CN109001807A - 基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，步骤如下：①圈定监测区域，布置传感器和爆破孔；②于不同时间点分别在各爆破孔中进行爆破，记录各次爆破产生的弹性波的起跳时刻，计算岩体平均等效波速；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，作出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，即发出拱坝坝身裂缝预警信号。本发明的方法可超前识别拱坝坝身产生裂缝的风险，有利于更好地保障水电站的安全建设与安全运营。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，涉及一种基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法。
背景技术
水是大自然的重要组成物质，是生命的源泉，是人类社会生活和社会发展不可缺少的重要资源，也是生态环境中最活跃的因素。水电站是利用水能转化为电能的综合工程设施，水电站枢纽包括挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物、引水建筑物、平水建筑物、厂房枢纽建筑物等，其中挡水建筑物和厂房枢纽是水电站的重要组成部分，据数据统计，拦水建筑物事故发生频率在国内外水电站建设及实施中所占比最高，也就是拦水大坝综合系统最容易出现故障。
拦水大坝的类型包括混凝土重力坝、拱坝、土石坝、堆石坝及拦河闸等。拱坝是固结于基岩上的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，坝体结构具有拱和梁的双重作用，属于高次超静定结构，超载能力强，当外荷载增大或坝的某一部位发生局部开裂时，坝体拱和梁的作用互相配合调整，使得应力再分配。拱坝作为一种经济性好、用料少、安全度较高的坝体，在国内外都得到了广泛地应用，例如国内的锦屏一级拱坝等，国外的圣杰斯汀那拱坝等。目前，中国西部越来越多的水电站采用大型特高拱坝作为拦水建筑物，这就对拱坝的稳定性提出了更高的要求。
大坝变形观测是大坝安全监测的一项重要的工作，目前主要采用垂线、引张线、视准线、激光准直以及常规测量等手段来对大坝进行变形监测。目前拱坝也是采用这些方法进行变形监测。虽然这些方法的操作较为简便，但是，它们只能在大坝坝体已经出现损伤后才能观测到变形信息，只能以宏观数据显示大坝本身是否存在损伤，无法识别大坝本身的潜在微破裂信息，也无法在大坝破坏之前给水电站建设及运行维护人员作出预警。
对于拱坝而言，通常坝肩失稳会对坝体稳定性造成不利影响，甚至造成坝体的破坏，因此，可利用拱坝坝肩失稳作为拱坝坝体破坏的超前预警信号，若能基于此开发出拱坝坝身裂缝的超前预警方法，对于采用拱坝作为拦水建筑物的水电站的安全建设与运营将产生重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对服现有技术的不足，提供一种基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，以超前识别拱坝坝身产生裂缝的风险，从而更好地保障水电站的安全建设与安全运营。
本发明提供的基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，步骤如下：
①圈定拱坝坝肩围岩作为监测区域，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，然后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，说明相应的局部区域中微破裂密集聚集，该微破裂密集聚集会导致拱坝坝肩失稳，拱坝坝肩失稳会导致拱坝坝身裂缝，因此，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，即发出拱坝坝身裂缝预警信号；
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拱坝坝身裂缝超前预警方法的技术方案中，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拱坝坝身裂缝超前预警方法的技术方案中，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拱坝坝身裂缝超前预警方法的技术方案中，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拱坝坝身裂缝超前预警方法，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，说明相应的局部区域中微破裂密集聚集，微破裂密集聚集会导致拱坝坝肩失稳，拱坝坝肩失稳会导致拱坝坝身裂缝，因此，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，即发出拱坝坝身裂缝预警信号。本发明的方法利用微震监测判断拱坝坝肩是否存在潜在失稳的可能，利用拱坝坝肩失稳会导致拱坝坝身产生裂隙(即裂缝)的规律，实现对拱坝坝身裂缝的超前预警。拱坝坝身裂缝会导致坝身失稳，因此通过本发明的方法可以在拱坝坝身破坏之前给水电站建设及运行维护人员作出预警，提示他们应该采取措施对潜在失稳区域进行防护，以保障水电站施工和运行安全。
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拱坝坝身裂缝超前预警方法，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拱坝坝肩区域围岩中微裂隙的发育情况，进而判断拱坝坝肩是否存在潜在失稳的可能性，在此基础上，利用拱坝坝肩失稳会导致拱坝坝身产生裂隙的规律，可以实现对拱坝坝身裂缝的超前预警。与现有的垂线、引张线、视准线、激光准直以及常规测量等大坝变形监测方法相比，本发明的方法具有超前预报及便利性，能更好和更有效地指导采用拱坝作为拦水建筑物的水电站的安全建设和运营。
2.本发明提供的方法是一种空间范围内无损监测方法，特别是能够识别在拱坝蓄水过程中由于水压力的变化而扰动拱坝坝肩产生的微破裂，并判断微破裂是否聚集萌生发育，进而识别拱坝坝肩及坝身是否存在潜在失稳的可能性并发出预警。
附图说明
图1是实施例中作出的震源位置空间分布图。
图2是实施例在微震监测过程中出现的微破裂密集聚集的局部区域在整个拱坝上所处的位置。
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拱坝坝身裂缝超前预警方法作进一步说明。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
本实施例以某大型水电站的拱坝为例，具体说明基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法。
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圈定该大型水电站拱坝左岸坝肩围岩作为监测区域，将ESG微震监测系统的传感器安装在监测区域的坝肩围岩的高程40m、70m和100m处，在每个高程安装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。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x轴的正方向、以垂直水流方向为y轴的正方向、以相对高程为z轴的正方向，以该拱坝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；在左岸坝肩的岩体上设置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 | X(m) | Y(m) | Z(m) |
| 1 | 5.00 | 1.00 | 50.00 |
| 2 | 15.00 | 2.00 | 60.00 |
②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。依次在第1个爆破孔和第2个爆破孔中进行一次爆破，两次爆破之间间隔8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。
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＝4024m/s，v2＝4048m/s，然后计算岩体平均等效波速v，
③在该大型水电站运行期间，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：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失稳风险；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，则表明相应的局部区域内的裂隙呈带状或者面状发育，说明相应的局部区域中微破裂密集聚集，该微破裂密集聚集会导致拱坝坝肩失稳，拱坝坝肩失稳会导致拱坝坝身裂缝，因此，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，即发出拱坝坝身裂缝预警信号。
在本实施例的监测过程中，监测50天后，共出现了258个微震事件，作出的震源位置空间分布图如图1所示，图1中圈出的区域出现了微震事件聚集且呈现面状分布的情况，此时则应发出拱坝坝身裂缝预警信号。图1出现微震事件在监测区域中圈出的局部区域聚集且呈现面状分布的情况，也就是说出现了微破裂密集聚集的局部区域，该微破裂密集聚集的局部区域位于如图2所示拱坝下方的A区圈出的位置。拱坝坝身裂缝预警信号提示在水电站运行过程中，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拱坝安全运行。
Claims (3)
1.基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，其特征在于步骤如下：
①圈定拱坝坝肩围岩作为监测区域，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)：
…
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，即发出拱坝坝身裂缝预警信号；
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)：
…
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。
2.根据权利要求1所述基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，其特征在于，所述微震监测系统为ESG微震监测系统。
3.根据权利要求1或2所述基于微震监测的拱坝坝身裂缝超前预警方法，其特征在于，爆破孔的数量为2～5个。
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2018
- 2018-07-19 CN CN201810797796.6A patent/CN109001807A/zh active Pending
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