锦屏一级水电站左岸高陡岩质边坡微震监测预警

      锦屏一级水电站是国家重点工程,建有世界第一高拱坝,是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级电站,在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用。受雅砻江流域水电开发有限公司和中国水电顾问集团成都勘测设计研究院委托,大连力软科技有限公司以锦屏一级水电站左岸岩体边坡为监测对象,建立了边坡稳定性微震监测预警系统。

由于锦屏一级水电站坝区山高坡陡,两岸山体地应力高,左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉及f2、f5断层等复杂地质条件。在边坡及地下洞室开挖施工过程中,岩体将发生卸荷松弛,存在卸荷导致诱发破裂等危害边坡稳定性的潜在忧患,灌浆和蓄水也会引起整个边坡应力的重新分布,对边坡稳定性同样存在潜在的影响。微震监测系统通过微破裂信息数据连续采集、无线传输和远程登陆、中文可视化数据处理和分析,实现对左岸岩体边坡稳定性的24小时连续监测和分析,并在微震监测数据的基础上进行岩体参数反演、修正模型,并通过大规模科学计算迭代分析和评价边坡的稳定性,形成以微破裂监测为主、应力场分析为辅,融现代监测技术、信息技术、网络技术和高性能数值分析技术于一体的岩体边坡稳定性分析预测系统。

在实施项目时,首先解决了在水电工程条件下微震传感器的选用、安装及系统构建等问题。根据应用区域的岩性特征及其对地震波的衰减频率特性选择相应地震传感器。传感器尽量采用了三维空间安装以获得可靠的事件定位。

其次,通过RFPA3D建立边坡三维地质模型,结合微震监测获取大量的微震活动性时空分布数字化记录,将微震监测的结果(输出)作为修正模型的原始数据(输入),进行考虑微震损伤效应的三维边坡稳定性反馈计算,实现锦屏一级左岸边坡稳定性动态分析和评估。

该项目开展了微震监测信息与围岩变形监测信息的对比分析,建立了微震活动性与岩体松弛变形活动性之间的关系,探讨了原岩及其扰动条件下背景应力场积累、释放、转移的基本规律,建立了背景应力场演化与微震活动性的关系,预测了岩体变形发展趋势。初步提出了通过微震监测分析以及大规模科学计算进行锦屏一级水电站坝区左岸边坡岩体稳定性分析监测预警的建议方法。


图1 微震监测系统


图2 微破裂定位三维可视化

图3 系统安装过程:传感器钻孔、布线、测量孔底坐标、敲击试验

图4 加拿大ESG专家和Mechsoft技术人员现场调试

锦屏二级水电站深埋隧道岩爆灾害监测预警

     锦屏二级水电站是国家重点工程。工程引水系统由平行的2条辅助洞和4条引水隧洞组成,平均长度17km,埋深超2000m,地应力高,岩爆灾害频发,损失重大。受雅砻江流域水电开发有限公司锦屏建设管理局委托,大连力软科技有限公司在锦屏二级水电站以采用TBM方式掘进的施工排水洞为监测对象,力软公司在中国首次将微震监测技术用于大型水电站隧道(最大深埋2500米)工程,第一次构建随着TBM推进而调整传感器位置实现实时监测的移动式微震监测系统,实现对施工排水洞微震活动进行24小时连续监测、分析、预报,形成微震数据现场全天候连续采集集中分析模式,监测及分析结果得到了管理局和施工单位的广泛认可。力软科技承担的“雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞、排水洞岩爆段微震监测技术服务”(A标段)项目在2012年3月14日顺利通过专家验收。与会专家认为,力软科技通过成效显著的监测预警实践,改变了岩石力学学术界和工程界的部分专家认为岩爆不可监测预警的传统观点,为水电乃至其它岩土工程行业今后开展类似工程的岩爆监测、分析和预警提供了未曾见过的范例。

      岩爆向来被认为是不可预测的,这在世界工程领域都是难题,力软公司充分利用先进科学技术,一年间成功预警大小岩爆240次,准确率86%,成为中国第一个成功预警工程岩爆灾害的案例。

工程现场实景图


TBM顶部被压坏的钢拱架及钢结构       岩爆形成的爆坑及截断的钢拱架

微震监测的隧洞岩爆及其引起的隧洞破坏情况

       项目建立了锦屏二级水电站隧洞开挖工作面移动式微震数据采集系统,并通过网络技术将现场数据向数据处理中心进行实时远距离传送,实现数据远程传输,实现对微震活动进行24小时连续监测。 

      重点解决微震信号与工程噪声的区别,提高岩石微破裂事件的高精度定位,实现微震事件空间定位的四维显示。 
      根据岩爆发生前后的微震变化,寻找岩爆前兆信息,对岩爆风险区域进行尽可能准确地监测、分析和预警。


大岗山大坝右岸边坡微震监测预警

      大岗山水电站是国家重点工程,坝址位于四川省大渡河中游上段雅安市石棉县挖角乡境内,坝址区两岸山体陡峭,基岩裸露,地应力较高,岩体卸荷及风化强烈。其右岸边坡存在重力卸荷和应力调整等综合因素而形成的卸荷裂隙密集带,在距坡面约100 m范围的岩体中发育多条张裂缝,中倾坡外,对整个右岸边坡的稳定性造成非常不利的影响。右岸边坡在开挖过程中,坡表陆续产生多处裂缝,而传统位移监测手段并没有捕捉到明显的相关变化信息,亟需一种非常规监测手段来实时监测边坡深部岩体微破裂萌生和演化状规律,对边坡岩体稳定性进行及时分析和预警,确保边坡及水电站的安全施工与运营。

      受国电大渡河流域水电开发有限公司委托,大连力软科技有限公司以大岗山水电站右岸边坡为监测对象,建立了边坡稳定性微震监测预警系统。通过微破裂信息数据连续采集、无线传输和远程登陆、三维中文可视化数据处理和分析,实现了对右岸岩体边坡24小时连续监测和分析,并在微震监测数据的基础上进行岩体参数反演、修正模型并通过大规模科学计算迭代分析与评价边坡的稳定性,形成了以微破裂监测为主、应力场分析为辅,融现代监测技术、信息技术、网络技术和高性能数值分析技术于一体的岩体边坡稳定性监测分析预警系统。

      由于边坡岩土体的力学参数和稳定状态难以确定,传统的常规监测手段只能给出边坡已经出现大变形或者宏观失稳的监测结果,对其内部微破裂及其演化过程的监测即失稳前已经发生的而人类眼睛无法感知的破裂前兆信息却无能为力,微震监测系统能够捕捉到岩体的未破裂信息,很好的揭示了施工过程坡表陆续出现多处裂缝的根本原因。借助微震监测技术可以获取右岸边坡微破裂密度分布情况;可以获取边坡岩体微震损伤与变形区域,与现有常规监测结果进行比较;可以获取边坡岩体内部微震损伤能量密度分布,圈定控制边坡稳定性的主要控制因素;可以定期评估边坡岩体的深层稳定性,进行右岸边坡稳定性评价。


雅砻江锦屏二级水电站开挖稳定性及支护参数研究

      锦屏二级水电站是国家重点工程,工程引水系统由平行的2条辅助洞和4条引水隧洞组成,平均长度17km,埋深超2000m,地应力高,一旦发生事故,损失极大。受中国水电顾问集团华东勘测设计研究院委托,大连理工大学、大连力软科技有限公司就其“锦屏二级水电站引水隧洞西端绿泥石片岩洞段围岩长期稳定性与支护参数研究”项目为其提供技术服务。

      以锦屏二级水电站引水隧洞西端绿泥石片岩洞段在高地应力条件下的二次开挖(扩挖)和落底开挖潜在问题分析及支护参数研究为目标,以高地应力作用、低强度破坏等为研究核心,运用岩石破裂过程分析RFPA方法,深入探讨绿泥石片岩在高地应力条件下的破坏和跨落机理,以及隧洞二次开挖和落底开挖的潜在问题分析及相应的支护手段,为保障绿片岩洞段扩挖、落底开挖时的隧道稳定性和施工安全提供技术支持。

主要服务内容包括:

      1.根据现场提供的资料,采用反分析方法获得绿泥石片岩的材料性质

      在进行数值分析时,绿泥石片岩的材料性质(强度、弹性模量、泊松比)和原岩应力状态对分析结果的准确性有重要的影响作用。尽管前期的基础研究工作中已经提供了绿泥石片岩的材料性质参数,但考虑到数值计算时对岩石非均匀性的表征,本项目将以前期的基础数据为基础,结合现场情况,采用反分析方法得到数值计算时所需的材料参数。

      2.建立绿泥石片岩洞段的数值模型

      结合隧洞采取的几何尺寸、地质条件,以及支护方案等、按照绿泥石片岩隧洞的实际尺寸建立相应的数值模型。数值模拟结果的精度与模型中单元的尺寸有很大关系,因此,需要的有限元单元数将十分庞大,采用并行计算技术有助于加快计算速度,以便及时提供计算成果,其中:

   1二维平面应变模型的建立:拟针对关键部位,建立8到15个剖面模型,为下一步计算分析奠定基础;

   2三维数值模型的建立:建立含绿泥石片岩段的真三维隧洞全断面模型,实现点应力、点位移的真实尺度分析,主要是为更精确评估扩挖及落底带来的二次变形量,以备为支护手段的效果分析奠定基础。

      3.高地应力下绿泥石片岩洞段二次开挖(扩挖)存在的潜在问题分析

      运用所建立的数值模型,按照所设计的施工方案,采用数值模拟方法对模型在二次开挖(扩挖)期间所引起的隧洞应力场扰动、裂隙发育等多种因素之间相互作用的数值模拟研究,揭示二次开挖可能造成的隧洞非稳定力学行为。通过采用离心机法对目前设计的施工方案进行稳定性评估,分析可能存在的潜在问题,进而提出合理的施工调整方案。

      4.高地应力下绿泥石片岩洞段落底存在的潜在问题分析

      运用所建立的数值模型,按照目前的施工方案对模型的落底开挖时,隧洞应力状态的调整、裂隙的发育,以及隧洞尺寸改变所导致的应力场转移等情况进行分析,把握高地应力条件下绿泥石片岩隧洞落地开挖存在的潜在问题。此外,采用离心机法计算目前施工方案的安全系数,分析隧洞可能的破坏垮塌部位,评估施工措施的安全性,进而提出合理的支护调整措施,为落底开挖提供施工建议。

      5.高地应力下锚杆支护参数对绿泥石片岩隧洞支护效果的分析

      锚杆的支护效果与岩体本身的稳定性有密切的联系。由于绿泥石片岩具有大变形的特性,因此,锚杆支护效果与一般硬岩中的锚杆支护有很大的差别。锚杆长度是影响支护效果的一个重要参数。因此,通过数值模拟方法,在数值模型中设置不同的锚杆长度,研究绿泥石片岩隧洞中不同的锚杆长度对维护隧洞稳定性的影响作用,进而获得合理的支护参数,指导现场施工。

      此外,锚杆之间的间距也是影响支护效果的一个重要参数。因此,在本项目中,通过在数值模型中调整锚杆之间的间距,分析在不同间距条件下隧洞的安全储备系数,进而找出合理的锚杆支护间距,为下一步的扩挖和落底开挖提供支护方面的参考依据。