雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)及方法，包括微震感知裝置、至少一個信號采集分站、以及數(shù)據(jù)處理終端；微震感知裝置用于在雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測雙曲拱壩各個區(qū)域的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送給信號采集分站，信號采集分站用于對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端，數(shù)據(jù)處理終端用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù)據(jù)。本發(fā)明首次將微震監(jiān)測技術(shù)應用于水利水電混凝土雙曲拱壩監(jiān)測中，根據(jù)微震監(jiān)測的分析結(jié)果推斷出雙曲拱壩蓄水期壩體中的危險區(qū)域，有利于積累和完善雙曲拱壩蓄水運營期間的穩(wěn)定性監(jiān)測，具有可持續(xù)的經(jīng)濟效益和社會效益。
【專利說明】
雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及水利水電技術(shù)領域，尤其涉及一種雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國水利水電行業(yè)的高速發(fā)展，普通石壩、低拱壩已經(jīng)無法滿足發(fā)電需求，建 造高拱壩已成為如今水利水電行業(yè)的發(fā)展趨勢，并已經(jīng)廣泛應用建設于世界各國。其中具 有代表性的為1937年在美國科羅拉多河流域建成的壩高221.4m的胡佛拱壩，其壩高由當時 的百余米提高到200m。高拱壩不但可以抵御水沙壓力以及其他荷載，其較高的壩體所產(chǎn)生 的水頭差異極大的增加了電站的發(fā)電量，使得有限的水資源得到充分的利用。高拱壩水電 站一旦蓄水期壩體出現(xiàn)問題，將帶來難以挽救的損失。
[0003] 近年來，隨著我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略方針，充分利用清潔能源，越來越多的高拱 壩建筑造福于社會。如：大渡河上的猴子巖、大崗山等;瀾滄江上的糯扎渡、小灣等;雅礱江 上的錦屏一級、錦屏二級等大型水電工程項目。蓄水期大壩拱冠梁區(qū)域的安全是大壩蓄水 的重要環(huán)節(jié)。
[0004] 混凝土雙曲拱壩由于自身重力巨大，加之澆筑過程中的水化放熱，庫水沖刷等作 用使得大壩產(chǎn)生諸多裂縫?，F(xiàn)有的溫度計、測縫計以及外觀位移監(jiān)測大多都是以變形量、 變形速度、變形加速度等指標判斷，通過位移曲線的變化趨勢進行時間概念上的壩體變形 推斷預測研究。這些方法不能分析壩體本身宏觀破壞前巖體微震活動的孕育、演化、繁衍、 相互作用直至貫通破壞的影響，更難再現(xiàn)壩體微小破裂誘發(fā)宏觀破壞的發(fā)展規(guī)律。
[0005] 研究認為:壩體的失穩(wěn)必然與其內(nèi)部微破壞活動相關(guān)，當傳統(tǒng)監(jiān)測出現(xiàn)變化時，巖 體內(nèi)部早已產(chǎn)生大量微觀破裂。傳統(tǒng)的外觀監(jiān)測結(jié)果必然滯后其內(nèi)部微震活動，這樣無法 做到預警作用。微破裂是大壩巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的本質(zhì)特征。然而，目前廣泛應用的GPS、溫 度計、多點位移計、收斂計等測量技術(shù)以位移變形等表觀信息為監(jiān)測對象，但對于大壩巖體 內(nèi)部可能存在的微破裂往往束手無策。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙曲拱壩微震監(jiān)測 系統(tǒng)及方法，首次將微震監(jiān)測技術(shù)應用于水利水電混凝土雙曲拱壩監(jiān)測中，研究雙曲拱壩 蓄水過程中壩體的微破裂演化機制，為大壩蓄水安全工作提供預測和參考。
[0007] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，包括微震感知裝置、與所述微震感知裝置相連的至 少一個信號采集分站、以及與所述信號采集分站相連的數(shù)據(jù)處理終端；
[0009] 所述微震感知裝置用于在所述雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩各 個區(qū)域的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送給所述信號采集分站，所述信號采集分站用于 對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給所述數(shù)據(jù)處理終端，所述 數(shù)據(jù)處理終端用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù)據(jù)。
[0010]優(yōu)選地，所述微震感知裝置包括多個排列為空間陣列的加速度傳感器，所述加速 度傳感器用于探測所述雙曲拱壩在各個區(qū)域的微震信號。
[0011]優(yōu)選地，所述加速度傳感器為單軸加速度傳感器，每六個所述單軸加速度傳感器 為一組，在每組中，三個所述單軸加速度傳感器設置在所述雙曲拱壩的壩踵區(qū)，另外三個所 述單軸加速度傳感器設置在所述雙曲拱壩的壩趾區(qū)。
[0012] 優(yōu)選地，所述信號采集分站包括與所述微震感知裝置相連的信號采集器和與所述 信號采集器相連的存儲器，所述信號采集器用于對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述存儲 器用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行存儲。
[0013] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理終端包括數(shù)據(jù)處理器和與所述數(shù)據(jù)處理器遠程交互的分析 中心，所述數(shù)據(jù)處理器用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行篩選，提取出符合微震分析條件的信號發(fā) 送給所述分析中心，所述分析中心用于根據(jù)提取的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū) 域的微震演化數(shù)據(jù)。
[0014] 優(yōu)選地，所述微震感知裝置與所述信號采集分站之間采用電纜進行連接，所述信 號采集分站與所述數(shù)據(jù)處理終端之間采用雙絞線或光纖進行連接。
[0015] -種基于上述雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)的微震監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0016] 微震感知裝置在雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩各個區(qū)域的微震 信號，并將所述微震信號發(fā)送給信號采集分站；
[0017] 所述信號采集分站對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送 給數(shù)據(jù)處理終端；
[0018] 所述數(shù)據(jù)處理終端對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演 化數(shù)據(jù)。
[0019] 優(yōu)選地，所述微震感知裝置包括多個排列為空間陣列的加速度傳感器，所述微震 監(jiān)測方法還包括設置所述加速度傳感器的步驟，該步驟包括：
[0020] 結(jié)合所述雙曲拱壩的洞室情況、地質(zhì)條件、以及斷層狀態(tài)，確定所述加速度傳感器 的安裝位置；
[0021] 根據(jù)所述加速度傳感器的特性參數(shù)和預設噪聲門限，確定安裝所述加速度傳感器 時鉆孔的位置、角度和深度；
[0022] 安裝所述加速度傳感器，并對所述加速度傳感器和所述信號采集分站進行布線連 接。
[0023] 優(yōu)選地，所述微震監(jiān)測方法還包括在安裝所述加速度傳感器之前進行的：
[0024] 檢查鉆孔孔底的成孔情況，包括:成孔位置、孔深、孔仰角和孔光滑度；
[0025]測量孔口的實際三維坐標，并通過幾何關(guān)系計算出孔底的三維坐標，用于后續(xù)進 行對微震區(qū)域的定位。
[0026] 優(yōu)選地，在對所述加速度傳感器和所述信號采集分站進行布線連接的步驟中，所 述加速度傳感器和所述信號采集分站之間通過電纜進行連接，所述電纜靠近所述雙曲拱壩 的洞壁懸掛鋪設，所述電纜的鋪設高度為2_3m，所述電纜上每隔預定距離設置有懸掛點，所 述預定距離為3-5m。
[0027] 本發(fā)明首次將微震監(jiān)測技術(shù)應用于水利水電混凝土雙曲拱壩監(jiān)測中，構(gòu)建了用于 實時分析水利水電混凝土雙曲拱壩的微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過對蓄水期間雙曲拱壩各區(qū)域的微 震情況進行監(jiān)測分析，形成了一套以微震監(jiān)測為主的雙曲拱壩失穩(wěn)演化機理分析方法，根 據(jù)微震監(jiān)測的分析結(jié)果有針對性地推斷出混凝土雙曲拱壩蓄水期壩體中的危險區(qū)域，有利 于逐步積累和完善混凝土雙曲拱壩蓄水運營期間的穩(wěn)定性監(jiān)測和分析技術(shù)，具有可持續(xù)的 經(jīng)濟效益和社會效益，為我國大型水利水電混凝土雙曲拱壩的建造提供了重要的參考依 據(jù)。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例所提供的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖2a和圖2b為本發(fā)明實施例中加速度傳感器的布設示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明實施例中不同P波波速條件下敲擊試驗點與微震事件定位誤差關(guān)系 曲線圖。
[0031] 圖中：1、微震感知裝置；11、加速度傳感器;2、信號采集分站;21、信號采集器;22、 存儲器;3、數(shù)據(jù)處理終端;31、數(shù)據(jù)處理器;32、分析中心。
【具體實施方式】
[0032] 下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
[0033] 本發(fā)明首先提供了一種雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括微震感知 裝置1、與微震感知裝置1相連的至少一個信號采集分站2、以及與信號采集分站2相連的數(shù) 據(jù)處理終端3;
[0034] 其中，微震感知裝置1用于在所述雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩 各個區(qū)域的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送給信號采集分站2,信號采集分站2用于對所 述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端3,數(shù)據(jù)處理終端 3用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù)據(jù)。
[0035] 巖體的破裂過程分析不同于巖石或巖體中的應力場分析，它涉及到巖石從變形、 損傷演化到宏觀失穩(wěn)破裂的全過程分析。微震(微破裂)活動是大壩混凝土巖體發(fā)生宏觀破 壞的前兆，且蓄水期大壩巖體災變孕育過程中的應力積累、應力釋放和應力迀移的演化模 式與微震時空分布具有一致的規(guī)律性，即：大部分具有較高能量釋放的微震活動都分布在 高應力積累區(qū)。本發(fā)明對混凝土雙曲壩壩體損傷的認識建立在更牢固的物理力學背景之 上，即：壩體破壞是基于大壩混凝土內(nèi)部微震(微破裂)活動的孕育、演化、繁衍直至產(chǎn)生宏 觀裂縫的結(jié)果，可以很好地揭示大壩壩體發(fā)生破壞機理。
[0036] 這里的微震演化數(shù)據(jù)主要包括:大壩微震活動的主要分布范圍、擾動區(qū)域和能量 集中區(qū)域，進而為大壩蓄水安全工作提供預測和參考。
[0037] 本發(fā)明首次將微震監(jiān)測技術(shù)應用于水利水電混凝土雙曲拱壩監(jiān)測中，構(gòu)建了用于 實時分析水利水電混凝土雙曲拱壩的微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過對蓄水期間雙曲拱壩各區(qū)域的微 震情況進行監(jiān)測分析，根據(jù)微震監(jiān)測的分析結(jié)果有針對性地推斷出混凝土雙曲拱壩蓄水期 壩體中的危險區(qū)域，有利于逐步積累和完善混凝土雙曲拱壩蓄水運營期間的穩(wěn)定性監(jiān)測 和分析技術(shù)，具有可持續(xù)的經(jīng)濟效益和社會效益，為我國大型水利水電混凝土雙曲拱壩的 建造提供了重要的參考依據(jù)。
[0038] 本發(fā)明所提供的微震監(jiān)測系統(tǒng)在具體實施過程中，可以包括以下幾個方面的內(nèi) 容:混凝土雙曲拱壩微震監(jiān)測結(jié)構(gòu)的搭設，圍巖彈性力學參數(shù)及其波速特征的研究，混凝土 雙曲拱壩微震信號智能采集，微震檢測器、數(shù)據(jù)通訊單元和計算單元的設計，數(shù)據(jù)處理和圖 像顯示部分的設計，根據(jù)分析結(jié)果對混凝土雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)的完善等，從而達到實 時監(jiān)測預警的效果。
[0039] 優(yōu)選地，如圖1所示，微震感知裝置包括多個排列為空間陣列的加速度傳感器11， 加速度傳感器11用于探測所述雙曲拱壩在各個區(qū)域的微震信號。
[0040] 優(yōu)選地，加速度傳感器11為單軸加速度傳感器，每六個所述單軸加速度傳感器為 一組，在每組中，三個所述單軸加速度傳感器設置在所述雙曲拱壩的壩踵區(qū)，另外三個所述 單軸加速度傳感器設置在所述雙曲拱壩的壩趾區(qū)，以對大壩的微震變化情況進行全面的監(jiān) 測 。
[0041] 進一步地，信號采集分站2包括與微震感知裝置1相連的信號采集器21和與信號采 集器21相連的存儲器22,信號采集器21用于對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲器22用于 對轉(zhuǎn)換后的信號進行存儲。
[0042]這里的信號采集器21可以是24位A/D轉(zhuǎn)換器。
[0043] 進一步地，數(shù)據(jù)處理終端3包括數(shù)據(jù)處理器31和與數(shù)據(jù)處理器31遠程交互的分析 中心32,數(shù)據(jù)處理器31用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行篩選，提取出符合微震分析條件的信號發(fā) 送給分析中心32,分析中心32用于根據(jù)提取的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的 微震演化數(shù)據(jù)。
[0044] 優(yōu)選地，微震感知裝置1與信號采集分站2之間采用電纜進行連接，信號采集分站2 與數(shù)據(jù)處理終端3之間采用雙絞線或光纖進行連接。此外，數(shù)據(jù)處理器31與分析中心32之間 可以通過無線通訊模式進行信息交互，以方便現(xiàn)場指揮和后臺處理。
[0045] 相應地，本發(fā)明還提供了一種基于上述雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)的微震監(jiān)測方法， 其特征在于，包括以下步驟：
[0046]微震感知裝置在雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩各個區(qū)域的微震 信號，并將所述微震信號發(fā)送給信號采集分站；
[0047]所述信號采集分站對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送 給數(shù)據(jù)處理終端；
[0048]所述數(shù)據(jù)處理終端對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演 化數(shù)據(jù)。
[0049] 本發(fā)明首次將微震監(jiān)測技術(shù)應用于水利水電混凝土雙曲拱壩監(jiān)測中，通過對蓄水 期間雙曲拱壩各區(qū)域的微震情況進行監(jiān)測分析，形成了一套以微震監(jiān)測為主的雙曲拱壩失 穩(wěn)演化機理分析方法，具有可持續(xù)的經(jīng)濟效益和社會效益，為大型水利水電混凝土雙曲拱 壩的建造提供了重要的參考依據(jù)。
[0050] 優(yōu)選地，所述微震感知裝置包括多個排列為空間陣列的加速度傳感器，所述微震 監(jiān)測方法還包括設置所述加速度傳感器的步驟，該步驟包括：
[0051] 結(jié)合所述雙曲拱壩的洞室情況、地質(zhì)條件、以及斷層狀態(tài)，確定所述加速度傳感器 的安裝位置；
[0052] 根據(jù)所述加速度傳感器的特性參數(shù)和預設噪聲門限，確定安裝所述加速度傳感器 時鉆孔的位置、角度和深度；
[0053]安裝所述加速度傳感器，并對所述加速度傳感器和所述信號采集分站進行布線連 接。
[0054]也就是說，在本發(fā)明中，加速度傳感器的布設原則如下：
[0055]首先，各個加速度傳感器須形成良好的三維空間陣列。
[0056]根據(jù)微震監(jiān)測設備的特點，為了達到較好的監(jiān)測效果，實現(xiàn)精確的三維事件定位， 加速度傳感器布置必須形成良好的三維空間陣列，同時要結(jié)合現(xiàn)場的實際洞室情況和地質(zhì) 條件，充分考慮斷層對微震信號的影響合理布置。
[0057]其次，鉆孔角度深度要合理。
[0058] 考慮到加速度傳感器自身的特點和避免噪音干擾的要求，安裝加速度傳感器的鉆 孔應該選擇合理的位置、角度和深度，同時要考慮拉線、連接的方便快捷。
[0059] 最后，布線要短、快、準。
[0060] 傳感器與信號采集分站之間、信號采集分站與數(shù)據(jù)處理終端之間的布線連接要 短、快、準:短是指應該盡可能選擇最短的連接路線，縮短布線的時間，減少電纜、光纖的使 用長度;快是指安裝過程要目標明確、動作迅速、人員安排合理，節(jié)約時間和人力;準是指安 裝過程對每根電纜對應的傳感器、光纖對應的分站要準確，不能出現(xiàn)連接錯誤給系統(tǒng)調(diào)試 增加不必要的麻煩。
[0061 ]進一步地，所述微震監(jiān)測方法還包括在安裝所述加速度傳感器之前進行的：
[0062]檢查鉆孔孔底的成孔情況，包括:成孔位置、孔深、孔仰角和孔光滑度；
[0063]測量孔口的實際三維坐標，并通過幾何關(guān)系計算出孔底的三維坐標，用于后續(xù)進 行對微震區(qū)域的定位。
[0064] 為了提高監(jiān)測精度，劃分微破裂產(chǎn)生的區(qū)域，達到準確接收信號并預測預報的目 的，鉆孔方向盡量指向被監(jiān)測區(qū)域，以實現(xiàn)更合理的布置陣列。加速度傳感器將安裝于孔底 的灌漿柱頭螺栓上，須使用錨桿樹脂固定加速度傳感器，并耦合緊密。按設計方案依次安裝 好加速度傳感器，附帶柱頭螺栓(螺栓與墊圈）和紙杯。該系統(tǒng)采用不回收式安裝，安裝加速 度傳感器前，應在鉆孔口測試加速度傳感器，確保加速度傳感器工作正常。用快速凝固樹脂 和水下粘結(jié)劑固定到孔底，利用安裝桿安裝，把加速度傳感器電纜穿過加速度傳感器安裝 工具的孔，用安裝桿將加速度傳感器滑向鉆孔底部，并固定4~5分鐘；等凝固后，小心移出 安裝桿和工具，最后通過專用連接盒把加速度傳感器連接到通信電纜上。
[0065] 為了預防車輛通過和現(xiàn)場施工對加速度傳感器造成影響，加速度傳感器安裝孔孔 口應用泡沫或水泥砂漿封閉。鉆孔的直徑最好為42mm，考慮到鉆孔設備的實際情況，將鉆 孔直徑也可以為50mm;鉆孔的深度為3m左右。施工時，需按設計方案位置鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場實 際情況，可以對加速度傳感器的鉆孔位置稍作調(diào)整。
[0066] 加速度傳感器安裝于孔底，安裝加速度傳感器前應全面檢查孔底成孔情況，包括： 成孔位置、孔深、孔仰角、孔光滑度等，鉆孔之后必須用水把孔內(nèi)的巖石殘渣沖刷干凈。鉆孔 之后，量測實際鉆孔的準確孔口三維坐標，并通過幾何計算獲得各個孔底的三維坐標。這些 孔底坐標要輸入系統(tǒng)軟件參與定位計算，將會直接影響到最后的微震事件定位，所以，測量 和計算數(shù)據(jù)需要盡量準確。
[0067] 進一步地，在對所述加速度傳感器和所述信號采集分站進行布線連接的步驟中， 所述加速度傳感器和所述信號采集分站之間通過電纜進行連接，所述電纜靠近所述雙曲拱 壩的洞壁懸掛鋪設，所述電纜的鋪設高度為2-3m，所述電纜上每隔預定距離設置有懸掛點， 所述預定距離為3_5m。
[0068] 此外，加速度傳感器安裝處視現(xiàn)場環(huán)境預留一定長度的電纜，約10m。電纜布置時， 應不損壞電纜的外皮，盡量避免靠近電力電纜，避免過往行人、車輛的刮蹭，減小爆破作業(yè) 等活動對電纜的影響。布置的電纜每隔一定距離和在巷道岔口處，應懸掛標志牌，視現(xiàn)場情 況而定。
[0069] 優(yōu)選地，一個信號采集分站能夠連接6個單軸加速度傳感器，實現(xiàn)信號傳輸，為了 考慮對微震監(jiān)測系統(tǒng)的綜合管理，將壩踵微震監(jiān)測所需的一個信號采集分站串聯(lián)到邊坡微 震監(jiān)測系統(tǒng)中。壩踵微震監(jiān)測所用分站都放置在高程(約1135m)平臺上游觀察房內(nèi)，各個高 程的加速度傳感器都通過通信電纜(外套白膠管沿邊坡)連接到各自在集裝箱內(nèi)的對應分 站，分站和數(shù)據(jù)處理終端之間用光纖連接。
[0070] 下面以一個具體的實施例對本發(fā)明進行詳細的闡述。
[0071] 大崗山水電站壩址位于四川省大渡河中游上段雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)，上下游 分別與規(guī)劃的硬梁包電站、龍頭石電站水庫相連，為大渡河干流規(guī)劃的22個梯級的第14個 梯級電站。壩址區(qū)域多年平均年徑流量為318.50億m 3。水庫正常蓄水位1130.00m，死水位 1120m，正常蓄水位以下庫容約7.42億m3。額定水頭160.0m，保證出力636MW，年發(fā)電量 114.30kwh〇
[0072] 水電站大壩采用混凝土雙曲拱壩形式，壩頂高程1135m，建基面高程925.0m，最大 壩高達210.0m，為提高壩體的均勻性和整體性，增強其承載力和防震性能，拱壩采用高標號 混凝土進行分區(qū)澆筑。壩體分為29個壩段，其中壩段為拱冠梁壩段，期間設置2個導 流底孔、4個泄洪深孔，多條廊道橫貫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜。壩體拱冠梁區(qū)域除了承受自重、壩基 的靜態(tài)揚壓力、泥沙壓力、浪壓力等荷載，還承受著由于水位不斷變化所產(chǎn)生的變化的動態(tài) 揚壓力。隨著水位的不斷上升，拱冠梁上游區(qū)域壩體最大壓、拉應力均有較大增加；下游區(qū) 域的最大壓應力有所增加，而拉應力則略有減小。
[0073]壩區(qū)工程地質(zhì)較為復雜，壩基巖體主要由澄江期灰白色、微紅色中粒黑云二長花 崗巖組成，以塊狀一次塊狀結(jié)構(gòu)為主，壩基面及以下存在的較為破碎的m2類花崗巖體;壩 基花崗巖體中穿插發(fā)育上下貫通m2~V類的輝綠巖脈，如左岸巖脈β21，右岸巖脈Μ3、β8， 河床的β88等。這些不良地質(zhì)對壩體受力性態(tài)、拱座的抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定、以及基礎的滲 流控制等，均會產(chǎn)生較大影響。
[0074] 大壩的微震監(jiān)測系統(tǒng)采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，其中信號采集分站2為加拿大ESG公 司生產(chǎn)的Paladin信號采集分站、數(shù)據(jù)處理終端3位Hyperion數(shù)據(jù)處理終端。根據(jù)微震監(jiān)測 系統(tǒng)特點和現(xiàn)場工程條件，將6通道單軸加速度傳感器布設在位于大壩壩踵區(qū)部位（3個， S1、S2、S3)和大壩壩趾區(qū)部位(3個，S4、S5、S6)，對蓄水過程中大壩巖體產(chǎn)生的微破裂信號 進行全天24小時監(jiān)測，如圖2a和圖2b所示。
[0075] 大崗山大壩微震監(jiān)測系統(tǒng)采用整體波速模型進行事件定位。為了測試監(jiān)測系統(tǒng)的 精度以及整體波速，在大壩937高程、940高程廊道內(nèi)進行敲擊試驗，確定大壩整體波速模型 及系統(tǒng)定位精度，敲擊試驗結(jié)果見表1。由圖3可以看出，壩體整體P波波速為4200m/s時，系 統(tǒng)平均定位誤差最小，結(jié)合表1可知此時的敲擊試驗最大誤差為8m，說明大壩微震監(jiān)測系統(tǒng) 整體定位誤差控制在8m以內(nèi)，可以滿足工程現(xiàn)場的要求。
[0076] 表1大壩微震加速度傳感器布設位置及空間描述
[0077]
[0078] (電纜長度總計約9100m，取10000m，光纜長度總計約2750m，取3000m)
[0079] 大崗山水電站進行二期蓄水期間，蓄水位從1030m升至1120m高程，在此期間，通過 濾波處理和噪聲識別，共獲取拱壩壩體內(nèi)微震事件41個，監(jiān)測到的微破裂事件主要分布在 壩體拱冠梁區(qū)域940m~1135m高程，呈條帶狀分布的特征，相對集中于979m~1081m高程，且 中間和靠近下游位置事件較為集中，分析認為是由下游深孔與底孔排布泄洪時產(chǎn)生的振動 引起的。能量的集中區(qū)域主要分布在940m~1081m高程，其中壩基下游區(qū)域是高能量集中 區(qū)，并有從壩基到壩頂逐步擴散的趨勢，表明隨著水位的升高，壩體揚壓力增大，產(chǎn)生應力 調(diào)整，誘發(fā)位于拱冠梁區(qū)域940m~1081m高程混凝土微破裂事件的萌生和集中，并造成高能 量釋放。
[0080] 對比蓄水前和蓄水期的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)拱冠梁區(qū)域微震事件數(shù)量明顯增多。 蓄水前微破裂事件主要分布在拱冠梁靠近壩基(937m~979m高程)位置，而隨著水位逐漸上 升，微震事件空間位置也隨之較多的出現(xiàn)在拱冠梁區(qū)域較高高程，呈現(xiàn)向較高高程分布擴 散分布，中低高程聚集的趨勢;能量的釋放范圍也從壩基擴散到大面積的拱冠梁區(qū)域，并且 集中在940m~1081m高程，能量集中區(qū)域的迀移和聚集標識著拱冠梁危險區(qū)域的范圍變化。
[0081]本發(fā)明通過構(gòu)建水電站蓄水期大壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，獲取了蓄水水位動態(tài)變化狀態(tài) 下的拱壩巖體微震活動性規(guī)律，揭示了拱冠梁部位為蓄水期大壩潛在危險區(qū)域。通過微震 活動性時空分布規(guī)律，準確的表述出蓄水期間壩體應力調(diào)整釋放能量的分布趨勢，蓄水前 主要釋放于壩基區(qū)域，隨著水位的變化，能量釋放區(qū)域由壩基擴散至整個拱冠梁區(qū)域。 [0082]因此，本發(fā)明對于大型水利水電混凝土雙曲拱壩的建造提供了重要的參考價值， 具有可持續(xù)的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0083]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括微震感知裝置、與所述微震感知裝置 相連的至少一個信號采集分站、以及與所述信號采集分站相連的數(shù)據(jù)處理終端； 所述微震感知裝置用于在所述雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩各個區(qū) 域的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送給所述信號采集分站，所述信號采集分站用于對所 述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給所述數(shù)據(jù)處理終端，所述數(shù)據(jù) 處理終端用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述微震感知裝置包括 多個排列為空間陣列的加速度傳感器，所述加速度傳感器用于探測所述雙曲拱壩在各個區(qū) 域的微震信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器為單 軸加速度傳感器，每六個所述單軸加速度傳感器為一組，在每組中，三個所述單軸加速度傳 感器設置在所述雙曲拱壩的壩踵區(qū)，另外三個所述單軸加速度傳感器設置在所述雙曲拱壩 的壩趾區(qū)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采集分站包括 與所述微震感知裝置相連的信號采集器和與所述信號采集器相連的存儲器，所述信號采集 器用于對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述存儲器用于對轉(zhuǎn)換后的信號進行存儲。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理終端包括 數(shù)據(jù)處理器和與所述數(shù)據(jù)處理器遠程交互的分析中心，所述數(shù)據(jù)處理器用于對轉(zhuǎn)換后的信 號進行篩選，提取出符合微震分析條件的信號發(fā)送給所述分析中心，所述分析中心用于根 據(jù)提取的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù)據(jù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述微 震感知裝置與所述信號采集分站之間采用電纜進行連接，所述信號采集分站與所述數(shù)據(jù)處 理終端之間采用雙絞線或光纖進行連接。7. -種基于權(quán)利要求1至6中任意一項所述的雙曲拱壩微震監(jiān)測系統(tǒng)的微震監(jiān)測方法， 其特征在于，包括以下步驟： 微震感知裝置在雙曲拱壩的蓄水過程中實時監(jiān)測所述雙曲拱壩各個區(qū)域的微震信號， 并將所述微震信號發(fā)送給信號采集分站； 所述信號采集分站對所述微震信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，并將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù) 據(jù)處理終端； 所述數(shù)據(jù)處理終端對轉(zhuǎn)換后的信號進行分析，得出所述雙曲拱壩各區(qū)域的微震演化數(shù) 據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微震監(jiān)測方法，其特征在于，所述微震感知裝置包括多個排列 為空間陣列的加速度傳感器，所述微震監(jiān)測方法還包括設置所述加速度傳感器的步驟，該 步驟包括： 結(jié)合所述雙曲拱壩的洞室情況、地質(zhì)條件、以及斷層狀態(tài)，確定所述加速度傳感器的安 裝位置； 根據(jù)所述加速度傳感器的特性參數(shù)和預設噪聲門限，確定安裝所述加速度傳感器時鉆 孔的位置、角度和深度； 安裝所述加速度傳感器，并對所述加速度傳感器和所述信號采集分站進行布線連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微震監(jiān)測方法，其特征在于，所述微震監(jiān)測方法還包括在安裝 所述加速度傳感器之前進行的： 檢查鉆孔孔底的成孔情況，包括:成孔位置、孔深、孔仰角和孔光滑度； 測量孔口的實際三維坐標，并通過幾何關(guān)系計算出孔底的三維坐標，用于后續(xù)進行對 微震區(qū)域的定位。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微震監(jiān)測方法，其特征在于，在對所述加速度傳感器和所述 信號采集分站進行布線連接的步驟中，所述加速度傳感器和所述信號采集分站之間通過電 纜進行連接，所述電纜靠近所述雙曲拱壩的洞壁懸掛鋪設，所述電纜的鋪設高度為2-3m，所 述電纜上每隔預定距離設置有懸掛點，所述預定距離為3-5m。
【文檔編號】G01H17/00GK106094011SQ201610509756
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】馬克, 莊端陽, 唐春安
【申請人】馬克, 莊端陽, 唐春安