⅱ)。微震事件聚集區域Ⅰ位于高程150～180 m的主廠房上游邊墻樁號廠左0+20 m至廠左0+80 m段，微震事件聚集區域Ⅱ位于廠房安裝間底端靠近主廠房邊墻處。

3) 地下廠房微震活動性受施工擾動影響明顯，持續爆破強度大，則微震活動頻繁。微震聚集區域Ⅰ呈條帶狀分布，與斷層f34走向基本吻合。開挖卸荷作用下，主廠房圍巖應力調整，向廠房上游邊墻附近斷層f34區域轉移和集中，高能量釋放造成圍巖損傷加劇，據此圈定主廠房上游邊墻頂拱樁號廠左0+20 m至廠左0+80 m段是圍巖失穩風險區域。微震監測結果可以為地下洞室后續開挖和支護防滲提供參考依據。

微震監測作為一種三維“體”的實時監測方法，能夠及時對抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中洞室圍巖的穩定性進行有效反饋，然而對荒溝地下廠房圍巖失穩機制尚不明確。后期需結合數值模擬對其失穩機制進行研究。