危巖體崩塌災害監測預警試驗研究1)

杜 巖 霍磊晨 謝謨文 蔣宇靜 賈北凝 叢曉明

?(北京科技大學城市地下空間工程北京市重點實驗室,北京 100083)

?(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地,山東青島 266590)

??(建設綜合勘察研究設計院,北京 100007)

引言

隨著我國“一帶一路”重大戰略的深入部署,越來越多的大型水電站、公路、鐵路、橋梁、隧道和能源管線將在我國西南山區進行建設[1].復雜的高山峽谷地形地貌,惡劣的氣候條件以及大量高陡邊坡的工程開挖擾動,使得巖體崩塌災害事故的發生概率大大增大.這些潛在危巖體作為目前我國工程建設最主要的安全隱患點,一旦發生,輕則造成較大的經濟損失和工期延誤,重則還會造成嚴重的人員傷亡.因此,如何實現崩塌災害的早期監測預警是巖土工程領域亟待解決的主要工程問題之一.

實際上,巖體脆性破壞多是系統不穩定導致的動力破壞,因此引入動力學監測指標,可有助于實現巖塊體的穩定評價與早期預警[2-3].Amitrano 等[4]分析了法國西部諾曼底海岸巖體崩塌前的振動情況,得出振動幅值等振動特征可以為崩塌的早期監測預警起到一定的指示作用;Got 等[5]監測了法國東南部維科爾斯山東南部一處天然石灰巖懸崖巖體崩塌前的位移和振動情況,得出頻譜分析可以作為位移速度的補充應用于崩塌的早期預警中;Bottelin 等[6]基于振動監測技術,對阿爾卑斯山4 個不穩定巖體的動力響應進行研究,發現不穩定巖體的振動譜共振頻率下顯示出清晰的能量峰值;Ma 等[7]以混凝土試塊為實驗案例,將頻率監測與試塊安全性系數進行比較發現,頻率等振動特征參數對巖塊體的穩定程度有一定指示作用;杜巖等[8-10]基于模型試驗,通過固有振動頻率來對危巖的黏結力和摩擦力等力學指標進行分析,得出基于振動模態的巖體安全監測將在實際工程中發揮重大作用;隨后賈艷昌等[11]通過理論推導,建立了危巖塊體固有振動頻率、危巖塊體與母巖粘結面積、彈性模量和危巖塊體質量之間的關系,并用試驗進行了驗證.大量研究表明,基于動力學指標的巖塊體的早期監測預警是人類應對崩塌災害最為有效的技術手段之一.

崩塌災害除受到巖體強度及結構面力學狀況等內部因素作用外,還與降雨、地震、爆破等多種外界觸發因素有關[12],導致崩塌的預警難度相對較大[13].因此,目前相對單一的監測指標體系,必然導致監測預警技術的預警時效性、準確性與可實施性方面存在較大制約,傳統方法中基于位移、應力應變等監測指標的監測預警,雖然有較好的準確性,但具有一定的時間滯后性和不確定性[14];而單一固有振動頻率的預警方法,雖然在時效性方面有較好效果[15],但其監測往往會受到環境白噪音的影響,預警的準確性方面存在諸多限制[16].基于此,本研究通過引入激光多普勒測振儀,開展基于多個時域動力學指標的監測預警試驗,實現巖體由穩定→分離→加速破壞全過程動力學指標的基本變化規律研究,豐富目前動力學監測指標體系的同時,也為工程中更好應對崩塌災害提供新的技術支持.

1 原理

危巖體多發育于裂縫帶后緣的地形較陡且巖體破碎的地區[17],其破壞也多發生在由節理裂隙發育的堅硬巖體組成而并非均勻介質陡峻山崖或者斜坡上部[18],因此其破壞過程通常可視為一個非線性動力系統的演化過程[19].在崩塌發生前,隨著巖體損傷的發生與內部節理裂隙的擴展,振動幅值等動力學指標一定會產生變異[20-23].因此,建立包含多個動力學指標參量的崩塌破壞早期預警指標體系,是目前工程監測與災害預警的必然選擇.巖體的動力學指標按照其信息屬性可分為時域動力學指標、頻域動力學指標、能量指標與模態指標4 種.相對于其他3 類指標,時域動力學指標是從監測得到的時間振動信號中直接提取,不需要進行傅里葉等變換計算,因此該類指標作為振動監測的常態化指標,可率先應用于崩塌災害的監測預警指標體系中.

圖1 為某時刻巖體的時域振動信號.基于該振動波形圖,可得振動幅值、振動絕對均值、變異系數和峭度指標等5 種時域動力學指標,振動幅值xp為

其中,xi為某時刻的振動速度.振動幅值越大,說明巖體越不穩定,趨于危險;反之則趨于安全.

圖1 某時刻的振動歷史曲線Fig.1 Vibration history at some time

振動絕對均值xav為

其中,N為監測樣本數.由振動絕對均值可知,當均值越大,說明巖體的振動能量越高,預示巖體穩定程度越差.

振動方差Dx為

變異系數Kv為

由變異系數可知,當變異系數越大,說明時域振動信號具有較大的離散性,可能預示巖體穩定程度發生變異,巖體趨于危險.

峭度指標β 為

通常,峭度指標對周期性的沖擊信號十分敏感[24],因此該指標可用于分析某時刻巖體振動中的沖擊能量Ei為

其中,c為轉換系數,本文取最大峭度指標的倒數.由式(6)可得某時刻賦存在巖體中的沖擊能量指標,該指標可為崩塌災害的預警預測分析提供參考.

2 實驗結果

2.1 基于多種時域指標的早期預警分析

越來越多的研究證明,巖塊脆性破壞往往是拉伸或剪切破壞的同時,也伴隨著強度的實時退化[25].如果不考慮結構面的弱化效應,很難模擬巖體在自重狀態下發生崩塌破壞的全過程.為模擬巖塊體在累積損傷作用下發生崩塌破壞的全過程,實驗通過預設粘結力不斷弱化的凍結冰層作為結構面,隨著冰層不斷融化,實現在自重作用下發生脆性崩塌破壞的全過程[26].相比較其他實驗方式,該模型實驗可以自發模擬巖體在累積損傷過程中由穩定到破壞的全過程,進而為巖體崩塌前動力學指標的變化規律研究提供實驗支持.實驗中,采用激光多普勒測振儀(laser doppler vibrometer,LDV) 來實現巖體崩塌全過程的振動監測,如圖2 所示.實驗自計時起,445 s 后發生崩塌破壞,其中0 ～390 s 為穩定階段,390 ～440 s為分離階段,440 ～445 s 為加速破壞階段.激光多普勒測振儀分別測量了不同階段的巖體時域動力學指標.振動幅值、振動絕對均值和變異系數3 種時域動力學監測指標實驗結果如表1 所示.

圖2 模型實驗原理圖Fig.2 Schematic view of the model experiment

表1 實驗結果Table 1 Experimental results

圖3 為振動幅值、振動絕對均值與變異系數的過程線圖.由圖3 可知,在穩定階段(0 ～390 s),振動幅值和振動絕對均值隨著結構面強度的下降不斷呈上升趨勢,并在390 s 出現急劇升高,分別較前一時刻增長2.4 和3.1 倍,明顯觸發分離破壞前兆預警;而變異系數指標則出現較大的波動性,分離破壞前兆識別并不敏感;在分離階段(390 ～440 s),振動幅值和振動絕對均值隨著巖體穩定性的下降繼續呈上升趨勢,并在440 s 出現明顯升高,較前一時刻增大1.5 和1.9 倍,可觸發加速破壞前兆預警,而變異系數指標則在該時間段呈整體下降趨勢,加速破壞前兆識別不敏感.

圖3 振動幅值,振動絕對均值和變異系數的過程線Fig.3 Curves of vibration amplitude,absolute mean and variation coefficient

綜上,振動幅值與振動絕對均值這兩種時域動力學指標均可識別分離破壞與加速破壞前兆,而變異系數在分離破壞與加速破壞前兆識別的敏感性方面較差.在振動幅值與振動絕對均值的分離階段前兆識別中較前一時刻增長2 倍以上,敏感性良好,因此振動幅值與振動絕對均值可為基于分離破壞前兆識別的早期預警方法提供新的敏感性指標,可提前55 s 實現崩塌災害的早期預警.

圖4 為430 s 后的過程線曲線.結果顯示,相比較于分離階段,加速破壞階段時的振動幅值、振動絕對均值和變異系數等均在破壞前表現出明顯的非協調變化特征.這種振蕩特征是巖體在崩塌前其結構不穩定狀態下的外在指標表現[27],通過多種時域動力學指標可識別出這種加速破壞前兆特征.在破壞前的最后5 s 內,變異系數從最小值0.160 81 到最大值2.052 18,增大12.8 倍,明顯優于振動幅值(2.0 倍)與振動絕對均值(3.5 倍) 這兩個時域指標.因此,通過變異系數可識別巖體崩塌破壞前的非協調動力特征,為崩塌災害的加速破壞前兆識別提供新的技術方法,從而為更好地實現崩塌災害的早期預警提供參考.

圖4 430 s 振動幅值,振動絕對均值和變異系數的過程線Fig.4 Curves of vibration amplitude,absolute mean and variation coefficient after 430 s

2.2 巖體崩塌實驗的振動沖擊能量分析

由式(6) 可知,基于時域指標的監測數據可得巖體振動的沖擊能量,如表2 所示.由表2 可知,巖體振動中的沖擊能量在前435 s 內平均值為3.28×10?5J,而破壞前5 s(440 ～445 s)的沖擊能量平均值為10.17×10?5J,為前期平均能量的3.1 倍.因此,巖體在加速破壞階段賦存的振動沖擊能量也遠大于前期穩定階段與分離階段.

表2 峭度系數與沖擊能量計算結果Table 2 Kurtosis and calculation results of impact energy

巖體崩塌破壞前,一般需要經歷兩個階段:一是分離階段,二是加速破壞階段[28].當巖體在結構面的破裂位置開始逐漸形成連續的結構面,從母巖分離,才真正進入分離階段,并發生分離破壞前兆現象[29].實驗采用LDV 對巖體崩塌破壞的全過程進行實時監測,巖體在390 s 和440 s 分別出現分離破壞前兆與加速破壞前兆.圖5 為累積損傷作用下發生崩塌破壞的全過程位移與沖擊能量監測數據對比.由圖5可知,沖擊能量指標在390 s 較前一時刻增大2.9 倍,與振動幅值(2.4 倍) 和振動絕對均值(3.1 倍) 相比,3 種指標信號敏感性良好,均可較好的識別巖體的分離破壞前兆.

圖5 崩塌實驗位移與沖擊能量監測數據對比Fig.5 Comparison of monitoring data of displacement and impact energy

在加速破壞前兆識別方面,沖擊能量指標在440 s 較前一時刻增大2.8 倍.與振動幅值(1.5 倍)和振動絕對均值(1.9 倍)相比,沖擊能量指標信號敏感性最好,可方便識別巖體的分離破壞前兆.

表3 為振動幅值、振動絕對均值和沖擊能量的預警效果對比.由表3 可知,相對于基于加速破壞前兆識別的傳統預警方法,基于分離破壞前兆識別的預警效果無論在時效性還是在敏感性方面都具有潛在優勢.在時效性方面,3 種動力學指標均在390 s 識別出巖體分離破壞前兆現象,可提前55 s 實現崩塌災害的早期預警.在敏感性方面,3 種指標均在2.0以上,敏感性上均表現良好,其中振動絕對均值最優,沖擊能量次之,振動幅值最低.振動絕對均值等動力學指標可為基于分離破壞前兆識別的預警方法提供更豐富的監測預警指標.

表3 振動幅值、振動絕對均值和沖擊能量的預警效果對比Table 3 Comparison of early warning effects of vibration amplitude,absolute mean and impact energy

3 討論

3.1 巖體破壞前的非協調動力特征識別

基于結構動力學理論,力學參數的變化必然會引起巖塊體動力學指標的變化.本研究通過巖塊體穩定?分離?破壞全過程實驗研究,深入分析巖塊體從穩定到破壞全過程中時域動力學指標的變化規律.實驗結果得出,基于振動幅值等時域動力學指標在巖體崩塌破壞前出現短暫而明顯的非協調與非線性變化特征,振動幅值、振動絕對均值與變異系數均在破壞前5 s 出現明顯的振蕩特征(圖4),為巖體破壞前非協調動力特征識別提供了新的數據支持[30-33].

類似于材料科學中的位錯機制理論[34],巖體崩塌前巖橋等內部缺陷的損傷破裂,是導致巖體破壞前產生明顯非協調性破壞特征的原因[35].相關實驗研究也表明[36-37],巖體破壞前結構面會出現裂紋不穩定擴展,諸如巖石即將破壞時聲發射指標b值會出現大幅度的波動變化.由于這種震蕩特征發生在巖體破壞之前,因此識別這一震蕩特征可以為巖體崩塌災害的早期預警提供新的技術思路,即在巖體結構面在破壞前,通過識別變異系數等時域動力學參數震蕩特征,實現巖體崩塌災害的預警預報.動力學監測指標的引入,可完美契合巖體崩塌等脆性破壞前非協調破壞特征的監測需求,豐富現有的崩塌災害監測預警指標體系的同時,也為巖體崩塌等脆性破壞災害預警理論方法研究提供技術支持.因此,在未來基于非協調性破壞特征識別的監測預警預測技術將作為巖體崩塌等脆性破壞災害預警預防研究的主要方向之一,在川藏鐵路等高山峽谷建設崩塌災害成災機理與風險防范方面發揮積極作用.

3.2 巖體崩塌破壞時的沖擊能量

巖體從穩定巖體→母巖分離→加速破壞這一過程中,力學參數必然會發生變化,進而會分別出現分離破壞前兆與加速破壞前兆,例如出現若干的破裂信號.由于這些信號多是由微小的裂縫擴張引起的,通常很難用肉眼或位移測量設備進行監測識別[25].最新的實驗研究顯示,巖體在損傷破壞過程中,損傷較小則能量釋放較少;損傷變量迅速增加則會導致能量大量的釋放[38],而巖體沖擊能量則來源于巖體發生損傷時產生的能量釋放.

表4 為實驗中巖體崩塌三階段沖擊能量指標對比.由表4 可知,巖體在穩定階段、分離階段與加速破壞階段的平均沖擊能量指標的量級有明顯不同:在穩定階段由于只有微裂隙的擴展,損傷較小,能量釋放較少,只有1.92×10?5J;而在分離階段,裂隙的大量擴展,沖擊能量是穩定時期的2.95 倍,分離破壞前兆識別明顯;當到達加速破壞階段,由于巖體發生斷裂破壞,能量釋放進一步升高,平均沖擊能量最大,比分離階段又增長了79.68%,是穩定階段的5.30 倍.因此,引入沖擊能量指標來進行巖體結構面損傷識別,并在此基礎上進行預警具有明顯的應用優勢.

表4 巖體崩塌三階段沖擊能量指標對比Table 4 Comparison of impact energy indexes in three phases of rock collapse

實際上自然界的巖石在風化、降雨等累計損傷下,不可避免會發生復雜的應力應變狀態,因此巖體從穩定到破壞全過程中需要識別損傷的發生時刻進而分析其抵御變形和破壞的能力.由表4 可知,最大沖擊能量指標可顯示其發生時刻,表明巖體發生了較大的損傷,這為巖體累計損傷的過程評價識別提供了新的數據支持.例如在穩定階段,310 s 時沖擊能量指標最大,表明巖體在這一時刻發生了較大損傷,實驗中也發現在310 s 巖體有輕微振動的出現.因此,巖體在穩定到破壞的全過程中,其抵御變形和破壞的能力并非呈規律性的下降[39],會因為某時刻某隨機破裂的發生出現大幅下降[40],而只有采用綜合信息的識別技術,才能準確分析巖體由穩定到破壞發生的應力應變與損傷程度,進而實現巖體分離破壞前兆與加速破壞前兆的有效區分[41].結合傳統的監測分析手段,現場還可通過綜合分析以下特征,實現分離破壞前兆和加速破壞前兆的合理判識,如表5所示.

表5 分離破壞與加速破壞前兆分析綜合識別Table 5 Comprehensive identification of precursors in the detachment and acceleration phase

3.3 巖體崩塌啟程劇動分析探討

巖體崩滑的啟程劇動機制一直是巖土工程領域研究的熱點[42].多個大型案例表明,巖體滑動發生時均有明顯的地面震動,且這種強振動是在結構面突然剪斷時觸發的,并發生于巖體下滑啟動之前[32].雖然實際案例分析中已經得出巖體在崩塌前就已經具備了較大的沖擊能量,但在該能量的來源解釋上還未給予明確解釋.本實驗中,巖體在破壞前(445 s)的最大沖擊能量高達18.73×10?5J,為穩定時期(310 s)最大值的4.94 倍,如表4 所示.因此,巖體在破壞前是可能具備一定的沖擊速度與沖擊能量,進而從室內試驗中解釋了巖體啟程劇動機制的能量來源.

圖6 為巖體由穩定到破壞全過程中的耗散能與沖擊能量關系分析.由圖6 可知,當處于穩定階段(OA段),巖體處于彈性應力應變狀態,耗散能UD1較小,進而該階段巖體獲得的沖擊能量較小,往往可以忽略不計;當進入分離破壞階段(AB段),巖體處于塑形應力應變狀態,耗散能UD2相比較于UD1有明顯增大,耗散能的釋放導致該階段巖體的沖擊能量有明顯提高;當巖體進入加速破壞階段(BC段),巖體內部裂隙不斷擴展,耗散能UD3最大,該巖體破壞時不僅具有非常可觀的沖擊能量,同時破壞時刻伴有巖體彈性能(UE)的釋放,使得巖體破壞時的彈沖效應非常顯著.實驗與工程研究表明,鎖固段巖體對崩塌災害的動力反應起著控制性作用[43],且鎖固段巖體的峰殘強降差是高速啟動的根本原因[44].當峰殘強降差越大,表明巖體結構面破壞前釋放耗散能越大,進而導致巖體在崩滑破壞發生時會賦存很大的沖擊能量.因此,在巖體在崩塌破壞的全過程中,耗散能的釋放使得巖體具有一定的沖擊速度,進而使得巖體在破壞時刻出現明顯的“彈沖效應”[32].

圖6 巖體崩塌耗散能與沖擊能量關系示意Fig.6 Relationship diagram between dissipation energy and impact energy of rock collapse

實際上在高速巖體崩塌破壞的啟動劇動機制研究中,人們往往只關注巖體賦存的彈性能量,而很少關注巖體破壞前賦存的沖擊能量[32],因此在巖體啟動速度和下滑距離的分析中存在一定誤差.實驗與工程研究表明,鎖固段巖體對崩塌災害的動力反應起著控制性作用[43],且鎖固段巖體的峰殘強降差是高速啟動的根本原因[44].當峰殘強降差越大,表明巖體結構面破壞前釋放耗散能UD3越大,進而導致巖體在崩滑破壞發生時會賦存很大的沖擊能量.因此,在巖體崩塌運動軌跡等數值模擬過程中,應充分考慮巖體崩滑前的沖擊振動速度,只有這樣才能保證計算分析結果的準確可靠.該試驗研究結果為巖體破壞啟程劇動機理研究提供了新的啟示,為崩塌巖體的速度、運動軌跡與落點位置等運動特性分析提供新的參考.

4 結論

本研究通過引入峭度指標、沖擊能量等多個新的動力學監測指標,開展了巖體崩塌破壞全過程的早期監測預警實驗研究,得出如下結論:

(1) 在巖體分離破壞前兆識別方面,振動幅值、振動絕對均值與沖擊能量均在390 s 識別巖體的分離破壞前兆.由于分離破壞前兆識別預警方法在巖體崩塌等脆性破壞災害監測預警方面具有更好的時效性,可提前55 s 實現巖塊體崩塌破壞的早期預警.

(2)在巖體崩塌加速破壞前兆識別方面,振動幅值、振動絕對均值與沖擊能量均可在在440 s 識別其加速破壞前兆.但在識別的敏感性方面,沖擊能量最優,而振動絕對均值與振動幅值敏感性較差.

(3)巖體在破壞前多個時域動力學指標呈現短暫而明顯的非協調動力特征,其中變異系數在識別這一振蕩特征上優勢最為明顯.因此,時域動力學指標監測可以為巖體破壞前非協調動力特征識別與相關預警理論研究提供數據支持.

(4)巖體在破壞前具備較大的沖擊速度,是崩塌巖體產生彈沖加速效應的主要原因之一.因此在巖體崩塌破壞后的運動特性分析時需要考慮巖體的沖擊振動速度的影響.研究結果為崩塌巖體啟程劇動機制等相關研究提供了新的啟示.