基于微震监测的岩质边坡潜在渗流通道识别方法与流程

本发明属于岩土工程领域，特别涉及一种基于微震监测的岩质边坡潜在渗流通道识别方法。
背景技术：
边坡是指天然斜坡或者由人类活动所形成的斜坡。边坡失稳的预测预报一直是一项世界难题，边坡的稳定性问题是工程建设中必须考虑的问题。渗流是指水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中流动。地下水是影响边坡稳定的重要因子之一，边坡渗流问题是研究边坡稳定性的关键问题，据统计，约90％的自然边坡和人工边坡的破坏都与地下水的作用有关。因此，在工程建设中应密切关注边坡岩体中地下水的渗流问题。针对边坡渗流问题，目前国内外学者多通过物理模型和数学模型来求解渗流场。其中，物理模型研究有两种趋势：其一，认为裂隙岩体是一种具有连续介质性质的物质；其二，把岩体看成单纯按照几何分布的裂隙介质。渗流模型分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙-裂隙双重连续介质模型三类。数学模型多通过将特定边坡渗流的基本方程式与定解条件结合来建立边坡渗流的数学模型。建立模型后通过一系列的渗流计算，耦合应力场，最后得到渗流场。这些物理模型和数学模型在研究边坡的渗流问题的时候，要么把边坡岩体当成无裂隙切割的多孔介质，要么只根据水文地质和工程地质资料建立模型，没有准确获取岩石边坡在开挖初期的裂隙发育分布情况和岩质边坡在开挖过程产生的二次裂隙。这些都会造成现有技术难以准确识别岩质边坡的潜在渗流通道。岩质边坡在处理地下水渗流问题时，多通过灌浆围堵或者置换导水断层等来解决，而边坡的应力条件由地应力和自重应力共同决定，在边坡开挖和置换的过程中，边坡的应力场会受到扰动，引起应力的重新分布，造成原生原岩裂隙萌生发育，并激活原生裂隙。裂隙的发育扩张不仅会导致围岩失稳，贯通的裂隙也将成为地下水的潜在渗流通道，渗流通道的形成会软化岩石，造成边坡失稳。因此，在边坡开挖及边坡内部施工时，准确有效地识别岩质边坡中的潜在渗流通道，对于解决岩质边坡的稳定性问题将产生重要的意义。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岩质边坡潜在渗流通道识别方法，以更准确和有效地识别岩质边坡在开挖等施工过程中出现的潜在渗流通道，为解决岩质边坡稳定性问题提供重要依据，从而更好地指导岩质边坡的安全施工。本发明提供的基于微震监测的岩质边坡潜在渗流通道识别方法，步骤如下：①圈定待进行潜在渗流通道识别的岩质边坡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-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，然后计算岩体平均等效波速v，③通过微震监测系统监测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岩质边坡潜在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岩质边坡潜在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岩质边坡潜在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岩质边坡潜在渗流通道识别方法，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。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岩质边坡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，进而识别岩质边坡的潜在渗流通道。解决了现有物理及数学模型计算方法难以准确识别岩质边坡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岩质边坡的施工安全。2.本发明提供的方法是一种空间范围内无损监测方法，特别是能够监测在岩质边坡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。附图说明图1是本发明对岩质边坡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传感器布置侧视图。图3是实施例的监测区域中感器布置的俯视图。图4是实施例中作出的震源位置空间分布图。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岩质边坡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本实施例以某大型水电站左岸边坡为例，具体说明基于微震监测的岩质边坡潜在渗流通道识别方法，本发明对岩质边坡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)。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线与服务器连接后通过无线传播的方式与营地中心的计算机连接。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圈定该大型水电站左岸边坡大约300m×300m×300m(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第一层、第二层、第四层的排水廊道中，各层排水廊道均布置6个传感器，共安装18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，如图2、3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。以沿着水流方向为n方位的正方向(x轴)、以垂直水流方向为e方位的正方向(y轴)、以绝对高程为d方位的正方向(z轴)，作为坐标基准，以该大型水电站的左岸边坡中的某点为坐标原点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,…,18；在隧道内的岩体上设置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northing(x)/measting(y)/mdepth(z)/m13012848.36589030.94618.0623012793.06589166.74612.98②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个爆破孔和第2个爆破中进行一次爆破，两次爆破间隔15小时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。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)，分别求解出岩体等效波速v1＝4695m/s，v2＝4701m/s，然后计算岩体平均等效波速v，③在整个左岸边坡的施工期间，采用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18个方程式：…联立上述18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，作出的震源位置空间分布图(图4)显示，出现了微震事件的震源位置在左岸边坡第一层排水廊道至第三层排水廊道之间、垂直边坡朝向河谷的局部区域(图4中直线框出的局部区域)聚集且呈现条带状分布的情况，表明边坡的开挖灌浆施工过程对边坡围岩扰动较大，诱发了围岩微裂隙萌生发育并激活了围岩原生裂隙，说明该局部区域中存在潜在渗流通道。提示在边坡施工过程中，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岩质边坡的施工安全。当前第1页12