于 新 凱, 全 海, 王 旭, 夏 驪 娜

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

高海拔地區(qū)深孔地應(yīng)力測試工藝研究與應(yīng)用

于 新 凱, 全 海, 王 旭, 夏 驪 娜

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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

高海拔地區(qū)；深孔；地應(yīng)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(yè)快速發(fā)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(yīng)力、深埋長隧洞等地形地貌復(fù)雜區(qū)興建了眾多的巖土工程，如官地水電站最大主應(yīng)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(shù)據(jù)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(yīng)力釋放相關(guān)聯(lián)的變形與破壞現(xiàn)象，進而對地應(yīng)力場分布規(guī)律提出了更高的要求。研究地應(yīng)力場分布規(guī)律最直接的途徑就是進行地應(yīng)力測試。因條件所限，截止目前，一些高海拔地區(qū)深孔地應(yīng)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(yīng)力的測量方法

近半個多世紀，隨著地應(yīng)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(fā)展，就世界范圍而言，目前的主要測量方法達數(shù)十種之多。據(jù)國內(nèi)外大多數(shù)人的觀點，依據(jù)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(yīng)力值，并由這些應(yīng)力量與原巖應(yīng)力之間的相互關(guān)系通過計算獲得原巖應(yīng)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(xué)性質(zhì)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)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(zhì)測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)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(yīng)力值。其中的套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外最普遍采用的一種間接的測量方法。

在對巖體進行應(yīng)力測試之前，應(yīng)對工程區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌條件及巖體應(yīng)力特征等進行分析研究，結(jié)合設(shè)計方案和勘察工作的布置，根據(jù)建筑物類型及設(shè)計要求選擇并確定測試方法。由于測試設(shè)備的限制，套孔應(yīng)力解除法主要應(yīng)用于有效深度15～20 m的淺鉆孔應(yīng)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(xiàn)有的地質(zhì)勘探孔進行測量，而不需要像套孔應(yīng)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(qū)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(yīng)力測量的原理是建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)之上的，并以下面三個假設(shè)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(yīng)力的方向和孔軸平行。在上述理論和假設(shè)的前提下，水壓致裂的力學(xué)模型可簡化為一個平面應(yīng)力問題。

水壓致裂法地應(yīng)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(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)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(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計算公式即可得到測點處的平面主應(yīng)力量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學(xué)參數(shù)。

3.2 測試設(shè)備的選型

試驗設(shè)備包括高壓水泵、水壓致裂數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)、試段封隔器及試驗設(shè)備。

3.2.1 高壓水泵

由于工程所在地區(qū)地應(yīng)力測試資料較少，因而不能準確地估計地應(yīng)力數(shù)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(fù)泵進行試驗。該水泵流量穩(wěn)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(qū)，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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tài)下關(guān)閉25 MPa水泵，打開50 MPa水泵繼續(xù)試驗，直到將巖石壓裂為止。該系統(tǒng)縮短了加壓時間，提高了系統(tǒng)的耐壓能力(圖1)。

3.2.2 水壓致裂數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)

采用了水壓致裂數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時顯示壓力與時間的關(guān)系曲線，操作簡單，抗干擾能力強。

3.2.3 試驗設(shè)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(huán)，并對鋼環(huán)外壁進行了刻槽處理，處理過的鋼環(huán)能夠加速水流通過，便于提放設(shè)備。依據(jù)巖體應(yīng)力測試規(guī)程，要求試驗段長度應(yīng)大于測試孔直徑的6倍。因此而將試驗段設(shè)備長度定為800 mm。試驗選用單回路測試系統(tǒng)，通過前端的轉(zhuǎn)換開關(guān)可對封隔器及試驗段分別加壓。為確保轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)部密封圈槽及O型密封圈進行了改進，試驗結(jié)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(tǒng)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(jù)鉆孔電視反映的情況，結(jié)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(xiàn)壓裂垮塊時會導(dǎo)致其下部無法繼續(xù)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(jié)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。孔口高程3 470 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(yīng)力與最小水平主應(yīng)力隨孔深的變化關(guān)系見圖2。

表1 水壓致裂成果表

注：SH為平面最大主應(yīng)力；Sh為平面最小主應(yīng)力；Sv為巖體自重應(yīng)力。

圖2 平面最大主應(yīng)力SH與平面最小主應(yīng)力Sh隨孔深的變化關(guān)系曲線圖

由表1及圖2可以看出：

(1)在孔深410 m左右位置，由于巖芯較完整，儲能條件較好，最大水平主應(yīng)力較高，可能存在小范圍的應(yīng)力集中區(qū)，除此之外，其它位置處的最大、最小主應(yīng)力值均隨深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。對最大水平主應(yīng)力及最小水平主應(yīng)力繪制隨孔深的變化曲線、進行線性回歸計算可得回歸方程：

SH=0.061 3H-5.345

Sh=0.043 6H-2.289

計算得出回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R分別為0.916 1和0.953 4，相關(guān)性較好，說明SH與Sh的測值隨深度變化較為穩(wěn)定。

(2)對于平面最大主應(yīng)力與巖體自重應(yīng)力的比值，在25個測點中有8個點的比值超過2，最大比值為2.7，最小比值為1.38，平均比值為1.93，反映出該孔地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主。僅從SH量值看，屬于中等偏高應(yīng)力。

(3)平面最大主應(yīng)力方向為N16°～23°E，與其它測試方法得到的結(jié)果較吻合。

5 結(jié) 語從整個測試過程及測試成果看，運用水壓致裂法測試高海拔地區(qū)深孔地應(yīng)力是可行的，改進后的測試系統(tǒng)簡單實用，縮短了加壓時間，具有較好的測試效果。該孔最大、最小主應(yīng)力值隨深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，地應(yīng)力狀態(tài)主要以水平應(yīng)力為主。僅從SH量值看，屬于中等偏高應(yīng)力。高海拔地區(qū)進行深孔與低海拔地區(qū)進行淺孔試驗相比，在進行地應(yīng)力試驗時，實際操作過程中應(yīng)注意以下幾點：(1)由于鉆孔較深，試驗過程中上下鉆桿及設(shè)備時費時費力，因此，設(shè)備下孔前，一定要確保整套設(shè)備密封良好。此次試驗通過對轉(zhuǎn)換開關(guān)的密封圈進行改進，取得了較好的密封效果；(2)若孔內(nèi)有承壓水、鉆桿及設(shè)備放置困難時，可下放至一定深度后向鉆桿及封隔器內(nèi)注水以平衡靜水壓力，便于下放設(shè)備且能夠減少水壓力對設(shè)備的擠壓損害；(3)對于在高海拔地區(qū)深孔進行水壓致裂地應(yīng)力測試，試驗水泵應(yīng)根據(jù)實際情況進行合理選擇，在滿足流量的情況下可進行多種水泵的組合使用，試驗結(jié)果證明：淺孔時，可選擇工作壓力較低的水泵進行試驗；隨著孔深的增加，破裂壓力會相應(yīng)增加，從而需要采用工作壓力高的水泵進行試驗，在不確定破裂壓力大小的情況下，可進行兩種水泵之間的并向組合使用。此外，在高海拔地區(qū)交通不便的情況下，應(yīng)盡量選擇重量輕的水泵，以便于運輸;(4)高海拔地區(qū)常常伴隨高寒現(xiàn)象，因此，必須保證電子設(shè)備在適宜的工作溫度中運行。

[1] 景 鋒.中國大陸淺層地殼地應(yīng)力場分布規(guī)律及工程擾動特征研究[D].中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2009.

[2] 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3] 水電水利工程巖體應(yīng)力測試規(guī)程，DL/T5367-2007[S].

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7；[TV221.2];TU192;TV522

B

1001-2184(2017)01-0001-03

于新凱(1989-)，男，山東萊蕪人，助理工程師，碩士，研究方向：巖土試驗;

全 海(1974-)，男，四川巴中人，副主任，高級工程師，學(xué)士，研究方向：巖石力學(xué)試驗及檢測；

王 旭(1993-)，男，河南洛陽人，助理工程師，學(xué)士，研究方向：巖土試驗；

夏驪娜(1985-)，女，四川萬州人，工程師，學(xué)士，研究方向：巖石試驗.