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开挖扰动作用下抽 水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法

阅读：863发布：2020-05-08

专利汇可以提供开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于水利水电技术领域，公开了一种开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法，其具体步骤，包括：(1)构建开挖过程中地下厂房微震监测预警分析系统；(2)进行地下厂房微震监测系统传感器阵列优化、精度控制及有效性验证；(3)识别地下厂房开挖扰动下影响厂房围岩稳定的主要结构面；(4)构建地下厂房不同剖面数值模型；(5)对比地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果，确定结构面的安全距离。本发明对开挖扰动作用下地下厂房微震活动性的实时监测和分析，识别围岩开挖损伤区，评价开挖扰动过程中的抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定性具有重要的意义。，下面是开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法，其特征在于，步骤如下：
(1)构建开挖过程中地下厂房微震监测预警分析系统
构建一种抽水蓄能电站地下厂房微震监测预警分析系统，用于接收开挖扰动作用下的厂房岩体微震信号，进行信号的存储和处理，反演岩体微破裂发生的时间、位置和强度，通过对厂房岩体微破裂规律进行分析，进行厂房岩体失稳灾害的预警；
所述的微震监测预警分析系统包括阵列布置在厂房围岩内部的信号接收单元(1)，连接于信号接收单元(1)的信号采集单元(2)，所述的信号采集单元(2)连接到信号处理单元(3)，所述的信号处理单元(3)远程连接于数据下载分析预警单元(4)；
所述的信号接收单元(1)包括若干组阵列布置的单分量加速度型传感器(6)和用于连接单分量加速度型传感器(6)与信号采集单元(2)的通信电缆(15)，所述的单分量加速度型传感器(6)每六个为一组，连接一个信号采集单元(2)；
所述的信号采集单元(2)包括信号接收器(7)和信号采集器(8)，负责采集信号接收单元(1)接收到的信号，通过光纤传输给信号处理单元(3)；
所述的信号处理单元(3)包括信号处理器(9)和无线发射器(10)，负责对信号采集单元(2)采集的信号进行处理，并通过传输媒介(5)将处理结果传送至数据下载分析预警单元(4)；
所述的数据下载分析预警单元(4)包括微震数据分析中心(13)和灾害预警中心(14)；
所述的传输媒介(5)包括数据上载单元(11)和网络通讯协议(12)，所述的数据上载单元(11)利用移动通信上载技术，将数据处理和协议封装后传送至移动通信基站网络；所述的网络通讯协议(12)基于网络通信协议(TCP/IP协议)，对监测点的微震数据和处理结果进行远程无线传输，实现对多监测点数据的储存、分析和微震监测系统的远程管理；
(2)进行地下厂房微震监测系统传感器阵列优化、精度控制及有效性验证，方法如下：
综合考虑地下厂房地质条件、目标区域和传感器性能，进行传感器的三维空间阵列布设，形成目标监测区域的近似立方体的阵列网络；采用定点敲击试验，判断传感器的灵敏性；采用定点爆破试验计算定位误差；通过传感器阵列优化调整和岩体波速等效波速模型相结合的方法控制定位精度，使系统精度满足工程要求，验证微震监测系统的有效性；
(2.1)单分量加速度型传感器(6)的三维空间阵列布置：
首先以目标监测区域为中心，考虑地下厂房施工条件，空间等距布置若干单分量加速度型传感器(6)；其次，进行相邻区域的单分量加速度型传感器(6)拓展，保证单分量加速度型传感器(6)的空间分布特征；最后，对潜在危险区域进行局部加密布置；
(2.2)敲击试验
对所有单分量加速度型传感器(6)进行敲击试验；所述的敲击试验是指对单分量加速度型传感器(6)布置点附近岩体分别进行多次强度不同的锤击，比较系统采集的波形特征与锤击强度是否一致，从而判断单分量加速度型传感器(6)安装的灵敏性；
(2.3)控制微震监测系统的定位精度
在单分量加速度型传感器(6)所在的三维空间阵列内，阵列边界和阵列外分别进行多次定点爆破试验，比较系统定位结果和爆破点的误差，确定微震监测预警分析系统实际误差空间分布；先采用地下厂房岩体等效波速调整方法，降低微震监测预警分析系统实际定位误差；在此基础上，通过调整单分量加速度型传感器(6)所在的三维空间阵列，进一步控制微震监测预警分析系统的定位精度，以满足地下厂房微震监测工程的要求；
(3)识别地下厂房开挖扰动下影响厂房围岩稳定的主要结构面，方法如下：
通过微震监测方法，实现对厂房围岩内部岩体渐进破坏过程中微破裂及微破裂演化过程的监测，识别厂房开挖扰动区的演化进程，并通过微震事件的聚集特征来识别影响厂房围岩稳定的主要结构面，获取厂房围岩失稳灾害的微破裂前兆信息，为开挖作用下的厂房围岩稳定性评价提供参考；
(4)构建地下厂房不同剖面数值模型，方法如下：
不同剖面对应着结构面与厂房不同的距离；根据微震事件的分布，与现场施工工况一致，选取典型剖面建立模型；模型尺寸与实际尺寸保持一致，力学参数参考有关勘察资料及室内试验数据，边界荷载根据现场地应力试验结果、地应力回归计算结果和理论计算自重应力结果取值；对模型施加应力边界条件，再进行模型洞室开挖，每一步保持边界荷载条件不变，接近于工程实际开挖过程中岩体的卸荷受力状态；
(5)对比地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果，确定结构面的安全距离，方法如下：
利用声发射结果与基于震源参数Es/Ep的微震事件分布结果对比，比较其损伤位置、损伤形态、损伤程度和损伤类型；根据不同剖面下的声发射结果，提取声发射突变点对应的步数，计算围岩稳定性安全储备系数，确定结构面的安全距离。

说明书全文

开挖扰动作用下抽 水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法

技术领域

[0001] 本发明属于水利水电技术领域，尤其涉及一种开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法。

背景技术

[0002] 水电工程大型地下洞室是最为复杂的系统工程之一，其施工期的围岩稳定性一直是岩石力学和工程领域关注的难点和热点，国内外众多学者采用现场调查、数值模拟、反分析和反演等方法对水电工程地下洞室围岩稳定问题进行了研究。

[0003] 大型地下洞室的施工是一个动态的、高度非线性变化的系统工程，开挖过程中地下洞室围岩在宏观大变形乃至失稳破坏现象发生之前已经存在不同程度的渐进损伤变化。因此，揭示和识别施工期地下洞室围岩损伤的渐进损伤变化过程和潜在危险区域对于开挖过程的围岩稳定和建设安全具有重要意义。前面提到的研究手段虽然为水电工程大型地下洞室施工期围岩稳定的分析评价提供了诸多极具价值的成果和参考，但是难以准确实时连续地反映施工动态下的围岩损伤的渐进变化过程。

[0004] 为了解决大型地下洞室施工期围岩稳定的分析评价，本文提出了一种方法，首先，构建开挖过程中地下厂房微震监测系统，实时监测开挖过程中地下厂房围岩的微破裂，识别影响厂房围岩稳定的主要结构面；其次，根据微震监测结果对地下厂房不同剖面构建数值模型，分析应力分布规律；最后，将地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果进行对比研究，确定结构面的安全距离。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法，能够实现对开挖扰动作用下地下厂房围岩微震活动的实时监测和分析，识别厂房围岩的开挖损伤区，评价开挖扰动过程中的抽水蓄能电站地下厂房围岩的稳定性，包括：构建开挖过程中地下厂房微震监测系统；验证地下厂房微震监测系统传感器阵列优化、精度控制及有效性；识别开挖扰动下影响厂房围岩稳定的主要结构面；构建地下厂房不同剖面数值模型；对比地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果，确定结构面的安全距离。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法，包括以下步骤：

[0008] (1)构建开挖过程中地下厂房微震监测预警分析系统

[0009] 构建一种抽水蓄能电站地下厂房微震监测预警分析系统，用于接收开挖扰动作用下的厂房岩体微震信号，进行信号的存储和处理，反演岩体微破裂发生的时间、位置和强度，通过对厂房岩体微破裂规律进行分析，进行厂房岩体失稳灾害的预警；

[0010] 所述的微震监测预警分析系统包括阵列布置在厂房围岩内部的信号接收单元1，连接于信号接收单元1的信号采集单元2，所述的信号采集单元2连接到信号处理单元3，所述的信号处理单元3远程连接于数据下载分析预警单元4；

[0011] 所述的信号接收单元1包括若干组阵列布置的单分量型加速度传感器6和用于连接单分量型加速度传感器6与信号采集单元2的通信电缆15，所述的单分量型加速度传感器6每六个为一组，连接一个信号采集单元2；

[0012] 所述的信号采集单元2包括信号接收器7和信号采集器8，负责采集信号接收单元1接收到的信号，通过光纤传输给信号处理单元3；

[0013] 所述的信号处理单元3包括信号处理器9和无线发射器10，负责对信号采集单元2采集的信号进行处理，并通过传输媒介5将处理结果传送至数据下载分析预警单元4；

[0014] 所述的数据下载分析预警单元4包括微震数据分析中心13和灾害预警中心14；

[0015] 所述的传输媒介5包括数据上载单元11和网络通讯协议12，所述的数据上载单元11利用移动通信上载技术，将数据处理和协议封装后传送至移动通信基站网络；所述的网络通讯协议12基于网络通信协议TCP/IP协议，对监测点的微震数据和处理结果进行远程无线传输，实现对多监测点数据的储存、分析和微震监测系统的远程管理；

[0016] (2)进行地下厂房微震监测系统传感器阵列优化、精度控制及有效性验证，方法如下：

[0017] 综合考虑地下厂房地质条件、目标区域和传感器性能，进行传感器的三维空间阵列布设，形成目标监测区域的近似立方体的阵列网络；采用定点敲击试验，判断传感器的灵敏性；采用定点爆破试验计算定位误差；通过传感器阵列优化调整和岩体波速等效波速模型相结合的方法控制定位精度，使系统精度满足工程要求，验证微震监测系统的有效性；

[0018] (2.1)单分量型加速度传感器6的三维空间阵列布置：

[0019] 首先以目标监测区域为中心，考虑地下厂房施工条件，空间等距布置若干单分量型加速度传感器6；其次，进行相邻区域的单分量型加速度传感器6拓展，保证单分量型加速度传感器6的空间分布特征；最后，对潜在危险区域进行局部加密布置；

[0020] (2.2)敲击试验

[0021] 对所有单分量型加速度传感器6进行敲击试验；所述的敲击试验是指对单分量型加速度传感器6布置点附近岩体分别进行多次强度不同的锤击，比较系统采集的波形特征与锤击强度是否一致，从而判断单分量型加速度传感器6安装的灵敏性；

[0022] (2.3)控制微震监测系统的定位精度

[0023] 在单分量型加速度传感器6所在的三维空间阵列内，阵列边界和阵列外分别进行多次定点爆破试验，比较系统定位结果和爆破点的误差，确定微震监测预警分析系统实际误差空间分布；先采用地下厂房岩体等效波速调整方法，降低微震监测预警分析系统实际定位误差；在此基础上，通过调整单分量型加速度传感器6所在的三维空间阵列，进一步控制微震监测预警分析系统的定位精度，以满足地下厂房微震监测工程的要求；

[0024] (3)识别地下厂房开挖扰动下影响厂房围岩稳定的主要结构面，方法如下：

[0025] 通过微震监测方法，实现对厂房围岩内部岩体渐进破坏过程中微破裂及微破裂演化过程的监测，识别厂房开挖扰动区的演化进程，并通过微震事件的聚集特征来识别影响厂房围岩稳定的主要结构面，获取厂房围岩失稳灾害的微破裂前兆信息，为开挖作用下的厂房围岩稳定性评价提供参考；

[0026] (4)构建地下厂房不同剖面数值模型，方法如下：

[0027] 不同剖面对应着结构面与厂房不同的距离；根据微震事件的分布，与现场施工工况一致，选取典型剖面建立模型；模型尺寸与实际尺寸保持一致，力学参数参考有关勘察资料及室内试验数据，边界荷载根据现场地应力试验结果、地应力回归计算结果和理论计算自重应力结果取值；对模型施加应力边界条件，再进行模型洞室开挖，每一步保持边界荷载条件不变，接近于工程实际开挖过程中岩体的卸荷受力状态；

[0028] (5)对比地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果，确定结构面的安全距离，方法如下：

[0029] 利用声发射结果与基于震源参数Es/Ep的微震事件分布结果对比，比较其损伤位置、损伤形态、损伤程度和损伤类型；根据不同剖面下的声发射结果，提取声发射突变点对应的步数，计算围岩稳定性安全储备系数，确定结构面的安全距离。

[0030] 其中，震源参数Es/Ep为岩体的横波能量与纵波能量之比，反映微震事件的破坏类型，一般认为Es/Ep小于3的微震事件属拉伸破坏，Es/Ep介于3与10之间的微震事件属拉剪混合破坏，大于10的属剪切破坏。

[0031] 围岩安全储备系数Fs＝1/(1-u×step)，u为强度折减系数，step为折减破坏失稳时当前的计算步。

[0032] 本发明的有益效果：本发明基于微破裂是岩体工程失稳前兆本质特征的学术思想，通过建立一套开挖扰动作用下抽水蓄能电站地下厂房的微震监测系统，能够对地下厂房开挖过程中的微小破裂进行三维实时动态监测。首次应用微震监测技术来“捕捉”抽水蓄能电站地下厂房岩体开挖过程中的微小破裂，其研究成果能够克服传统变形监测方法难以反映地下厂房开挖围岩失稳演化过程的局限性，并圈定和识别影响地下厂房开挖围岩稳定性的主要结构面所在位置，建立不同剖面数值模型，研究厂房围岩应力分布规律，探究厂房围岩损伤位置。将微震监测结果与数值模拟结果对比，确定厂房主要结构面的安全距离。揭示开挖扰动条件下地下厂房围岩失稳模式与致灾机理。附图说明

[0033] 图1是本发明中开挖扰动作用下抽水蓄能电站厂房围岩稳定性判断方法的步骤流程。

[0034] 图2是本发明中抽水蓄能电站地下厂房微震监测系统拓扑图。

[0035] 图中：1信号接收单元；2信号采集单元；3信号处理单元；4数据下载分析预警单元；5传输媒介；6单分量加速度型传感器；7信号接收器；8信号采集器；9信号处理器；10无线发射器；11数据上载单元；12网络通讯协议；13微震数据分析中心；14灾害预警中心；15电缆传输；16光纤传输；17无线传输。

具体实施方式

[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

[0037] (1)构建开挖过程中地下厂房微震监测预警分析系统：

[0038] 采用加拿大ESG公司生产的高精度微震监测系统，研发微震监测数据远程无线传输系统，综合数据分析中心和灾害预警中心，形成开挖过程荒沟抽水蓄能电站地下厂房微震监测预警分析系统，包括阵列布置在地下厂房围岩内部的信号接收单元1，连接于信号接收单元1的信号采集单元2，所述信号采集单元2连接到信号处理单元3，所述信号处理单元3远程连接于数据下载分析预警单元4。

[0039] 所述信号接收单元1包括3组共计18通道阵列布置的单分量型加速度传感器6和连接传感器与信号采集单元2的3芯屏蔽通信电缆12。结合现场施工进度与微震监测系统要求，在基本开挖完的洞室安装18个加速度传感器，每6个单分量型加速度传感器6为1组，构成空间阵网，覆盖主厂房、主变洞、尾闸室。进一步，本实施例采用的单分量型加速度传感器6的频响范围为50～5000Hz，灵敏度为30v/g。

[0040] 所述的信号采集单元2包括信号接收器7和信号采集器8，负责采集信号接收单元1接收到的信号，通过光纤传输16传输给信号处理单元3。本实施例采用的信号采集器8为24位模数转换，采样频率为20kHz。

[0041] 所述的信号处理单元3包括信号处理器9和无线发射器10，负责对信号采集单元2采集的信号进行处理，并通过传输媒介5将处理结果无线传送至数据下载分析预警单元4。

[0042] 所述的数据下载分析预警单元4包括微震数据分析中心13和灾害预警中心14。

[0043] (2)进行地下厂房微震监测系统传感器阵列优化、精度控制及有效性验证：

[0044] 综合考虑荒沟抽水蓄能电站地下厂房地质条件、目标区域和传感器性能，进行传感器的三维空间阵列布设，形成目标监测区域的近似立方体的阵列网络。采用定点敲击试验，判断传感器的灵敏性。采用定点爆破试验计算定位误差。通过传感器阵列优化调整和岩体波速等效波速模型相结合的办法控制定位精度，使系统精度满足工程要求，验证微震监测系统的有效性。

[0045] (2.1)单分量型加速度传感器6的三维空间阵列布置：

[0046] 结合现场施工进度与微震监测系统要求，在基本开挖完的洞室安装18个加速度传感器，每6个单分量型加速度传感器6为1组，构成空间阵网，覆盖主厂房、主变洞、尾闸室；

[0047] (2.2)敲击试验

[0048] 对所有单分量型加速度传感器6进行敲击试验；所述敲击试验是指对传感器布置点附近岩体分别进行多次强度不同的锤击，比较系统采集的波形特征与锤击强度是否一致，从而判断传感器安装的灵敏性，本实施例采用的单分量加速度型传感器5的频响范围为50～5000Hz，灵敏度为30v/g；

[0049] (2.3)控制微震监测系统的定位精度

[0050] 在单分量型加速度传感器6所在的三维空间阵列内，阵列边界和阵列外分别进行多次定点爆破试验，比较系统定位结果和爆破点的误差，确定微震监测系统实际误差空间分布；先采用地下厂房岩体等效波速调整方法，降低微震监测系统实际定位误差；在此基础上，通过调整单分量型加速度传感器6所在的三维空间阵列，进一步控制微震监测系统的定位精度，以满足地下厂房微震监测工程的要求。

[0051] (3)识别地下厂房开挖扰动下影响厂房围岩稳定的主要结构面：

[0052] 荒沟抽水蓄能电站的现场实地踏勘发现主厂房上游边墙出露断层f34，而在190.00m～150.00m高程范围的主厂房上游有大量的微震事件聚集成条带状，其空间走向与断层f34走向一致，且大量分布于桩号厂左0+20m～0+80m，在厂区高程172m平切图中，桩号厂左0+20m～0+80m对应断层f34至主厂房上游拱脚的距离为0～18m，这说明主厂房上游微震事件的分布特征与断层f34密切相关，而且断层f34与主厂房上游拱脚的距离是影响主厂房上游围岩损伤的重要因素。

[0053] (4)构建地下厂房不同剖面数值模型：

[0054] 采用平面应变模型模拟地下洞室开挖过程，微破裂在桩号厂左0+20m至厂左0+80m处大量聚集。基于荒沟抽水蓄能电站微震监测结果，选取微震事件聚集区的不同剖面在RFPA2D中建立数值模型，采用强度折减法计算。根据实际工程建立四个不同剖面的模型，剖面1、2、3、4分别对应桩号厂左0+20m、0+40m、0+60m、0+80m，对应断层f34与主厂房上游拱脚之间的距离0m、6m、12m、18m，与现场施工工况一致，即主厂房、主变洞、尾闸室分别开挖至高程152m、152m、139m，模型尺寸取200m×120m，网格剖分1000×600＝600000个单元，相关力学参数与实际工程的力学参数保持一致。由于荒沟抽水蓄能电站地下厂房洞室高度远小于洞室的埋置深度，可以认为沿洞室高度的应力不变。根据现场地应力试验结果、地应力回归计算结果和埋深300m的理论计算自重应力结果，边界荷载取水平方向12MPa和竖直方向8MPa施加应力荷载，底部约束来模拟深埋地下厂房的地应力场。每步折减系数为0.01，对模型施加应力边界条件，再进行模型洞室开挖，每一步保持边界荷载条件不变，这样就近似于工程实际开挖过程中岩体的卸荷受力状态。

[0055] (5)对比地下厂房不同剖面数值模拟结果与微震监测结果，确定结构面的安全距离：

[0056] 将数值模拟得到的声发射结果与基于震源参数Es/Ep的微震监测结果对比研究，声发射结果与微震事件结果获得的围岩损伤形式、围岩损伤机制相吻合，对不同距离所做的数值模拟是可靠的，当距离为0m、6m、12m时，主厂房围岩损伤程度大，距离是影响主厂房开挖卸荷作用下损伤发展的重要原因。

[0057] 进一步，根据不同剖面下的声发射结果，提取声发射突变点对应的步数，计算围岩稳定性安全储备系数。断层f34与主厂房上游拱脚距离越远，围岩的安全储备系数越高；当距离为18m时，大于不存在断层时的安全储备系数2.397，可以认为此时断层对主厂房上游围岩稳定性没有影响，因此可以将18m定为断层f34与主厂房上游拱脚之间的安全距离。从而确定了荒沟抽水蓄能电站影响厂房围岩稳定的结构面的安全距离。

[0058] 事实证明，该方法具有良好的实用性。

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