基于WPD-EMD-WPD的地下工程微震信号降噪方法研究

微震信号中的背景噪声会影响初至拾取、震源定位及参数反演,合理有效的降噪方法是微震监测技术成功应用于工程建设的重要基础。本文提出一种基于WPD-EMD-WPD的方法抑制噪声,并采用信偏比衡量降噪效果。该方法首先对含噪信号小波包预降噪,实现初次滤波;然后对预降噪后的信号进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD),自适应分解得到IMFS,通过相关系数法确定IMFS分解分量位置;最后,对分界分量之前的高频分量小波包降噪,再与低频分量重构。分别使用小波包、EMD、EMD-WPD、WPD-EMD-WPD 4种方法进行仿真实验,对含噪Ricker子波降噪处理,通过对比降噪前后的降噪效果衡量指标、频谱图、波形图对比发现,WPD-EMD-WPD降噪效果更优,且信偏比与其他降噪指标有良好对应性。将该方法应用于国内某大型水电工程地下洞室,结果表明,该方法能获得更低的信偏比,且能更好地反映初至时刻和岩石微破裂信息。

锦屏一级水电站左岸边坡微震监测系统及其工程应用

锦屏一级水电站坝区山高坡陡,两岸山体地应力高,左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉(X)及f2,f5断层等复杂地质条件。为对左岸边坡深部岩体微震活动性进行实时监测和分析,2009年6月该边坡安装加拿大ESG公司生产的微震监测系统。通过构建左岸边坡三维地质模型和优化传感器布设方案,采用人工定点爆破试验对监测系统定位性能进行测试,结果显示在传感器阵列范围内的震源定位误差小于12m,证明系统具有较高的定位精度。对拾取的事件波形进行分析和聚类研究,给出系统运行以来微震事件的时空分布规律,初步圈定左岸边坡微震活动引起的深部岩体变形区域,并结合RFPA有限元软件对比研究边坡应力场和潜在滑裂面。研究结果表明,该边坡微震监测系统的设计和实施满足深部岩体变形的全局监测,能够识别左岸边坡可能存在的潜在岩体破坏区域和滑移面,为边坡后期生产性灌浆以及加固处理提供一些参考,也为高岩质边坡稳定性分析提供一个新的研究思路。

岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法

为深入研究锦屏一级水电站左岸边坡深部岩体微震活动规律并评价边坡稳定性,在已有微震监测资料基础上,结合常规监测数据,并借助RFPA有限元数值模拟手段,分析左岸边坡深部岩体微破裂萌生、发育和扩展的演化机制,解释高程1 829 m处2#固结灌浆平洞多点位移计变化与微震事件时空分布规律之间的内在联系,再现典型剖面边坡渐进破坏全过程,重点阐述高程1 885 m坝顶平台裂缝形成机制。综合施工工况和工程地质情况分析,表明微震监测系统可以有效地识别和圈定边坡深部岩体微破裂区域和潜在滑裂面,边坡外观变形及微震活动性与该部位地质构造及灌浆活动有密切关系,灌浆导致的应力重分布和边坡内部天然裂隙带错动变形是诱发高程1 885 m坝顶平台裂缝的主要原因。研究结果为更好地理解和分析复杂应力条件下岩石边坡变形及其微震活动性诱发失稳机制提供重要的参考。

基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸岩质边坡稳定性分析

西南地区水电站复杂高陡边坡的开挖稳定性一直是水电工程建设的关键技术问题之一。在研究金沙江白鹤滩水电站左岸边坡地形地貌、工程地质特性、地应力实测资料等基础上,利用通用离散元程序UDEC建立左岸顺层边坡离散元模型,进行开挖卸荷过程坝基边坡的稳定性分析,获得边坡开挖过程应力场、位移场、塑性区分布规律,揭示了顺层岩质边坡变形失稳机制。同时,结合左岸边坡开挖卸荷和应力调整过程微震活动特征,识别和圈定了左岸边坡深部岩体潜在损伤区域和滑裂面。综合研究结果表明,左岸边坡变形主要受构造应力、地质条件和开挖卸荷等综合因素影响,其中软弱结构面LS_(3318)、LS_(3319)、LS_(331)、LS_(337)、F_(17)等对坝基边坡开挖变形起决定性作用。研究成果可为左岸边坡开挖和支护施工提供参考,同时也为类似顺层岩质边坡工程开挖支护提供研究思路。

基于三维数值模拟和微震监测的水工岩质边坡稳定性分析

建立以微震监测为主、应力场分析为辅的水工岩质边坡稳定性分析方法。利用RFPA3D分析软件,研究三维条件下锦屏一级水电站左岸岩质边坡破坏过程微破裂的萌生、演化、扩展、相互作用和贯通机制,揭示边坡整体失稳破坏模式,探讨岩质边坡渐进失稳破坏过程应力场和微震活动性空间演化基本规律,形成从细观损伤演化过程揭示宏观岩体结构破坏的研究方法。研究结果表明:断层F5,F2和煌斑岩脉X等软弱结构面是控制左岸边坡破坏模式的关键因素之一,RFPA3D离心加载法得到的边坡潜在滑移面及声发射与微震监测系统得到的岩石微破裂空间宏观演化趋势比较一致。

考虑弱层置换的岩石边坡稳定性分析

锦屏一级水电站左岸边坡地质结构复杂,岩体存在大量深部裂隙、低波速松弛岩体、煌斑岩脉X及f2、f5断层,严重影响边坡的稳定性。采用基于强度折减法的岩石破裂过程分析RFPA方法对边坡典型部位在开挖后以及其对应弱层置换工况下的破坏全过程进行计算和分析,计算结果表明,f5断层在进行置换加固处理后,边坡安全系数较未置换弱层前提高了0.403,说明在岩质边坡开挖和支护前优先进行深部软弱结构置换处理,可以大大提高工程结构的安全储备。同时,RFPA强度折减法不仅能直观再现边坡潜在滑裂面从萌生到扩展直至贯通导致边坡整体失稳的全过程,而且可以得出边坡安全系数。研究结果对于边坡工程实施前稳定性评价和施工工序具有一定的参考价值。

基于遗传算法的风力机塔架最优化设计方法

探讨了遗传算法在风力机塔架结构优化设计中的应用。通过对经典遗传算法进行改进,建立了存在约束条件的遗传算法优化设计模型;考虑结构受力特点,给出了塔架体系在屈曲性能约束条件下的最优化设计方法。另外,针对遗传算法容易收敛到局部最优点的缺陷,改变各变量相应初始界限值,进行两次遗传算法操作运算,使工作效率提高,且结果更为精确。最后,对某风力机塔架进行在简化荷载作用下的最优化设计,得到了较满意的结果。

微震监测技术在大岗山水电站右岸边坡中的应用

大岗山水电站右岸边坡地质条件复杂,断层、岩脉、卸荷裂隙密集带、深部卸荷带及节理裂隙发育。为了监测边坡在开挖过程中引起的卸荷松弛和后期大坝蓄水引起的应力重分布,以及对由此造成的边坡潜在滑动区域进行识别和圈定,采用高精度微震监测技术进行岩质边坡潜在失稳监测的工程实践。通过构建右岸边坡三维地质模型和优化传感器布设方案,采用人工定点爆破试验对监测系统定位性能进行测试,结果显示在传感器阵列范围内的震源定位误差小于10 m,表明该监测系统具有较高的定位精度。工程实践证明,微震监测能够准确诊断出断层和卸荷带等构造活动的强度、烈度以及相关的时空参数,是实现边坡潜在失稳机理研究的一种新的监测手段。

灌注桩深基坑的有限元计算及影响因素分析

对苏州市轨道交通2号线金民东路站深基坑使用灌注桩作为支挡结构的开挖、支护施工进行了有限元数值模拟,据此分析了灌注桩内力、水平侧移等随施工过程的变化以及主体结构的内力情况,并研究了灌注桩刚度、地基土刚度对支护结构侧移和弯矩的影响,对实际施工起到一定的指导作用。

水动力型滑坡形成运动机理与防控减灾技术

水动力型滑坡是指在冰川融雪、降雨、水位变动、地表径流及地下水活动等水动力因素驱动下而发生的斜坡岩土体失稳灾害。西南地区是水动力型滑坡尤其是库区滑坡的高发区,其失稳破坏直接威胁到人类的生命财产和基础设施的安全,且有可能造成深远的次生灾害,提升水动力型滑坡灾害的监测预警、综合防控与应急处置水平极为迫切。水动力型滑坡易发于松散堆积层、破碎岩体、软岩以及含有软弱夹层的斜坡等地层,地质环境、水文活动以及人类活动干扰等因素的长期作用在水动力型滑坡的孕育过程中起着关键作用。斜坡在各种不利因素的持续交替作用下,逐渐产生变形破坏,稳定性不断降低并趋于极限失稳状态,最终在短期水文条件的改变下而导致整体失稳破坏。斜坡失稳后的滑坡动力过程非常复杂,尤其是特大型高位滑坡,在运动过程中可能会产生强烈的冲击破碎和沿程侵蚀铲刮现象,导致滑坡运动性态的改变和堆积方量的增大,水的存在会加剧滑坡沿程侵蚀铲刮作用以及导致运动性态向流态化转变而造成更远的运动距离和更广的致灾范围。水动力型滑坡是一个复杂的系统性问题,不同地质结构和水动力条件的滑坡变形破坏过程存在很大差异,远距离非接触式滑坡早期识别与监测技术以及基于人工智能和大数据且具备自主学习的滑坡预报预警方法是未来重要发展方向。水动力型滑坡防治涉及到工程建设、经济民生、社会等多方面因素,需要综合运用工程措施和非工程措施。在未来水利水电工程建设过程中,应重视库区滑坡的危害性,复建设施的修建应尽可能远离库区滑坡影响区。

白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸坝基边坡地质构造错综复杂,坡内多条陡倾断层和顺坡向错动带是控制边坡稳定性的主要因素。结合现场地质资料、监测数据及勘察认识,利用通用离散元软件UDEC建立左岸边坡开挖变形分析模型。首先在无支护开挖工况下研究主要结构面F_(17)、LS_(331)、LS_(3319)上下盘岩体关键点应力及位移变化,并指出潜在失稳破坏区;同时采用预应力锚索单元在不同施工时序下对潜在不稳定块体进行加固计算,对比研究了不同方案下左岸边坡的变形破坏机制和整体稳定性。计算结果和现场监测表明:左岸边坡变形破坏与结构面密切相关,在开挖卸荷作用下主要表现为沿错动带的压剪破坏和陡倾断层的张拉破坏,采用预应力锚索加固处理能够有效提高边坡稳定性,并且在开挖后及时跟进支护可以有效抑制边坡剪切变形。研究结果对白鹤滩左岸坝基边坡后续工程加固和施工工序具有一定的参考价值。

基于微震监测与数值模拟的大岗山右岸边坡抗剪洞加固效果分析

大岗山水电站坝址区右岸边坡高、陡,地应力较高,发育有辉绿岩脉、卸荷裂隙密集带及中倾坡外的断层等不利组合体,使边坡岩体的性状急剧下降,在边坡开挖过程中曾出现若干条宏观裂缝,对施工期边坡稳定性构成极大威胁。将实际微震监测技术与符合岩石类准脆性材料本构关系的RFPA3D数值模拟相结合,对抗剪洞加固前、后的边坡稳定性进行分析。指出边坡开挖过程中岩体空间损伤劣化的微震活动规律和可能发生坡体失稳的潜在滑动面位置。研究结果证实抗剪洞加固措施的合理性,发现经抗剪洞回填混凝土置换处理后的结构体抗剪阻滑力大幅增加,加固后单月发生的微震事件数减少66.4%,边坡安全系数也较加固前增大了51.2%。但由于复杂的坡体结构,使得在边坡开挖过程中仍然存在局部失稳的可能,建议应随着施工作业对剪出口进行锁固,并在后期大坝浇筑过程中对抗剪洞未贯通区域的岩体微破裂情况和卸荷裂隙带XL–316与f231断层交界处的岩体变形情况进行重点监测。

基于异向波速模型的微震定位改进

针对波速分层的区域岩体,在异向波速模型的基础上,对垂向上的应力波按岩体波速值大小作分段区别,推导震源应力波走时关系式,建立分层速度定位目标函数,基于此提出一种由参数准备、层速度反演、微震定位三个模块组成的分层速度定位模型SV,并采用遗传算法进行优化求解.然后,对分层速度定位模型在已构建微震监测系统的白鹤滩水电站左岸岩质边坡进行验证.微震事件重定位结果表明,分层速度定位模型定位微震事件的最大、最小和平均偏离层内错动带程度指标较单一速度模型分别降低了57.17%、36.51%和57.35%,证明了定位模型在波速分层的区域岩体微震定位应用中比单一速度定位模型更加合理可靠.

岩体破裂尺度与频率特征关系及其工程实证研究

将S变换时频分析技术引入微震信号波形分析领域,通过震源破裂尺度,研究微震信号频率特征与岩体变形破坏之间的联系。以西南地区3个水电工程作为研究对象,将大量微震监测数据作为统计样本以减小外部因素对参数计算的影响。在该基础上统计、分析岩体破裂尺度与微震信号频率之间的关系,结合大渡河猴子岩水电站地下厂房微震与多点位移计监测资料进行工程实证研究。研究结果表明,当岩体破裂尺度增大时微震信号高频成分减少,表现出低频特征;在围岩变形过程中微震信号高频成分呈现出先减少再增加的演化规律,围岩发生明显变形前微震信号出现由高频向低频转移的现象,因此,可将聚集区域内微震信号频率降低作为该区域岩体宏观变形破坏的前兆信息。研究结果可为基于微震监测的岩体工程稳定性分析及其灾害预测预报提供参考。

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度(K_IC)测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘(CCNSCB)三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括:进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比(b)的影响,发现b愈大,愈加符合测试原理,建议b取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法(b=0.8)中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子(*Y_min)进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定*Y_min对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与*Y_min标定结果的有效性。

蓄水期坝肩岩质边坡微震活动性及其时频特性研究

以锦屏一级水电站左岸坝肩边坡微震监测数据为基础,研究蓄水期微震活动性规律,利用S变换(ST)对波形进行分解,并将其应用于左岸坝肩边坡蓄水期与施工期的微震波形处理,以研究其岩石微破裂信号的时频特性。研究表明,(1)微震活动性与地质构造及蓄水活动密切相关,与施工期相比,蓄水期坝肩边坡岩体趋于稳定状态;(2)S变换综合了短时傅里叶变换(STFT)与小波变换(WT)的优点,其在微震等非平稳信号的时频分析中具有独特的优势;(3)时频特性与波形特征相比更加稳定,基于S变换的微震波形分解能较好的揭示波形中包含的震源破坏信息;(4)与施工期相比,左岸坝肩边坡岩石微破裂信号在蓄水期频率升高,持续时间减小,单震型微震事件比例增大,主要是由于在蓄水期左岸坝肩边坡岩体整体性和强度提高,岩体趋于稳定,从而使微震信号表现出不同的时频特征。微震时频参数可以反映岩体的内部微破裂信息,并为其稳定性分析提供参考。

地下洞室群开挖卸荷过程微震活动特征研究

猴子岩水电站地下厂房开挖跨度大,其上覆岩体构造和受力条件复杂,开挖卸荷过程围岩稳定一直都是贯穿工程始终的重点和难点问题。目前常规监测手段难以对地下厂房围岩内部可能存在的微破裂进行有效监测和揭示,为实时分析开挖过程地下洞室群围岩变形和稳定性,2013年4月在猴子岩水电站地下厂房安装了高精度微震监测系统,实现了开挖卸荷过程地下工程深部围岩微破裂实时定位和分析。监测结果表明:微震活动性时空演化规律可以很好地揭示地下厂房岩体内部微破裂萌生、发育、扩展、相互作用和贯通直至宏观变形机制;同时,微震监测可以随厂房开挖工况动态识别和圈定围岩微破裂集中区域及其潜在变形失稳风险区域。最后,借助物探检测声波测试成果,建立微震活动性与岩体质量之间的联系。研究结果可供猴子岩水电站地下厂房下阶段开挖与支护参考和借鉴,也为类似深埋地下工程围岩稳定性预测和评价开辟了一条新的思路。

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es/Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明:在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。

乌东德水电站地下厂房层状节理岩体稳定性研究

随着中国水电资源开发的推进,越来越多水电站修建于高山峡谷之中,受地形地貌的影响,大量水电站厂房布置于层状岩体之中,定量分析层状节理岩体地下厂房变形并评价其稳定性成为亟需解决的重要课题。本文结合现场监测及数值模拟结果,分析不同密度层状岩体对于地下厂房变形的影响。对多点位移计、声波测试、微震监测等多种监测结果进行整理和归纳,从多角度揭示围岩变形规律及内部损伤情况。另外基于厂区工程地质特性、地应力实测资料,利用通用离散元程序UDEC对7~#机组典型剖面进行数值分析,得到地下厂房开挖后的应力场、塑性区、位移场分布规律,揭示围岩潜在破坏区域。数值模拟与微震监测结果共同表明:围岩第Ⅵ层(高程815.40~809.00 m)开挖时,上游边墙812 m高程位移增加最快,微震事件数量大幅增长。水平向应力卸荷程度大于竖向应力卸荷程度;整体上主厂房上游侧位移大于下游侧,最大变形出现在上游边墙812 m高程附近,此处围岩屈服深度最大,围岩屈服集中区域与变形场分布基本一致,上游层状节理比下游密集是造成上下游变形差异的主要原因。围岩变形与层状节理分布关系密切,开挖活动将引起围岩层状节理活化、岩体损伤、围岩整体强度降低。开挖强度越大,微震事件增加越快,变形越大。乌东德地下厂房变形机制的研究对其后续施工及其安全运营具有重要意义。