CN107725108A - 一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，步骤如下：①将ESG微震监测系统安装布置在监测区域；②对监测区域进行爆破开挖施工，爆破开挖施工会诱导监测区域会产生微震事件，通过ESG微震监测系统对监测区域进行监测；③在监测过程中，当监测区域中的局部区域在4天之内产生的高视应力微震事件≥2个/局部区域时，分别对该局部区域作平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图，若曲线图中，出现了平均微震视应力曲线由平缓状态急剧上升至峰值后急剧下降，与此同时累积视体积曲线由平缓状态转变为不断上升的状态，则对该局部区域作出岩质边坡变形预警。该方法可有效提高对岩质边坡变形预警的准确性。

Description

一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，特别涉及一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法。

背景技术

岩体在受到外界的扰动应力激励后，其内部会产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值后，就会引起岩体微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波或应力波的释放并在周围岩体中快速传播，这种弹性波在地质上称为微震。微震监测技术是通过在监测区域布置传感器来采集弹性波信息，通过反演方法得到岩体微震发生的时刻、位置和性质，通过分析这些微震信号来对监测对象的破坏状况、安全状况等作出评价，从而为预报和控制灾害提供依据。岩体在产生宏观变形前会有微裂隙产生，通过微震监测技术可对岩体变形进行预警。变形预警的目的是为了能在工程岩体发生宏观变形失稳破坏前获取前兆信息，及时采取措施，阻止灾害发生。

传统的预警方法主要利用微震事件的聚集程度来圈定潜在危险区域，若监测区域的某个局部的微震事件越密集，则说明该局部区域越容易发生失稳破坏。这种预警方法在深部地层中应用取得了较为显著的效果，为深部地下空间稳定性分析提供了有力的支撑。但是，对于低地应力的浅层岩体，特别是岩质边坡，由于大面积临空面的形成，致使岩体发生破坏的机制复杂，裂隙的萌生、发育、扩展、贯通会受到多种因素的影响。在不同的施工强度下，浅层岩体，特别是岩质边坡中的不同部位微震事件发生频率大致相同，传统的预警方法难以对岩质边坡整体的稳定性做出正确的评估，同时，根据地应力理论，浅层岩体的地应力低于深部岩体，微破裂聚集现象不如深部岩体明显，传统预警方法对浅层岩体的局部变形预警效果也不理想，容易导致因微震事件数少而不引起重视的错误判断。目前，基于微震监测技术的浅层岩体变形预警方法仍然处于探索阶段，若能针对岩质边坡的变形提出更准确的预警方法，对于工程实践中提高对岩质边坡施工的安全性、减少或阻止灾害的发生将产生积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，以提高对岩质边坡变形预警的准确性。

本发明提供的基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，步骤如下：

①圈定岩质边坡区域作为监测区域，将ESG微震监测系统的传感器安装在监测区域，传感器至少为4个，各传感器形成空间网状结构分布并将监测区域覆盖，将各传感器与ESG微震监测系统的采集仪相连，然后将所述采集仪与ESG微震监测系统的主机部分相连；

②对监测区域进行爆破开挖施工，爆破开挖施工会诱导监测区域会产生微震事件，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视应力σ_a，将微震视应力σ_a≥30kPa的微震事件记作高视应力微震事件，当监测区域在连4天之内产生的高视应力微震事件的数量≥4个时，调整爆破开挖强度或/和对开挖区的支护强度以减小施工对监测区域的扰动，使监测区域在4天之内产生的高视应力微震事件的数量不超过3个；

③在步骤②的监测过程中，当监测区域中的至少1个局部区域在4天之内产生的高视应力微震事件≥2个/局部区域时，则分别对产生高视应力微震事件的各局部区域分别按照以下的方法进行分析：

以1～5天为单位，根据公式(1)计算局部区域产生的微震事件的平均微震视应力然后根据公式(2)计算局部区域中微震事件的微震视体积V_a，再根据公式(3)计算局部区域中微震事件的累积微震视体积V；

V＝∑V_a (3)

式(1)～(3)中，σ_a为微震视应力，为平均微震视应力，n表示天数，V_a为微震视体积，M₀为地震矩，V为累积微震视体积；

分别以产生高视应力微震事件的各局部区域的微震事件的平均微震视应力和累积微震视体积为纵坐标，以时间为横坐标作曲线图，得到平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图；

若平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图中，出现了平均微震视应力曲线由平缓状态急剧上升至峰值后急剧下降，与此同时累积微震视体积曲线由平缓状态转变为不断上升的状态，则对该局部区域作出岩质边坡变形预警；

该步骤中，计算平均微震视应力微震视体积V_a和累积微震视体积V的时间起点是以局部区域在4天之内产生至少2个高视应力微震事件的时间起点为基准点再往前推10～20天；平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图中，当平均微震视应力曲线和累积视体积曲线重新回到平缓状态后，停止计算平均微震视应力微震视体积V_a和累积微震视体积V。

上述方法中，当对监测区域中的局部区域作出边坡变形预警后，应当对该局部区域采取相应措施以减弱施工强度对该局部区域的扰动，例如，加强对开挖区的支护、改进施工工艺，必要时应停止爆破开挖，对未开挖区域进行固结灌浆，使应力调整趋于稳定后再进行爆破开挖。

上述方法的步骤②中，根据ESG微震监测系统的各传感器采集的P波的起跳时刻和传感器的坐标位置采用ESG微震监测系统自带的速度定位模型计算微震事件的位置，结合监测区域的岩体剪切模量μ利用ESG微震监测系统测得的震源辐射能量和地震矩根据公式(4)计算微震事件的微震视应力σ_a，监测区域的岩体剪切模量可根据地质勘探资料确定。

上述方法的步骤②中，在调整爆破开挖强度或/和对开挖区的支护强度以减小施工对监测区域的扰动时，为了尽可能地减小对施工进度的影响，最好是逐渐减弱爆破开挖强度，但在经过5～10个施工工艺周期的调整后，监测区域在连续4天之内产生的高视应力微震事件的数量仍然≥4个时，应当停止爆破开挖，对未开挖区域进行固结灌浆，使应力调整趋于稳定后再进行爆破开挖。一个施工工艺周期为1～2天。

上述方法的步骤③中，所述局部区域的体积不超过监测区域体积的20％

上述方法的步骤③中，以1～5天为单位，根据公式(1)计算局部区域产生的微震事件的平均微震视应力可以克服岩质边坡微震事件数少且诱发时间不确定的弊端。最好是以3～5天为单位，根据公式(1)计算局部区域产生的微震事件的平均微震视应力

本申请的发明人在试验中发现，岩质边坡在强烈爆破开挖期，高视应力微震事件数会急剧增加，在无爆破期和围岩采取支护措施后的爆破开挖期多为应力调整产生的低视应力微震事件。基于此，在岩质边坡施工过程中，通过微震视应力的变化特征可反映现场施工扰动程度，进而及时指导施工过程。若频繁出现高视应力微震事件，应通过加强对开挖区的支护、改进施工工艺以减弱施工强度等措施来减小施工对监测区域的扰动；若多为低视应力微震事件，说明岩质边坡整体处于暂时稳定状态，应力调整趋于完善，在符合当前施工进度情况下，应继续保持该施工强度及现场支护强度。室内岩石三向荷载压力试验表明，随着应力的增高，岩体发生破坏前会产生扩容(即体积扩大)现象，是岩体内张开细微裂隙的形成和扩张所致。微震视体积表示震源非弹性变形区岩体的体积，是一个较为稳定的参数。

由于体积扩大是一个过程，因此采用累积微震视体积的变化可表示岩体体积变化情况。而对于岩质边坡而言，微震事件并不是随时间均匀分布的，因此以1～5天单位计算平均微震视应力可克服岩质边坡微震事件数少且诱发时间不确定的弊端。通过平均微震视应力与累积微震视体积的变化情况可知晓岩质边坡变形前的信息与规律。

基于以上内容，在岩质边坡频繁出现高视应力微震事件的基础上，对监测区域内高视应力微震事件频繁发生的局部区域中的微震事件的平均微震视应力和累积微震视体积随时间的变化规律进行分析，可进一步确定岩质边坡变形危险区域，发出变形预警信号。岩质边坡变形前兆信号为：平均微震视应力曲线由平缓状态急剧上升至峰值后急剧下降，与此同时累积视体积曲线由平缓状态转变为不断上升的状态；变形阶段表现为：平均微震视应力曲线回到平缓状态，与此同时累积视体积曲线仍然为上升趋势且有快速上升的阶段，；稳定期表现为：平均微震视应力曲线和累积视体积曲线都重新回到平缓状态。

与现有技术相比，本发明产生了以下有益的技术效果：

本发明提供了一种新的岩质边坡变形预警方法，该方法是在传统微震监测技术的基础上，专门针对岩质边坡特有的大面积临空面的特点提出的预警方法，该方法利用微震视应力的大小分布情况来反映工程施工扰动情况，指导工程实践中调整施工和支护强度，利用微震视应力和累积微震视体积的随时间的变化情况作为前兆信号来判定岩质边坡是否有变形失稳的可能。本发明所述方法是专门针对岩质边坡设计的变形预警方法，解决了传统的预警方法仅适用于深部地下空间稳定性分析而对难以对岩质边坡整体的稳定性做出正确的评估的问题，实验表明，本发明提供的方法能有效地反映工程扰动情况，准确地对岩体边坡变形失稳作出预警，有利于微震监测技术在岩质边坡中更好地发挥预测预警作用。

附图说明

图1是实施例1中监测区域及ESG微震监测系统的传感器的安装位置示意图，图中，S1～S18为传感器编号，C₃、C_3-1、F₁₇、LS₃₃₇、LS₃₃₇、LS₃₃₁₉为结构面编号。

图2是实施例1中的岩质边坡在9月18日～10月16日期间微震视应力的等级大小分布情况图，图中的曲线表示累积微震事件数，图中，0-10kPa表示不超过10kPa，10-30kPa表示大于等于10kPa但小于30kPa，30-100kPa表示大于等于30kPa但小于100kPa，100kPa+表示大于等于100kPa。

图3是实施例1中的岩质边坡中的边坡浅层裂缝区域在5月30日～7月14日期间微震视应力的等级大小分布情况图，图中的曲线表示累积微震事件数，图中，图中，0-5kPa表示不超过5kPa，5-10kPa表示大于等于5kPa但小于10kPa，10-30kPa表示大于等于10kPa但小于30kPa，30kPa+表示大于等于30kPa。

图4是实施例1中的边坡浅层裂缝区域的平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图，图中，曲线(a)表示平均微震视应力，曲线(b)表示累积微震视体积。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明所述的基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法作进一步说明。有必要指出，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，仍属于发明保护的范围。

实施例1

以某大型水电站坝基岩质边坡为例，具体说明本发明提供的岩质边坡变形预警方法，步骤如下：

1.圈定该大型水电站坝基岩质边坡区域作为监测区域，将ESG微震监测系统(加拿大ESG公司)的传感器安装在监测区域，如图1所示，图1中，S1～S18为传感器编号，C₃、C_3-1、F₁₇、LS₃₃₇、LS₃₃₇、LS₃₃₁₉为结构面编号。传感器18个，各传感器的编号和空间坐标如表1所示，各传感器形成空间网状结构分布并将监测区域覆盖，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内，将各传感器与ESG微震监测系统的采集仪相连，然后将所述采集仪与ESG微震监测系统的主机部分相连。

由地质勘探资料可知监测区域岩体的剪切模量μ＝8GPa。

表1各传感器的编号和空间坐标

2.选取岩质边坡保护层开挖典型施工工序“强烈爆破开挖期—无爆破期—恢复爆破开挖期”对监测区域进行施工，开启ESG微震监测系统对监测区域进行监测，从9月10日开始对监测区域进行爆破开挖施工，爆破开挖施工会诱导监测区域会产生微震事件，通过ESG微震监测系统对监测区域进行监测。根据ESG微震监测系统的各传感器采集的P波的起跳时刻和传感器的坐标位置采用ESG微震监测系统自带的速度定位模型计算微震事件的位置，同时结合监测区域的岩体剪切模量μ利用ESG微震监测系统测得的震源辐射能量和地震矩根据公式(4)计算微震事件的微震视应力σ_a，将微震监测区域中微震视应力σ_a≥30kPa的微震事件记作高视应力微震事件。

公式(4)中，σ_a为微震视应力，μ为监测区域岩体的剪切模量，E为震源辐射总能量，M₀为地震矩。

如图2所示，在施工和监测过程中，发现9月18日～9月21日期间产生的高视应力微震事件总数超过了4个，因此在9月22日～9月29日期间，通过逐渐减弱爆破开挖强度或/和加强对开挖区的支护强度的方式来逐渐减小施工扰动，但发现9月22日～9月25日、9月26日～9月29日期间产生的高视应力微震事件的总数均为7个，说明通过逐渐减弱爆破开挖强度或/和加强对开挖区的支护强度的方式不能有效减少监测区域中高视应力微震事件的产生，因此，在9月30日～10月4日期间，停止爆破开挖并对保护层进行固结灌浆，同时采取张拉锚索等加固措施，在此阶段，微震事件数明显减少，高视应力微震事件仅为1个，从10月5日开始，恢复爆破开挖，10月5日～10月8日期间，未产生高视应力微震事件，10月9日～10月12日、10月13日～10月16日期间产生的高视应力微震事件的总数均为1个，说明此时爆破开挖对应力重新分布后的边坡扰动较小，边坡整体处于暂时稳定状态。按照该步骤的操作流程继续进行施工和监测。

3.在步骤2的监测过程中，发现监测区域中的1#边坡浅层裂缝这一局部区域在第2年的6月12日～6月15日这4天之内产生的高视应力微震事件为3个，如图3所示，立即选取该局部区域按照以下的方法进行分析：

从5月31日开始，以5天为单位，根据公式(1)计算该局部区域产生的微震事件的平均微震视应力公式(1)中n＝5，然后根据公式(2)计算该局部区域中各微震事件的微震视体积V_a，再根据公式(3)计算该局部区域的微震事件的累积微震视体积V；

V＝∑V_a (3)

式(1)～(3)中，σ_a为微震视应力，为平均微震视应力，n表示天数，V_a为微震视体积，M₀为地震矩，V为累积微震视体积。

以该局部区域的微震事件的平均微震视应力和累积微震视体积为纵坐标，以时间为横坐标作曲线图，得到平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图，结果如图4所示。由图3可知，5月31日～6月12日，平均微震视应力曲线和累积微震视体积曲线均处于平缓状态，说明这期间该边坡浅层裂缝处于相对稳定状态；6月13日～6月22日，平均微震视应力曲线由平缓状态急剧上升至峰值后急剧下降，此同时累积微震视体积曲线由平缓状态转变为不断上升的状态，这是该边坡浅层裂缝变形的前兆信号，裂缝变形可能导致监测区域的岩质边变形失稳，对该局部区域作出岩质边坡变形预警，施工现场采取了相应措施控制该边坡浅层裂缝进一步增大；6月28日，常规监测监测到该处裂缝累积变形位移大于5mm，为该时段监测区域中变形最大的一个局部区域；7月4日以后，平均微震视应力曲线和累积微震视体积曲线重新回到平缓状态，说明该边坡浅层裂缝再次处于暂时稳定状态，停止计算平均微震视应力微震视体积V_a和累积微震视体积V，停止作平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图。

由以上内容可以看出，本发明提供的方法在工程应用中成功地反映了工程施工对岩体的扰动程度，并及时地预测了浅层岩质边坡裂缝的扩展增大，为现场施工及支护提供了指导，说明本发明所述方法能准确第对岩质边坡的变形进行预警。

Claims (3)

1.一种基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，其特征在于步骤如下：

①圈定岩质边坡区域作为监测区域，将ESG微震监测系统的传感器安装在监测区域，传感器至少为4个，各传感器形成空间网状结构分布并将监测区域覆盖，将各传感器与ESG微震监测系统的采集仪相连，然后将所述采集仪与ESG微震监测系统的主机部分相连；

②对监测区域进行爆破开挖施工，爆破开挖施工会诱导监测区域会产生微震事件，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视应力σ_a，将微震视应力σ_a≥30kPa的微震事件记作高视应力微震事件，当监测区域在连续4天之内产生的高视应力微震事件的数量≥4个时，调整爆破开挖强度或/和对开挖区的支护强度以减小施工对监测区域的扰动，使监测区域在4天之内产生的高视应力微震事件的数量不超过3个；

③在步骤②的监测过程中，当监测区域中的至少1个局部区域在4天之内产生的高视应力微震事件≥2个/局部区域时，则分别对产生高视应力微震事件的各局部区域分别按照以下的方法进行分析：

以1～5天为单位，根据公式(1)计算局部区域产生的微震事件的平均微震视应力然后根据公式(2)计算局部区域中微震事件的微震视体积V_a，再根据公式(3)计算局部区域中微震事件的累积微震视体积V；

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V＝∑V_a (3)

式(1)～(3)中，σ_a为微震视应力，为平均微震视应力，n表示天数，V_a为微震视体积，M₀为地震矩，V为累积微震视体积；

分别以产生高视应力微震事件的各局部区域的微震事件的平均微震视应力和累积视体积为纵坐标，以时间为横坐标作曲线图，得到平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图；

若平均微震视应力与累积视体积随时间变化的曲线图中，出现了平均微震视应力曲线由平缓状态急剧上升至峰值后急剧下降，与此同时累积视体积曲线由平缓状态转变为不断上升的状态，则对该局部区域作出岩质边坡变形预警；

该步骤中，计算平均微震视应力微震视体积V_a和累积微震视体积V的时间起点是以局部区域在4天之内产生至少2个高视应力微震事件的时间起点为基准点再往前推10～20天；平均微震视应力与累积微震视体积随时间变化的曲线图中，当平均微震视应力曲线和累积视体积曲线重新回到平缓状态后，停止计算平均微震视应力微震视体积V_a和累积微震视体积V。

2.根据权利要求1所述基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，其特征在于步骤③所述局部区域的体积不超过监测区域体积的20％。

3.根据权利要求1所述基于微震视应力的岩质边坡变形预警方法，其特征在于步骤③中，以3～5天为单位，根据公式(1)计算局部区域产生的微震事件的平均微震视应力