利用钻孔崩落数据再认识白鹤滩右岸地应力场特征

陈 念,王成虎,陈平志,陈建林,周 昊

1.应急管理部国家自然灾害防治研究院,北京 100085;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122

0 引言

白鹤滩水电站位于中国西南部金沙江下游,四川省宁南县与云南省巧家县境内,上接乌东德梯级,下邻溪洛渡梯级,金沙江由南向北流过坝址区。白鹤滩左、右岸地下厂房洞室群水平埋深分别达950～1050 m、630～800 m;垂直埋深分别达260～330 m、420～540 m。水电站计划于2021年7月实现首批机组发电,2022年7月全部机组投产发电。届时,白鹤滩水电站将成为仅次于三峡工程的世界第二大水电站。

考虑到在地下厂房开挖施工过程中,由于工程区地应力的二次调整易导致出现围岩破裂、片帮等破坏现象,如锦屏一级水电站硐室开挖过程中出现的围岩松弛破裂以及围岩大变形(魏进兵等,2010),而白鹤滩水电站在厂房开挖过程中也出现了高应力作用下硬岩变形与脆性破坏(段淑倩等,2017;江权等,2019),因此准确判定工程岩体中地应力状况对于深部地下工程的灾害评估及灾害预警具有重要意义(陈群策等,2019;谭成轩等,2019)。从白鹤滩水电站建设之初,华东勘测设计研究院及长江科学院等单位进行过多次现场地应力测试工作,为前期工程建设提供了丰富的地应力资料。然而随着电站地下厂房大跨度的硐室开挖,硐室围岩中的应力状态将会发生二次调整和变化,前期科研阶段的地应力测量成果应用于分析硐室围岩二次应力场调整已略显不足。为了更好地观测地下厂房开挖过程中硐室围岩中应力场调整变化对围岩变形破坏的影响特征,工程建设单位在地下厂房上方的锚固洞内钻造钻孔进行观测,钻孔孔壁采用高精度超声波井下电视录井测量,通过这项工作期望为白鹤滩坝区地下厂房硐室长期稳定性及运营安全性提供数据支撑。

对深井地应力场的现场观测,起初通过四臂井径测井仪器对竖直钻孔进行探测(高阿甲等,1990;俞言祥和许忠淮,1994;黄雨蕊等,1994);随着钻孔图像录井技术的发展,研究人员 (Ju et al.,2017,2018;侯颉和余大新,2018)开始采用全新的井下电视成像系统,该系统能够观测到更加清晰的钻孔井壁图像,其中超声波类钻孔成像系统对于识别钻孔内部细微结构具有明显优势。利用高精度超声波井下电视成像系统可以识别钻孔孔壁上出现的清晰的钻孔崩落和孔壁诱发张裂缝现象,而基于这些图像数据可以获得区域应力场的最大最小水平主应力方向。大量原位观测和测试结果表明,诱发钻孔崩落破坏现象可以可靠地给出最小水平主应力的方向,最大水平主应力方向与之垂直(Moos and Zoback, 1990;Zoback et al.,2003)。

文章通过在白鹤滩右岸厂房锚固洞内的7个钻孔中开展高精度超声波井下电视录井测试工作,获得了清晰的钻孔崩落及钻孔诱发裂缝的图像数据,这些高质量的数据可以用于分析厂房区现今工程岩体应力场状态,确定主应力方向,将为该水电站长期运营期间的工程岩体稳定性研究提供地应力方向数据支撑。

1 区域构造应力场背景

白鹤滩坝区位于川滇菱形地块东缘的则木河断裂带东南段以及小江断裂带北段,地处小江断裂带、则木河断裂带、莲峰断裂带、大凉山断裂、大桥河-普渡河断裂和宁会断裂等的交汇区域(图1),地质构造背景复杂,新构造运动强烈,断裂、褶皱极发育。喜马拉雅构造运动以及新构造运动对白鹤滩坝区区域构造应力场影响较大。喜马拉雅构造运动时期,坝区主要受到印度洋板块挤压作用所控制的北北东向的构造应力作用(阚荣举等,1977)。新构造运动时期主要指川滇菱形地块形成以来的构造运动,川滇菱形地块是由西北方的丽江-小金河断裂带、西南方的红河断裂带、以及东北方的则木河断裂带和东南方的小江断裂带围限,形成一个独立的菱形地块(图1;金长宇等,2010;尹健民等,2012)。小江断裂带作为川滇菱形块体的东南边界断裂,在青藏高原向东强烈的挤出作用力下,断裂带以左旋走滑运动为主且伴随有强烈而频繁的地震活动(何宏林等,1993;韩刚等,2011;张欣等,2017)。由构造运动特征分析可大致推测白鹤滩坝区受北西西方向的挤压应力场作用(图1)。

图1 白鹤滩水电站区域地质构造图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

针对该区域的地壳应力场特征,相关学者利用现场地应力测量、震源机制反演、多源地应力信息集成等方法已经做过大量研究(崔效锋等,2006;荣冠等,2009;金长宇等,2010;江权等,2011;尹健民等,2012;林太清等,2015)。现场地应力测量结果表明白鹤滩水电站左、右两岸厂区的地应力场方向在局部产生一定的偏转,从左岸的北西西向到右岸变为北东向;崔效锋等(2006)基于震源机制反演与水压致裂原地应力测量结果认为川滇应力区东边界最大主压应力方向为北西西向;尹健民等(2012)基于多源地应力信息集成的方法,计算得出右岸地下厂房区最大水平主应力方向为43°左右,即北东向。

2 钻孔孔壁破坏的基本原理与现场观测方法

2.1 钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙形成原理

每次钻孔都相当于在地壳岩体中开展一次岩石力学试验,孔壁岩体都会对此产生相应的变形破坏响应,通过细致分析这些响应现象,就可以估算区域岩体的应力场特征。钻孔崩落的产生是由于钻孔周围产生压应力集中,孔壁岩体中的切向应力大于岩石的抗压强度,从而产生钻孔井壁压缩剪切破坏进而导致的钻孔直径扩大(产生钻孔椭圆)的现象,因此钻孔崩落的发展方向总是与最大水平主应力 (SH)方向垂直 (Bell and Gough,1979)。沿着钻孔轴线发展方向的崩落长度不等,短的只有几厘米,长的达几百米(阿尔诺·赞格和奥韦·斯特凡松,2013)。

钻孔诱发张裂隙的形成是由于钻孔井壁张应力集中,孔壁岩体中的切向应力小于岩石的抗拉强度,从而导致钻孔孔壁张拉破坏的现象(Pöppelreiter,2010)。与水压致裂法原理类似,孔壁诱发张裂隙走向一般与最大水平主应力方向(SH)一致,但钻孔诱发张裂隙的深度一般为几毫米或几厘米(Brudy and Zoback,1999),常常作为一种附加技术来约束钻孔崩落分析结果。

基于钻孔孔壁周围的应力分布特征,钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙的形成原理如图2所示。钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙并不都是同时出现,大多数时候只出现其中一种现象。根据成像测井资料观测,受崩落形成条件的限制,崩落现象通常出现在千米以深(李朋武等,2005)。利用高精度超声波井下电视测井图像,在白鹤滩右岸厂房锚固洞内某钻孔中的同一井段(如钻孔CZZK 05中观测深度21.0～22.0 m段)同时观测到了这两种现象,这在一定程度上表明白鹤滩坝址右岸厂房区是属于高应力场区。

2.2 超声波井下电视测试简介

通过对高精度超声波钻孔图像的钻孔崩落现象的解译可确定最大水平主应力(SH)方向,然后通过对钻孔诱发张裂隙图像的补充解释来验证上述现象获得的最大水平主应力(SH)方向。文中对白鹤滩右岸厂房锚固洞内7处钻孔超声波井下电视录井数据进行了井壁钻孔崩落与诱发裂隙现象的解释。录井工作利用ABI40钻孔超声波成像综合测试系统 (Integrative acoustic borehole imaging system)来完成。综合测试系统通过ALT ABI-40型声学电视探头对钻孔进行360°声波扫描,并将钻孔图像从正北(N)方向顺时针展开,在计算机上显示为二维平面图象,从左到右(0°到360°)展示的方位分别为“北—东—南—西—北”。成像测井图像是钻孔井壁状况的直接展示,从图像上可以直观的分辨出井壁的节理裂隙,为深入量化分析提供依据。

将图像和实际钻孔井壁以及岩芯对比,可以解译出图中各颜色的含义,即,黄色代表相对完整岩石,蓝色代表完整性较差的岩石或岩体中密度和强度相对较低的部分。钻孔崩落现象的特征为钻孔井壁上正面相对的(相隔180°角度)区域内均发生孔壁破坏和岩石脱落,因此可以从钻孔图像上很容易辨认出钻孔崩落区域。从钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙段落的钻井图像识别示意图(图3)可以看出,钻孔孔壁在相对的区域出现明显的钻孔破坏现象。通过WellCAD软件对图像进行处理,获取钻孔崩落区域的详细数据,如崩落深度、崩落方位角、崩落长度、崩落宽度等数据,之后可以对这些数据进行统计分析,获取所需要的区域工程岩体应力信息。另外,由于钻孔诱发张裂隙的深度一般为几毫米或几厘米(Brudy and Zoback, 1999),比较难于辨识,但是在一些成像比较好的区域依然可以观测到钻孔诱发张裂隙的存在,表现在图像上是一条细长的暗色线段,在孔壁钻孔电视图像上将其用红色细线标注出来。从钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙的形成原理来看,二者之间方位角应相差90°,这可以判断录井图像中暗色阴影区域以及暗色细线(图3)所代表的特征是否为钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙。

图3 井下电视图像示例图Fig.3 Example of integrative ultrasonic borehole imaging system

3 白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力方向

3.1 钻孔信息简介

测试钻孔主要位于白鹤滩右岸厂房顶部锚固洞内,此次测试钻孔的位置如图4所示,这对接下来理解钻孔图像中的钻孔深度时有一定的帮助,即钻孔深度的定义是从锚固洞内开始计算并向下增加的,因此钻孔图像中的深度0 m是指右岸厂房锚固洞底板所在海拔高度(海拔652.40 m),而钻孔最深处即为右岸厂房顶部(海拔622.50 m),钻孔深度的最大值约30 m。

图4 右岸厂房顶拱超声波测试点布置示意图(俯视)Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic testing point layout in the roof arch of the right bank workshop (from top)

3.2 钻孔崩落法确定区域最大水平主应力(SH)方向

在此次测试中一共对9个钻孔进行了超声波井下电视扫描,由于现场条件限制,只取得了7个钻孔(CZZK 03、QXZK 03、CZZK 05、CZZK 07、CZZK 04、CZZK 08、CZZK 10)的高精度超声波钻孔图像数据,7处钻孔数据中识别的钻孔崩落与钻孔诱发张裂隙的典型特征如图5所示,图中使用红色斜网格线标识出了钻孔崩落区域,说明在7个钻孔中均出现了较为明显的钻孔崩落现象,个别图像还出现了钻孔诱发张裂隙(绿色细线所示)特征。

图5 钻孔破坏(钻孔崩落、钻孔诱发张裂隙)现象展示图Fig.5 Display diagram of the borehole failures (borehole breakouts and drilling-induced tensile fractures)

从7个钻孔取得的钻孔崩落图像的统计结果来看(表1),在保证样本数量的前提下,白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力方向大致为北北东—南南西方向(平均方位角位于N25.01°E～N30.99°E范围内)。基于世界应力图(WSM)中应力数据质量等级评判标准(Heidbach et al.,2010),评估每个钻孔结果的可靠性。由于此次测试中的7个钻孔在数据采集范围方面受到了厂房位置的限制,故此处不考虑数据采集范围的因素。从崩落数目以及方位角统计标准差方面来看,7处钻孔录井数据质量可以评为B级甚至A级,因此通过此次钻孔崩落数据获得的结果是足够可靠的。

表1 白鹤滩右岸厂房区域钻孔崩落最大水平主应力方向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

从7个钻孔数据的钻孔崩落方位玫瑰图(图6)可以看出,在统计段内7个钻孔在相隔180°的角度内存在钻孔崩落现象,完全符合钻孔崩落的特征。产生钻孔崩落现象的方向均集中在北西西—南东东方向,由钻孔崩落产生原理可知,钻孔崩落的方位角表示最小水平主应力所在方位,即最小水平主应力(Sh)方向是北西西—南东东方向,最大水平主应力(SH)方向是北北东—南南西方向。

将7个钻井的井下电视录井图像数据进行简化处理并合并(图7),用点的形式表示在某一深度某一方位出现的钻孔崩落现象,从而可以从宏观的角度来认识整个区域的整体钻孔崩落情况。从图7中可以看出在白鹤滩右岸厂房顶部锚固洞向下区域的2～15 m、17.5～25 m以及33～34 m范围内出现了比较明显的钻孔崩落现象,而且钻孔崩落现象的出现均在相隔180°的两个方位角区域内,且超过95%的钻孔崩落现象集中在90°E～135°SE(270°W～315°NW)范围内,按照钻井成像的方位角度划分规则,可以判断钻孔崩落的方向为北西西—南东东方向为主,从而可以估算出白鹤滩右岸厂房区域测试段内的最小水平主应力(Sh)的方向为北西西—南东东方向,最大水平主应力(SH)的方向为北北东—南南西方向。

图7 钻孔崩落方位角分布散点图Fig.7 Scatter diagram of the borehole breakout azimuths

在7个钻孔测试过程中,除钻孔CZZK 05的测试条件非常理想,得到的钻孔井壁图像质量好,其他钻孔的现场条件对测试数据质量都造成了一定影响。为了更加细致地分析白鹤滩右岸厂房区域现今地壳应力特征,文中以钻孔数据质量良好的CZZK 05为例来进一步说明。在图5中可以清晰地观测到钻孔崩落形成的深蓝色暗色条带,为了方便展示,CZZK 05的数据探测范围26 m被划分为三部分(0～10m、10～20m、20～26m),按照崩落扩展长度及崩落宽度(以度计量)的不同将每一处崩落迹象识别出并给出了三个玫瑰图(图8)。CZZK 05的钻孔崩落的崩落方位角集中在90°E～135°SE(270°W～315°NW)范围内,即北西西—南东东方向。随着深度由0～10 m增加到20～26 m,其优势方位基本没有变化,由平均方位角124.45°(0～10m)到116.27°(10～20 m)再到123.35°(20～26 m),即该区域岩体地应力优势方向基本未随深度有明显变化。

图8 钻孔CZZK 05三个深度段的方位角玫瑰图Fig.8 Rose diagram of azimuth at three depths in the borehole CZZK 05

从CZZK 05整体方位统计(图6c)来看,钻孔崩落方位较为一致。在散点图上(图9),用红色竖直基线来表示CZZK 05的钻孔崩落平均方位角,其平均崩落方位角为120.57°(295.45°)。依据钻孔崩落理论,对应的白鹤滩右岸厂房区域平均最大水平主应力(SH)方位角度数为30.57°,即白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力(SH)优势方向为北北东—南南西方向。

图6 钻孔崩落方位角玫瑰图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.

图9 钻孔CZZK 05的崩落分布散点图Fig.9 Scatter diagram of the borehole breakout azimuths in the borehole CZZK 05

基于钻孔崩落法与应力多边形法,利用钻孔崩落的宽度可以对工程岩体应力量值进行二次约束,因此文中以CZZK 05为例进一步统计了其钻孔崩落宽度的分布情况(图10)。从图中可以看出,超过92%的钻孔崩落现象的宽度均集中在7.5°～75°之间,优势崩落宽度分布在15°～45°之间,只有少量钻孔崩落的宽度超出这个范围。另外进一步根据统计结果分析得出,钻孔崩落的宽度并未随着深度增加而增加。

图10 钻孔CZZK 05钻孔崩落宽度分布直方图Fig.10 Histogram of borehole breakout opening angles in the borehole CZZK 05

3.3 钻孔诱发张裂隙法校正最大水平主应力(SH)方向

由于钻孔诱发张裂隙不容易产生,在此次有效测试的7个钻孔中仅有2个钻孔(CZZK 03、CZZK 05)井壁内部产生了可清晰观测到的钻孔诱发张裂隙。从钻孔诱发张裂隙分布散点图中(图11)可以看出CZZK 03的诱发张裂隙仅分布在深度为2～4 m的范围内,CZZK 05的诱发张裂隙在7.5～22.5 m深处的范围内都有分布,为了更清楚地表述钻孔诱发张裂隙的方位角,同样用红色线表示钻孔诱发张裂隙的平均方位角,这两个钻孔的平均诱发张裂隙方位角基本处于同一位置,分别为22.60°(199.37°)和24.57°(208.35°),平均方位角为23.58°(203.86°)。钻孔诱发张裂隙的方位基本集中在15°～30°的范围内,与基于钻孔崩落法所得出钻孔崩落方位相差90°,这与钻孔崩落现象和钻孔诱发张裂隙现象的产生机理也是相符合的。从而可以得出钻孔诱发张裂隙的方位为北北东—南南西方向,即最大水平主应力(SH)的方向为北北东—南南西方向。

图11 钻孔诱发张裂隙分布散点图Fig.11 Scatter diagram of the drilling-induced tensile fractures. (a) Borehole CZZK 03. (b) Borehole CZZK 05

4 讨论

利用钻孔崩落分析区域地壳应力状态已经成为深孔钻探计划的一项重要工作内容(Vernik and Nur, 1992;李朋武等,2005; 王连捷等,2006;Wu et al.,2007)。但是受测点现场条件的限制,钻孔崩落分析常常结合同一场地的水压致裂原地应力测试和其他地应力测试结果综合分析解释该区域地壳应力状态。

根据白鹤滩右岸厂房7处钻孔的超声波井下电视录井数据的分析,基于钻孔崩落法估算出了白鹤滩右岸厂房区域最大水平主应力(SH)的方向为北北东—南南西(平均方位角位于N25.01°E～N30.99°E范围内)。从新构造运动以来川滇板块受挤压的角度来分析,白鹤滩坝区区域地壳构造应力场方向应为北西西方向,在白鹤滩区域河谷附近测得的初始地应力场的方向验证了这一结论(金长宇等,2010),但与此次试验在白鹤滩右岸厂房区域进行实测取得的结果不相符合。出现这种差异的原因是由于白鹤滩区域属于高山峡谷地貌,左岸为大凉山山脉东南坡(+2600 m高程),右岸为药山山脉西坡(+3000 m高程),河谷成左岸低右岸高的不对称“V”字形,河谷两岸相对河谷海拔较高,因此出现了除地质构造作用以外的因素影响了区域地层结构应力场。地应力主要由构造应力和自重应力构成(Bell,1996),但就河谷应力场而言则是在原始地壳构造应力场和重力场的基础上,叠加河流剥蚀作用以及岸坡卸荷作用等因素共同形成的地层结构应力场(Amadei and Stephansson, 1997)。韩刚等(2011)在对白鹤滩坝区岸坡侧向卸荷因素的研究中发现深部破裂岩体地应力场的形成演化过程主要受侧向卸荷控制,导致主应力大小持续降低,最大水平主应力方向发生向北东向偏转。金长宇等(2010)和尹健民等(2012)分别利用现场实测的手段和基于多源地应力信息集成的算法对白鹤滩坝区左右两岸地应力场特征进行了分析,发现由于河流侵蚀和岸坡卸荷等地质作用影响,左右岸地壳应力场均出现了北西西向到北东向的较大的偏转。

结合上述研究成果以及此次测试对该工程岩体应力场方向的研究来看,白鹤滩坝区地壳应力场主要受到构造应力、自重应力、河流剥蚀作用以及岸坡卸荷作用的共同影响,使得右岸厂房区域地壳应力场方向大致呈北北东—南南西方向。

5 结论

通过对白鹤滩右岸厂房顶部锚固洞内7处高精度超声波钻孔数据进行分析,得出以下主要结论和认识。

(1)白鹤滩右岸厂房区域钻孔平均崩落方位角度数计算最小水平主应力(Sh)方向为北西西(295.45°)—南东东(120.57°)方向,由此计算最大水平主应力(SH)方向为北北东—南南西方向,并与钻孔诱发张裂隙的方位(集中在15°～30°的范围内,平均方位角为23.58°)基本一致。

(2)白鹤滩右岸厂房区域钻孔所揭示的现今地应力方向主要受到构造应力、自重应力、河流剥蚀作用以及岸坡卸荷作用的共同影响,属于局部构造应力场。