利用鉆孔崩落數據再認識白鶴灘右岸地應力場特征

陳 念,王成虎,陳平志,陳建林,周 昊

1.應急管理部國家自然災害防治研究院,北京 100085;2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122

0 引言

白鶴灘水電站位于中國西南部金沙江下游,四川省寧南縣與云南省巧家縣境內,上接烏東德梯級,下鄰溪洛渡梯級,金沙江由南向北流過壩址區。白鶴灘左、右岸地下廠房洞室群水平埋深分別達950～1050 m、630～800 m;垂直埋深分別達260～330 m、420～540 m。水電站計劃于2021年7月實現首批機組發電,2022年7月全部機組投產發電。屆時,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程中,由于工程區地應力的二次調整易導致出現圍巖破裂、片幫等破壞現象,如錦屏一級水電站硐室開挖過程中出現的圍巖松弛破裂以及圍巖大變形(魏進兵等,2010),而白鶴灘水電站在廠房開挖過程中也出現了高應力作用下硬巖變形與脆性破壞(段淑倩等,2017;江權等,2019),因此準確判定工程巖體中地應力狀況對于深部地下工程的災害評估及災害預警具有重要意義(陳群策等,2019;譚成軒等,2019)。從白鶴灘水電站建設之初,華東勘測設計研究院及長江科學院等單位進行過多次現場地應力測試工作,為前期工程建設提供了豐富的地應力資料。然而隨著電站地下廠房大跨度的硐室開挖,硐室圍巖中的應力狀態將會發生二次調整和變化,前期科研階段的地應力測量成果應用于分析硐室圍巖二次應力場調整已略顯不足。為了更好地觀測地下廠房開挖過程中硐室圍巖中應力場調整變化對圍巖變形破壞的影響特征,工程建設單位在地下廠房上方的錨固洞內鉆造鉆孔進行觀測,鉆孔孔壁采用高精度超聲波井下電視錄井測量,通過這項工作期望為白鶴灘壩區地下廠房硐室長期穩定性及運營安全性提供數據支撐。

對深井地應力場的現場觀測,起初通過四臂井徑測井儀器對豎直鉆孔進行探測(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的發展,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,該系統能夠觀測到更加清晰的鉆孔井壁圖像,其中超聲波類鉆孔成像系統對于識別鉆孔內部細微結構具有明顯優勢。利用高精度超聲波井下電視成像系統可以識別鉆孔孔壁上出現的清晰的鉆孔崩落和孔壁誘發張裂縫現象,而基于這些圖像數據可以獲得區域應力場的最大最小水平主應力方向。大量原位觀測和測試結果表明,誘發鉆孔崩落破壞現象可以可靠地給出最小水平主應力的方向,最大水平主應力方向與之垂直(Moos and Zoback, 1990;Zoback et al.,2003)。

文章通過在白鶴灘右岸廠房錨固洞內的7個鉆孔中開展高精度超聲波井下電視錄井測試工作,獲得了清晰的鉆孔崩落及鉆孔誘發裂縫的圖像數據,這些高質量的數據可以用于分析廠房區現今工程巖體應力場狀態,確定主應力方向,將為該水電站長期運營期間的工程巖體穩定性研究提供地應力方向數據支撐。

1 區域構造應力場背景

白鶴灘壩區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-普渡河斷裂和寧會斷裂等的交匯區域(圖1),地質構造背景復雜,新構造運動強烈,斷裂、褶皺極發育。喜馬拉雅構造運動以及新構造運動對白鶴灘壩區區域構造應力場影響較大。喜馬拉雅構造運動時期,壩區主要受到印度洋板塊擠壓作用所控制的北北東向的構造應力作用(闞榮舉等,1977)。新構造運動時期主要指川滇菱形地塊形成以來的構造運動,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,形成一個獨立的菱形地塊(圖1;金長宇等,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,在青藏高原向東強烈的擠出作用力下,斷裂帶以左旋走滑運動為主且伴隨有強烈而頻繁的地震活動(何宏林等,1993;韓剛等,2011;張欣等,2017)。由構造運動特征分析可大致推測白鶴灘壩區受北西西方向的擠壓應力場作用(圖1)。

圖1 白鶴灘水電站區域地質構造圖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

針對該區域的地殼應力場特征,相關學者利用現場地應力測量、震源機制反演、多源地應力信息集成等方法已經做過大量研究(崔效鋒等,2006;榮冠等,2009;金長宇等,2010;江權等,2011;尹健民等,2012;林太清等,2015)。現場地應力測量結果表明白鶴灘水電站左、右兩岸廠區的地應力場方向在局部產生一定的偏轉,從左岸的北西西向到右岸變為北東向;崔效鋒等(2006)基于震源機制反演與水壓致裂原地應力測量結果認為川滇應力區東邊界最大主壓應力方向為北西西向;尹健民等(2012)基于多源地應力信息集成的方法,計算得出右岸地下廠房區最大水平主應力方向為43°左右,即北東向。

2 鉆孔孔壁破壞的基本原理與現場觀測方法

2.1 鉆孔崩落與鉆孔誘發張裂隙形成原理

每次鉆孔都相當于在地殼巖體中開展一次巖石力學試驗,孔壁巖體都會對此產生相應的變形破壞響應,通過細致分析這些響應現象,就可以估算區域巖體的應力場特征。鉆孔崩落的產生是由于鉆孔周圍產生壓應力集中,孔壁巖體中的切向應力大于巖石的抗壓強度,從而產生鉆孔井壁壓縮剪切破壞進而導致的鉆孔直徑擴大(產生鉆孔橢圓)的現象,因此鉆孔崩落的發展方向總是與最大水平主應力 (SH)方向垂直 (Bell and Gough,1979)。沿著鉆孔軸線發展方向的崩落長度不等,短的只有幾厘米,長的達幾百米(阿爾諾·贊格和奧韋·斯特凡松,2013)。

鉆孔誘發張裂隙的形成是由于鉆孔井壁張應力集中,孔壁巖體中的切向應力小于巖石的抗拉強度,從而導致鉆孔孔壁張拉破壞的現象(P?ppelreiter,2010)。與水壓致裂法原理類似,孔壁誘發張裂隙走向一般與最大水平主應力方向(SH)一致,但鉆孔誘發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來約束鉆孔崩落分析結果。

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

2.2 超聲波井下電視測試簡介

通過對高精度超聲波鉆孔圖像的鉆孔崩落現象的解譯可確定最大水平主應力(SH)方向,然后通過對鉆孔誘發張裂隙圖像的補充解釋來驗證上述現象獲得的最大水平主應力(SH)方向。文中對白鶴灘右岸廠房錨固洞內7處鉆孔超聲波井下電視錄井數據進行了井壁鉆孔崩落與誘發裂隙現象的解釋。錄井工作利用ABI40鉆孔超聲波成像綜合測試系統 (Integrative acoustic borehole imaging system)來完成。綜合測試系統通過ALT ABI-40型聲學電視探頭對鉆孔進行360°聲波掃描,并將鉆孔圖像從正北(N)方向順時針展開,在計算機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理裂隙,為深入量化分析提供依據。

將圖像和實際鉆孔井壁以及巖芯對比,可以解譯出圖中各顏色的含義,即,黃色代表相對完整巖石,藍色代表完整性較差的巖石或巖體中密度和強度相對較低的部分。鉆孔崩落現象的特征為鉆孔井壁上正面相對的(相隔180°角度)區域內均發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出鉆孔崩落區域。從鉆孔崩落與鉆孔誘發張裂隙段落的鉆井圖像識別示意圖(圖3)可以看出,鉆孔孔壁在相對的區域出現明顯的鉆孔破壞現象。通過WellCAD軟件對圖像進行處理,獲取鉆孔崩落區域的詳細數據,如崩落深度、崩落方位角、崩落長度、崩落寬度等數據,之后可以對這些數據進行統計分析,獲取所需要的區域工程巖體應力信息。另外,由于鉆孔誘發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,但是在一些成像比較好的區域依然可以觀測到鉆孔誘發張裂隙的存在,表現在圖像上是一條細長的暗色線段,在孔壁鉆孔電視圖像上將其用紅色細線標注出來。從鉆孔崩落與鉆孔誘發張裂隙的形成原理來看,二者之間方位角應相差90°,這可以判斷錄井圖像中暗色陰影區域以及暗色細線(圖3)所代表的特征是否為鉆孔崩落與鉆孔誘發張裂隙。

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

3 白鶴灘右岸廠房區域最大水平主應力方向

3.1 鉆孔信息簡介

測試鉆孔主要位于白鶴灘右岸廠房頂部錨固洞內,此次測試鉆孔的位置如圖4所示,這對接下來理解鉆孔圖像中的鉆孔深度時有一定的幫助,即鉆孔深度的定義是從錨固洞內開始計算并向下增加的,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試點布置示意圖(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 鉆孔崩落法確定區域最大水平主應力(SH)方向

在此次測試中一共對9個鉆孔進行了超聲波井下電視掃描,由于現場條件限制,只取得了7個鉆孔(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據,7處鉆孔數據中識別的鉆孔崩落與鉆孔誘發張裂隙的典型特征如圖5所示,圖中使用紅色斜網格線標識出了鉆孔崩落區域,說明在7個鉆孔中均出現了較為明顯的鉆孔崩落現象,個別圖像還出現了鉆孔誘發張裂隙(綠色細線所示)特征。

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

從7個鉆孔取得的鉆孔崩落圖像的統計結果來看(表1),在保證樣本數量的前提下,白鶴灘右岸廠房區域最大水平主應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)。基于世界應力圖(WSM)中應力數據質量等級評判標準(Heidbach et al.,2010),評估每個鉆孔結果的可靠性。由于此次測試中的7個鉆孔在數據采集范圍方面受到了廠房位置的限制,故此處不考慮數據采集范圍的因素。從崩落數目以及方位角統計標準差方面來看,7處鉆孔錄井數據質量可以評為B級甚至A級,因此通過此次鉆孔崩落數據獲得的結果是足夠可靠的。

表1 白鶴灘右岸廠房區域鉆孔崩落最大水平主應力方向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個鉆孔數據的鉆孔崩落方位玫瑰圖(圖6)可以看出,在統計段內7個鉆孔在相隔180°的角度內存在鉆孔崩落現象,完全符合鉆孔崩落的特征。產生鉆孔崩落現象的方向均集中在北西西—南東東方向,由鉆孔崩落產生原理可知,鉆孔崩落的方位角表示最小水平主應力所在方位,即最小水平主應力(Sh)方向是北西西—南東東方向,最大水平主應力(SH)方向是北北東—南南西方向。

將7個鉆井的井下電視錄井圖像數據進行簡化處理并合并(圖7),用點的形式表示在某一深度某一方位出現的鉆孔崩落現象,從而可以從宏觀的角度來認識整個區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域的2～15 m、17.5～25 m以及33～34 m范圍內出現了比較明顯的鉆孔崩落現象,而且鉆孔崩落現象的出現均在相隔180°的兩個方位角區域內,且超過95%的鉆孔崩落現象集中在90°E～135°SE(270°W～315°NW)范圍內,按照鉆井成像的方位角度劃分規則,可以判斷鉆孔崩落的方向為北西西—南東東方向為主,從而可以估算出白鶴灘右岸廠房區域測試段內的最小水平主應力(Sh)的方向為北西西—南東東方向,最大水平主應力(SH)的方向為北北東—南南西方向。

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

在7個鉆孔測試過程中,除鉆孔CZZK 05的測試條件非常理想,得到的鉆孔井壁圖像質量好,其他鉆孔的現場條件對測試數據質量都造成了一定影響。為了更加細致地分析白鶴灘右岸廠房區域現今地殼應力特征,文中以鉆孔數據質量良好的CZZK 05為例來進一步說明。在圖5中可以清晰地觀測到鉆孔崩落形成的深藍色暗色條帶,為了方便展示,CZZK 05的數據探測范圍26 m被劃分為三部分(0～10m、10～20m、20～26m),按照崩落擴展長度及崩落寬度(以度計量)的不同將每一處崩落跡象識別出并給出了三個玫瑰圖(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,即北西西—南東東方向。隨著深度由0～10 m增加到20～26 m,其優勢方位基本沒有變化,由平均方位角124.45°(0～10m)到116.27°(10～20 m)再到123.35°(20～26 m),即該區域巖體地應力優勢方向基本未隨深度有明顯變化。

圖8 鉆孔CZZK 05三個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整體方位統計(圖6c)來看,鉆孔崩落方位較為一致。在散點圖上(圖9),用紅色豎直基線來表示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°)。依據鉆孔崩落理論,對應的白鶴灘右岸廠房區域平均最大水平主應力(SH)方位角度數為30.57°,即白鶴灘右岸廠房區域最大水平主應力(SH)優勢方向為北北東—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的崩落分布散點圖Fig.9 Scatter diagram of the borehole breakout azimuths in the borehole CZZK 05

基于鉆孔崩落法與應力多邊形法,利用鉆孔崩落的寬度可以對工程巖體應力量值進行二次約束,因此文中以CZZK 05為例進一步統計了其鉆孔崩落寬度的分布情況(圖10)。從圖中可以看出,超過92%的鉆孔崩落現象的寬度均集中在7.5°～75°之間,優勢崩落寬度分布在15°～45°之間,只有少量鉆孔崩落的寬度超出這個范圍。另外進一步根據統計結果分析得出,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 鉆孔誘發張裂隙法校正最大水平主應力(SH)方向

由于鉆孔誘發張裂隙不容易產生,在此次有效測試的7個鉆孔中僅有2個鉆孔(CZZK 03、CZZK 05)井壁內部產生了可清晰觀測到的鉆孔誘發張裂隙。從鉆孔誘發張裂隙分布散點圖中(圖11)可以看出CZZK 03的誘發張裂隙僅分布在深度為2～4 m的范圍內,CZZK 05的誘發張裂隙在7.5～22.5 m深處的范圍內都有分布,為了更清楚地表述鉆孔誘發張裂隙的方位角,同樣用紅色線表示鉆孔誘發張裂隙的平均方位角,這兩個鉆孔的平均誘發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°)。鉆孔誘發張裂隙的方位基本集中在15°～30°的范圍內,與基于鉆孔崩落法所得出鉆孔崩落方位相差90°,這與鉆孔崩落現象和鉆孔誘發張裂隙現象的產生機理也是相符合的。從而可以得出鉆孔誘發張裂隙的方位為北北東—南南西方向,即最大水平主應力(SH)的方向為北北東—南南西方向。

圖11 鉆孔誘發張裂隙分布散點圖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域地殼應力狀態已經成為深孔鉆探計劃的一項重要工作內容(Vernik and Nur, 1992;李朋武等,2005; 王連捷等,2006;Wu et al.,2007)。但是受測點現場條件的限制,鉆孔崩落分析常常結合同一場地的水壓致裂原地應力測試和其他地應力測試結果綜合分析解釋該區域地殼應力狀態。

根據白鶴灘右岸廠房7處鉆孔的超聲波井下電視錄井數據的分析,基于鉆孔崩落法估算出了白鶴灘右岸廠房區域最大水平主應力(SH)的方向為北北東—南南西(平均方位角位于N25.01°E～N30.99°E范圍內)。從新構造運動以來川滇板塊受擠壓的角度來分析,白鶴灘壩區區域地殼構造應力場方向應為北西西方向,在白鶴灘區域河谷附近測得的初始地應力場的方向驗證了這一結論(金長宇等,2010),但與此次試驗在白鶴灘右岸廠房區域進行實測取得的結果不相符合。出現這種差異的原因是由于白鶴灘區域屬于高山峽谷地貌,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稱“V”字形,河谷兩岸相對河谷海拔較高,因此出現了除地質構造作用以外的因素影響了區域地層結構應力場。地應力主要由構造應力和自重應力構成(Bell,1996),但就河谷應力場而言則是在原始地殼構造應力場和重力場的基礎上,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構應力場(Amadei and Stephansson, 1997)。韓剛等(2011)在對白鶴灘壩區岸坡側向卸荷因素的研究中發現深部破裂巖體地應力場的形成演化過程主要受側向卸荷控制,導致主應力大小持續降低,最大水平主應力方向發生向北東向偏轉。金長宇等(2010)和尹健民等(2012)分別利用現場實測的手段和基于多源地應力信息集成的算法對白鶴灘壩區左右兩岸地應力場特征進行了分析,發現由于河流侵蝕和岸坡卸荷等地質作用影響,左右岸地殼應力場均出現了北西西向到北東向的較大的偏轉。

結合上述研究成果以及此次測試對該工程巖體應力場方向的研究來看,白鶴灘壩區地殼應力場主要受到構造應力、自重應力、河流剝蝕作用以及岸坡卸荷作用的共同影響,使得右岸廠房區域地殼應力場方向大致呈北北東—南南西方向。

5 結論

通過對白鶴灘右岸廠房頂部錨固洞內7處高精度超聲波鉆孔數據進行分析,得出以下主要結論和認識。

(1)白鶴灘右岸廠房區域鉆孔平均崩落方位角度數計算最小水平主應力(Sh)方向為北西西(295.45°)—南東東(120.57°)方向,由此計算最大水平主應力(SH)方向為北北東—南南西方向,并與鉆孔誘發張裂隙的方位(集中在15°～30°的范圍內,平均方位角為23.58°)基本一致。

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