大岗山水电站厂房断层控制区域微震监测分析

张伯虎，邓建辉，周志辉，吕洪旭，吴基昌，吴思浩

（1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2. 西南石油大学 土木工程与建筑学院，成都 610500；3. 国电大渡河大岗山水电开发公司，四川 石棉 625400）

1 引 言

在深部开采或地下空间开发过程中会遇到断层或结构面发育的岩体，要重视其对洞室围岩整体稳定性的影响。除对洞壁周边进行常规监测外，还要对远离洞壁的深层岩体进行评估，这就需要采用微震监测对深部岩体的微小活动进行监控，对潜在危险区域进行判断和预测。早期微震监测，如南非的金矿、美国和日本等国的矿山[1－4]以及我国的门头沟煤矿[5]、凡口铅锌矿[6]、冬瓜山铜矿[7－12]等，主要对深部矿区岩体活动规律进行分析，确定矿区地压，预测岩爆的出现等。近些年来，微震监测技术也被应用于水电工程中，如陈炳瑞等[13]在锦屏二级电站的3#引水隧洞布置微震监测系统，对引水隧洞TBM施工洞段开展微震实时监测，分析了岩爆产生前深层岩体微震活动的演化特征与规律，为岩爆预测提供了准确信息。徐奴文等[14－16]对水电边坡的潜在滑动失稳区进行了判定，指导了水电大坝的施工。作为先进的监测技术，微震监测能够对深部矿井、水电工程、边坡等进行稳定性评价，对工程安全施工和安全运行有较强的指导意义。

2 厂房断层及工程影响

2.1 地下厂房的控制性断层

大岗山地下厂房以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，洞室围岩整体较稳定，但据 PD03CZ平洞揭示，在 980 m平切面图上（见图1），断层β80出露于副厂房中心线偏下游部位。产状 NW25°/SW∠55°～65°，宽4.4 m，延伸长大于240 m，脉体破碎，与围岩呈断层式接触；断层β81出露于3#机中心线部位，从3#机中心线上游约10 m顶拱部位切入主厂房，于4#机中心线部位插入主厂房底板，β81产状N26°W/SW∠68°，宽1.7 m，延伸长大于140 m。洞室围岩基本稳定～局部稳定性差，受结构面的控制以及辉绿岩脉和其他方向随机分布裂隙的不利组合，边墙和顶拱稳定存在局部失稳问题，特别是需对β80等辉绿岩脉出露洞段应加强支护。

图1 地下厂房控制断层平面分布Fig.1 Plane distribution of control fault in underground power house

2.2 β80断层导致的拱顶破坏塌空区

地下厂房地应力水平较高，岩脉发育，与洞室走向近于平行的缓倾角和陡倾角长大结构面亦很发育。2008年12月16日，主厂房上游侧β80辉绿岩脉段开挖至桩号0+132～0+135时，12:00左右放炮后，12:40左右顶拱部位上游侧开始发生掉块现象，至13:00开始大塌方，塌渣方量为2968 m2。塌方出现在副厂房，系 β80辉绿岩脉断层在顶拱的出露部位，偏向上游一侧。β80与围岩的两个交界面早期均受构造运动影响，发生了强烈的错动，接触带糜棱化严重，同时，地下水较为丰富，局部已经形成断层泥（见图2）。塌方发生后，塌方段先后进行了砼喷、锚杆支护、锚索加固、固结灌浆与2层工字钢施工等处理施工，但经过常规位移和应力监测发现，浅层的位移变形不收敛，应力松弛，而未在塌方区围岩表面发现明显的变形破坏，故存在深部变形的可能性。微震监测可获得深部潜在的危险区，为工程施工和运行期间的岩体稳定性提供参考。

图2 β80岩脉断层性状及塌空区的形成Fig.2 The character of β80rock dikes fault and the collapse area formation

3 微震监测及其布置

本次采用南非ISS（integrated seismic system）微震系统，通过采集微震事件的时空信息（x,y,z,t）和能级信息（能量E，地震矩M），分析判获得微震事件的震级ML、视应力σA、视体积VA等，通过微震事件的积聚和震级大小判断岩体的稳定性，结合结构面位错滑移，分析出岩体的破坏特性和规律，相关参数定义见文献[1]。

微震监测系统由地面与地下控制系统组成。地下系统包括传感器、数据采集器 GS、GPS授时器、协议转换，进行数据采集并通过相关通讯转换将其传输到地面。地面系统包括控制软件系统、存储系统、远程传输与控制系统，能对地下数据进行控制、授时、诊断、报警等。24 h无人值守，不间断的实时数据监测，通过互联网进行远程控制，其中，采用Geophone传感器（频带宽7～2000 Hz），在塌空区形成三维立体监测系统，重点对2条断层及周边区域进行监测。传感器（S1～S8）布置如图3所示。

图3 传感器埋设位置示意图Fig.3 Sketch of positions of embedded sensors

4 拱顶破坏区域稳定性分析

地下厂房拱顶破坏区分析区域为距其中心6倍直径范围内的岩体。图4为2011年1～6月微震事件分布。图 4(a)中，球体为微震事件，球体直径大小与震级相关。根据ISS微震监测理论模型，震级超过 0即为大事件。从震级分布来看，在-3.72～-0.68范围，均属于微小震级，说明岩体震动破坏可能性较小。图4(b)反映出能量指数的分布，球体直径大小与能量指数有关。能量指数反映岩体破坏驱动应力的变化，能量指数较大（lgEI ＞ 0）时，岩体破坏驱动应力越大，非弹性单位变形释放的能量就越高，破坏的可能性也越大。而从图4(b)来看，能量指数对数值均小于 0，说明岩体变形破坏的驱动应力较小，岩体较为稳定。

图4 拱顶破坏区域微震分布Fig.4 Microseismic distribution near vault collapse area

5 岩脉断层两边岩体稳定性分析

5.1 辉绿岩脉断层微震研究模型

从图 5(a)断层的轴向分布来看，β80和 β81岩脉断层控制着厂房的整体稳定性，其中 β80控制塌方区的岩体稳定性，而 β81控制着厂房拱顶和边墙的稳定性，因此，需要重点监控断层周边岩体的活动情况，实时了解岩体的稳定性。根据图 5(a)中的断层分布图，建立了图 5(b)的微震 JDI（南非 ISS系统分析软件）分析模型，重点分析 β80、β81两大辉绿岩脉断层的微震事件分布特点，以此判定断层周边岩体活动规律，以及对地下厂房围岩稳定性的影响。

图5 岩脉断层及其JDI分析模型Fig.5 Rock dike fault and its JDI model

5.2 断层面岩体的微震分布规律

5.2.1 震级分布规律

从图 6可见，β80断层上微震震级为-3.72～-0.44，震级较小，也没有大于0的大事件发生。而在β81断层上，微震震级为-3.59～0.39，震级较小；震级大于0的大事件仅2个，主要发生在副厂房的下部区域。从微震事件空间分布来看，在断层周边分布较为均匀，没有出现集中的现象。

5.2.2 断层面岩体变形分析

图6 微震事件沿断层震级分布Fig.6 Microseisms magnitude distribution near the fault

图7 断层周边岩体变形等值线图Fig.7 Contour map of slide displacement distribution near the fault

从图7可以看出，β80和β81断层厚度方向一定范围内的岩体发生了微弱的变形。β80断层最大位移为0.18 mm，发生在断层的下部区域，β81断层最大位移为0.19 mm，也发生在断层的下部区域，两个断层发生大位移的岩体基本上在同一高度，与厂房区域岩体变形特征一致，说明厂房下部的大部分区域岩体发生一定的位移变形，从而产生微震事件，不过岩体变形量较少，对地下厂房围岩和塌空区岩体的稳定性影响相对较小。

5.2.3 断层岩体能量指数分析

图8为两断层面上岩体的能量指数分布。从图中可以看出，能量指数对数值为负数，说明两断层一定厚度范围内的岩体较为稳定，内在破坏力较小。

图8 断层周边岩体能量指数分布Fig.8 EI distribution near the fault

6 断层对厂房边墙的影响分析

6.1 断层控制下的边墙地质概况

上游边墙区域 β81辉绿岩脉规模较大，且脉体破碎，在重力和地下水的作用下可以形成松动溃散失稳。根据主机间下游边墙赤平投影图（见图 9）分析可知，下游边墙第⑥组缓倾角裂隙与第①、②组裂隙组合形成的较大不利块体，其交棱线缓倾边墙外，对主机间边墙稳定不利；裂隙 N50°～60°W/NE∠74°～78°分别与第①、②组裂隙组合形成的较小不利块体，其交棱线中倾边墙外，为潜在不稳定块体。上游边墙NW向陡倾角裂隙或第⑥组缓倾角裂隙与第④组裂隙组合可形成不利块体，其交棱线缓倾边墙外，对主机间边墙稳定不利。此外，随机分布的裂隙的不利组合，亦可能形成潜在不稳定块体，对边墙稳定不利。

图9 下游边墙的结构面赤平投影Fig.9 The structure stereographic projection in the downstream side wall

6.2 上、下游边墙稳定性分析

从工程地质情况来看，上下游边墙受断层和结构面的影响，可能会处于不稳定状态。但从图 10中地下厂房上、下游边墙的微震事件空间分布和震级分布来看，微震事件在上、下游边墙分布数量较少，震级较小，上、下游边墙相对稳定。

图10 厂房上、下游边墙微震空间分布Fig.10 Spatial distribution of seismic events near two side walls

7 结 论

（1）微震传感器进行三维空间布置，重点监控地下厂房拱顶断层区域岩体稳定性，兼顾厂房整体稳定性分析。微震断层分析模型能够有效分析断层岩体微震事件的时空、震级、能量、应力等，对断层周边区域进行整体和局部稳定性评价。

（2）地下厂房断层区域岩体有一定的活跃性，但断层附近微震事件分布不集中，震级较小，岩体裂纹位错滑移较小，断层的相对位移也较小，断层面岩体整体上趋于稳定，对地下厂房整体稳定性影响不大。

（3）从断层控制的塌空区域在喷锚加固后所的微震监测结果来看，岩体整体变形量较小，震级和能量指数都在较低的安全范围内，塌空区域岩体区域稳定。

（4）地下厂房的拱顶和边墙的微震事件较少，震级较小，地下厂房整体稳定好。断层的发育导致施工期间的拱顶塌方，对塌方区进行加固后，岩体总体上稳定，岩体加固支护效果较好，起到了稳定断层和提高厂房整体稳定性的目的。

微震系统通过监测到的物理量来获得震级或能量指标，用这些指标来判断岩体稳定性需要大量的经验积累，本文的稳定性判断标准还需要进一步研究，以便能更准确地判断岩体的活动性能。

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