基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜在渗流通道的识别方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及一种基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜在渗流通道的识别方法。
背景技术：
许多大型水电站都布置在高山峡谷中，地面空间有限，有效地利用地下空间不仅能解决枢纽布置问题，还可以充分利用水头差以提高水能利用效率。我国目前在建的双江口水电站、白鹤滩水电站、两河口水电站和已经建成的乌东德水电站、向家坝水电站、二滩水电站都采用地下式布置，并朝着大跨度、大开挖规模等超大型洞室方向发展。由于地下布置的原因，水电站多位于降雨形成的天然水位线以下，在开挖过程中，水电站厂房围岩极易出现地下水渗流问题，威胁工程安全。因此，地下布置式水电站厂房开挖过程安全与否，不仅要解决洞室围岩稳定性问题，还要准确识别潜在的岩石渗流裂隙，为水电站前期安全建设和后期稳定运营提供良好的保证。目前，水电站厂房渗流问题多基于饱和—非饱和渗流理论，结合裂隙岩体的基本性质，建立主厂房物理实验模型或数学解析模型，为厂房的渗流问题提供解决方案。物理实验模型包括裂隙网络模型、双重介质模型和多孔介质模型等，数学计算模型在近几年的渗流计算发展中也有了长足进步，但这些模型多基于现场地质调查和水文地质调查得到数据作为模型的第一手资料，包括岩石的物理力学性质、断层节理产状以及地下水赋存状态等，未考虑水电站厂房开挖形成的裂隙，准确性还有待提高。并且，地下布置式水电站厂房大多赋存在一定的地下水环境中，在地下布置式水电站厂房开挖过程中多通过排水孔、排水帷幕及防渗帷幕来解决主厂房中地下水渗流问题，这些大多通过经验获得，并采取全方位、多尺度施工来解决渗流问题。由此可见，若在不能准确识别岩石渗流通道的基础上来解决地下布置式水电站厂房的渗流问题，将会浪费人力物力，并延缓工期。地下布置式水电站厂房岩体是赋存在一定地应力条件下的，在地下布置式水电站厂房的开挖卸荷过程中，原始地应力受到开挖扰动，会导致应力重分布，并引起岩体萌生微裂隙以及造成原生裂隙的扩张。原生裂隙的发育扩张不仅会造成围岩失稳，贯通的裂隙也将成为地下水的潜在渗流通道。因此，在地下布置式水电站厂房岩体在开挖卸荷过程中以及水电站的后续运营过程中，准确识别原生裂隙的扩张和微裂隙的发育萌生，进而准确地识别地下布置式水电站厂房的潜在渗流通道，对于解决地下布置式水电站厂房渗流问题，保障地下布置式水电站厂房的安全建设和后期的稳定运营都将产生重要的意义。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法，以更准确和有效地识别地下布置式水电站厂房在建设和运营过程中出现的潜在渗流通道，为解决地下布置式水电站厂房稳定性问题提供依据，从而更好地指导岩地下布置式水电站厂房的安全建设和安全运营。本发明提供的基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法，步骤如下：①圈定待进行潜在渗流通道识别的水电站厂房区域岩体作为监测区域，将微震监测系统的传感器安装在监测区域的岩体上，传感器至少为4个，各传感器异面安装于不同高程，将各传感器与微震监测系统的采集仪相连，然后将所述采集仪与微震监测系统的主机部分连接；建立三维直角坐标系，测量各传感器的坐标，将第i个传感器的坐标记作(xi,yi,zi)；在隧道内的岩体上设置至少1个爆破孔，测量各爆破孔孔底中心处的坐标，将第j个爆破孔孔底中心处的坐标记作(xj,yj,zj)；②在各爆破孔的孔底安装炸药，于不同时间点分别在各爆破孔中进行一次爆破，通过传感器记录各次爆破产生的弹性波的起跳时刻，将第j个爆破孔的爆破时刻记作tj，将第j个爆破孔爆破后第i个传感器接收到爆破产生的弹性波的起跳时刻记作tji；根据第j个爆破孔与各传感器之间的距离，以及速度和时间的关系，对应于每一个爆破孔，根据两点距离公式列出下列方程式(1-1)～(1-i)，此处1-i中的i是指传感器的总数：…分别将第1,2,…,j个爆破孔的坐标、相应的爆破孔爆破的爆破时刻、以及相应的爆破孔爆破后第i个传感器接收到爆破产生的弹性波的起跳时刻的值代入式(1-1)～(1-i)之一，即可分别求解出岩体等效波速，记作v1,v2,…,vj，然按计算岩体平均等效波速v，③通过微震监测系统对监测区域进行监测，测定监测区域产生的微震事件的震源位置及微震发生时刻，实时统计监测区域发生的微震事件的震源位置并将震源位置标示于三维直角坐标系中，得到震源位置空间分布图，当微震事件的震源位置在监测区域的某一或某些局部区域聚集且呈现条带状或面状分布时，则相应的局部区域中即存在潜在渗流通道；若微震事件的震源位置在监测区域的某一或某些局部区域离散分布，未出现聚集现象，则说明相应的局部区域中无潜在渗流通道；测定监测区域产生的微震事件的震源位置及微震发生时刻的方法如下：假设微震事件的震源的坐标为(xk，yk，zk)，微震发生的时刻为tk，定义tki为第i个传感器接收到微震事件产生的弹性波的起跳时刻，根据微震事件的震源与各传感器之间的距离，以及速度和时间的关系，根据两点距离公式列出下列方程式(2-1)～(2-i)，此处2-i中的i是指传感器的总数：…联立式(2-1)～(2-i)中的至少4个方程，代入岩体平均等效波速v、各传感器的坐标、以及各传感器接收到微震事件产生的弹性波的起跳时刻的值，即可解出微震事件的震源的坐标(xk，yk，zk)和微震发生的时刻tk。上述基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法的技术方案中，所述微震监测系统可采用esg微震监测系统，也可采用其他的微震监测系统。上述基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法的技术方案中，设置1个爆破孔、进行一次爆破即可测定和计算得到岩体等效波速，为了增加岩体等效波速计算的准确性，优选采用一个以上的爆破孔，更优选地，爆破孔的数量为2～5个。上述基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法的技术方案中，爆破时停止施工以免干扰传感器对爆破产生的弹性波信号的采集，在完成对爆破产生的弹性波信号的采集后，恢复正常施工。本发明提供的基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜渗流通道识别方法，利用微震监测技术来获取微监测区域中震事件的震源位置的聚集情况，依据微震事件的震源位置的聚集情况来判断监测区域中岩体内微裂隙的发育情况：若震源位置在监测区域的某一或某些局部区域聚集，表明这些局部区域中裂隙广泛发育；当震源位置在监测区域的某一或某些局部区域聚集并且呈现条带状或面状分布时，则表明相应的局部区域内的裂隙呈带状或者面状发育，即相应的局部区域中即存在潜在渗流通道，若该局部区域赋存在地下水中，或者说如果该局部区域中存在水腔，广泛发育的裂隙可作为地下水潜在的渗流通道，那么该局部区域就是一个潜在失稳区域，在施工过程中或者是水电站运营过程中，需要及时采取措施对该潜在失稳区域进行防护，以保障施工安全及地下布置式水电站厂房运营安全。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明提供的基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜在渗流通道识别方法，该方法利用微震监测技术来获取微震事件的震源位置的聚集情况，并依据震源位置的聚集情况来判断监测区域的岩体中微裂隙的发育情况，进而识别地下布置式水电站厂房区域岩体中的潜在渗流通道。解决了现有物理及数学模型计算方法难以准确识别地下布置式水电站厂房的潜在渗流通道的问题，与现有物理及数学模型计算方法相比，本发明的方法具有超前预报及便利性，能准确有效地识别出潜在渗流通道，从而更好地指导和保障地下布置式水电站厂房的施工安全和运营安全。2.本发明提供的方法是一种空间范围内无损监测方法，特别是能够实时监测在地下布置式水电站厂房施工过程中由于施工扰动造成的岩石微破裂及原生裂隙的扩张，进而判断微破裂聚集或原生节理裂隙扩张是否能形成潜在渗流通道，也能实时监测地下布置式水电站厂房在运营过程中是产生了潜在渗流通道。附图说明图1是本发明对地下布置式水电站厂房潜在渗流通道进行识别的示意图。图2是实施例的监测区域中的传感器布置图，图中，s1、s2、s3、s4、s5、s6为传感器编号。图3是实施例中esg微震监测系统网络拓扑图。图4是实施例中作出的震源位置空间分布图，其中，(a)图为俯视图、(b)图为侧视图、(c)为(b)图的局部放大图。具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图对本发明所述基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜在渗流通道识别方法作进一步说明。有必要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域的技术人员根据上述
发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。实施例1本实施例以某大型地下布置式水电站主厂房的开挖施工过程为例，具体说明基于微震监测的地下布置式水电站厂房潜在渗流通道识别方法，本发明对地下布置式水电站厂房潜在渗流通道进行识别的示意图见图1。本实施例中采用的微震监测系统为esg微震监测系统(加拿大esg公司)，esg微震监测系统主要包括加速度传感器、paladin数字信号采集系统(即采集仪)和hyperion数字信号处理系统(即esg微震监测系统的主机部分)。esg微震监测系统的网络拓扑图如图3所示，各加速度传感器通过电缆线与paladin数字信号采集系统连接，paladin数字信号采集系统通过网线与hyperion数字信号处理系统连接，hyperion数字信号处理系统通过网络与两河口营地办公室连接后通过网络与成都计算分析中心连接。所述传感器的灵敏度为30v/g，频率响应范围50hz～5khz，paladin数字信号采集系统的采样频率为20khz，传感器将接收到的应力波转变为电信号，并通过paladin数字信号采集系统转换为数字信号后储存在hyperion数字信号处理系统中。本实施例中，传感器采集的弹性波的起跳时刻均为p波的起跳时刻。本实施例的具体步骤如下：①圈定该大型水电站主厂房上游边墙大约200m×200m×200m(分别为沿着水流方向、垂直水流方向和竖直方向三个方向)的区域作为监测区域，将esg微震监测系统的传感器安装在监测区域的主厂房上游排水洞及补气洞中安装6个传感器，将各传感器编号为s1、s2、s3、s4、s4、s6，各编号分别对应于第1个、第2个、第3个、第4个、第5个、第6个传感器。各传感器的高程不同且形成空间网状结构分别，传感器的布置避免了任意三个传感器位于同一直线上、任意四个传感器位于同一平面上，传感器覆盖包括排水洞和补气洞的主厂房上游边墙围岩，如图2所示。将各传感器与微震监测系统的采集仪相连，然后将所述采集仪与微震监测系统的主机部分连接。以第一台机窝沿着水流方向为x轴的正方向，以第一台机窝垂直水流方向的垂足为y轴的1100坐标点、以第一台机窝至第二台、第三台机窝的方向为y轴正方向，以绝对高程为z轴的正方向作为坐标基准，建立三维直角坐标系，测量各传感器的坐标，将第i个传感器的坐标记作(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,…,6；在主厂房上游边墙上设置2个爆破孔，测量各爆破孔孔底中心处的坐标，将第j个爆破孔孔底中心处的坐标记作(xj,yj,zj)，j＝1,2。测量各传感器的坐标以及各爆破孔孔底中心处的坐标，分别记录于表1和表2中。表1各传感器的坐标表2各爆破孔孔底中心处的坐标爆破孔easting(x)/mnorthing(y)/mdepth(z)/m1-3.0092.350.5824.5092.354.23②在各爆破孔的孔底安装乳化炸药，连接导爆线和高压静电起爆器，将各爆破孔的孔口用现场松散的土粒封堵以减少爆破时的能量损失。分别在第1个爆破孔到第2个爆破孔中进行一次爆破，两次爆破间隔4天，通过传感器记录各次爆破产生的弹性波的起跳时刻，将第j个爆破孔的爆破时刻记作tj，将第j个爆破孔爆破后第i个传感器接收到爆破产生的弹性波的起跳时刻记作tji；爆破时停止开挖施工以免干扰传感器对爆破产生的弹性波信号的采集，在完成对爆破产生的弹性波信号的采集后，恢复正常开挖施工。根据第j个爆破孔与各传感器之间的距离，以及速度和时间的关系，对应于每一个爆破孔，根据两点距离公式列出方程式(1-1)：分别将第1个爆破孔和第2个爆破孔的坐标、相应的爆破孔爆破的爆破时刻、以及相应的爆破孔爆破后第i个传感器接收到爆破产生的弹性波的起跳时刻的值代入式(1-1)，分别求解出岩体等效波速v1＝4028m/s，v2＝4034m/s，然后计算岩体平均等效波速v，③在水电站厂房施工期间，通过esg微震监测系统对监测区域进行监测，测定监测区域产生的微震事件的震源位置及微震发生时刻。测定监测区域产生的微震事件的震源位置及微震发生时刻的方法如下：假设微震事件的震源的坐标为(xk，yk，zk)，微震发生的时刻为tk，定义tki为第i个传感器接收到微震事件产生的弹性波的起跳时刻，根据微震事件的震源与各传感器之间的距离，以及速度和时间的关系，根据两点距离公式列出下列6个方程式：联立上述6个方程，代入岩体平均等效波速v、各传感器的坐标、以及各传感器接收到微震事件产生的弹性波的起跳时刻的值，即可求解出微震事件的震源的坐标(xk，yk，zk)和微震发生的时刻tk。在微震监测期间，实时统计监测区域发生的微震事件的震源位置，实时将震源位置标示于三维直角坐标系中，得到震源位置空间分布图，结合震源位置的空间分布图中震源位置的分布情况进行判断，当微震事件的震源位置在监测区域的某一或某些局部区域聚集且呈现条带状或面状分布时，则相应的局部区域中即存在潜在渗流通道；若微震事件的震源位置在监测区域的某一或某些局部区域离散分布，未出现聚集现象，则说明相应的局部区域中无探明控制性断层等结构面，即相应的局部区域中无潜在渗流通道存在。在本实施例的监测过程中，在监测45天后，共出现了221个微震事件，作出的微震位置事件的空间分布图，如图4所示，由图4可知，出现了微震事件的震源位置在主厂房上游的一个局部区域(图4的(c)图中虚线框出的局部区域)聚集且呈现条带状分布的情况，说明该局部区域中存在潜在渗流通道。提示在地下水电站主厂房施工过程中，应当对该局部区域采取防护措施，如混凝土注浆等措施来保障水电站主厂房的施工安全。当前第1页12