荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖過程微震活動(dòng)特征與圍巖穩(wěn)定性研究

高 喬， 馬 克， *， 唐春安， 馬天輝

(1. 大連理工大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心， 遼寧 大連 116024； 2. 大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023)

0 引言

自“十三五”規(guī)劃以來，大容量、高水頭、高揚(yáng)程的抽水蓄能電站在能源結(jié)構(gòu)升級(jí)和新能源發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用，我國(guó)抽水蓄能建設(shè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展期[1]。與常規(guī)水電站類似，抽水蓄能電站廠房多采用地下形式，主要由大跨度、高邊墻、多孔洞交叉的地下廠房洞室群組成，地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力顯著，強(qiáng)卸荷開挖過程中地下洞室穩(wěn)定性一直是其施工的關(guān)鍵問題[2-3]。因此，如何識(shí)別地下廠房開挖過程中的圍巖損傷區(qū)域，對(duì)抽水蓄能電站地下廠房的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

與常規(guī)水電站不同，抽水蓄能電站地下廠房具有高水頭差、機(jī)組淹沒深度大和安裝高程低等特點(diǎn)，其防滲要求較高，有效監(jiān)測(cè)抽水蓄能電站地下廠房的圍巖損傷是關(guān)系到整個(gè)施工和運(yùn)行成敗的主要問題[4-5]。蒲石河抽水蓄能電站地下廠房排水廊道的圍巖滲水現(xiàn)象明顯，研究發(fā)現(xiàn)高水頭壓力作用下，斷層破碎帶和巖體內(nèi)的微裂隙、節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面形成滲流通道，導(dǎo)致圍巖發(fā)生滲水[6]。白山抽水蓄能電站投入運(yùn)行后，主廠房發(fā)生點(diǎn)(面)狀重力水下滲及毛細(xì)水侵潤(rùn)滲流，墻面整片潮濕滲水，嚴(yán)重影響廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電站運(yùn)行安全性，而節(jié)理裂隙發(fā)育的不良地質(zhì)條件和施工擾動(dòng)破壞了洞室圍巖巖體的完整性且防滲措施不及時(shí)是廠房滲漏不均的主要原因[7]。西龍池抽水蓄能電站地下廠房在開挖施工期間就暴露出滲水問題，主廠房頂拱特別是斷層、裂隙發(fā)育部位滲漏水現(xiàn)象明顯[8]。工程擾動(dòng)不可避免地會(huì)引起地下洞室圍巖發(fā)生微裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通，形成圍巖損傷區(qū)；巖體損傷造成巖體力學(xué)性能劣化的同時(shí)，還會(huì)對(duì)巖體滲透性能造成顯著影響，斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶往往是抽水蓄能電站廠房圍巖損傷和滲漏嚴(yán)重區(qū)，不利于廠房圍巖穩(wěn)定[9-11]。

近年來，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)由于能夠有效地捕捉巖體內(nèi)發(fā)生的微破裂信號(hào)而被廣泛應(yīng)用于煤礦[12]、地下水封石油洞庫(kù)[13]、隧道[14]等大型巖體工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中，取得十分顯著的效果。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能很好地探明深部巖體的不利地質(zhì)構(gòu)造以及識(shí)別施工擾動(dòng)下圍巖內(nèi)巖石微破裂的演化聚集規(guī)律，從而對(duì)巖體損傷區(qū)進(jìn)行識(shí)別[15-16]。目前，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)尚未應(yīng)用于國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站地下廠房的開挖過程。

本文以牡丹江荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖為工程背景，構(gòu)建抽水蓄能電站地下廠房洞室群微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開挖卸荷過程中地下廠房圍巖內(nèi)的微震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析?；陂_挖階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析微震活動(dòng)的時(shí)空演化規(guī)律，識(shí)別地下廠房圍巖損傷區(qū)域，建立施工響應(yīng)及地質(zhì)構(gòu)造與微震活動(dòng)特征之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，以期為抽水蓄能電站地下廠房開挖施工和支護(hù)防滲提供參考依據(jù)。

1 荒溝抽水蓄能電站廠區(qū)工程背景

1.1 工程概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市三道河子鄉(xiāng)境內(nèi)，利用三道河右岸山間洼地修建總庫(kù)容為1 161×104m3的上水庫(kù)，最大水頭達(dá)445.6 m，總裝機(jī)容量為1 200 MW。地下廠房系統(tǒng)位于輸水隧洞中部上方的山體內(nèi)，主廠房、主變洞和尾閘室3大主洞室從上游至下游依次平行布置，洞軸線方位為NW311°。主廠房開挖尺寸為143.0 m×26.5 m×55.3 m(長(zhǎng)×寬×高，下同)，副廠房開挖尺寸為19.5 m×25.0 m×45.6 m，開挖全長(zhǎng)163.2 m，拱頂高程為178.6 m。主變洞開挖尺寸為127.1 m×21.2 m×28.1 m,拱頂高程為175.2 m。尾閘室開挖尺寸為94.9 m×11.4 m×20.3 m，拱頂高程為159.2 m。

主廠房與主變洞通過4條垂直廠房縱軸線的母線洞相連，洞室間巖體厚度為37.45 m。尾閘室與主變洞之間巖體厚度為28.05 m。3層排水廊道環(huán)繞3大洞室，形成“大跨度、高邊墻、多洞室交叉”的復(fù)雜地下洞室群，其分布如圖1所示。

Fig. 1 Layout of underground powerhouse caverns at Huanggou pumped-storage power station

1.2 地質(zhì)條件及施工方案

地下廠房沿2#輸水隧洞軸線地質(zhì)剖面如圖2所示，地下廠房洞室群最大垂直埋深為310 m，廠區(qū)為切割不深的低山地形，地表地形坡度為20°～40°，表層為第四系松散層第②層混合土碎石。地下廠房區(qū)域基巖為華力晚期白崗花崗巖，開挖出露圍巖主要為新鮮白崗花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬、完整，屬于Ⅱ類圍巖，根據(jù)波速測(cè)試資料顯示其縱波波速為5.0～5.3 km/s。地下水位線高于頂拱約290 m，外水壓力較大，廠區(qū)以基巖裂隙水為主，其透水性受裂隙發(fā)育程度與填充物影響較大。廠區(qū)有f31、f32、f33、f344條陡傾角斷層通過，斷層的主要組成為碎屑夾泥，主廠房區(qū)陡傾角節(jié)理較發(fā)育，緩傾角節(jié)理偶有分布，主要結(jié)構(gòu)面與廠房邊墻赤平投影分析如圖3所示。

圖2 廠區(qū)沿2#輸水隧洞軸線地質(zhì)剖面

圖3 主廠房邊墻主要結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

地應(yīng)力測(cè)試綜合結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力方向約為N71°W，量值為12.2 MPa，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力大小接近，分別為6.5 MPa和5.7 MPa，屬于中等地應(yīng)力量級(jí)。

廠區(qū)各廊道、洞室的開挖采用鉆爆法施工，排水廊道以全斷面施工為主，3大洞室因斷面大實(shí)施分步開挖法，中部采用梯段爆破開挖，周邊采取光面爆破或預(yù)裂爆破開挖。主廠房分7層逐層開挖，頂部向底部依次開挖高度為10、8、8.1、6.6、7.4、7.5、6.2 m。截至2017年9月中旬微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，主廠房第Ⅲ層、主變洞、排水廊道以及交通、通風(fēng)洞基本開挖完成，尾閘室與母線洞開挖過半(見圖4)。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，主廠房上游側(cè)的排水廊道內(nèi)曾出現(xiàn)不同程度的片幫掉塊甚至輕微巖爆現(xiàn)象。構(gòu)建3大洞室位于微震監(jiān)測(cè)陣列臺(tái)網(wǎng)內(nèi)的抽水蓄能電站地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下廠房后續(xù)開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 地下廠房開挖方案示意圖

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由加速度傳感器、Paladin信號(hào)采集系統(tǒng)和Hyperion數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分組成。布置在地下廠房洞室圍巖內(nèi)的傳感器接受到巖石微破裂釋放的彈性波信號(hào)后，經(jīng)電纜傳輸至Paladin信號(hào)采集系統(tǒng)，電信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于Hyperion數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)供用戶處理分析，借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分析中心和決策部門之間實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互。采用的G1030檢波傳感器為不銹鋼材質(zhì)的單分量信號(hào)接收探頭，直徑和長(zhǎng)度分別為32 mm和146 mm，敏感度為30 V/g，頻率響應(yīng)范圍為50～5 000 Hz，能更好地適應(yīng)荒溝電站中等地應(yīng)力特點(diǎn)。Paladin信號(hào)采集系統(tǒng)采樣頻率為20 000 Hz，采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換和閾值觸發(fā)。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度情況和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求，在基本開挖完的上、中層排水廊道和主變洞不同高程的邊墻上安裝18個(gè)加速度傳感器,高密度傳感器空間陣網(wǎng)同時(shí)覆蓋廠房3大洞室。上層排水廊道安裝6個(gè)傳感器，中層排水廊道安裝8個(gè)傳感器，其余4個(gè)傳感器布置在主變洞上下游邊墻以及洞口處，采用三維空間陣列式分布。傳感器安裝孔徑為40 mm，孔深3.5 m左右，角度近水平開口朝下，安裝時(shí)傳感器通過錨桿樹脂固定在孔底，借助螺釘和固化后的樹脂采集巖體內(nèi)的彈性波信號(hào)。

圖5 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 定位誤差及波形識(shí)別

2017年9月28—29日，在地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器陣列空間內(nèi)選取9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行人工敲擊試驗(yàn)，記錄下敲擊時(shí)間、敲擊位置、捕獲的敲擊波形。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告資料中地下廠房圍巖波速測(cè)定結(jié)果，設(shè)定系統(tǒng)P波波速為4 700～5 500 m/s的17種不同波速，計(jì)算不同P波波速下敲擊試驗(yàn)的定位誤差，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)P波波速為5 150 m/s時(shí)，系統(tǒng)定位平均誤差值最小為5.4 m(見表1)，能夠控制在6 m以內(nèi)，滿足工程微震監(jiān)測(cè)定位精度要求。

圖6 不同P波波速下敲擊點(diǎn)與定位結(jié)果誤差關(guān)系曲線

Fig. 6 Relationship between knocking points and microseismic monitoring errors under different P-wave velocity conditions

地下廠房開挖采用鉆爆法施工，爆破、風(fēng)鉆預(yù)裂等施工擾動(dòng)產(chǎn)生大量噪聲信號(hào)。運(yùn)用ESG系統(tǒng)自帶的震源機(jī)制解析模塊和時(shí)頻分析技術(shù)，對(duì)地下廠房開挖過程中采集到的微震信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分類： 人工敲擊波形見圖7(a)； 巖石微破裂波形見圖7(b)； 風(fēng)鉆鉆孔波形見圖7(c)； 開挖爆破波形見圖7(d)。

3 地下廠房圍巖微震活動(dòng)特征及穩(wěn)定性分析

3.1 微震活動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律

荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2017年9月30日調(diào)試完成并投入監(jiān)測(cè)。截至2017年12月31日，在有效空間范圍內(nèi)共監(jiān)測(cè)到巖石微破裂事件(微震，下同)339個(gè)，爆破事件126個(gè)。微震活動(dòng)時(shí)間分布規(guī)律如圖8所示。由圖可以看出： 10月地下廠房處于停工期，微震事件很少發(fā)生； 11月初恢復(fù)施工，對(duì)主廠房中部安裝間進(jìn)行開挖，微震事件增多，頻率小于10個(gè)/d； 12月初主廠房持續(xù)開挖爆破，同時(shí)母線洞和1#上層壓力鋼管也在進(jìn)行開挖，施工強(qiáng)度大，微震事件頻率出現(xiàn)激增，最大達(dá)到24個(gè)/d； 12月下旬廠房施工以邊墻支護(hù)修邊為主，微震事件頻率有所降低。

表1 P波波速為5 150 m/s時(shí)人工敲擊定位誤差

(a) 人工敲擊波形

(b) 巖石微破裂波形

(c) 風(fēng)鉆鉆孔波形

(d) 開挖爆破波形

圖8 微震活動(dòng)時(shí)間分布規(guī)律(2017年)

繪制三維洞室群模型并導(dǎo)入ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更直觀地對(duì)微震活動(dòng)空間分布規(guī)律進(jìn)行分析，如圖9所示。圖中圓球表示地下廠房圍巖內(nèi)巖石微震事件，圓球的顏色和大小分別表示矩震級(jí)和能量，矩震級(jí)分布在-0.8～-1.6。微震事件主要分布于廠房上游邊墻以頂拱高程180.0 m為上盤、以高程152.0 m為下盤呈條帶狀分布(微震聚集區(qū)Ⅰ)和主廠房下游邊墻靠近安裝間的端墻 (微震聚集區(qū)Ⅱ)。

圖9 微震事件空間分布規(guī)律

微震事件時(shí)空演化規(guī)律表明微震活動(dòng)與施工動(dòng)態(tài)存在一定聯(lián)系。圖10示出微震監(jiān)測(cè)期間地下廠房的開挖爆破強(qiáng)度以及不同時(shí)段內(nèi)的微震活動(dòng)特性。從圖中可以看出： 微震事件累計(jì)數(shù)與爆破事件累計(jì)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，持續(xù)開挖爆破事件越多，微震事件累計(jì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)越快，微震活動(dòng)頻繁，這說明荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中圍巖的微震活動(dòng)受施工擾動(dòng)影響明顯。微震事件多發(fā)生在施工爆破點(diǎn)附近臨空面的圍巖內(nèi)，其遷移演化規(guī)律與施工工作面推進(jìn)過程一致。10月為開挖停工期，微震事件零星分布，少量聚集在開挖點(diǎn)下游邊墻底部(見圖10(a))；11月恢復(fù)施工，主廠房以中間梯段爆破為主，微震事件在廠房右側(cè)安裝間端墻和主廠房上游側(cè)頂拱2處洞室結(jié)構(gòu)薄弱部位有發(fā)育積聚成核的跡象(見圖10(b))；12月工作面向前推進(jìn)，微震事件在工作面附近主廠房上游邊墻及拱肩大量聚集形成條帶狀，微震成核跡象明顯且呈發(fā)散狀擴(kuò)展(見圖10(c))。由圖10可以看出，在持續(xù)開挖爆破的擾動(dòng)下，圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整，誘發(fā)大量微震事件，主廠房上游邊墻逐漸形成微震事件聚集區(qū)。對(duì)于開挖擾動(dòng)下的微震活動(dòng)聚集，后續(xù)開挖施工應(yīng)注意控制開挖進(jìn)度以及爆破強(qiáng)度，持續(xù)關(guān)注廠房上游側(cè)邊墻并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

圖10 施工擾動(dòng)影響下的微震活動(dòng)特性(2017年)

3.2 主廠房圍巖潛在損傷區(qū)識(shí)別

基于能量耗散原理，一次伴隨能量釋放的巖石微破裂代表著一次巖體輕微的損傷，隨著巖石微震事件的演化聚集表示圍巖巖體損傷加劇。微震釋放的能量是微震監(jiān)測(cè)的基本參數(shù)，其大小可以作為識(shí)別圍巖巖體損傷區(qū)域的重要依據(jù)。通過分析地下廠房開挖過程的微震能量密度(見圖11)可以看出，主廠房上游邊墻頂拱樁號(hào)廠左0+20 m至廠左0+80 m段(即微震聚集區(qū)Ⅰ)微震事件聚集且發(fā)生高能量釋放，開挖卸荷作用下該處圍巖的巖體損傷程度最嚴(yán)重，是主廠房圍巖存在局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域；而12月下旬通過排水廊道內(nèi)的實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，微震能量高釋放區(qū)域內(nèi)的中層排水廊道內(nèi)側(cè)邊墻多處出現(xiàn)了開裂、片幫及掉塊的現(xiàn)象(圖11中a在樁號(hào)廠左0+75 m; 圖11中b在樁號(hào)廠左0+60 m；圖11中c在樁號(hào)廠左0+45 m)。中層排水廊道內(nèi)發(fā)生的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象都位于微震活動(dòng)劇烈區(qū)域內(nèi)，片幫掉塊處的圍巖出露節(jié)理發(fā)育，圍巖沿著節(jié)理發(fā)生明顯層狀剝落，而且圖11中c處有斷層f34穿過，分析認(rèn)為微震活動(dòng)劇烈不僅受施工擾動(dòng)影響，還與圍巖內(nèi)斷層破碎帶以及節(jié)理發(fā)育相關(guān)。

高能量釋放區(qū)域的微震活動(dòng)呈明顯的條帶狀分布，建立地下廠房區(qū)斷層微震研究的三維模型(見圖12)對(duì)此進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)： 微震事件聚集區(qū)Ⅰ的分布與斷層f34的走向一致，說明主廠房上游側(cè)邊墻圍巖中的斷層破碎帶在施工擾動(dòng)影響下發(fā)生進(jìn)一步損傷，微震活動(dòng)沿著斷層走向在樁號(hào)廠左0+20 m至廠左0+80 m段演化聚集。結(jié)合圖11現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析發(fā)現(xiàn)，微震活動(dòng)“遷移”至中層排水廊道圍巖斷層出露及節(jié)理發(fā)育處，導(dǎo)致中層排水廊道圍巖出現(xiàn)宏觀失穩(wěn)的現(xiàn)象。據(jù)此，圈定主廠房上游邊墻頂拱樁號(hào)廠左0+20 m至廠左0+80 m段是圍巖潛在損傷區(qū)域，這與楊慶等[17]基于塊體理論的荒溝地下廠房可能失穩(wěn)塊體區(qū)域相吻合。

圖11 基于微震能量密度云圖的損傷區(qū)域識(shí)別

Fig. 11 Damage region identification based on microseismic energy density cloud

(a) 微震事件與斷層位置關(guān)系

(b) 斷層分析模型的微震能量損傷云圖

4 結(jié)論與討論

通過構(gòu)建牡丹江荒溝抽水蓄能電站地下廠房微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)強(qiáng)開挖卸荷作用下地下廠房洞室群圍巖內(nèi)部巖體微破裂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)合荒溝抽水蓄能電站地下廠房開挖期間實(shí)地勘探分析和微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1) 首次將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于抽水蓄能電站地下廠房開挖，地下廠房3大洞室位于傳感器三維空間陣列式臺(tái)網(wǎng)內(nèi)。通過人工定點(diǎn)敲擊試驗(yàn)確定監(jiān)測(cè)區(qū)域巖體整體等效波速為5 150 m/s，定位誤差在6 m以內(nèi)，能夠滿足地下工程微震監(jiān)測(cè)定位精度要求。

2) 從地下廠房微震活動(dòng)性時(shí)空演化規(guī)律看，有效監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)圍巖微破裂主要集中在地質(zhì)構(gòu)造斷層發(fā)育區(qū)域(微震聚集區(qū)Ⅰ)和地下廠房洞室結(jié)構(gòu)薄弱部位(微震聚集區(qū)Ⅱ)。微震事件聚集區(qū)域Ⅰ位于高程150～180 m的主廠房上游邊墻樁號(hào)廠左0+20 m至廠左0+80 m段，微震事件聚集區(qū)域Ⅱ位于廠房安裝間底端靠近主廠房邊墻處。

3) 地下廠房微震活動(dòng)性受施工擾動(dòng)影響明顯，持續(xù)爆破強(qiáng)度大，則微震活動(dòng)頻繁。微震聚集區(qū)域Ⅰ呈條帶狀分布，與斷層f34走向基本吻合。開挖卸荷作用下，主廠房圍巖應(yīng)力調(diào)整，向廠房上游邊墻附近斷層f34區(qū)域轉(zhuǎn)移和集中，高能量釋放造成圍巖損傷加劇，據(jù)此圈定主廠房上游邊墻頂拱樁號(hào)廠左0+20 m至廠左0+80 m段是圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為地下洞室后續(xù)開挖和支護(hù)防滲提供參考依據(jù)。

微震監(jiān)測(cè)作為一種三維“體”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，能夠及時(shí)對(duì)抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中洞室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行有效反饋，然而對(duì)荒溝地下廠房圍巖失穩(wěn)機(jī)制尚不明確。后期需結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)其失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行研究。