第1章　高陡岩质边坡微震监测与稳定性分析
　　1.1　研究背景与意义
　　我国水能资源极其丰富，理论蕴藏量达6.94亿kW，技术可开发量达5.42亿kW，均居世界*位。其中，西南地区的云南、四川、西藏三省（区）的水能资源总量就占全国水能资源总量的2/3，其主要分布在雅砻江、大渡河、澜沧江、金沙江、怒江等流域[1]。近些年，随着国家经济建设的飞速发展和人们生活水平的不断提高，对水电等清洁能源的依赖性也越来越强。西部大开发战略更是将水能资源作为重点发展领域，西南地区一大批已建、在建和拟建的大型（巨型）水电资源开发项目正在如火如荼地进行着，如小湾、龙羊峡、白鹤滩、漫湾、溪洛渡、隔河岩、向家坝、五强溪、紫坪铺、三峡、锦屏一级、小浪底、乌东德、瀑布沟、天生桥、长河坝、糯扎渡、二滩、拉西瓦、大岗山等大型水电枢纽工程。在这些水能资源丰富、地质条件复杂的高山峡谷地区大型水电工程建设项目中，通常岩石类工程边坡的规模巨大，其本身的高度远远超过大坝建筑物的高度。例如，乌东德水电站坝肩边坡*大高度为1036m，开挖高度为430m；锦屏一级水电站左岸自然边坡高度超过1000m，开挖高度为530m；白鹤滩水电站坝肩边坡*大高度为600m，开挖高度为200～300m；糯扎渡水电站坝肩边坡自然坡高为800m，开挖高度为300～400m；小湾水电站边坡高度为 700～800m，开挖高度为670m；天生桥水电站高陡边坡为400m，开挖高度为350m；紫坪铺水电站坝肩边坡高度为 350m，开挖高度为280m（表1.1）。这些高陡工程边坡不仅构成了水电工程坝肩建筑物的重要区域环境，更是库坝乃至整个水电建设工程成败的关键[2-4]。例如，我国的梅山连拱坝和意大利的瓦依昂（Vajoint）水坝事故[5-7]，正是由于当时建设过程中对库区山体未给予高度重视，岩体浸水后膨胀变形引起山体失稳下滑导致的。同时，超大规模的开挖施工更是对水工建筑物造成了巨大的潜在威胁。资料显示，我国水利水电工程在开挖施工中频频发生边坡失稳问题，如安康水电站坝区两岸高边坡、漫湾水电站左岸坝肩高边坡、天生桥二级水电站厂区高边坡、龙羊峡水电站下游虎山坡边坡等。为治理这些滑坡不但耗去了大量的资金，还拖延了工期。这些经验教训使人们清醒地意识到确保水电能源开发工程顺利进行的*要前提是两岸坝肩边坡开挖施工的安全有序进行，而在地质环境条件*特而复杂的西南地区，这种研究将更为迫切，难度也更大。
　　受河谷演化进程中的地质作用，河谷高陡边坡岩体具有强烈的卸荷问题，以锦屏一级水电站左岸岩体深部裂隙为典型代表。所以，目前针对卸荷裂缝边坡的稳定性研究也大多集中在锦屏一级水电站。这使得这种类型的边坡在勘察设计阶段过多地采用统一规范，缺少对其他工程因地制宜的判定和研究，易造成对其稳定性评判不足，导致灾难性的后果。例如，本章所依托的大岗山水电站右岸边坡，正是对边坡深部卸荷裂隙、断层等地质条件的勘察不足，致使边坡在大规模开挖期间相继出现若干宏观裂缝和变形加剧征兆，导致边坡开挖被迫停工半年，延误整个工期约2年，造成几亿元的经济损失[8-10]。
　　1.2　国内外研究现状及分析
　　1.2.1　岩质边坡开挖扰动研究
　　随着大量工程建设的迅速发展，高陡边坡开挖工程稳定性问题关系到水利水电、露天矿山、交通运输等领域。由开挖扰动引起的边坡失稳事故更是屡见不鲜。例如，1987年隔河岩水电站左岸导流洞出口高边坡开挖时，近20万m3岩体发生解体[11，12]。三峡工程永久船闸高边坡在开挖卸荷过程中的应力重分布致使中隔墩岩体的力学性状恶化，导致坡表岩体中原生裂隙张开形成了新的张裂隙，严重影响边坡的稳定[13-16]。五强溪水电站左岸船闸边坡开挖过程中产生的卸荷回弹诱发边坡两次发生倾倒变形破坏，迫使开挖施工中止[17]。天生桥二级水电站闸*边坡进水口明渠开挖时，发生边坡失稳坍滑，导致正在基坑内施工的48人丧生[18]。漫湾水电站左坝肩边坡在开挖过程中突发大型滑坡，滑坡体高 100m，总体积达10.8万m3，导致工期延误1年多，直接经济损失达1.2亿元[19，20]。在成昆铁路建设过程中，含红层软岩的边坡塌滑共有120处，占全线滑坡总数的65%[21]。云南元磨高速公路在建设过程中产生了大量开挖边坡灾害[22]。
　　有关开挖边坡致灾机理，国内较早的研究主要集中在三峡工程船闸高边坡岩体开挖卸荷工程项目中[23]。夏熙伦等[16]对三峡工程船闸高边坡开挖松动区及性状做出了较为详细的阐述。邓建辉等[24]利用滑动变形计对三峡工程船闸边坡开挖松动区进行监测，探讨了开挖松动区的概念，得出边坡岩体的变形具有明显的分区性，并定义主要变形区为边坡岩体松动区。盛谦[25]结合三峡工程船闸高边坡开挖扰动区与工程岩体力学性状进行了系统的研究。肖世国等[26]通过数值分析得出边坡开挖松弛区是坡体开挖后应力重分布和位移变化导致的有限范围内坡体的局部破坏。王兰生等[27]基于地质力学模式，结合一些大型水电工程边坡，指出了表生改造对岩体结构特征力学机制的影响因素。
　　1.2.2　岩质边坡数值模拟研究
　　岩质边坡破坏包含小变形、损伤演化、断裂裂纹形成、裂纹扩展贯通以至于发生散体运动等阶段，是一个连续到破坏的演化过程。随着计算技术水平的发展，采用数值方法模拟岩质边坡在复杂荷载作用下的力学行为，是研究其破坏机理的一个有效手段。由于边坡岩体内部存在大量的宏微观裂隙及节理等非连续结构面，岩质边坡的变形和破坏主要是由其内部结构控制，整个灾变过程历经孕育、萌生、演化和发展4个阶段，无法应用理论解析方法研究其破坏过程和规律。加之实际边坡大多处于复杂的地质环境中，其尺度效应、受力条件等都是室内试验无法解决的。因此，利用数值模拟方法研究开挖岩质边坡的力学行为是分析其稳定性的有效途径。
　　郑颖人等[28]根据塑性力学破坏原理，采用有限元强度折减法对岩质边坡的破坏机制进行了数值模拟分析，结果表明贯通破坏过程是在结构面和岩桥之间发生的一个从局部破坏逐步扩展到整体破坏的渐进破坏过程。周桂云等[29]以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为极限状态，提出了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法，进而确定边坡在地震荷载作用下是发生局部失稳还是整体失稳。周翠英等[30]用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程，推导大变形弹塑性有限元方程，分析边坡破坏过程。曹平等[31]通过FLAC3D强度折减法，分析多层岩体边坡在不同强度、坡比和层厚的情况下所得安全系数与滑动面位置的变化规律，揭示多层边坡的破坏机制。寇晓东等[32]将FLAC3D应用于三峡工程船闸高边坡开挖过程的应力变形和稳定分析。殷跃平[33]以重庆武隆鸡尾山滑坡为例，运用FLAC3D模拟研究在重力、岩溶和底部采矿活动等因素下山体的变形破坏特征。Hart等[34]采用3DEC程序在个人计算机（personal computer，PC）上模拟简单岩体边坡的渐进破坏过程。Bhasin 等[35]采用UDEC软件，对挪威西部一个700m高的岩质边坡进行了静力和动力稳定性分析，评估静力和动力作用下潜在的可能滑动的岩体体积，进而用于评定海湾内海啸高度。程谦恭等[36]基于高速岩质滑坡动力学模型，通过离散元法数值模拟，再现了高陡边坡岩体破坏失稳后大变形阶段的运动过程和状态。毛彦龙等[37]采用离散元法探讨地震动诱发滑坡体启程剧动机理，并以骆驼岭滑坡为例，对斜坡在地震作用下的变形失稳全过程进行数值模拟。曹琰波等[38]以汶川地震触发的唐家山滑坡为例，采用离散元数值模拟技术，对滑坡由变形累积到破坏滑动的全过程进行模拟，研究了地震作用下顺层岩质滑坡的变形破坏过程。Sitar 等[39]采用2D不连续变形分析（discontinuous deformation analysis，DDA）分析了含有节理面边坡的非连续变形特征以及运动破坏的规律。Chen等[40]应用DDA分析了位于日本北海道和新滹的两个边坡的稳定性，模拟了边坡的崩塌和倾倒破坏。Hatzor等[41]采用DDA分析了地震作用下具有高度非连续特征的岩体边坡的稳定性。邬爱清等[42]验证了DDA方法应用于岩质边坡稳定性分析的适用性，模拟了千将坪滑坡启动与滑坡全过程。孙东亚等[43]运用了DDA方法对倾倒破坏的失稳变形机理进行分析研究，指出了采用G-B法（Goodman和Bray提出的基于极限平衡原理的分析方法）可能出现的问题。ELFEN为一个常用的有限元-离散元耦合方法软件包，通过网格的局部剖分可以模拟脆性岩石中的裂缝扩展过程，同时ELFEN包含丰富的断裂、损伤以及软化模型，可以表征不同的岩石特征[44]。张国新等[45]采用数值流形方法模拟边坡的倾倒破坏过程，并与室内离心机试验进行比对分析，加入多裂隙扩展的跟踪模拟功能，使其既可以模拟块体系统的离散特性，又可以模拟完整岩体的拉裂与剪断。对边坡进行稳定性分析，实际上是获得了整个坡体的安全储备变形特征和应力状态，这对边坡失稳破坏的研究十分重要。
　　1.2.3　微震监测及其应用研究
　　工程实践表明，复杂地质条件下边坡稳定性分析需构建精确的物理-力学模型并运用先进监测技术，将两者结合起来互相补充对比分析才能准确评估出边坡的整体稳定性[46]。国内外边坡变形主要采用的监测方法是：坡表测量（测距仪、全站仪、水准仪、经纬仪等）、坡体内部测量（水压监测仪、钻孔倾斜仪和锚索测力计等）、位移计、全球定位系统（global positioning system，GPS）测量技术、红外遥感监测方法、激光微小位移监测技术、合成孔径雷达干涉测量、光纤位移测量、时间域反射测试技术、闭合法和声发射技术等。在岩土工程边坡监测方面，国内外学者做了大量的研究探索，取得了一系列重要的成果[47-50]，特别是对诸如链子崖[51]、新滩、黄蜡石等滑坡的成功预警。张金龙等[52]和孟永东等[53]在锦屏一级水电站高边坡监测和预警机制方面做了大量研究工作。邬凯等[54]针对山区公路路基边坡地质灾害开发研制了远程监测预报系统。赵明华等[55]通过表观变形、测斜仪、多点位移及锚索荷载等监测数据的研究对小湾水电站高边坡的稳定性进行了评估。现有的边坡监测技术能够对已经发生破坏的部分进行精确监测，但对于岩质边坡，由于宏观破坏前的变形小，表面位移不明显，当监测到岩质边坡表面发生变形时其内部可能早已发生破坏，就难以对边坡失稳的前兆信息进行有效监测。传统的监测方法因难以捕捉到岩质边坡失稳破坏的信息而无法进行预警。
　　近年来，作为一种时空动态的三维“体”监测方法，微震监测技术能捕捉到岩体内部微破裂信息，再现岩体裂缝萌生、发育、扩展、演化、贯通直至宏观滑面的产生，可作为评价岩体稳定性的重要监测工具。微震监测技术主要应用于矿山、石油等领域，该技术目前已经作为一种先进且行之有效的地压监测手段，在国内外高地应力矿山中得到广泛应用，已成为深部矿山地压研究和管理的一个基本手段[56]。自1908年德国鲁尔区波鸿市建立**个地震观测站以来，目前南非、德国、波兰、美国、英国、加拿大、日本和澳大利亚等国家在矿山[57-59]、隧道[60]、地下油气料储存洞室[61]和热干岩发电[62]等方面均取得了显著的研究成果。一些学者围绕加拿大地下核废料实验室开展了大量微震监测方面的研究工作，得到了许多很有价值的成果[63，64]。Kaiser等[65]结合三维虚拟技术系统研究了矿山微震活动性，并绘出了矿山微震活动风险等级图，为矿山资源开采和支护开辟了新的研究领域。近年来，随着我国深部矿产资源开采诱发的冲击地压瓦斯问题、石油领域的水压致裂问题、核废料储存的安全问题以及水电行业高埋深隧洞岩爆、地下洞室和高边坡失稳等岩体灾害问题的不断涌现，国内学者结合微震监测技术，在各领域也进行了大量卓有成效的研究工作。李庶林等[66]运用工程地震集团（Engineering Seismology Group，ESG）微震监测系统在凡口铅锌矿建立了监测冲击地压的微震监测系

目录
前言
第1章高陡岩质边坡微震监测与稳定性分析1
1.1研究背景与意义1
1.2国内外研究现状及分析3
1.2.1岩质边坡开挖扰动研究3
1.2.2岩质边坡数值模拟研究3
1.2.3微震监测及其应用研究5
1.2.4岩质边坡加固效应研究6
1.3存在的问题8
1.4研究内容12
1.5大岗山水电站右岸边坡工程地质及稳定性分析12
1.5.1工程地质环境条件13
1.5.2边坡二维数值模拟及稳定性分析18
1.5.3小结24
1.6大岗山水电站右岸边坡的微震监测24
1.6.1微震监测系统的构建26
1.6.2开挖扰动与微震活动时空分布规律27
1.6.3边坡主控结构面的识别与圈定31
1.6.4微震能量密度演化特征33
1.6.5开挖卸荷期间裂缝成因35
1.6.6小结36
1.7开挖边坡的数值模拟37
1.7.1二维数值模拟39
1.7.2三维数值模拟40
1.7.3微震监测与数值计算对比研究45
1.7.4考虑微震损伤效应的反馈研究47
1.7.5小结50
1.8边坡抗剪洞加固效应分析51
1.8.1抗剪洞加固微震能量时空分布特征53
1.8.2抗剪洞高程区域微震能量密度演化特征55
1.8.3基于震级-频度的边坡开挖与加固稳定性分析58
1.8.4抗剪洞加固RFPA2D-SRM数值模型分析60
1.8.5抗剪洞加固效果数值模拟分析62
1.8.6小结68
1.9结论68
参考文献70
第2章大型地下水封石油洞库微震监测与稳定性分析80
2.1研究背景与意义80
2.2国内外研究现状及分析82
2.2.1地下水封石油洞库数值分析方法82
2.2.2大型地下水封石油洞库的安全监测方法83
2.2.3大型地下水封石油洞库群微震监测及稳定性分析84
2.3存在的问题86
2.4研究内容87
2.5锦州地下水封石油洞库微震监测88
2.5.1监测区域地质、水文条件及施工方案89
2.5.2地下水封石油洞库微震监测系统构建98
2.5.3微震定位误差和信号的识别99
2.5.4地下水封石油洞库微震活动性空间分布104
2.5.5地下水封石油洞库围岩微震活动性的时间分布规律105
2.5.6地下水封石油洞库局部稳定性分析106
2.5.7小结118
2.6基于CDEM的地下水封石油洞库数值模拟118
2.6.1工程概况119
2.6.2连续-非连续单元法的基本原理121
2.6.3CDEM的数值模拟125
2.6.4微震监测结果130
2.6.5小结132
2.7结论133
参考文献134
第3章基于微震监测的高拱坝蓄水期稳定性研究140
3.1研究背景与意义140
3.2国内外研究现状及分析141
3.3存在的问题144
3.4研究内容144
3.5基于微震监测的大岗山水电站高拱坝坝踵蓄水初期变形机制研究145
3.5.1大岗山水电站高拱坝概况146
3.5.2坝踵微震监测系统148
3.5.3蓄水初期微震时空分布特征151
3.5.4蓄水初期坝踵变形机制分析153
3.5.5小结158
3.6基于微震监测和数值模拟的高拱坝廊道裂缝成因机制研究158
3.6.1高拱坝廊道特征159
3.6.2高拱坝廊道裂缝现象163
3.6.3高拱坝廊道微震监测系统构建165
3.6.4高拱坝廊道微震系统精度测试167
3.6.5高拱坝廊道裂缝形成的微震识别169
3.6.6高拱坝廊道裂缝形成数值模拟178
3.6.7小结183
3.7基于微震监测和数值模拟的高拱坝蓄水初期工作性态研究184
3.7.1高拱坝蓄水初期微震监测185
3.7.2高拱坝蓄水初期数值模拟190
3.7.3小结198
3.8结论198
参考文献199
第4章基于微震监测的煤矿底板突水机制研究205
4.1研究背景与意义205
4.2国内外研究现状及分析206
4.2.1突水机理国外研究现状207
4.2.2突水机理国内研究现状207
4.2.3底板突水监测技术研究现状209
4.3存在的问题210
4.4研究内容210
4.5基于弹性力学的底板应力场及破坏特征研究211
4.5.1工程概况213
4.5.2底板应力分量求解及破坏分析214
4.5.3数值模拟222
4.5.4微震监测227
4.5.5综合方法231
4.5.6小结232
4.6基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制研究233
4.6.1董家河煤矿典型工作面概况234
4.6.2工作面突水通道的微震监测分析235
4.6.3突水通道附近应力变化机理研究241
4.6.4断层围岩应力场演化规律243
4.6.5小结249
4.7承压水上开采底板断层破坏特征研究250
4.7.1断层破坏力学分析251
4.7.2模型构建251
4.7.3断层面应力求解252
4.7.4突水通道形成过程的数值模拟研究253
4.7.5底板断层损伤的微震活动特征259
4.7.6小结263
4.8结论264
参考文献265
第5章抽水蓄能电站地下厂房微震监测与稳定性分析271
5.1研究背景与意义271
5.2国内外研究现状及分析273
5.2.1地下厂房围岩稳定性分析273
5.2.2地下厂房围岩稳定性的常规监测273
5.2.3地下厂房围岩稳定性的微震监测274
5.3存在的问题274
5.4研究内容275
5.5荒沟抽水蓄能电站地下厂房微震监测系统276
5.5.1工程及施工概况276
5.5.2微震系统构建282
5.5.3微震系统定位误差和波形识别283
5.5.4微震活动规律287
5.5.5基于微震活动的围岩稳定性评价289
5.5.6小结296
5.6基于RFPA2D-SRM的地下厂房数值模拟297
5.6.1RFPA2D-SRM的基本原理298
5.6.2典型剖面围岩稳定性分析300
5.6.3断层位置对围岩稳定性的影响305
5.6.4不同侧压力系数对围岩稳定性的影响308
5.6.5小结312
5.7结论313
参考文献314
后记318