运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测系统及微震监测与分析方法与流程

本发明属于水利工程建筑物安全监测技术领域。具体地，涉及一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测系统，以及微震监测与分析方法。

背景技术：

随着经济发展对能源需求的不断增加，中国西南地区许多大型水利水电工程相继开工建设。拦河大坝作为水利水电工程中重要的枢纽建筑物，其运行期稳定性更是直接关系到工程的成败。其中，混凝土重力坝由于对地形、地质条件适应性好，结构相对简单，大体积利于机械化施工等优点，已成为水利水电工程最广泛采用的坝型之一。

对于混凝土重力坝而言，裂缝是其结构老化和病变的主要反应，由于混凝土重力坝往往体积庞大，运行期将受到温度、库水位变化、地震、化学反应等众多因素的影响，裂缝成因机制复杂。随着时间推移，混凝土裂缝可能进一步扩展，甚至形成贯通通道，破坏坝体整体性和抗渗性，加速混凝土的碳化和溶蚀，严重危害坝体结构的强度和稳定性，影响水利工程建筑物的正常运行。

目前，裂缝问题已成为混凝土重力坝运行期最常见的病害之一。运行期混凝土重力坝体裂缝的传统监测方式主要为，采用测缝计、裂缝计等仪器对坝体进行监测。然而，这些设备或方法均为在混凝土坝体表面实施的“点”形式监测，对于混凝土坝体内部的三维裂缝形态则难以进行有效捕捉或探测。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述运行期混凝土重力坝体裂缝传统测试方法，所存在的裂缝探测具有空间局限性的问题，提供一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测系统及微震监测与分析方法。本发明基于微震监测技术，提出一种三维“体”形式的裂缝微震监测及分析方案，以克服传统测试方法存在的局限性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测系统，包括设置在坝体廊道内的用于检测微震信息的微震传感器，微震传感器与用于采集微震信息的数据采集系统连接，数据采集系统与用于处理微震信息的数据处理系统连接，数据处理系统与用于计算与分析微震信息以得到裂缝空间方位结果的计算与分析系统连接。在实施过程中，选取混凝土重力坝运行过程中潜在裂缝分布坝段，在相应坝段廊道内优化布置多通道微震传感器；建立坝体空间坐标系，确定传感器空间坐标；采用现场声波测试确定混凝土p波波速大致范围，通过敲击试验校定混凝土p波等效波速；开展库水位变化过程混凝土内部破裂特征实时在线监测，获取微震事件时、空、强信息；以微震事件数量在一定时段内的明显增长且形成条带状分布作为混凝土裂缝扩展的依据，确定坝体混凝土裂缝空间方位及延伸特征。该方案能够三维、无损地监测混凝土重力坝体的裂缝扩展特征，且操作相对简便，实用性强，对于拓展微震监测技术的应用范围以及水利工程建筑物安全运行具有重要意义。

作为优选方案，微震传感器布置在不同高程的廊道内，且同一廊道内的微震传感器间隔布置，使各微震传感器在空间上形成异面分布。确保覆盖待测坝段的混凝土，并根据待测坝段区域混凝土体范围，在潜在裂缝发育风险较大区域适当加密布置微震传感器。

作为优选方案，微震传感器通过电缆与数据采集系统连接，数据采集系统通过网线与数据处理系统连接，数据处理系统与计算与分析系统通过无线网络连接。

作为优选方案，数据处理系统设置在大坝现场办公中心，计算与分析系统设置在营地办公室计算与分析中心。

作为优选方案，大坝现场办公中心设置有无线发射端，数据处理系统通过局域网与无线发射端连接，无线发射端与计算与分析系统通过无线网络连接。

一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测与分析方法，包括如下步骤：

(1).在坝体廊道内布置微震传感器；

(2).建立坝体空间坐标系，并确定微震传感器空间坐标；

(3).测定混凝土p波波速范围，在坝体廊道内布置敲击试验点，实施敲击试验以校定混凝土p波等效波速；

(4).在敲击试验点提供震源，并通过微震传感器实时采集微震信息，处理并记录监测时段的微震事件；以微震事件所呈的条带状分布特征，作为坝体混凝土裂缝的空间方位。

以坝段作为分区监测单位，在相应坝段内部优化布置多通道微震传感器进行监测，校定混凝土材料微震信号波速，对库水位变化过程引起的坝体内部可能出现的裂缝扩展实时在线监测，获取混凝土破裂的震源信息，分析微震信号的时空演化规律，揭示混凝土重力坝体裂缝方位特征，为采取防治措施提供技术支撑，对于拓展微震监测技术的应用范围以及水利工程建筑物安全运行具有重要意义。

作为优选方案，步骤(1)中，微震传感器布置在不同高程的廊道内，且同一廊道内的微震传感器间隔布置，避免多个传感器位于同一直线或者同一平面上，使各微震传感器在空间上形成异面分布。确保覆盖待测坝段的混凝土，并根据待测坝段区域混凝土体范围，在潜在裂缝发育风险较大区域适当加密布置微震传感器。

作为优选方案，步骤(2)中，以现场标志性不动点或某一微震传感器为坐标原点建立三维坐标系，并测量各微震传感器三维坐标，记传感器i的空间坐标为(xsi,ysi,zsi)。

作为优选方案，步骤(3)由以下步骤实现：

(3.1).采用现场声波测试确定混凝土p波波速范围为v1～vm，在v1～vm之间间隔划分v1，v2，…vk，vk+1，…vm共m个不同混凝土p波波速值；

(3.2).在不同高程廊道内间隔布置若干敲击试验点，并测量各敲击试验点三维坐标，记敲击试验点j的空间坐标为(xqj,yqj,zqj)；

(3.3).实时采集各次敲击试验的波形信息，针对第j次敲击试验，选取n个通道，计算微震传感器初至触发时间平均值

(3.4).计算各微震传感器触发时间与平均值的差

(3.5).针对不同混凝土p波波速值，计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间

(3.6).计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间平均值

(3.7).计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间与平均值的差

(3.8).构建目标函数对多次敲击试验m个混凝土p波波速值下的fjk分别求和，计算结果最小的混凝土p波波速即混凝土p波等效波速。

作为优选方案，步骤(4)中，对微震事件进行实时分析，以微震事件数量在连续不同时段的增加特征，作为坝体混凝土裂缝空间方位的扩展方向。现有检测方案无法对裂缝扩展进行预测，从而具有时间滞后性；而本方案通过分析微震事件的分布情况，能够对混凝土裂缝的演化趋势进行判别和预测。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明的有益效果是：本发明旨在为运行期混凝土重力坝裂缝扩展提供一种新的监测及分析方案，实现混凝土裂缝扩展趋势的三维无损监测和判别。将微震监测技术引入运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的监测与分析，拓展了微震监测技术的应用范围。本方案能够从三维角度揭示混凝土裂缝的孕育和演化过程，对裂缝扩展趋势进行判别和预测，突破了传统“点”形式监测的局限性和滞后性，有利于水利工程建筑物安全的及时、有效评估。及时、有效地监测和处理裂缝扩展带来的问题，为水利工程的正常运行提供保障。

附图说明

图1为监测坝段结构图：(a)斜视图，(b)剖面图。

图2为微震传感器空间布置图。

图3为微震监测系统网络拓扑结构。

图4为监测期间微震事件时间分布。

图5为微震事件6～8周空间分布：(a)斜视图，(b)正视图，(c)俯视图。(球体代表微震事件)。

图6～8为微震事件6～8周空间演化过程：(图6)第6周，(图7)第7周，(图8)第8周。(球体代表微震事件，i、ii、iii分别为斜视图、正视图、俯视图)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例公开了一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测系统，微震监测系统网络拓扑结构如图3所示，包括设置在坝体廊道内的用于检测微震信息的微震传感器，微震传感器与用于采集微震信息的数据采集系统连接，数据采集系统与用于处理微震信息的数据处理系统连接，数据处理系统与用于计算与分析微震信息的计算与分析系统连接，以得到坝体裂缝空间方位结果。

微震传感器布置在不同高程的廊道内，且同一廊道内的微震传感器间隔布置，使各微震传感器在空间上形成异面分布。微震传感器通过三芯屏蔽电缆与数据采集系统连接，数据采集系统通过网线与数据处理系统连接，数据处理系统与计算与分析系统通过无线网络连接。数据处理系统设置在大坝现场办公中心，计算与分析系统设置在营地办公室计算与分析中心。大坝现场办公中心设置有无线发射端，数据处理系统通过局域网与无线发射端连接，无线发射端与计算与分析系统通过无线网络连接。

本实施例还公开了一种运行期混凝土重力坝体裂缝扩展的微震监测与分析方法，包括如下步骤：

(1).在坝体廊道内布置微震传感器；

(2).建立坝体空间坐标系，并确定微震传感器空间坐标；

(3).测定混凝土p波波速范围，在坝体廊道内布置敲击试验点，实施敲击试验以校定混凝土p波等效波速；

(4).在敲击试验点提供震源，并通过微震传感器实时采集微震信息，处理并记录监测时段的微震事件；以微震事件所呈的条带状分布特征，作为坝体混凝土裂缝的空间方位。

步骤(1)中，微震传感器布置在不同高程的廊道内，且同一廊道内的微震传感器间隔布置，使各微震传感器在空间上形成异面分布。

步骤(2)中，以现场标志性不动点或某一微震传感器为坐标原点建立三维坐标系，并测量各微震传感器三维坐标，记传感器i的空间坐标为(xsi,ysi,zsi)。

步骤(3)由以下步骤实现：

(3.1).采用现场声波测试确定混凝土p波波速范围为v1～vm，在v1～vm之间间隔划分v1，v2，…vk，vk+1，…vm共m个不同混凝土p波波速值；

(3.2).在不同高程廊道内间隔布置若干敲击试验点，并测量各敲击试验点三维坐标，记敲击试验点j的空间坐标为(xqj,yqj,zqj)；

(3.3).实时采集各次敲击试验的波形信息，针对第j次敲击试验，选取n个通道，计算微震传感器初至触发时间平均值

(3.4).计算各微震传感器触发时间与平均值的差

(3.5).针对不同混凝土p波波速值，计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间

(3.6).计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间平均值

(3.7).计算敲击试验点j到各微震传感器传播时间与平均值的差

(3.8).构建目标函数对多次敲击试验m个混凝土p波波速值下的fjk分别求和，计算结果最小的混凝土p波波速即混凝土p波等效波速。

步骤(4)中，对微震事件进行实时分析，以微震事件数量在连续不同时段的快速增加特征，作为坝体混凝土裂缝空间方位的扩展方向。

结合混凝土重力坝施工期情况和运行期渗水量特征，本实施例选取一代表性坝段进行裂缝扩展监测和分析。该坝段剖面型式、结构尺寸及高程如图1所示，其中，坝段宽度25.0m，坝高129.0m，坝顶宽度20.0m，坝底宽度90.0m。廊道剖面型式为城门洞形，尺寸为4.0×4.0m，廊道分别布置于5.0m、15.0m、55.0m和90.0m四个高程。

如图2所示，在四个不同高程廊道共优化布置了8个微震加速度型传感器，频率响应范围不小于50hz～2000hz，每高程廊道布置2个，分别编号s1、s2……s8。微震传感器布置在廊道安装孔内，安装孔孔径不小于40mm，孔深不小于2.0m，角度斜向上不小于30°，同一高程廊道内相邻传感器间距10～30m。并在裂缝风险较大区域适当加密布置，尽可能避免多个传感器位于同一直线或者同一平面上，多个传感器形成空间异面分布，确保覆盖待测坝段的混凝土。

以本坝段坝踵左侧端点为坐标原点，建立三维坐标系，测量各微震传感器空间坐标，如下表1所示，连接并调试微震定位系统运行。

表1-微震传感器空间坐标

在5.0m、15.0m高程廊道中部以及55.0m、90.0m高程廊道中部和一侧各布置一个水平声波孔，孔深3m，测得各钻孔的平均p波波速，并对所测最低、最高钻孔平均p波波速值vmin、vmax分别减小和增加100m/s，分别记为v1和vm，由此确定混凝土p波波速大致范围为v1～vm，在v1～vm之间以20～50m/s为间隔划分v1、v2…vm共m个不同波速值。

每条廊道中部和一侧布置2个敲击试验点，共计8个，分别编号q1、q2……q8，测量敲击试验点的空间坐标，如下表2所示。

表2-敲击试验点空间坐标

对编号为qj的敲击试验点计算分析如下：

根据本次敲击试验所采集的波形信息，选取n个波形较好的通道，计算参与定位传感器触发时间(初至)平均值得出各传感器触发时间与平均值的差

分别计算不同混凝土p波波速vk下敲击点到各传感器传播时间求得震源到各传感器传播时间平均值

计算不同混凝土p波波速vk下敲击点到各传感器传播时间与平均值的差求取

如表3所示，对8次敲击试验时各个p波波速值下的fjk求和，即得到对应于波速v1，v2，…vk，vk+1，…vm下的fk值，f＝min{f1,f2,…fk,fk+1…,fm}时的混凝土p波波速值即为微震监测等效p波波速。

表3-敲击试验测定混凝土p波波速

注：f对应的混凝土p波波速值即为微震监测系统等效p波波速。

本实施例中，混凝土重力坝监测坝段微震事件的时间分布如图4所示，微震事件数量在第1～5周相对较少，而在第6～8周明显增加。微震事件在6～8周的空间分布如图5所示，微震事件在坝体内部从上游至下游形成自上而下条带状分布，可推断坝体内部混凝土裂缝在该区域出现。

本实施例中，微震事件在第6～8周的累积分布特征如图6～8所示，图6球体代表第6周微震事件，图7相对于图6增加的球体代表第7周微震事件，图8相对于图7增加的球体代表第8周微震事件。由微震事件的空间坐标可知，随着时间的推移，混凝土裂缝在z向15m附近区域由坝体上游侧高程40m、x向20m附近区域向下游侧高程30m、x向45m附近区域不断扩展。因此，该坝段位于z向15m、下游侧高程30m、x向45m的附近区域是混凝土裂缝重点关注和防控区域。

此外，微震监测技术具体为，当脆性材料内部出现裂缝时，通过在有效范围内安装传感器便可接收到破裂的弹性波信息，对弹性波信息进行处理分析，可反演计算出微震事件(破裂)的时间、空间位置、能量等震源参数信息。通过分析微震事件的时空活动规律，可推断破裂的演化特征，揭示裂缝潜在的扩展趋势，从而控制或避免危险事故的发生。目前，微震监测技术在工程岩体稳定性评价中得到较好的应用和推广，而在混凝土工程应用较少。微震监测技术作为一种三维“体”监测方法，能够实时在线监测混凝土微震信息，揭示混凝土内部微破裂萌生、发育、扩展过程，突破了传统监测技术“点”形式监测和裂隙扩展演化趋势判别、预测的时空局限，为混凝土坝体运行期安全评价提供了新的思路和方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。