吳錦超 馬思秀
關(guān)鍵詞:三維水壓致裂;地應力;應力張量;方位角
1.引言
賦存于地殼中,未受人類活動擾動的天然應力稱之為地應力[1]。地應力的大小和方向信息與礦產(chǎn)資源開采、地下空間開發(fā)、地震孕育過程等密切相關(guān),是地球動力學研究的重要基礎(chǔ)參數(shù)[1-4]。水壓致裂法地應力測量,是上世紀70年代發(fā)展起來的一種能夠較好測量地殼深部應力的可靠而有效的方法。
本文基于水壓致裂三維地應力測試理論,通過對3個交匯鉆孔的水壓致裂地應力測量,獲取了研究區(qū)的三維地應力大小及空間方位。分析結(jié)果對研究區(qū)地球動力學基礎(chǔ)研究和地殼穩(wěn)定性分析具有一定參考價值,也為水電站全生命周期安全運行提供重要的科學數(shù)據(jù)。
2.水電站工程概況
水電站壩址位于虎牙河與白洞溝匯合口下游30m處,廠址位于虎牙鄉(xiāng)扯馬索溝溝口上游約700m的扯馬索溝右岸灘地上。工程區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中、高山區(qū),山頂高程一般大于2500m,最大切割深度大于1000m,地形崎嶇,常見陡崖峭壁。區(qū)內(nèi)河谷一般呈“V”型峽谷,兩岸較對稱,常見階梯狀陡坎,地形坡度35°~55°,局部為70°~85°。工程區(qū)位于昆侖~秦嶺地層區(qū)馬爾康分區(qū),主要為一套地槽型沉積建造,除侏羅系、奧陶系、寒武系地層缺失外,三疊系~前震旦系地層在工程區(qū)內(nèi)均有不同程度的發(fā)育。工程區(qū)地處摩天嶺、龍門山、岷山山系的接壤地帶,地質(zhì)構(gòu)造主要由一系列近東西向褶皺與近南北向及北東向斷裂為其主要特征。
3.三孔交匯水壓致裂原地應力測試方法
利用水壓致裂法來測量三維地應力,目前主要包括以下幾種方法:單孔三維水壓致裂法、部分修正后的原生裂隙水壓致裂原地應力測量方法以及三孔交匯的三維水壓致裂原地應力測量法。本文采用三孔交匯的三維水壓致裂原地應力測量法獲取了虎牙水電站的三維應力狀態(tài)。根據(jù)每個鉆孔的空間方位以及水壓致裂法測試結(jié)果,利用最小二乘法求解大于6個方程且相互獨立的超定方程組,即可求得交匯位置應力張量最優(yōu)解,從而得到主應力的大小、傾角和方位角。其關(guān)鍵原理和推導公式如下:
則一個經(jīng)典水壓致裂孔可得到如下的三個方程,三個孔即9個方程:
其中,i=1,2,3。故原巖應力分量(解向量)可以由這個包含6個自變量、9個方程的超定方程組解得。
4.地應力測試及結(jié)果分析
4.1 測試布置情況
三維地應力測量在3個交匯的測試鉆孔中進行,鉆孔編號分別為HY-1鉆孔、HY-2孔和HY-3孔?,F(xiàn)場地應力測量鉆孔空間分布如圖2。
4.2 三維地應力計算結(jié)果分析
在分析測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用水壓致裂三維地應力測量計算分析軟件計算該點的三維應力張量,結(jié)果見表1。
深部巖體中的地應力狀態(tài)受控于區(qū)域構(gòu)造狀態(tài),反映構(gòu)造應力水平?;⒀浪娬疚挥谇嗖馗咴瓥|緣龍門山斷裂帶和岷山構(gòu)造帶的結(jié)合部位,整體上受控于青藏高原的側(cè)向推擠和逃逸作用。實測地應力資料(表2)顯示最大主應力方位角為117.74°,屬NWW方向,傾角-6.74°,屬于近水平,這表明虎牙水電站地應力狀態(tài)密切受青藏高原塊體NWW向水平推擠作用控制和影響。本工程區(qū)位于著名的南北地震帶,震源機制解可以解釋深部地應力特征。基于中國大陸地殼應力數(shù)據(jù)庫及區(qū)域地應力分布規(guī)律,本區(qū)域主應力方向亦為NWW為主,與本文實測應力結(jié)果一致性較好。研究表明,深部巖體和硐室圍巖的地應力狀態(tài)同樣受區(qū)域構(gòu)造作用影響,因此,工程區(qū)活動斷裂勢必影響水電站巖體地應力的賦存規(guī)律,有必要進一步研究其對工程建設的影響作用。
5.結(jié)論
(1)基于水壓致裂理論,利用3孔交匯手段開展地應力測量可以獲得某一點真實三維主應力大小和方向,經(jīng)濟方便,可靠性好,適用于水電站、深埋隧道等深部巖體工程地應力測量。
(2)工程區(qū)最大主應力方位角117.74°,傾角-6.74°,作用方向為NWW方向,且接近水平;中間主應力方位角為188.54°,傾角70.36°,近垂直;最小主應力方位角為210.05°,傾角-18.38°,近水平,傾向SSW,與山體坡向近垂直。
(3)測試主應力方向與本區(qū)已有震源機制解基本吻合,表明工程區(qū)地應力狀態(tài)主要受青藏高原塊體NWW向水平推擠作用控制和影響,這真實反應了構(gòu)造應力的本質(zhì)屬性。
參考文獻:
[1]張重遠,吳滿路,陳群策,等. 地應力測量方法綜述[J]. 河南理工大學學報(自然科學版). 2012, 31(03): 305-310.
[2]吳滿路,廖椿庭,袁嘉音. 荒溝蓄能電站地下廠房地應力狀態(tài)與工程穩(wěn)定性研究[J]. 地球?qū)W報. 2002(03): 263-268.
[3]秦向輝,陳群策,郝越進,等. 安徽金寨沙坪溝礦區(qū)地應力測量與現(xiàn)今應力場研究[J]. 地球?qū)W報. 2016, 37(02): 223-231.
[4]景鋒,邊智華,楊火平,等. 深埋長隧道地應力測量與巖爆預測分析[J]. 人民長江. 2008(01): 80-82.
[5]Haimson B C, Cornet F H. ISRM Suggested Methods for rock stress estimation—Part 3: Hydraulic fracturing (HF) and/or hydraulic testing of pre-existing fractures (HTPF). International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2003(40):1011-1020.