高海拔地區深孔地應力測試工藝研究與應用

2017-03-09 01:47:48于新凱,全海,王旭,夏驪娜

四川水力發電 2017年1期

于新凱, 全海, 王旭, 夏驪娜

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

高海拔地區深孔地應力測試工藝研究與應用

于新凱, 全海, 王旭, 夏驪娜

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

對高海拔地區深孔地應力測試的工藝進行了研究，改進了測試系統并將其應用于鉆孔zk001，測試結果表明：測試方法及改進的測試系統均能滿足試驗要求。對高海拔地區深孔與低海拔地區淺孔在測試過程中的不同之處進行了總結。

高海拔地區；深孔；地應力測試；水壓致裂法

1 概述

進入二十一世紀以來，我國的交通、水利水電和能源等行業快速發展，人類在地殼活動空間的廣度和深度不斷地擴展和延伸，特別是近些年來，我國在高邊坡、高地應力、深埋長隧洞等地形地貌復雜區興建了眾多的巖土工程，如官地水電站最大主應力達到38.4 MPa，錦屏二級水電站引水隧洞最大埋深達2 525 m。越來越多的數據證明：地表和地下工程施工期間所進行的巖體開挖往往能引起一系列與應力釋放相關聯的變形與破壞現象，進而對地應力場分布規律提出了更高的要求。研究地應力場分布規律最直接的途徑就是進行地應力測試。因條件所限，截止目前，一些高海拔地區深孔地應力測試資料較少，因此，有必要對其進行研究，找出合適的測試方法。

2 地應力的測量方法

近半個多世紀，隨著地應力測量工作的不斷開展，各種測量方法和測量儀器也在不斷發展，就世界范圍而言，目前的主要測量方法達數十種之多。據國內外大多數人的觀點，依據測量基本原理的不同，可將測量方法分為直接測量法和間接測量法兩大類。

直接測量法是采用測量儀器直接測量和記錄各種應力值，并由這些應力量與原巖應力之間的相互關系通過計算獲得原巖應力值。在計算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需要知道巖石的物理力學性質和應力應變關系。水壓致裂法、剛性包體應力計法和聲發射法均屬直接量測法。

間接測量法是借助某些傳感器元件或某些介質測量和記錄巖體中某些與應力有關的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變、巖體的密度、滲透性、吸水性、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由所測得的間接物理量的變化通過已知的公式計算巖體中的應力值。其中的套孔應力解除法是目前國內外最普遍采用的一種間接的測量方法。

在對巖體進行應力測試之前，應對工程區的區域地質構造、地形地貌條件及巖體應力特征等進行分析研究，結合設計方案和勘察工作的布置，根據建筑物類型及設計要求選擇并確定測試方法。由于測試設備的限制，套孔應力解除法主要應用于有效深度15～20 m的淺鉆孔應力解除。當測量深度較深時，一般采用水壓致裂法進行測試。其可以利用現有的地質勘探孔進行測量，而不需要像套孔應力解除法那樣專門鉆孔，邊鉆孔邊測量，操作簡單。筆者以某工程鉆孔zk001為例，對高海拔地區深孔水壓致裂法的測試工藝進行了研究并予以闡述。

3 水壓致裂法

3.1 水壓致裂法原理

水壓致裂法地應力測量的原理是建立在彈性力學基礎之上的，并以下面三個假設為前提：(1)巖石是線性、均勻、各向同性的彈性體；(2)巖石是完整的，注入的流體按達西定律在巖石孔隙中流動；(3)巖層中有一個主應力的方向和孔軸平行。在上述理論和假設的前提下，水壓致裂的力學模型可簡化為一個平面應力問題。

水壓致裂法地應力測量方法就是利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用計算機數字采集系統或數字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特定的壓力參數，再根據相應的理論計算公式即可得到測點處的平面主應力量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數。

3.2 測試設備的選型

試驗設備包括高壓水泵、水壓致裂數據自動記錄系統、試段封隔器及試驗設備。

3.2.1 高壓水泵

由于工程所在地區地應力測試資料較少，因而不能準確地估計地應力數值的大小。試驗初期，選用額定流量為5 L/min、額定壓力為50 MPa的高壓往復泵進行試驗。該水泵流量穩定，能夠提供較高的試驗壓力，但由于其流量較小，試驗過程中的壓力上升緩慢且其重量達到270 kg，加之工作地點位于高海拔地區，交通不便，人工搬運亦較困難，因此我們又選用了流量可達16.6 L/min、工作壓力為25 MPa的高壓清洗泵，并對其進水口及出水口進行了改進，使其滿足試驗要求。該高壓清洗泵流量大且其重量只有62 kg，攜帶方便，且試驗過程中的破裂及重張的瞬間數據記錄曲線下降較明顯。但是，在有些位置采用該高壓清洗泵進行試驗時未能將巖石壓裂，說明其破裂壓力大于25 MPa，故對該測試系統進行了改進，將25 MPa的水泵與50 MPa的水泵并向使用。開始測試時，先使用25 MPa的水泵加壓，若加壓到25 MPa時巖石仍未壓裂，則在保持不泄壓的狀態下關閉25 MPa水泵，打開50 MPa水泵繼續試驗，直到將巖石壓裂為止。該系統縮短了加壓時間，提高了系統的耐壓能力(圖1)。

3.2.2 水壓致裂數據自動記錄系統

采用了水壓致裂數據自動記錄系統。該系統可實時顯示壓力與時間的關系曲線，操作簡單，抗干擾能力強。

3.2.3 試驗設備。

鉆孔孔徑為130 mm與110 mm。選用了與其直徑相匹配的封隔器，直徑分別為126 mm及106 mm。加工后的封隔器橡膠囊有效長度為910 mm，并在其上下接頭處加套了與上下接頭等長度的、外徑尺寸介于封隔器與孔徑之間的鋼環，并對鋼環外壁進行了刻槽處理，處理過的鋼環能夠加速水流通過，便于提放設備。依據巖體應力測試規程，要求試驗段長度應大于測試孔直徑的6倍。因此而將試驗段設備長度定為800 mm。試驗選用單回路測試系統，通過前端的轉換開關可對封隔器及試驗段分別加壓。為確保轉換開關處具有良好的密封性，我們針對以往試驗過程中O型橡膠密封圈易壞的缺陷，對轉換開關內部密封圈槽及O型密封圈進行了改進，試驗結果證明：改進后的、帶槽口的密封圈密封性良好且不易損壞。

圖1 改進的試驗系統示意圖

3.3 試驗段及試驗順序的選擇

選擇試驗段時，先進行全孔段的壓水試驗，并根據鉆孔電視反映的情況，結合鉆孔巖芯完整性狀況選擇巖體較完整、呂榮值小的試驗位置進行試驗。

試驗順序主要有自上而下和自下而上兩種，采用自上而下的試驗順序，若巖石出現壓裂垮塊時會導致其下部無法繼續進行試驗，而采用自下而上的試驗順序不僅可以避免該風險，還能夠減少上下鉆桿的時間，省時省力，因此，最終選用了自下而上的順序進行試驗。

4 試驗結果

zk001鉆孔孔深650 m，0～120 m段孔徑為150 mm，巖芯較破碎，全部采用套管護孔；120～350 m段孔徑為130 mm，巖芯較好，選擇了7段進行試驗；320～350 m之間為斷層影響帶，巖石破碎明顯，用套管護孔，未進行試驗；350～650 m段孔徑為110 mm，巖芯較好，選擇了18段進行試驗?？卓诟叱? 470 m處的巖性以混合花崗片麻巖為主，試驗成果見表1。最大水平主應力與最小水平主應力隨孔深的變化關系見圖2。