巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括設(shè)置在邊坡內(nèi)部的信號接收單元、信號采集單元、信號存儲和處理單元、分析和預(yù)警單元；信號接收單元用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并發(fā)送給信號采集單元，信號采集單元用于對微震信號進行匯集，并發(fā)送給信號存儲和處理單元，信號存儲和處理單元用于對匯集后的信號進行存儲和處理，并發(fā)送給分析和預(yù)警單元，分析和預(yù)警單元用于根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。本發(fā)明能夠?qū)﹂_挖擾動作用下高陡巖質(zhì)邊坡微震活動進行實時監(jiān)測和分析，并對邊坡失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警，工作效率高，成本低，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】
巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水利水電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān) 測預(yù)警分析系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 邊坡作為一個非線性復(fù)雜系統(tǒng)，難以將外部開挖擾動的特征數(shù)據(jù)直接以顯式非線 性方式映射到合適的特征空間。當(dāng)變形達(dá)到一定閾值時，便會造成邊坡失穩(wěn)破壞導(dǎo)致巨大 的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。近十幾年來，隨著大量工程建設(shè)的迅速發(fā)展，高陡邊坡開挖工程穩(wěn)定性問 題是國內(nèi)外水電、礦山、鐵路、公路等各行業(yè)普遍關(guān)注的問題。
[0003] 在大型水利水電工程建設(shè)中，河谷邊坡的巖體開挖是形成工程邊坡的重要步驟， 深切河谷和200~300米級高壩導(dǎo)致了邊坡的開挖規(guī)模巨大。這樣，使得邊坡巖體變形與開 挖擾動區(qū)的演化規(guī)律密切相關(guān)，由開挖擾動引起的水利工程事故更是屢見不鮮。
[0004] 高陡邊坡開挖過程中所發(fā)生的變形現(xiàn)象和地質(zhì)一力學(xué)響應(yīng)是高邊坡穩(wěn)定性評價 和工程處理的基礎(chǔ)性問題。雖然針對高陡邊坡開挖擾動區(qū)的形成與穩(wěn)定性分析國內(nèi)外學(xué)者 已經(jīng)進行了不少探索，但由于開挖施工打破了邊坡內(nèi)部原有的動態(tài)平衡，邊坡的坡體結(jié)構(gòu)、 賦存環(huán)境以及巖體力學(xué)特性都將發(fā)生變化，使得邊坡的變形破壞機理具有模糊性，導(dǎo)致開 挖邊坡巖體的變形破壞極其復(fù)雜。在數(shù)值計算中即使輸入?yún)?shù)、邊界條件與初始實際情況 相符，但由于開挖導(dǎo)致邊坡坡體結(jié)構(gòu)的不斷變化，就很難找到一個可靠的計算方法來實現(xiàn) 對這種高度非線性巖石力學(xué)過程的描述。其中"巖體實時參數(shù)標(biāo)定"和"數(shù)值模型的選取"已 成為開挖巖質(zhì)邊坡理論分析與數(shù)值模擬的"瓶頸"性問題。
[0005] 針對于開挖邊坡的地質(zhì)模型研究不足，其損傷演化理論的研究暫處于起步階段。 到目前已有的研究大都未考慮開挖過程中巖體損傷及變形的影響，仍然主要依賴邊坡巖體 的變形與松弛檢測等手段來探究開挖擾動區(qū)的時空演化規(guī)律及巖體的力學(xué)特性，還沒有建 立嚴(yán)格的計算理論或形成一個較為系統(tǒng)的理論指導(dǎo)體系，對開挖過程中邊坡巖體損傷演化 規(guī)律研究更是空白，基本上沒有多少工程可借鑒之處。
[0006] 目前解決這一問題的常用方法主要依賴于專家的經(jīng)驗分析和宏觀變形跡象的定 性分析，使得計算結(jié)果與實際不符。這樣，不規(guī)范的開挖作業(yè)很可能是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的 重要誘因。使人們對此類工程的開挖存在較大的盲目性，從而導(dǎo)致邊坡的較大變形或（局 部)失穩(wěn)。因此，在復(fù)雜坡體結(jié)構(gòu)的大崗山右岸邊坡大規(guī)模開挖施工中，其穩(wěn)定性問題就顯 得極為突出。因此，為了保證開挖期間的邊坡安全性，就需要通過科學(xué)有效的現(xiàn)場監(jiān)測來獲 取邊坡巖體受力變形情況的物理力學(xué)時效特性，掌握邊坡變形發(fā)展趨勢的動態(tài)信息，從而 了解邊坡的實際狀況，為預(yù)測預(yù)報滑坡災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種巖質(zhì)邊坡開挖擾動 作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)對開挖擾動作用下高陡巖質(zhì)邊坡微震活動 性的實時監(jiān)測和分析，識別邊坡開挖損傷區(qū)，評價開挖擾動過程中的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性， 從而對邊坡失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。
[0008] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，包括設(shè)置在邊坡內(nèi)部的 信號接收單元、與所述信號接收單元相連的信號采集單元、與所述信號采集單元相連的信 號存儲和處理單元、以及與所述信號存儲和處理單元遠(yuǎn)程連接的分析和預(yù)警單元；
[0010]所述信號接收單元用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微震 信號發(fā)送給所述信號采集單元，所述信號采集單元用于對所述微震信號進行匯集，并將匯 集后的信號發(fā)送給所述信號存儲和處理單元，所述信號存儲和處理單元用于對匯集后的信 號進行存儲和處理，并將處理后的信號發(fā)送給所述分析和預(yù)警單元，所述分析和預(yù)警單元 用于根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行 預(yù)警。
[0011] 優(yōu)選地，所述信號接收單元包括多個傳感器組，每個所述傳感器組包括多個排列 為陣列的加速度傳感器，所述加速度傳感器用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信 號，所述加速度傳感器通過通信電纜與所述信號采集單元相連，所述加速度傳感器為單分 量加速度傳感器或三分量加速度傳感器。
[0012] 優(yōu)選地，所述信號采集單元包括信號采集器和與所述信號采集器相連的光纖收發(fā) 器，所述信號采集器用于對接收到的所述微震信號進行匯集，所述光纖收發(fā)器用于將匯集 后的信號發(fā)送給所述信號存儲和處理單元。
[0013] 優(yōu)選地，所述信號存儲和處理單元包括與所述信號采集單元相連的光纖收發(fā)終 端、與所述光纖收發(fā)終端相連的數(shù)據(jù)存儲器、以及與所述數(shù)據(jù)存儲器相連的數(shù)據(jù)處理終端， 所述光纖收發(fā)終端用于接收匯集后的信號，所述數(shù)據(jù)存儲器用于對匯集后的信號進行存 儲，所述數(shù)據(jù)處理終端用于對匯集后的信號進行篩選，將符合預(yù)警分析條件的數(shù)據(jù)發(fā)送給 所述分析和預(yù)警單元。
[0014] 優(yōu)選地，所述分析和預(yù)警單元包括微震數(shù)據(jù)分析中心和邊坡災(zāi)害預(yù)警中心，所述 微震數(shù)據(jù)分析中心用于根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并將分析結(jié) 果發(fā)送給所述邊坡災(zāi)害預(yù)警中心，所述邊坡災(zāi)害預(yù)警中心用于根據(jù)所述分析結(jié)果對巖質(zhì)邊 坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警，并將預(yù)警信息反饋給所述信號存儲和處理單元。
[0015]優(yōu)選地，所述信號存儲和處理單元設(shè)置有無線發(fā)射器，所述分析和預(yù)警單元設(shè)置 有無線接收器，所述無線發(fā)射器和所述無線接收器通過傳輸媒介進行信息交互，所述傳輸 媒介基于數(shù)據(jù)上載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。
[0016] -種基于上述微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的微震監(jiān)測預(yù)警分析方法，包括以下步驟：
[0017] 信號接收單元接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送 給信號采集單元；
[0018] 所述信號采集單元對所述微震信號進行匯集，并將匯集后的信號發(fā)送給信號存儲 和處理單元；
[0019] 所述信號存儲和處理單元對匯集后的信號進行存儲和處理，并將處理后的信號發(fā) 送給分析和預(yù)警單元；
[0020] 所述分析和預(yù)警單元根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對 巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。
[0021] 優(yōu)選地，所述信號接收單元包括多個傳感器組，每個所述傳感器組包括多個排列 為陣列的加速度傳感器；
[0022] 所述微震監(jiān)測預(yù)警分析方法還包括設(shè)置所述加速度傳感器的步驟，該步驟包括：
[0023] 以目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域為原點，結(jié)合邊坡施工條件，空間等距布置若干所述加速度傳感 器；
[0024] 在所述目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的相鄰區(qū)域設(shè)置若干所述加速度傳感器，作為空間布局的拓 展；
[0025] 對所述陣列的空間特征進行評估，對潛在危險區(qū)域進行加密布置，對相對安全區(qū) 域進行稀疏布置。
[0026] 優(yōu)選地，設(shè)置所述加速度傳感器的步驟還包括：
[0027] 針對所有的所述加速度傳感器進行敲擊試驗，判斷所述加速度傳感器安裝的靈敏 性；
[0028] 在所述陣列的邊界和陣列外進行多次定點爆破試驗，確定系統(tǒng)實際定位誤差的空 間分布，并根據(jù)系統(tǒng)實際定位誤差的空間分布情況調(diào)整所述陣列中加速度傳感器的分布， 以提升系統(tǒng)實際定位精度。
[0029] 優(yōu)選地，所述分析和預(yù)警單元根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分 析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警的步驟包括：
[0030] 通過跟蹤開挖擾動作用下的巖質(zhì)邊坡的微震能量密度的區(qū)域演化來識別和圈定 邊坡開挖擾動區(qū)；
[0031] 通過開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的震級-頻度關(guān)系的變化來判斷邊坡穩(wěn)定性的演化 特征；
[0032] 以所述邊坡開挖擾動區(qū)和所述邊坡穩(wěn)定性為預(yù)警指標(biāo)，對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進 行預(yù)警。
[0033] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，具有以下有益效果：
[0034] 本發(fā)明基于微破裂是巖體工程失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征的學(xué)術(shù)思想，通過建立一套開挖 擾動作用下數(shù)百米級巖質(zhì)邊坡的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，對邊坡開挖過程中的微小破裂進 行空間維度的實時動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)來"捕捉"邊坡巖體開挖過程中的微小破 裂，研究了開挖擾動作用下的微震活動性分布規(guī)律。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法難以 反映開挖巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)演化過程的局限性，并圈定和識別了影響開挖巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主 要結(jié)構(gòu)面所在位置，揭示了開挖擾動條件下邊坡失穩(wěn)模式與致災(zāi)機理。
[0035]本發(fā)明建立了高陡巖質(zhì)邊坡微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸模式，實現(xiàn)了微震監(jiān)測 數(shù)據(jù)的實時備份和遠(yuǎn)程傳輸，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件和環(huán)境惡劣地區(qū)的邊坡微震監(jiān)測的數(shù)據(jù) 高效傳輸問題和工程專家的遠(yuǎn)程指導(dǎo)問題，大大提高了微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的工作效 率，節(jié)約了系統(tǒng)運行成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0036]本發(fā)明以工程地質(zhì)資料和常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用定點爆破和敲擊試驗來實現(xiàn) 對系統(tǒng)中加速度傳感器的空間陣列優(yōu)化和精度控制，保證了高陡巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下 微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的有效性，為高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性微震監(jiān)測及安全預(yù)警的成套技術(shù) 和方法體系的構(gòu)建提供技術(shù)支撐。
[0037] 本發(fā)明從開挖擾動誘發(fā)巖體微破裂演化導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的本質(zhì)出發(fā)，著眼開挖 擾動作用下邊坡微破裂震源參數(shù)時空分布特征，提出采用微震能量密度和震級-頻度關(guān)系， 識別開挖擾動區(qū)，評價邊坡穩(wěn)定性，揭示了開挖擾動作用下高陡巖質(zhì)邊坡的微震活動性演 化規(guī)律和變形失穩(wěn)機制，豐富了高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究方法，為類似高陡巖質(zhì)邊坡的 穩(wěn)定評價、現(xiàn)場監(jiān)測和安全預(yù)警均具有重要的參考價值。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明所提供的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的示意圖；
[0039] 圖2為本發(fā)明應(yīng)用于四川省石棉縣大渡河大崗山水電站右岸邊坡的一個具體實施 例的示意圖。
[0040] 圖中：1、信號接收單元；11、加速度傳感器；12、通信電纜;2、信號采集單元;21、信 號采集器;22、光纖收發(fā)器;23、五類雙絞線;24、單模光纖;3、信號存儲和處理單元;31、光纖 收發(fā)終端;32、數(shù)據(jù)存儲器;33、數(shù)據(jù)處理終端;34、硬盤接口線;4、分析和預(yù)警單元;41、微震 數(shù)據(jù)分析中心;42、邊坡災(zāi)害預(yù)警中心。
【具體實施方式】
[0041] 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(xì)描述。
[0042] 本發(fā)明首先提供了一種巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，如圖 1所示，該系統(tǒng)包括設(shè)置在邊坡內(nèi)部的信號接收單元1、與信號接收單元1相連的信號采集單 元2、與信號采集單元2相連的信號存儲和處理單元3、以及與信號存儲和處理單元3遠(yuǎn)程連 接的分析和預(yù)警單元4;
[0043] 其中，信號接收單元1用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微 震信號發(fā)送給信號采集單元2,信號采集單元2用于對所述微震信號進行匯集，并將匯集后 的信號發(fā)送給信號存儲和處理單元3,信號存儲和處理單元3用于對匯集后的信號進行存儲 和處理，并將處理后的信號發(fā)送給分析和預(yù)警單元4,分析和預(yù)警單元4用于根據(jù)處理后的 信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。
[0044] 本發(fā)明基于微破裂是巖體工程失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征的學(xué)術(shù)思想，通過建立一套開挖 擾動作用下數(shù)百米級巖質(zhì)邊坡的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，對邊坡開挖過程中的微小破裂進 行空間維度的實時動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)來"捕捉"邊坡巖體開挖過程中的微小破 裂，研究了開挖擾動作用下的微震活動性分布規(guī)律。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法難以 反映開挖巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)演化過程的局限性，基于開挖擾動條件下邊坡失穩(wěn)模式與致災(zāi)機 理，通過接收開挖擾動作用下的邊坡巖體微震信號，進行信號的存儲和處理，反演巖體微破 裂發(fā)生的時間、位置和強度，并通過對邊坡巖體微破裂規(guī)律的分析，進行邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù) 警。
[0045] 進一步地，如圖1所示，信號接收單元1包括多個傳感器組，每個所述傳感器組包括 多個排列為陣列的加速度傳感器11，加速度傳感器11用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的 微震信號，加速度傳感器11通過通信電纜12與信號采集單元2相連，加速度傳感器11為單分 量加速度傳感器或三分量加速度傳感器。
[0046] 其中，當(dāng)選用單分量加速度傳感器時，每六個為一組，連接一個信號采集單元，當(dāng) 選用三分量加速度傳感器時，每兩個一組，連接一個信號采集單元。
[0047]進一步地，信號采集單元2包括信號采集器21和與信號采集器21相連的光纖收發(fā) 器22,信號采集器21用于對接收到的所述微震信號進行匯集，光纖收發(fā)器22用于將匯集后 的信號發(fā)送給信號存儲和處理單元3。
[0048]進一步地，信號存儲和處理單元3包括與信號采集單元2相連的光纖收發(fā)終端31、 與光纖收發(fā)終端31相連的數(shù)據(jù)存儲器32、以及與數(shù)據(jù)存儲器32相連的數(shù)據(jù)處理終端33,光 纖收發(fā)終端31用于接收匯集后的信號，數(shù)據(jù)存儲器32用于對匯集后的信號進行存儲，數(shù)據(jù) 處理終端33用于對匯集后的信號進行篩選，將符合預(yù)警分析條件的數(shù)據(jù)發(fā)送給分析和預(yù)警 單元4。
[0049]進一步地，分析和預(yù)警單元4包括微震數(shù)據(jù)分析中心41和邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42,微 震數(shù)據(jù)分析中心41用于根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并將分析結(jié) 果發(fā)送給邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42,邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42用于根據(jù)所述分析結(jié)果對巖質(zhì)邊坡的 失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警，并將預(yù)警信息反饋給信號存儲和處理單元3。這里主要是反饋給存儲和 處理單元3中的數(shù)據(jù)處理終端33,以便于現(xiàn)場查看分析結(jié)果。
[0050] 優(yōu)選地，信號存儲和處理單元3設(shè)置有無線發(fā)射器，分析和預(yù)警單元4設(shè)置有無線 接收器，所述無線發(fā)射器和所述無線接收器通過傳輸媒介進行信息交互，所述傳輸媒介基 于數(shù)據(jù)上載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。
[0051] 也就是說，信號接收單元1、信號采集單元2和信號存儲和處理單元3可以看作是數(shù) 據(jù)上載端，分析和預(yù)警單元4可以看作是數(shù)據(jù)下載端，所述傳輸媒介基于數(shù)據(jù)上載技術(shù)和網(wǎng) 絡(luò)通訊協(xié)議。所述數(shù)據(jù)上載技術(shù)主要有時分雙工長期演進技術(shù)(TD-LTE)、頻分雙工長期演 進技術(shù)(FDD-LTE)和碼分?jǐn)U頻技術(shù)(CDMA)等移動通信技術(shù)，所述網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要有TCP/ IP協(xié)議，對所述數(shù)據(jù)上載技術(shù)上載的數(shù)據(jù)進行傳輸，供所述數(shù)據(jù)下載端下載。
[0052]本發(fā)明建立了高陡巖質(zhì)邊坡微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸模式，實現(xiàn)了微震監(jiān)測 數(shù)據(jù)的實時備份和遠(yuǎn)程傳輸，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件和環(huán)境惡劣地區(qū)的邊坡微震監(jiān)測的數(shù)據(jù) 高效傳輸問題和工程專家的遠(yuǎn)程指導(dǎo)問題，大大提高了微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的工作效 率，節(jié)約了系統(tǒng)運行成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0053]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種基于上述微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的微震監(jiān)測預(yù)警分 析方法，該方法包括以下步驟：
[0054] 信號接收單元接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送 給信號采集單元；
[0055] 所述信號采集單元對所述微震信號進行匯集，并將匯集后的信號發(fā)送給信號存儲 和處理單元；
[0056]所述信號存儲和處理單元對匯集后的信號進行存儲和處理，并將處理后的信號發(fā) 送給分析和預(yù)警單元；
[0057]所述分析和預(yù)警單元根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對 巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。
[0058]本發(fā)明基于開挖擾動條件下邊坡失穩(wěn)模式與致災(zāi)機理，通過接收開挖擾動作用下 的邊坡巖體微震信號，進行信號的存儲和處理，對巖體微破裂發(fā)生的時間、位置和強度進行 分析，完成邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警。
[0059] 進一步地，所述信號接收單元包括多個傳感器組，每個所述傳感器組包括多個排 列為陣列的加速度傳感器；
[0060] 所述微震監(jiān)測預(yù)警分析方法還包括設(shè)置所述加速度傳感器的步驟，該步驟包括： [0061]以目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域為原點，結(jié)合邊坡施工條件，空間等距布置若干所述加速度傳感 器；
[0062] 在所述目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的相鄰區(qū)域設(shè)置若干所述加速度傳感器，作為空間布局的拓 展；
[0063] 對所述陣列的空間特征進行評估，對潛在危險區(qū)域進行加密布置，對相對安全區(qū) 域進行稀疏布置。
[0064] 進一步地，設(shè)置所述加速度傳感器的步驟還包括：
[0065] 針對所有的所述加速度傳感器進行敲擊試驗，判斷所述加速度傳感器安裝的靈敏 性；
[0066] 在所述陣列的邊界和陣列外進行多次定點爆破試驗，確定系統(tǒng)實際定位誤差的空 間分布，并根據(jù)系統(tǒng)實際定位誤差的空間分布情況調(diào)整所述陣列中加速度傳感器的分布， 以提升系統(tǒng)實際定位精度。
[0067] 在具體應(yīng)用過程中，應(yīng)綜合考慮邊坡地質(zhì)條件、目標(biāo)區(qū)域和傳感器性能，避免線 狀、面狀等不利幾何分布形式，設(shè)計傳感器的三維空間陣列，形成目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的近似立方 體的陣列網(wǎng)絡(luò)。通過敲擊試驗判斷傳感器的靈敏性，采用定點爆破試驗計算定位誤差，通過 傳感器陣列優(yōu)化調(diào)整和巖體波速等效波速模型相結(jié)合的辦法控制定位精度，促使系統(tǒng)精度 滿足工程要求，驗證微震監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。
[0068] 在微震監(jiān)測傳感器的三維空間陣列布置時，首先以目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域為原點，考慮邊 坡施工條件，空間等距布置若干加速度型傳感器。其次，進行相鄰區(qū)域的傳感器拓展，保證 傳感器的空間分布特征。最后，進行整體陣列的空間特征估計，對潛在危險區(qū)域進行局部加 密布置，對相對安全區(qū)域進行稀疏布置，提高傳感器空間陣列的效率。
[0069] 完成微震監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)測試后，針對所有傳感器進行敲擊試驗。所述敲擊試驗是 指對傳感器布置點附近巖體分別進行多次強度不同的錘擊，比較系統(tǒng)采集的波形特征與錘 擊強度是否一致，從而判斷傳感器安裝的靈敏性。
[0070] 之后，在三維空間陣列內(nèi)，陣列邊界和陣列外分別進行多次定點爆破試驗，比較系 統(tǒng)定位結(jié)果和爆破點的誤差，確定系統(tǒng)實際誤差空間分布。先采用邊坡巖體等效波速調(diào)整 方法，降低微震監(jiān)測系統(tǒng)實際定位誤差。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)整三維空間陣列，進一步控制 微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度，以滿足邊坡微震監(jiān)測工程的要求。
[0071] 進一步地，所述分析和預(yù)警單元根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行 分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警的步驟包括：
[0072] 通過跟蹤開挖擾動作用下的巖質(zhì)邊坡的微震能量密度的區(qū)域演化來識別和圈定 邊坡開挖擾動區(qū)；
[0073] 通過開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的震級-頻度關(guān)系的變化來判斷邊坡穩(wěn)定性的演化 特征；
[0074] 以所述邊坡開挖擾動區(qū)和所述邊坡穩(wěn)定性為預(yù)警指標(biāo)，對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進 行預(yù)警。
[0075] 本發(fā)明提出高陡巖質(zhì)邊坡開挖擾動區(qū)的識別方法，選取邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)?？?服常規(guī)監(jiān)測方法(如GPS、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、位移和變形監(jiān)測等）只能給出巖質(zhì)邊坡局部點已經(jīng) 發(fā)生的大變形或者宏觀裂縫的不足，具有超前性、遠(yuǎn)距離、高精度、全天候、三維全局監(jiān)測的 特點。通過本發(fā)明所提供的微震監(jiān)測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡內(nèi)部巖體漸進破壞過程中微破 裂及微破裂演化過程的監(jiān)測，可以識別邊坡開挖擾動區(qū)的演化進程，幫助獲取邊坡失穩(wěn)災(zāi) 害的微破裂前兆信息，為開挖作用下的邊坡穩(wěn)定性評價提供參考。
[0076] 具體地，本發(fā)明提出采用微震能量密度的演化來識別巖質(zhì)邊坡的開挖擾動區(qū)，采 用地震學(xué)上的震級-頻度關(guān)系進行邊坡的穩(wěn)定性評價。
[0077] 巖體發(fā)生微破裂中會發(fā)生彈性應(yīng)變能向非彈性應(yīng)變能的轉(zhuǎn)化，除去破裂和彈性波 播過程中耗散的能量，剩下的即為被傳感器接收到的微震能量，其是微破裂事件強度的一 種度量(見式(1))。
[0078]
Ο )
[0079] 其中，E為微震能量;P為巖體密度;c為震源體體波波速;R為震源到傳感器的距離； 為能通量，可以通過質(zhì)點速度譜在頻域積分獲得;F c為地震波輻射類型經(jīng)驗系數(shù)，對于P波 和S波分別取0.52和0.63，兩種體波計算的能量總和就是微震能量。
[0080] 定義單位體積巖體發(fā)生微破裂時釋放能量為微震能量密度(見式(2))，
[0081] Ed = E/V (2)
[0082] 式中，E為微震能量;V為震源體體積。
[0083] 它不僅可以綜合反映巖體微破裂的位置和強度，而且可以表征震源區(qū)巖體應(yīng)變能 的儲存及釋放進程，并探究外界擾動作用下工程巖體狀態(tài)。邊坡巖體中高能量密度分布的 區(qū)域是巖體應(yīng)力和能量累積達(dá)到巖體強度后的高能量釋放區(qū)域，也是邊坡微破裂集中和巖 體擾動的區(qū)域。通過跟蹤開挖擾動作用下的邊坡高微震能量密度區(qū)域的演化，識別和圈定 邊坡開挖擾動區(qū)。
[0084] 震級-頻度關(guān)系(b值)描述的是在一定時間范圍內(nèi)，地震監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的事件頻率與 震級遵循的關(guān)系(見式(3))。
[0085] lgN(M) =a~bM (3)
[0086] 式中:Μ為地方性震級，也稱里氏震級;N(M)為以震級為中心的小區(qū)間(Μ+ΔΜ)在一 定時期內(nèi)發(fā)生地震的次數(shù);a和b為常數(shù)。
[0087] b值表征微震事件相對震級分布的函數(shù)，為關(guān)系曲線的斜率。當(dāng)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性惡 化時，邊坡巖體大震級事件增多而小震級事件減少，所述b值降低；當(dāng)邊坡穩(wěn)定性提高時，所 述b值由于小震級微震增多而逐漸增大。因此，通過開挖擾動作用下邊坡巖體b值的變化可 以判斷邊坡穩(wěn)定性的演化特征。
[0088] 可以看出，微震能量密度和震級-頻度關(guān)系，二者共同構(gòu)成高陡巖質(zhì)邊坡開挖擾動 作用下微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的分析預(yù)警指標(biāo)，能夠用于識別邊坡開挖擾動區(qū)，評價邊坡 穩(wěn)定性，進行高陡巖質(zhì)邊坡的微震監(jiān)測分析預(yù)警。
[0089] 圖2為本發(fā)明應(yīng)用于四川省石棉縣大渡河大崗山水電站右岸邊坡的一個具體實施 例的示意圖。本實施例采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的高精度微震監(jiān)測設(shè)備，結(jié)合微震監(jiān)測數(shù)據(jù) 遠(yuǎn)程無線傳輸，綜合現(xiàn)場微震分析中心和災(zāi)害預(yù)警中心，形成開挖過程大崗山右岸邊坡微 震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，包括陣列布置在邊坡內(nèi)部的信號接收單元1，連接于信號接收單元1 的信號采集單元2,信號采集單元2連接到信號存儲和處理單元3,信號存儲和處理單元3遠(yuǎn) 程連接于分析和預(yù)警單元4。
[0090] 進一步，信號采集單元2采集信號接收單元1接收到的微震信號，通過光纖傳輸給 信號存儲和處理單元3,信號存儲和處理單元3存儲所述信號，并對存儲的信號進行處理，將 處理結(jié)果傳送至分析和預(yù)警單元4。
[0091] 進一步，信號接收單元1包括4組共計24通道陣列布置的單分量型加速度傳感器11 和連接加速度傳感器11與信號采集單元2的3芯屏蔽通信電纜12。本實施例中，每6個單分量 型加速度傳感器11為1組，24個加速度傳感器11陣列分布在大崗山右岸邊坡13個高程上。進 一步，本實施例采用的單分量型加速度傳感器11的頻響范圍為50~5000Hz，靈敏度為30v/ g°
[0092] 進一步，信號采集單元2包括與信號接收單元1連接的信號采集器21，以及通過五 類雙絞線23與信號采集器21連接的光纖收發(fā)器22,光纖收發(fā)器22通過單模光纖24連接于信 號存儲和處理單元3。進一步，本實施例采用的信號采集器21為24位模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率為 50Hz~20kHz，動態(tài)范圍大于115dB。進一步，采用的光纖收發(fā)器22為雙收雙發(fā)。
[0093]進一步，信號存儲和處理單元3包括與信號采集單元2連接的光纖收發(fā)終端31，連 接于光纖收發(fā)終端31的數(shù)據(jù)存儲器32,以及通過硬盤接口線34連接于數(shù)據(jù)存儲器32的數(shù)據(jù) 處理終端33,數(shù)據(jù)處理終端33通過移動通信遠(yuǎn)程無線傳輸方式連接于分析和預(yù)警單元4。 [0094]進一步，分析和預(yù)警單元4包括微震數(shù)據(jù)分析中心41和邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42。微震 數(shù)據(jù)分析中心41和邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42通過無線通訊方式與數(shù)據(jù)處理終端33進行互聯(lián)。進 一步，邊坡災(zāi)害預(yù)警中心42接收微震數(shù)據(jù)分析中心41的分析結(jié)果，進行邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù) 警，并將結(jié)果反饋給數(shù)據(jù)處理終端33，以供現(xiàn)場查看。
[0095] 綜上所述，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對開挖擾動作用下高陡巖質(zhì)邊坡微震活動性的實時監(jiān) 測和分析，識別邊坡開挖損傷區(qū)，評價開挖擾動過程中的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，從而對邊坡 失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警，減少滑坡災(zāi)害等事故的發(fā)生。
[0096] 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(xì)說明，所應(yīng)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(yīng)包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種巖質(zhì)邊坡開挖擾動作用下的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在 邊坡內(nèi)部的信號接收單元、與所述信號接收單元相連的信號采集單元、與所述信號采集單 元相連的信號存儲和處理單元、以及與所述信號存儲和處理單元遠(yuǎn)程連接的分析和預(yù)警單 元； 所述信號接收單元用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微震信號 發(fā)送給所述信號采集單元，所述信號采集單元用于對所述微震信號進行匯集，并將匯集后 的信號發(fā)送給所述信號存儲和處理單元，所述信號存儲和處理單元用于對匯集后的信號進 行存儲和處理，并將處理后的信號發(fā)送給所述分析和預(yù)警單元，所述分析和預(yù)警單元用于 根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù) 警。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，所述信號接收單元包括 多個傳感器組，每個所述傳感器組包括多個排列為陣列的加速度傳感器，所述加速度傳感 器用于接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，所述加速度傳感器通過通信電纜與所述 信號采集單元相連，所述加速度傳感器為單分量加速度傳感器或三分量加速度傳感器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采集單元包括 信號采集器和與所述信號采集器相連的光纖收發(fā)器，所述信號采集器用于對接收到的所述 微震信號進行匯集，所述光纖收發(fā)器用于將匯集后的信號發(fā)送給所述信號存儲和處理單 J L· 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，所述信號存儲和處理單 元包括與所述信號采集單元相連的光纖收發(fā)終端、與所述光纖收發(fā)終端相連的數(shù)據(jù)存儲 器、以及與所述數(shù)據(jù)存儲器相連的數(shù)據(jù)處理終端，所述光纖收發(fā)終端用于接收匯集后的信 號，所述數(shù)據(jù)存儲器用于對匯集后的信號進行存儲，所述數(shù)據(jù)處理終端用于對匯集后的信 號進行篩選，將符合預(yù)警分析條件的數(shù)據(jù)發(fā)送給所述分析和預(yù)警單元。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，所述分析和預(yù)警單元包 括微震數(shù)據(jù)分析中心和邊坡災(zāi)害預(yù)警中心，所述微震數(shù)據(jù)分析中心用于根據(jù)處理后的信號 對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并將分析結(jié)果發(fā)送給所述邊坡災(zāi)害預(yù)警中心，所述邊 坡災(zāi)害預(yù)警中心用于根據(jù)所述分析結(jié)果對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警，并將預(yù)警信息反 饋給所述信號存儲和處理單元。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，其特征在于，所述信 號存儲和處理單元設(shè)置有無線發(fā)射器，所述分析和預(yù)警單元設(shè)置有無線接收器，所述無線 發(fā)射器和所述無線接收器通過傳輸媒介進行信息交互，所述傳輸媒介基于數(shù)據(jù)上載技術(shù)和 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。7. -種基于權(quán)利要求1至6中任意一項所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)的微震監(jiān)測預(yù)警 分析方法，其特征在于，包括以下步驟： 信號接收單元接收開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的微震信號，并將所述微震信號發(fā)送給信 號采集單元； 所述信號采集單元對所述微震信號進行匯集，并將匯集后的信號發(fā)送給信號存儲和處 理單元； 所述信號存儲和處理單元對匯集后的信號進行存儲和處理，并將處理后的信號發(fā)送給 分析和預(yù)警單元； 所述分析和預(yù)警單元根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì) 邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析方法，其特征在于，所述信號接收單元包括 多個傳感器組，每個所述傳感器組包括多個排列為陣列的加速度傳感器； 所述微震監(jiān)測預(yù)警分析方法還包括設(shè)置所述加速度傳感器的步驟，該步驟包括： 以目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域為原點，結(jié)合邊坡施工條件，空間等距布置若干所述加速度傳感器； 在所述目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的相鄰區(qū)域設(shè)置若干所述加速度傳感器，作為空間布局的拓展； 對所述陣列的空間特征進行評估，對潛在危險區(qū)域進行加密布置，對相對安全區(qū)域進 行稀疏布置。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析方法，其特征在于，設(shè)置所述加速度傳感器 的步驟還包括： 針對所有的所述加速度傳感器進行敲擊試驗，判斷所述加速度傳感器安裝的靈敏性； 在所述陣列的邊界和陣列外進行多次定點爆破試驗，確定系統(tǒng)實際定位誤差的空間分 布，并根據(jù)系統(tǒng)實際定位誤差的空間分布情況調(diào)整所述陣列中加速度傳感器的分布，以提 升系統(tǒng)實際定位精度。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微震監(jiān)測預(yù)警分析方法，其特征在于，所述分析和預(yù)警單元 根據(jù)處理后的信號對巖質(zhì)邊坡的微破裂情況進行分析，并對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警 的步驟包括： 通過跟蹤開挖擾動作用下的巖質(zhì)邊坡的微震能量密度的區(qū)域演化來識別和圈定邊坡 開挖擾動區(qū)； 通過開挖擾動作用下巖質(zhì)邊坡的震級-頻度關(guān)系的變化來判斷邊坡穩(wěn)定性的演化特 征； 以所述邊坡開挖擾動區(qū)和所述邊坡穩(wěn)定性為預(yù)警指標(biāo)，對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù) 警。
【文檔編號】G01V1/28GK105974469SQ201610505807
【公開日】2016年9月28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