陳 念,王成虎,陳平志,陳建林,周 昊

1.應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院,北京 100085;2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122

0 引言

白鶴灘水電站位于中國(guó)西南部金沙江下游,四川省寧南縣與云南省巧家縣境內(nèi),上接烏東德梯級(jí),下鄰溪洛渡梯級(jí),金沙江由南向北流過(guò)壩址區(qū)。白鶴灘左、右岸地下廠房洞室群水平埋深分別達(dá)950～1050 m、630～800 m;垂直埋深分別達(dá)260～330 m、420～540 m。水電站計(jì)劃于2021年7月實(shí)現(xiàn)首批機(jī)組發(fā)電,2022年7月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。屆時(shí),白鶴灘水電站將成為僅次于三峽工程的世界第二大水電站。

考慮到在地下廠房開挖施工過(guò)程中,由于工程區(qū)地應(yīng)力的二次調(diào)整易導(dǎo)致出現(xiàn)圍巖破裂、片幫等破壞現(xiàn)象,如錦屏一級(jí)水電站硐室開挖過(guò)程中出現(xiàn)的圍巖松弛破裂以及圍巖大變形(魏進(jìn)兵等,2010),而白鶴灘水電站在廠房開挖過(guò)程中也出現(xiàn)了高應(yīng)力作用下硬巖變形與脆性破壞(段淑倩等,2017;江權(quán)等,2019),因此準(zhǔn)確判定工程巖體中地應(yīng)力狀況對(duì)于深部地下工程的災(zāi)害評(píng)估及災(zāi)害預(yù)警具有重要意義(陳群策等,2019;譚成軒等,2019)。從白鶴灘水電站建設(shè)之初,華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院及長(zhǎng)江科學(xué)院等單位進(jìn)行過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試工作,為前期工程建設(shè)提供了豐富的地應(yīng)力資料。然而隨著電站地下廠房大跨度的硐室開挖,硐室圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)發(fā)生二次調(diào)整和變化,前期科研階段的地應(yīng)力測(cè)量成果應(yīng)用于分析硐室圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整已略顯不足。為了更好地觀測(cè)地下廠房開挖過(guò)程中硐室圍巖中應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整變化對(duì)圍巖變形破壞的影響特征,工程建設(shè)單位在地下廠房上方的錨固洞內(nèi)鉆造鉆孔進(jìn)行觀測(cè),鉆孔孔壁采用高精度超聲波井下電視錄井測(cè)量,通過(guò)這項(xiàng)工作期望為白鶴灘壩區(qū)地下廠房硐室長(zhǎng)期穩(wěn)定性及運(yùn)營(yíng)安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)深井地應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),起初通過(guò)四臂井徑測(cè)井儀器對(duì)豎直鉆孔進(jìn)行探測(cè)(高阿甲等,1990;俞言祥和許忠淮,1994;黃雨蕊等,1994);隨著鉆孔圖像錄井技術(shù)的發(fā)展,研究人員 (Ju et al.,2017,2018;侯頡和余大新,2018)開始采用全新的井下電視成像系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠觀測(cè)到更加清晰的鉆孔井壁圖像,其中超聲波類鉆孔成像系統(tǒng)對(duì)于識(shí)別鉆孔內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。利用高精度超聲波井下電視成像系統(tǒng)可以識(shí)別鉆孔孔壁上出現(xiàn)的清晰的鉆孔崩落和孔壁誘發(fā)張裂縫現(xiàn)象,而基于這些圖像數(shù)據(jù)可以獲得區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大最小水平主應(yīng)力方向。大量原位觀測(cè)和測(cè)試結(jié)果表明,誘發(fā)鉆孔崩落破壞現(xiàn)象可以可靠地給出最小水平主應(yīng)力的方向,最大水平主應(yīng)力方向與之垂直(Moos and Zoback, 1990;Zoback et al.,2003)。

文章通過(guò)在白鶴灘右岸廠房錨固洞內(nèi)的7個(gè)鉆孔中開展高精度超聲波井下電視錄井測(cè)試工作,獲得了清晰的鉆孔崩落及鉆孔誘發(fā)裂縫的圖像數(shù)據(jù),這些高質(zhì)量的數(shù)據(jù)可以用于分析廠房區(qū)現(xiàn)今工程巖體應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài),確定主應(yīng)力方向,將為該水電站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間的工程巖體穩(wěn)定性研究提供地應(yīng)力方向數(shù)據(jù)支撐。

1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景

白鶴灘壩區(qū)位于川滇菱形地塊東緣的則木河斷裂帶東南段以及小江斷裂帶北段,地處小江斷裂帶、則木河斷裂帶、蓮峰斷裂帶、大涼山斷裂、大橋河-普渡河斷裂和寧會(huì)斷裂等的交匯區(qū)域(圖1),地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,斷裂、褶皺極發(fā)育。喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)白鶴灘壩區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響較大。喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期,壩區(qū)主要受到印度洋板塊擠壓作用所控制的北北東向的構(gòu)造應(yīng)力作用(闞榮舉等,1977)。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期主要指川滇菱形地塊形成以來(lái)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),川滇菱形地塊是由西北方的麗江-小金河斷裂帶、西南方的紅河斷裂帶、以及東北方的則木河斷裂帶和東南方的小江斷裂帶圍限,形成一個(gè)獨(dú)立的菱形地塊(圖1;金長(zhǎng)宇等,2010;尹健民等,2012)。小江斷裂帶作為川滇菱形塊體的東南邊界斷裂,在青藏高原向東強(qiáng)烈的擠出作用力下,斷裂帶以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主且伴隨有強(qiáng)烈而頻繁的地震活動(dòng)(何宏林等,1993;韓剛等,2011;張欣等,2017)。由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征分析可大致推測(cè)白鶴灘壩區(qū)受北西西方向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用(圖1)。

圖1 白鶴灘水電站區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Regional tectonic structure of the Baihetan hydroelectric power plant F1-South section of the Zemuhe fault;> F2-North section of the Xiaojiang fault;> F3-The Lianfeng fault;> F4-The Zhaotong-ludian fault;> F5-South section of the Daliangshan fault;> F6-The Dagiaohe-Puduhe fault;> F7-The Ninghui fault

針對(duì)該區(qū)域的地殼應(yīng)力場(chǎng)特征,相關(guān)學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量、震源機(jī)制反演、多源地應(yīng)力信息集成等方法已經(jīng)做過(guò)大量研究(崔效鋒等,2006;榮冠等,2009;金長(zhǎng)宇等,2010;江權(quán)等,2011;尹健民等,2012;林太清等,2015)?，F(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明白鶴灘水電站左、右兩岸廠區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)方向在局部產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),從左岸的北西西向到右岸變?yōu)楸睎|向;崔效鋒等(2006)基于震源機(jī)制反演與水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果認(rèn)為川滇應(yīng)力區(qū)東邊界最大主壓應(yīng)力方向?yàn)楸蔽魑飨?尹健民等(2012)基于多源地應(yīng)力信息集成的方法,計(jì)算得出右岸地下廠房區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?3°左右,即北東向。

2 鉆孔孔壁破壞的基本原理與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法

2.1 鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙形成原理

每次鉆孔都相當(dāng)于在地殼巖體中開展一次巖石力學(xué)試驗(yàn),孔壁巖體都會(huì)對(duì)此產(chǎn)生相應(yīng)的變形破壞響應(yīng),通過(guò)細(xì)致分析這些響應(yīng)現(xiàn)象,就可以估算區(qū)域巖體的應(yīng)力場(chǎng)特征。鉆孔崩落的產(chǎn)生是由于鉆孔周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力集中,孔壁巖體中的切向應(yīng)力大于巖石的抗壓強(qiáng)度,從而產(chǎn)生鉆孔井壁壓縮剪切破壞進(jìn)而導(dǎo)致的鉆孔直徑擴(kuò)大(產(chǎn)生鉆孔橢圓)的現(xiàn)象,因此鉆孔崩落的發(fā)展方向總是與最大水平主應(yīng)力 (SH)方向垂直 (Bell and Gough,1979)。沿著鉆孔軸線發(fā)展方向的崩落長(zhǎng)度不等,短的只有幾厘米,長(zhǎng)的達(dá)幾百米(阿爾諾·贊格和奧韋·斯特凡松,2013)。

鉆孔誘發(fā)張裂隙的形成是由于鉆孔井壁張應(yīng)力集中,孔壁巖體中的切向應(yīng)力小于巖石的抗拉強(qiáng)度,從而導(dǎo)致鉆孔孔壁張拉破壞的現(xiàn)象(P?ppelreiter,2010)。與水壓致裂法原理類似,孔壁誘發(fā)張裂隙走向一般與最大水平主應(yīng)力方向(SH)一致,但鉆孔誘發(fā)張裂隙的深度一般為幾毫米或幾厘米(Brudy and Zoback,1999),常常作為一種附加技術(shù)來(lái)約束鉆孔崩落分析結(jié)果。

基于鉆孔孔壁周圍的應(yīng)力分布特征,鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙的形成原理如圖2所示。鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙并不都是同時(shí)出現(xiàn),大多數(shù)時(shí)候只出現(xiàn)其中一種現(xiàn)象。根據(jù)成像測(cè)井資料觀測(cè),受崩落形成條件的限制,崩落現(xiàn)象通常出現(xiàn)在千米以深(李朋武等,2005)。利用高精度超聲波井下電視測(cè)井圖像,在白鶴灘右岸廠房錨固洞內(nèi)某鉆孔中的同一井段(如鉆孔CZZK 05中觀測(cè)深度21.0～22.0 m段)同時(shí)觀測(cè)到了這兩種現(xiàn)象,這在一定程度上表明白鶴灘壩址右岸廠房區(qū)是屬于高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)。

2.2 超聲波井下電視測(cè)試簡(jiǎn)介

通過(guò)對(duì)高精度超聲波鉆孔圖像的鉆孔崩落現(xiàn)象的解譯可確定最大水平主應(yīng)力(SH)方向,然后通過(guò)對(duì)鉆孔誘發(fā)張裂隙圖像的補(bǔ)充解釋來(lái)驗(yàn)證上述現(xiàn)象獲得的最大水平主應(yīng)力(SH)方向。文中對(duì)白鶴灘右岸廠房錨固洞內(nèi)7處鉆孔超聲波井下電視錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了井壁鉆孔崩落與誘發(fā)裂隙現(xiàn)象的解釋。錄井工作利用ABI40鉆孔超聲波成像綜合測(cè)試系統(tǒng) (Integrative acoustic borehole imaging system)來(lái)完成。綜合測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)ALT ABI-40型聲學(xué)電視探頭對(duì)鉆孔進(jìn)行360°聲波掃描,并將鉆孔圖像從正北(N)方向順時(shí)針展開,在計(jì)算機(jī)上顯示為二維平面圖象,從左到右(0°到360°)展示的方位分別為“北—東—南—西—北”。成像測(cè)井圖像是鉆孔井壁狀況的直接展示,從圖像上可以直觀的分辨出井壁的節(jié)理裂隙,為深入量化分析提供依據(jù)。

將圖像和實(shí)際鉆孔井壁以及巖芯對(duì)比,可以解譯出圖中各顏色的含義,即,黃色代表相對(duì)完整巖石,藍(lán)色代表完整性較差的巖石或巖體中密度和強(qiáng)度相對(duì)較低的部分。鉆孔崩落現(xiàn)象的特征為鉆孔井壁上正面相對(duì)的(相隔180°角度)區(qū)域內(nèi)均發(fā)生孔壁破壞和巖石脫落,因此可以從鉆孔圖像上很容易辨認(rèn)出鉆孔崩落區(qū)域。從鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙段落的鉆井圖像識(shí)別示意圖(圖3)可以看出,鉆孔孔壁在相對(duì)的區(qū)域出現(xiàn)明顯的鉆孔破壞現(xiàn)象。通過(guò)WellCAD軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,獲取鉆孔崩落區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù),如崩落深度、崩落方位角、崩落長(zhǎng)度、崩落寬度等數(shù)據(jù),之后可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲取所需要的區(qū)域工程巖體應(yīng)力信息。另外,由于鉆孔誘發(fā)張裂隙的深度一般為幾毫米或幾厘米(Brudy and Zoback, 1999),比較難于辨識(shí),但是在一些成像比較好的區(qū)域依然可以觀測(cè)到鉆孔誘發(fā)張裂隙的存在,表現(xiàn)在圖像上是一條細(xì)長(zhǎng)的暗色線段,在孔壁鉆孔電視圖像上將其用紅色細(xì)線標(biāo)注出來(lái)。從鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙的形成原理來(lái)看,二者之間方位角應(yīng)相差90°,這可以判斷錄井圖像中暗色陰影區(qū)域以及暗色細(xì)線(圖3)所代表的特征是否為鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙。

圖3 井下電視圖像示例圖Fig.3 Example of integrative ultrasonic borehole imaging system

3 白鶴灘右岸廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向

3.1 鉆孔信息簡(jiǎn)介

測(cè)試鉆孔主要位于白鶴灘右岸廠房頂部錨固洞內(nèi),此次測(cè)試鉆孔的位置如圖4所示,這對(duì)接下來(lái)理解鉆孔圖像中的鉆孔深度時(shí)有一定的幫助,即鉆孔深度的定義是從錨固洞內(nèi)開始計(jì)算并向下增加的,因此鉆孔圖像中的深度0 m是指右岸廠房錨固洞底板所在海拔高度(海拔652.40 m),而鉆孔最深處即為右岸廠房頂部(海拔622.50 m),鉆孔深度的最大值約30 m。

圖4 右岸廠房頂拱超聲波測(cè)試點(diǎn)布置示意圖(俯視)Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic testing point layout in the roof arch of the right bank workshop (from top)

3.2 鉆孔崩落法確定區(qū)域最大水平主應(yīng)力(SH)方向

在此次測(cè)試中一共對(duì)9個(gè)鉆孔進(jìn)行了超聲波井下電視掃描,由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,只取得了7個(gè)鉆孔(CZZK 03、QXZK 03、CZZK 05、CZZK 07、CZZK 04、CZZK 08、CZZK 10)的高精度超聲波鉆孔圖像數(shù)據(jù),7處鉆孔數(shù)據(jù)中識(shí)別的鉆孔崩落與鉆孔誘發(fā)張裂隙的典型特征如圖5所示,圖中使用紅色斜網(wǎng)格線標(biāo)識(shí)出了鉆孔崩落區(qū)域,說(shuō)明在7個(gè)鉆孔中均出現(xiàn)了較為明顯的鉆孔崩落現(xiàn)象,個(gè)別圖像還出現(xiàn)了鉆孔誘發(fā)張裂隙(綠色細(xì)線所示)特征。

圖5 鉆孔破壞(鉆孔崩落、鉆孔誘發(fā)張裂隙)現(xiàn)象展示圖Fig.5 Display diagram of the borehole failures (borehole breakouts and drilling-induced tensile fractures)

從7個(gè)鉆孔取得的鉆孔崩落圖像的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(表1),在保證樣本數(shù)量的前提下,白鶴灘右岸廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向大致為北北東—南南西方向(平均方位角位于N25.01°E～N30.99°E范圍內(nèi))?；谑澜鐟?yīng)力圖(WSM)中應(yīng)力數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)(Heidbach et al.,2010),評(píng)估每個(gè)鉆孔結(jié)果的可靠性。由于此次測(cè)試中的7個(gè)鉆孔在數(shù)據(jù)采集范圍方面受到了廠房位置的限制,故此處不考慮數(shù)據(jù)采集范圍的因素。從崩落數(shù)目以及方位角統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差方面來(lái)看,7處鉆孔錄井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量可以評(píng)為B級(jí)甚至A級(jí),因此通過(guò)此次鉆孔崩落數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果是足夠可靠的。

表1 白鶴灘右岸廠房區(qū)域鉆孔崩落最大水平主應(yīng)力方向Table 1 Direction of the maximum horizontal principal stress from the borehole breakouts in the area of the right bank cavern of the Baihetan hydroelectric power plant

從7個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的鉆孔崩落方位玫瑰圖(圖6)可以看出,在統(tǒng)計(jì)段內(nèi)7個(gè)鉆孔在相隔180°的角度內(nèi)存在鉆孔崩落現(xiàn)象,完全符合鉆孔崩落的特征。產(chǎn)生鉆孔崩落現(xiàn)象的方向均集中在北西西—南東東方向,由鉆孔崩落產(chǎn)生原理可知,鉆孔崩落的方位角表示最小水平主應(yīng)力所在方位,即最小水平主應(yīng)力(Sh)方向是北西西—南東東方向,最大水平主應(yīng)力(SH)方向是北北東—南南西方向。

將7個(gè)鉆井的井下電視錄井圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并合并(圖7),用點(diǎn)的形式表示在某一深度某一方位出現(xiàn)的鉆孔崩落現(xiàn)象,從而可以從宏觀的角度來(lái)認(rèn)識(shí)整個(gè)區(qū)域的整體鉆孔崩落情況。從圖7中可以看出在白鶴灘右岸廠房頂部錨固洞向下區(qū)域的2～15 m、17.5～25 m以及33～34 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了比較明顯的鉆孔崩落現(xiàn)象,而且鉆孔崩落現(xiàn)象的出現(xiàn)均在相隔180°的兩個(gè)方位角區(qū)域內(nèi),且超過(guò)95%的鉆孔崩落現(xiàn)象集中在90°E～135°SE(270°W～315°NW)范圍內(nèi),按照鉆井成像的方位角度劃分規(guī)則,可以判斷鉆孔崩落的方向?yàn)楸蔽魑鳌蠔|東方向?yàn)橹?從而可以估算出白鶴灘右岸廠房區(qū)域測(cè)試段內(nèi)的最小水平主應(yīng)力(Sh)的方向?yàn)楸蔽魑鳌蠔|東方向,最大水平主應(yīng)力(SH)的方向?yàn)楸北睎|—南南西方向。

圖7 鉆孔崩落方位角分布散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagram of the borehole breakout azimuths

在7個(gè)鉆孔測(cè)試過(guò)程中,除鉆孔CZZK 05的測(cè)試條件非常理想,得到的鉆孔井壁圖像質(zhì)量好,其他鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量都造成了一定影響。為了更加細(xì)致地分析白鶴灘右岸廠房區(qū)域現(xiàn)今地殼應(yīng)力特征,文中以鉆孔數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的CZZK 05為例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。在圖5中可以清晰地觀測(cè)到鉆孔崩落形成的深藍(lán)色暗色條帶,為了方便展示,CZZK 05的數(shù)據(jù)探測(cè)范圍26 m被劃分為三部分(0～10m、10～20m、20～26m),按照崩落擴(kuò)展長(zhǎng)度及崩落寬度(以度計(jì)量)的不同將每一處崩落跡象識(shí)別出并給出了三個(gè)玫瑰圖(圖8)。CZZK 05的鉆孔崩落的崩落方位角集中在90°E～135°SE(270°W～315°NW)范圍內(nèi),即北西西—南東東方向。隨著深度由0～10 m增加到20～26 m,其優(yōu)勢(shì)方位基本沒(méi)有變化,由平均方位角124.45°(0～10m)到116.27°(10～20 m)再到123.35°(20～26 m),即該區(qū)域巖體地應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向基本未隨深度有明顯變化。

圖8 鉆孔CZZK 05三個(gè)深度段的方位角玫瑰圖Fig.8 Rose diagram of azimuth at three depths in the borehole CZZK 05

從CZZK 05整體方位統(tǒng)計(jì)(圖6c)來(lái)看,鉆孔崩落方位較為一致。在散點(diǎn)圖上(圖9),用紅色豎直基線來(lái)表示CZZK 05的鉆孔崩落平均方位角,其平均崩落方位角為120.57°(295.45°)。依據(jù)鉆孔崩落理論,對(duì)應(yīng)的白鶴灘右岸廠房區(qū)域平均最大水平主應(yīng)力(SH)方位角度數(shù)為30.57°,即白鶴灘右岸廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力(SH)優(yōu)勢(shì)方向?yàn)楸北睎|—南南西方向。

圖6 鉆孔崩落方位角玫瑰圖Fig.6 Rose diagram of the borehole breakout directions. (a) Borehole CZZK 03. (b) Borehole QXZK 03. (c) Borehole CZZK 05. (d) Borehole CZZK 07. (e) Borehole CZZK 04. (f) Borehole CZZK 08. (g) Borehole CZZK 10.

圖9 鉆孔CZZK 05的崩落分布散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter diagram of the borehole breakout azimuths in the borehole CZZK 05

基于鉆孔崩落法與應(yīng)力多邊形法,利用鉆孔崩落的寬度可以對(duì)工程巖體應(yīng)力量值進(jìn)行二次約束,因此文中以CZZK 05為例進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了其鉆孔崩落寬度的分布情況(圖10)。從圖中可以看出,超過(guò)92%的鉆孔崩落現(xiàn)象的寬度均集中在7.5°～75°之間,優(yōu)勢(shì)崩落寬度分布在15°～45°之間,只有少量鉆孔崩落的寬度超出這個(gè)范圍。另外進(jìn)一步根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出,鉆孔崩落的寬度并未隨著深度增加而增加。

圖10 鉆孔CZZK 05鉆孔崩落寬度分布直方圖Fig.10 Histogram of borehole breakout opening angles in the borehole CZZK 05

3.3 鉆孔誘發(fā)張裂隙法校正最大水平主應(yīng)力(SH)方向

由于鉆孔誘發(fā)張裂隙不容易產(chǎn)生,在此次有效測(cè)試的7個(gè)鉆孔中僅有2個(gè)鉆孔(CZZK 03、CZZK 05)井壁內(nèi)部產(chǎn)生了可清晰觀測(cè)到的鉆孔誘發(fā)張裂隙。從鉆孔誘發(fā)張裂隙分布散點(diǎn)圖中(圖11)可以看出CZZK 03的誘發(fā)張裂隙僅分布在深度為2～4 m的范圍內(nèi),CZZK 05的誘發(fā)張裂隙在7.5～22.5 m深處的范圍內(nèi)都有分布,為了更清楚地表述鉆孔誘發(fā)張裂隙的方位角,同樣用紅色線表示鉆孔誘發(fā)張裂隙的平均方位角,這兩個(gè)鉆孔的平均誘發(fā)張裂隙方位角基本處于同一位置,分別為22.60°(199.37°)和24.57°(208.35°),平均方位角為23.58°(203.86°)。鉆孔誘發(fā)張裂隙的方位基本集中在15°～30°的范圍內(nèi),與基于鉆孔崩落法所得出鉆孔崩落方位相差90°,這與鉆孔崩落現(xiàn)象和鉆孔誘發(fā)張裂隙現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理也是相符合的。從而可以得出鉆孔誘發(fā)張裂隙的方位為北北東—南南西方向,即最大水平主應(yīng)力(SH)的方向?yàn)楸北睎|—南南西方向。

圖11 鉆孔誘發(fā)張裂隙分布散點(diǎn)圖Fig.11 Scatter diagram of the drilling-induced tensile fractures. (a) Borehole CZZK 03. (b) Borehole CZZK 05

4 討論

利用鉆孔崩落分析區(qū)域地殼應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)成為深孔鉆探計(jì)劃的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容(Vernik and Nur, 1992;李朋武等,2005; 王連捷等,2006;Wu et al.,2007)。但是受測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,鉆孔崩落分析常常結(jié)合同一場(chǎng)地的水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試和其他地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果綜合分析解釋該區(qū)域地殼應(yīng)力狀態(tài)。

根據(jù)白鶴灘右岸廠房7處鉆孔的超聲波井下電視錄井?dāng)?shù)據(jù)的分析,基于鉆孔崩落法估算出了白鶴灘右岸廠房區(qū)域最大水平主應(yīng)力(SH)的方向?yàn)楸北睎|—南南西(平均方位角位于N25.01°E～N30.99°E范圍內(nèi))。從新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)川滇板塊受擠壓的角度來(lái)分析,白鶴灘壩區(qū)區(qū)域地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向應(yīng)為北西西方向,在白鶴灘區(qū)域河谷附近測(cè)得的初始地應(yīng)力場(chǎng)的方向驗(yàn)證了這一結(jié)論(金長(zhǎng)宇等,2010),但與此次試驗(yàn)在白鶴灘右岸廠房區(qū)域進(jìn)行實(shí)測(cè)取得的結(jié)果不相符合。出現(xiàn)這種差異的原因是由于白鶴灘區(qū)域?qū)儆诟呱綅{谷地貌,左岸為大涼山山脈東南坡(+2600 m高程),右岸為藥山山脈西坡(+3000 m高程),河谷成左岸低右岸高的不對(duì)稱“V”字形,河谷兩岸相對(duì)河谷海拔較高,因此出現(xiàn)了除地質(zhì)構(gòu)造作用以外的因素影響了區(qū)域地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力主要由構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力構(gòu)成(Bell,1996),但就河谷應(yīng)力場(chǎng)而言則是在原始地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和重力場(chǎng)的基礎(chǔ)上,疊加河流剝蝕作用以及岸坡卸荷作用等因素共同形成的地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)(Amadei and Stephansson, 1997)。韓剛等(2011)在對(duì)白鶴灘壩區(qū)岸坡側(cè)向卸荷因素的研究中發(fā)現(xiàn)深部破裂巖體地應(yīng)力場(chǎng)的形成演化過(guò)程主要受側(cè)向卸荷控制,導(dǎo)致主應(yīng)力大小持續(xù)降低,最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生向北東向偏轉(zhuǎn)。金長(zhǎng)宇等(2010)和尹健民等(2012)分別利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段和基于多源地應(yīng)力信息集成的算法對(duì)白鶴灘壩區(qū)左右兩岸地應(yīng)力場(chǎng)特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)由于河流侵蝕和岸坡卸荷等地質(zhì)作用影響,左右岸地殼應(yīng)力場(chǎng)均出現(xiàn)了北西西向到北東向的較大的偏轉(zhuǎn)。

結(jié)合上述研究成果以及此次測(cè)試對(duì)該工程巖體應(yīng)力場(chǎng)方向的研究來(lái)看,白鶴灘壩區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)主要受到構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力、河流剝蝕作用以及岸坡卸荷作用的共同影響,使得右岸廠房區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)方向大致呈北北東—南南西方向。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)白鶴灘右岸廠房頂部錨固洞內(nèi)7處高精度超聲波鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出以下主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1)白鶴灘右岸廠房區(qū)域鉆孔平均崩落方位角度數(shù)計(jì)算最小水平主應(yīng)力(Sh)方向?yàn)楸蔽魑?295.45°)—南東東(120.57°)方向,由此計(jì)算最大水平主應(yīng)力(SH)方向?yàn)楸北睎|—南南西方向,并與鉆孔誘發(fā)張裂隙的方位(集中在15°～30°的范圍內(nèi),平均方位角為23.58°)基本一致。

(2)白鶴灘右岸廠房區(qū)域鉆孔所揭示的現(xiàn)今地應(yīng)力方向主要受到構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力、河流剝蝕作用以及岸坡卸荷作用的共同影響,屬于局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。