微震監測在某水電站導流洞的應用★

龍海劍，李小強，馬 建，王治國，李 畢，毛浩宇

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

0 引言

一系列大型的水利水電項目和工程在四川省、云南省等西南地區開展建設，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。對于這類工程而言，往往會采用地下廠房、深埋隧道等方案修建引水發電系統。此外，西南地區天然地應力水平普遍較高，巖體結構更為復雜，存在較多軟弱結構面。值得注意的是，該地區巖體強度與地應力相比較低。就施工而言，其安全標準要求高，卻面臨著施工作業困難復雜等問題，急需解決深埋地下結構的圍巖穩定性和安全控制等一系列相關問題，為工程施工期和運行期的安全提供保障[1]。

巖體在破壞之前，會持續以聲波的形式釋放積蓄的能量，在工程領域稱為微震。這種能量的釋放，會在一定程度上反映結構失穩過程，每個具體的微震事件包含豐富的信息，可反映出結構周邊巖體狀態的變化。處理、分析接收到的微震信息，一般可作為評估巖體是否穩定的依據，可進一步對巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡等地壓現象進行預報。XU等[2]在錦屏Ⅰ級水電站左岸巖質邊坡建立微震監測系統，根據微震信號特征劃分由施工活動誘發的損傷區域；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動帶破壞變形，為廠房支護提供參考。

本次以某水電站導流洞為研究對象，采用微震監測技術對某水電站導流洞開挖過程圍巖破裂情況及其穩定性進行監測，并研究導流洞在開挖施工過程中，由于開挖卸荷所引發的應力重分布現象，采用先進的高精度微震監測系統，監測與分析洞室群微震活動，識別并圈定導流洞圍巖可能發生失穩的高風險區域，建立一個基于微震監測的導流洞圍巖失穩變形的測報系統。實現開挖強卸荷作用下導流洞預測預警機制，為其安全開挖和支護提供技術支撐。

1 某水電站導流洞工程概況

某水電站為大渡河干流水電規劃的第6級電站，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%。前期地質勘探表明，某水電站導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口段和洞室中部的軟弱夾層段，圍巖穩定性差。

導流洞進出口邊坡地質條件與泄洪洞進出口邊坡相同，洞身段長1 042.87 m，軸線方向進水口為SW245°，出水口為SW200°。最大垂直埋深線380 m，巖層產狀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，會產生一定數量的不穩定塊體，對頂部結構穩定性影響較大，易引起局部掉塊或塌方的災害，加強支護應及時跟進。其地質剖面圖及三維可視圖如圖1所示。

2 某水電站導流洞微震監測系統

近年來，對于地下洞室群洞的穩定性監測，常見的監測項目一般為應力、應變、位移以及變形監測等。對于已經出現的大變形和宏觀的失穩現象，這類常用監測手段已日漸成熟。地下巖土結構發生破壞失穩或產生大變形前，對于巖體內部的微破裂以及微破裂產生過程中的前兆信息，卻沒有成熟的手段。就常規監測項目而言，其局限性在于它們只能完成對巖體局部特殊點位監測，對結構周邊大范圍巖體的穩定性不能做到全面的宏觀評價[4]。

近四、五年來，微震監測技術作為一種可監測巖體微破裂三維空間信息的技術，日漸發展成熟，并應用于實踐中。微震監測不單單可以使用監測獲得的應力波來分析微震事件發生的位置，發生的時間和相關的震源參數，而且，采用靈敏度較高的微震監測設備，還可以獲取比震級更小的巖石微破裂前兆事件，進而完成地下洞室群圍巖損傷及圍巖失穩的測報[5-7]。

2.1 微震監測方法及原理

巖體在外部應力擾動下，彈性能集中的現象在內部出現，當能量積聚達到相應的閾值后，在內部會引發微裂隙的產生，并且擴展，其伴隨著彈性波或應力波的釋放在周圍巖體快速傳播，即產生了聲發射，在地質上也稱為微地震(Microseismic，MS)[8]，其采集信號原理如圖2所示。傳感器接收原始的微震信號數據，通過微震監測系統的信號采集單元，經過信號轉換和加工、計算機軟件解析處理，實現對微震事件定位、事件震源參數獲取的目的，并校正傳感器位置、跟蹤破壞趨勢，最終可以對微震事件在儀器軟件上進行三維空間和時間軸下可視化演示，從而對巖體內微震事件進行實時監測，也可作為評價巖體穩定性的依據。

經過最近十年的發展，微震監測技術首次在國外礦山工程的安全監測廣泛應用。微震監測技術的主要優勢特征有：1)可以直接確定巖體內部微破裂的空間分布，時間和能量釋放的強度大小；2)傳感器布設點位可選擇遠離巖體結構發生破壞的區域，保障了監測系統不因施工而損害其長期的運行；3)監測可以覆蓋到較大范圍內的區域。

震級是表征地震強弱量度，常用英文字母M表示，其是依地震發生時，由震源釋放的地震波能量大小而確定的等級標準。震級通常是依據地震波記錄并完成測定后得到的一個數值，這個數值不包含量綱，被用來表示各個地震強度的相對大小。1935年美國地震學家里克特首先提出震級概念，并用局部震級ML來表示整體地震震級，稱為里氏震級[9]。表示為：

ML=lgA(Δ)-lgA0(Δ)

(1)

其中，A為距離震源為Δ上測得的最大振幅，mm；A0為對照地震事件的振幅。

1945年谷登在分析前人資料的基礎上完善了地震震級理論，建立了遠震和深源地震的震級標度，推動了地震震級劃分的發展。目前國際上通用的震級標準是里氏震級，分為9個等級，震級小于3的地震都是微地震，可被儀器監測到的微震震級介于-2.5～3.5之間，不同震級區間劃分如圖3所示。

目前最基本的震級標度包括局部震級ML、體波震級(Mb和MB)、面波震級MS和矩震級Mo四種。對于ESG微震監測系統，采用矩震級Mo定義微震事件震級大小[11]，判定其公式為:

(2)

其中，ρ0為震源的介質密度；C0為震源處P波波速；R為震源和接收點間的距離；Fc為P波或S波的輻射類型經驗系數，取為0.52。

2.2 微震監測系統布設安裝

1)該項目采用的微震監測系統是ESG的微震監測系統，該系統的組成部分包括硬件和軟件兩部分，配置了遠端的PC采集設備，使用了模塊化設計。

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

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2)監測系統由主機控制中心、監測系統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測半徑為150 m，傳感器可進行24 h連續監測。

引進微震監測，以獲取導流洞掘進過程中掌子面前后20 m及系統有效監測范圍內巖體的微破裂活動，進而預測預報巖體失穩的發生。根據具體的導流洞現場施工進度和環境狀況，分別將數支加速度傳感器布設在選定的導流洞結構內，安裝時應注意安裝位置應選擇不同高程，以便于在空間范圍內形成網狀結構。

加速度傳感器安裝應滿足鉆孔斷面間距40 m，掌子面與傳感器的最近距離應為40 m～80 m，實現保護儀器設備，并保證監測穩定和監測效果。從導流洞出水口上岔洞開始安裝傳感器，隨后遷入主洞。在每個斷面安裝兩只設備，導流洞左右兩側邊墻分別安裝。傳感器布置圖如圖4所示。

2.3 數據采集

為保證能夠實時觀測導流洞情況，進行實時在線監測，應把相關數據通過通信設施傳輸至項目地的處理中心設備，進一步完成微震事件波形的處理，實現定位與參數分析，確定每一個微震事件的震源參數，并錄入智慧化工程管理系統。最后使用ESG三維空間可視化系統，繪制出微震事件發生的時間、空間分布位置和微震震級大小特征，最后定期編寫出微震監測報告書，并整理成冊，具體流程圖如圖5所示。

2.4 波形識別

1)施工開挖爆破事件。爆破所產生的波形，其特點是，在一個窗口內，會將一個或是多個波形疊加在一起，波形一般比較整齊，在窗口上沿著時間軸分布的時間較長，且距離爆破點相近的傳感器，其采集到的波形振幅將遠遠超過其他位置布設的傳感器采集到的波形振幅[12]。圖6為微震監測系統獲得的導流洞內的爆破波形。從已獲得的數據可知，距離爆破點最近的傳感器，其測定相關波形的振幅數量級為4.1 V，矩震級為0.7級，震源影響半徑為7.19 m。

2)巖石微破裂事件。導流洞開挖過程中，較為典型的巖石微破裂所產生的波形如圖7所示，信號產生時，未開展爆破作業，信號持續大約150 ms，衰減較慢，尾波較發育，其振幅相對較小。由圖7所示的巖石破裂波形數值可以看出，信號波成分單一，頻帶分布較窄，集中分布的范圍在500 Hz附近。根據現有的資料可知，深部巖體因卸荷等因素所誘發的巖石微破裂事件，其矩震級一般小于0，釋放能量數量級一般為10 J～104J[13]。

3 微震監測結果分析

2020年7月29日，微震監測系統在導流洞項目開始進場安裝，通過開展敲擊試驗及一系列的調試完成后，于7月30日開始正式投入運行，實現了實時監測的任務目標，截至2021年6月2日，共有710個微震事件。

3.1 微震事件分布特征

圖8為2020年7月30日～2021年6月2日微震事件時間分布規律本年度內，一共采集到相關微震事件70個，其中一個時間段內，微震事件較為集中，期間還有明顯突增現象，是2020年10月4日～至11月8日，其中10月29日～11月4日微震活動頻繁，有明顯突增現象，最高達到單日9個微震事件，為監測期間日微震事件數最多。其余時間段微震事件數較少，每日保持在1個～3個左右。結合現場工況分析：導流洞監測期間主要進行爆破開挖，爆破開挖的卸荷作用擾動圍巖，結構面影響，自身巖體較為破碎，圍巖出現應力調整。在2020年10月～11月8日，導流洞第一層在進行K0+600～K0+500段爆破開挖，該段根據地質剖面圖，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。其余時間段微震事件數較少，每日保持在1個～3個左右。此外在2021年2月25日～3月7日，單日微震事件有輕微增長現象。綜合考慮[14]，圍巖失穩等級判定為輕微。微震事件震級與時間關系圖如圖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日導流洞微震事件的空間分布如圖 10所示，經軟件分析后，獲得了對應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，顏色越深表明震級越大；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K0+530～K0+590和K0+900～K0+980有一定聚集現象，其余段微震事件比較分散。在K0+530～K0+590段左側微震事件比右側多，分析原因是由于爆破開挖卸荷，結構面分布影響以及泄洪洞在其左側施工造成的影響。在K0+900～K0+980段，分布較為密集但單日微震數量較少，分析原因是由于該段靠近出水口，自身圍巖相對破碎，在樁號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，再受到導流洞、泄洪洞及邊坡的施工影響，該段圍巖發生持續性累積破壞。

3.3 微震活動特征及風險評估

某水電站圍巖失穩等級的判別依據為矩震級和日微震事件數，將對二者數據進行綜合判定。若出現微震事件數量異常增加現象，考慮將圍巖失穩等級提高一級。失穩等級的劃分，可參考綜合判定標準表，當實際情況和表中規定的數據沖突時，一般采用交叉判別的方法。

判定標準如表1所示。

表1 判定標準

等級為無或輕微時，施工人員注意施工安全，可以考慮灑水、打孔等方式釋放應力；等級為中等較強時，施工人員應注意施工安全，加強微震聚集區支護；等級為強烈時，應停止施工。

4 結論

本文構建了某水電站導流洞微震監測系統，對導流洞開挖過程進行實時的監測，研究施工中微震活動的分布和關聯性，建立巖石破壞預警體系機制，得出如下結論：1)微震監測系統采集波形確定微震事件分布和矩震級，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破壞。2)通過分析微震活動矩震級預測圍巖失穩等級，2020年7月30日～2021年6月2日，金川導流洞微震監測系統共采集到微震事件710個，矩震級分布在-2.0～0.6，圍巖失穩等級為輕微。