微震技术监测岩质边坡稳定性的工程实践

微震技术监测岩质边坡稳定性的工程实践高键;吴基昌;殷成革【摘要】针对边坡失稳监测预报这一岩土工程中的世界性难题，从国外引进先进的微震监测技术，从岩质边坡特点、微震技术的原理及ESG微震系统等方面，探讨了微震技术应用于岩质边坡稳定性监测的可行性，并以在大岗山水电站右岸边坡中的应用为例，阐述了微震技术的工程实践.实践证明，微震技术能全天24h实时监测边坡的稳定性状况，与传统的监测手段相比有其明显的特点和优势；不论从微震技术的原理、系统，还是从微震技术的工程实践方面来看，微震技术运用于岩质边坡稳定性监测都具有可行性,并且微震数据能较好地反映出弱层是控制边坡稳定性的主要因素，以及爆破开挖等施工扰动对边坡局部或者整体的影响.【期刊名称】《人民长江》【年(卷)，期】2011(042)014【总页数】6页(P72-76,94)【关键词】微震监测;岩质边坡;稳定性;可行性;工程实践【作者】高键;吴基昌;殷成革【作者单位】大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连116622;国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川石棉625409;大连力软科技有限公司，辽宁大连116622【正文语种】中文【中图分类】TU457边坡稳定性问题一直是岩土工程的重要研究内容，工程边坡失稳监测预报仍然是岩土工程中的一项世界性难题，迄今为止，还没有形成一套有关工程边坡稳定性评价的比较完善和成熟的理论体系。近年来，我国水电行业开始从国外引进较先进的岩质边坡稳定性监测手段一一微震监测。微震监测作为一种岩体微破裂三维空间监测技术，近些年发展迅速，已在加拿大、美国、南非、澳大利亚等很多国家广泛应用［1-4］。事实证明，微震监测比传统的位移、应变等监测手段更加有效。传统的位移或变形监测手段只能给出岩体结构已经出现宏观破裂及其相关大位移的监测结果，而对岩体内部的微破裂及演化过程的监测（往往是人类眼睛无法感知的微破裂前兆）却无能为力。岩质边坡属于脆性材料，在大滑面形成之前，一般都会在潜在滑面周围形成大量岩石微破裂，大量的岩石微破裂事件（即微震事件）的聚集是某一部位岩体破碎、松弛甚至是局部失稳滑移的前兆。而微震监测系统能准确捕捉到岩石微破裂事件的大小、集中程度、破裂密度等微观现象，因此通过微震技术在岩质边坡稳定性监测中的应用，则可以推断岩石宏观破裂的发展趋势，从而预测预报边坡失稳前兆［1］。本文从岩质边坡特点、微震技术原理及ESG微震系统等方面，简要探讨了微震技术应用于岩质边坡稳定性监测的可行性，并以微震监测技术在大岗山水电站右岸边坡中的应用为例，阐述了微震技术的工程实践。1可行性分析1.1岩质边坡的特点岩质边坡由各类岩石、断层、裂隙带等组成，而岩石是一种本质上非均匀的材料，正是由于岩石具有这种非均匀性，使任何岩体结构在主破坏之前，或多或少会都会有微破裂前兆出现［2］。岩质边坡某一区域出现岩体失稳滑移现象，从本质上看是在某个滑面上较短时间内聚集了大量的岩石微破裂，大量的岩石微破裂事件（即微震事件)的聚集是某一部位岩体破碎、松弛甚至是局部失稳滑移的前兆。在自然状态下，岩质边坡处于平衡状态，当局部岩体受到外界扰动力等作用，并打破之前的平衡状态，必将导致局部岩体失稳滑移。实质上，岩体平衡状态的破坏是一个岩石微破裂事件不断产生聚集的过程。而任何岩石微破裂的产生都伴随着能量的释放和弹性波的形成。正是岩石微破裂具有形成弹性波释放能量的特点，为微震监测的实现提供了可能性。1.2微震技术1.2.1微震技术的定义微震技术，是一种地球物理学方法，是对岩体在变形破坏过程中所产生的微破裂进行定时、定位的一种监测技术。微震监测仪器接收岩石微破裂产生的弹性波，将其转换成电信号，并经数据采集系统转换成数据信号，通过反演方法确定岩石微破裂事件产生的时间、位置和性质。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度，则有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势，从而预测预报边坡失稳前兆［3］。图1为微震监测原理图。图1微震监测原理示意与传统位移、应力等监测手段相比，微震监测技术具有如下特点：传统的监测手段只能对岩体的局部点进行监测，具有局限性，而微震监测能对边坡整体稳定性进行宏观评价。微震监测具有自动化、智能化等特点，能进行全天24h实时监测，代表了岩体工程结构稳定性监测的发展方向。⑶传统的监测手段只能给出已经产生位移或形变的结果，而微震监测具有先兆性，可以预先判断岩体产生位移或者形变之前的稳定状况。微震监测仪器设备正朝高集成性、小体积、多通道、高灵敏度等方向发展。1.2.2微震事件的波形处理和空间定位微震事件的波形处理及空间定位，是微震技术的核心内容。只有准确地区分微震事件波形、爆破事件波形、敲击波形、噪音波形，以及正确的处理微震事件波形，才能对微震事件进行正确的定位，使微震监测数据较好地反映边坡实际稳定状况。图2表示由施工扰动诱发的岩石微破裂事件(即微震事件)的波形，图3表示爆破事件的波形，图4表示敲击波形，图5表示噪音波形。可以看出，各种类型波形的形状和振幅有很大区别：微震事件的波形比较平缓，振幅一般在几十mV至几百mV;爆破事件的波形先后间断性地出现多个波形，振幅一般在几千mV;敲击波形在某一时刻振幅突然增大，然后急剧减小，振幅一般小于10mV；噪音波形混杂无规律性，是多个杂乱的声波的叠加，其振幅很小一般在1mV以内，因此，可以根据波形的形状和振幅，来正确区分微震事件波形和其他波形。对于微震事件的空间定位，在正确辨别出微震事件波形后，依据微震技术的原理，利用各个传感器接收到的微震波形，反演出微震事件的空间位置，实际工程应用中定位误差要求一般小于10m。图2微震事件的波形图3爆破事件的波形1.3微震监测仪嚣系统介绍微震监测系统(Micro-seismicMonitoringSystem,MMS)，开发于20世纪70年代初期，伴随着信息技术、计算机技术的发展而日趋成熟。当前，国际上应用的微震监测系统主要有两种，加拿大ESG公司的微震系统和南非ISS公司的微震系统。下面简要介绍加拿大ESG公司的微震系统。图4敲击波形图5噪音波形ESG的微震监测系统主要由硬件和软件两部分组成，采用模块化设计方式，实行远程采集PC配置。硬件部分包括24通道的加速度传感器，配有电源并具备信号波形修整功能的Paladin传感器连接盒(图6)、Paladin(V.2)-24位数据记录仪(图7)、PMTS-Pala-dinT作站、纤维光学分束器、监视器等。ESG的微震监测系统主要功能如下：实时、连续地采集现场产生的各种触发或连续的微破坏信号数据，分析潜在岩爆、边坡失稳等灾害的可能性，对现场安全生产提供直接指导性服务。通过远程无线传输系统，实现微震数据远程无线传输，允许用户在世界各地随时查看远程站点采集的数据信息。⑶自动记录、显示并永久保存微震事件的波形数据。系统采集震源的自动与人工双重拾取功能，可进行震源定位校正与各种震源参数计算，并实现事件类型的自动识别。可利用软件的滤波处理器、阈值设定与带宽检波功能等多种方式，修正事件波形并剔除噪声事件。配置的MMS-View中文可视化分析软件可导入待监测范围内的洞室、巷道、边坡等几何三维图形，提供可视化三维界面，实时、动态地显示产生的微震事件的时空位置、震级与震源参数等信息，并可查看历史事件的信息及实现监测信息的动态演示。⑺可选择用户设定事件范围内的、所需查看的各种事件类型，并输出包括事件定位图、累积事件数以及各种震源参数的MSWord或MSExcel报告，用户可根据需要查看事件信息。图6微震监测传感器图7Paladin数据记录仪2工程实践2.1工程概况大岗山水电站右岸边坡微震监测项目在国内是继锦屏一级水电站左岸边坡之后，将微震监测技术用于大型水电工程的又一实例。该工程的成功应用必将推动微震监测技术在我国水电工程的发展，也为岩土工程灾害防治提供重要的参考价值。右岸边坡岩体中发育有B5(F1)、YL5、B85、B117(f78)、B43、B8(f7)、XL9-15、XL316-1、B146、f65等主要岩脉、断层、卸荷裂隙密集带，主要发育有6组节理，边坡岩体主要由黑云二长花岗岩和辉绿岩等岩脉组成［3］,右岸边坡如图8所示。大岗山电站右岸边坡微震监测系统采用加拿大ESG公司微震监测系统，由HNAS主机处理系统、Paladin采集系统、加速度传感器阵列以及由大连力软科技有限公司开发的基于远程网络传输的MMS-View三维可视化软件等4部分组成，为全数字、宽频带、多通道自动化微地震监测系统［4］。右岸边坡共配置24个传感器，目前已开通22个，覆盖范围达600mx400mx600m(分别为沿河流方向以坝肩为中心上下游300m范围，高程800~1400m之间600m范围以及由边坡表面向深部岩体400m范围)，可进行全天24h实时监测，右岸边坡传感器布置情况见图9。图8大岗山水电站右岸边坡图9右岸边坡传感器布置示意2.2微震活动分析系统自2010年5月4日运行以来，截至2011年3月10日，右岸边坡共产生微震事件587个，其空间分布如图10所示，图11表示其密度云图。微震事件主要聚集在1180m高程抗剪洞、1210m高程抗剪洞及1240m高程抗剪洞附近。结合边坡地质资料分析，1180m高程抗剪洞、1210m高程抗剪洞及1240m高程抗剪洞位于裂隙带XL316-1附近，地质情况较差，微震事件在这些区域聚集，体现出薄弱层是控制边坡稳定性的主要因素。图12表示2011年1月6~13日右岸边坡共发生的13个事件的空间分布图，图13表示这13个微震事件的空间分布密度云图。从图12可以看到，这些微震事件主要分布在两个区域：①靠近拱肩槽上游侧区域；②1240m高程抗剪洞附近。结合现场施工情况可推测，这些微震事件的产生都与这两个区域的爆破开挖有关。爆破振动对边坡局部岩体的稳定性影响不可忽略，尤其是大药量爆破，不仅削弱了坡脚支撑力，而且破碎了边坡岩体，造成坡体松弛［4］。由此反映出现场施工扰动力是诱发微震事件的主要因素。而1240m高程抗剪洞附近的事件有一定的聚集现象，且事件的能量水平相对较大，结合右岸边坡地质情况分析，可知这一现象的产生与1240m高程抗剪洞处于裂隙带XL316-1附近，地质情况较差有关。另外，右岸边坡下部抗剪洞不同程度的固结灌浆对拱肩槽附近区域的稳定性也起到了一定的作用。因此，拱肩槽附近区域的微震事件分布较分散，且能量水平相对较低。从图13也可以清楚地看到，微震事件主要聚集在1240m高程抗剪洞及右岸拱肩槽附近。图10监测以来所有微震事件空间分布图11监测以来所有微震事件密度云图图122011年1月6~13日微震事件空间分布图132011年1月6~13日微震事件密度云图图14为2010年10月1日至2011年1月25日微震事件日发生频率，从此图中可以看到，右岸边坡在2010年10月25日至12月28日内几乎不发生微震事件。结合现场情况分析：大岗山工地从2010年10月25日至12月21日处于停工阶段，这段时间内右岸边坡不存在施工扰动，边坡总体上较稳定，因而这段时间内几乎不发生微震事件。由此可以看出微震监测可以很好地反映现场施工工况。而自12月21日复工以后，微震事件随着爆破、开挖等施工作业的陆续展开也逐渐增多，由此体现出现场施工扰动对边坡稳定性的影响。图142010年10月1日至2011年1月25日微震事件日发生频率3结语与传统的监测手段相比，微震技术可以在岩体产生位移或者形变之前预先判断稳定状况，可以对边坡整体稳定性进行宏观评价，可以进行全天24h实时监测。微震监测技术在大岗山水电站右岸边坡中的应用，证明微震技术运用于岩质边坡稳定性监测完全可行。大岗山右岸边坡微震监测数据显示，边坡地质情况较差的部位的爆破、开挖等施工扰动极易诱发高能量且空间距离分布较近的微震事件，由此体现出弱层是控制边坡稳定性的主要因素。另外，停工期间，右岸边坡几乎不产生微震事件，而复工以后，微震事件随着爆破、开挖等施工作业的陆续展开也逐渐增多，由此体现出现场施工扰动对边坡稳定性的影响。微震事件的大量聚集是岩体破碎、坡体松弛，甚至是局部岩块失稳滑移的前兆，因此对于微震事件密集区域附近的施工，应引起一定程度的重视。爆破振动对边坡局部岩体的稳定性影响不可忽略，尤其是大药量爆破，不仅会削弱坡