錦屏超高壓巖體水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)研制與應(yīng)用

馬 鵬，趙國平，張永永，吳春耕

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，杭州 310014)

1 工程概況

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上，系利用雅礱江錦屏150 km長大河彎的天然落差，裁彎取直鑿洞引水，額定水頭288 m的優(yōu)越水力條件。電站裝機(jī)容量為4 800 MW，單機(jī)容量600 MW，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h，保證出力1 972 MW，年利用5 048 h。它是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的水電站，屬雅礱江梯級(jí)開發(fā)中的骨干水電站。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房3大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站［1－2］。

錦屏輔助洞是錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站前期工程的重要項(xiàng)目，其作用是溝通東、西雅礱江的交通，并作為錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的施工輔助洞。輔助洞進(jìn)口位于西雅礱江景峰橋上游150 m處，出口位于東雅礱江大水溝下游400 m處，大致沿東西向穿越錦屏山，由2條平行的長約17.5 km的單車道隧道組成，兩隧道位于錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞的南側(cè)，中心距35 m。洞線平行于引水隧洞，洞軸線方向N58°W，距離引水隧洞軸線的最小距離為60 m［3－4］。

2004年隨著輔助洞的開挖，輔助洞圍巖的地應(yīng)力測(cè)試隨之開展，分別由輔助洞東西兩端洞口開始逐步向深部進(jìn)行。隨著洞深和埋設(shè)的加大，應(yīng)力也逐步增大，洞壁出現(xiàn)巖爆，鉆孔出現(xiàn)餅狀巖芯，常規(guī)的水壓致裂法設(shè)備和孔徑應(yīng)變法已無法滿足地應(yīng)力測(cè)試要求。為此，2009年浙江華東工程安全技術(shù)有限公司進(jìn)行了高應(yīng)力條件下的原位地應(yīng)力測(cè)試方法的專題研究，其中之一即超高應(yīng)力條件下水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的研究。經(jīng)過3年的努力和現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)踐，成功研制出一套測(cè)試壓力為100 MPa的水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，并成功完成現(xiàn)場(chǎng)6組三維地應(yīng)力的測(cè)試，單孔實(shí)測(cè)最高巖體致裂壓力達(dá)92.1 MPa，取得滿意的測(cè)試成果。

2 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試基本原理和方法

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量是利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段鉆孔巖體，然后泵入液體對(duì)該段鉆孔施壓，根據(jù)壓裂過程曲線的壓力特征值計(jì)算地應(yīng)力。水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量原理以彈性力學(xué)平面問題為基礎(chǔ)，并引入了如下3個(gè)假設(shè):圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體;圍巖為多孔介質(zhì)時(shí)，注入的流體按達(dá)西定律在巖體孔隙中流動(dòng);巖體中地應(yīng)力的一個(gè)主方向?yàn)殂U垂方向，與鉛垂向測(cè)孔一致，大小等于上覆巖層的壓力［5］。

其具體測(cè)試方法是:通過鉆桿將2個(gè)可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段，加壓使其膨脹、座封于孔壁上，形成承壓段空間;開啟液壓泵對(duì)壓裂段注水加壓，鉆孔孔壁承受逐漸增強(qiáng)的液壓作用，當(dāng)壓力達(dá)到臨界破裂壓力Pb，孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，并在垂直于橫截面上最小主應(yīng)力的平面內(nèi)延伸，由于巖石破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降，最終保持恒定以維持裂隙張開;關(guān)閉壓力泵后，隨著壓裂液滲入到巖層壓力緩慢下降，裂隙逐漸閉合，其臨界值為瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps;完全卸壓后再重新加壓注液，得到裂隙的重張壓力Pr以及瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps;采用定向印模器，通過擴(kuò)張印模膠筒外層的生橡膠和能自動(dòng)定向的定向器，記錄破裂縫的長度和方向。測(cè)試過程曲線見圖1。

圖1 水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力示意圖Fig.1 The ideal curve of hydro-fracturing geostress measurement

3 常規(guī)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

常規(guī)的水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)液壓泵的不同可分為2種，一是采用高壓油泵供壓(見圖2)，二是采用高壓水泵供壓(見圖3)。具體包括以下儀器設(shè)備:

(1)高壓油泵供壓。最高壓力70 MPa，流量10 L/min，需配相應(yīng)容量的節(jié)油器。

(2)高壓水泵供壓。最高壓力35 MPa，流量10 L/min，可配相應(yīng)的流量計(jì)。

圖2 油泵加壓方式水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Hydro-fracturing geostress measurement system with oil pump pressing

圖3 水泵加壓方式水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Hydro-fracturing geostress measurement system with water pump pressing

(3)試驗(yàn)鋼管。一是利用鉆機(jī)上的鉆桿，配以推拉開關(guān);二是自制專用試驗(yàn)鋼管，長1.5 m和3.0 m、直徑20～28 mm的無縫鋼管，最高設(shè)計(jì)壓力＞40 MPa，接頭采用常規(guī)螺紋，密封形式采用螺紋纏繞生料帶或加尼龍墊圈，使用時(shí)配高壓油管給封隔器供壓。

(4)封隔器設(shè)備。外直徑72 mm、長120 cm的單路液壓膨脹式橡塞，最高測(cè)試壓力30～40 MPa。

(5)試驗(yàn)管路。分向閥、高壓油管、指針式壓力表、壓力傳感器等，承受壓力＞40 MPa。

(6)記錄設(shè)備。x－y函數(shù)記錄儀和數(shù)字自動(dòng)采集儀。

4 超高壓水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)研制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)估地應(yīng)力情況，超高壓系統(tǒng)按承受最高壓力100 MPa設(shè)計(jì)。

首先，選擇超高壓油泵作為加壓設(shè)備研制了一套測(cè)試系統(tǒng)，包括以下儀器設(shè)備:

(1)超高壓油泵4臺(tái)。最高壓力125 MPa，流量1 L/min，配備容量＞10 L的節(jié)油器。

(2)試驗(yàn)鋼管。設(shè)計(jì)壓力，選擇高強(qiáng)度的無縫鋼管，外徑38 mm，長250 mm，采用外接頭連接及先進(jìn)的高壓密封技術(shù)。

(3)封隔器(及印模器)。設(shè)計(jì)外徑為90 mm，長度約150 mm，承受壓力100 MPa以上，內(nèi)部采用了先進(jìn)的高壓密封技術(shù)，外部采用了雙道加強(qiáng)鋼環(huán)。

(4)油管及接頭。采用進(jìn)口的高壓油管和快速接頭，承受壓力125 MPa以上，具有耐高壓、高密封性能。

(5)測(cè)量系統(tǒng)。120 MPa壓力傳感器，配備x－y函數(shù)記錄儀和數(shù)字自動(dòng)采集儀。

(6)其他。承受100 MPa壓力的多通、截止閥和逆止閥。

系統(tǒng)研制成功后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)最高壓力達(dá)到92 MPa。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在不足之處。隨后研制了采用超高壓水泵作為加壓設(shè)備的一套測(cè)試系統(tǒng)。主要是:將4臺(tái)超高壓油泵更換為一臺(tái)最高壓力達(dá)150 MPa、流量10 L/min的超高壓水泵，取消節(jié)油器，并在管路上增加一只承壓達(dá)100 MPa的流量計(jì)。

5 超高壓水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)力DK12測(cè)試點(diǎn)位于錦屏輔助洞12號(hào)橫通道(樁號(hào)BK10+300)附近的B洞北側(cè)地板和洞壁上，大致埋深1 995 m，布置1組三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試鉆孔，在測(cè)試過程中先后鉆了4個(gè)垂直孔(12－1，12－4，12－5和12－6孔)和 4個(gè)水平孔(12－2，12－3，12－7和12－8孔)，鉆孔位置及方向見圖4。巖性為白山組(T2b)灰－灰白色致密厚層塊狀臭大理巖。先后采用了超高壓油泵和超高壓水泵作為加壓設(shè)備的一整套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 12號(hào)橫通道地應(yīng)力測(cè)試孔布置示意圖Fig.4 Layout of boreholes in cross-channel No.12 for the geostress measurement

(1)首先，按常規(guī)鉆了1個(gè)垂直孔(12－1)，孔深為100 m，2個(gè)水平孔(12－2和12－3)，孔深均為35 m。成孔采用一次性鉆進(jìn)方式，每個(gè)孔均一次性鉆至設(shè)計(jì)孔深，再逐孔逐段進(jìn)行水壓致裂測(cè)試。

從鉆孔巖芯情況分析，3個(gè)方向的鉆孔均出現(xiàn)大量的餅狀巖芯，厚度一般0.5～2 cm，見圖5，但通過鉆孔電視上觀察，巖體屬于較完整－完整，說明該測(cè)點(diǎn)巖體中的地應(yīng)力極高。

圖5 餅狀巖芯照片F(xiàn)ig.5 Photo of core discing

在3個(gè)鉆孔的測(cè)試過程中，出現(xiàn)因孔徑偏大和應(yīng)力太高，封隔器多次破裂和巖體無法致裂的情況。如:在12－1孔深7～21 m的位置共測(cè)了6段，破了3只封隔器，僅有一段成功，判斷為鉆孔孔徑太大，故終止測(cè)試;在12－2孔深30.35 m的位置測(cè)試時(shí)，受油泵流量的影響，出現(xiàn)巖體假致裂的現(xiàn)象，經(jīng)多次循環(huán)加壓，最高測(cè)試壓力達(dá)90 MPa左右，巖體也未出現(xiàn)破裂，見圖6;在12－3孔深6～31 m的位置共測(cè)了10段，最高試驗(yàn)壓力達(dá)70 MPa以上，但孔壁巖體均未出現(xiàn)明顯的破裂。

圖6 12－2孔深29.85～30.85 m段測(cè)試壓力－時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Curve of pressure-time at borehole No.12 －2 at the depth of 29.85 －30.85 m

(2)為解決鉆進(jìn)過程中因鉆桿晃動(dòng)造成孔徑變大的影響，在12－1孔附近補(bǔ)鉆了1只垂直孔(12－4)，采用了分段鉆進(jìn)和分段測(cè)試的方法進(jìn)行測(cè)試。即:每次鉆進(jìn)12 m左右后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)束后再鉆進(jìn)，再測(cè)試，終孔深度35 m左右，共測(cè)試了15段。其中，孔深17 m以上段的測(cè)試壓力為30～50 MPa;17 m以下孔段的測(cè)試壓力主要分布為60～80 MPa，最高壓力達(dá)到90 MPa，但有7段測(cè)試過程中均發(fā)生上封隔器破裂或炸裂的現(xiàn)象，巖體也未出現(xiàn)明顯破裂。分析其原因:一是隨著測(cè)試段的壓力增大，封隔器的壓力也隨之增大，由于上封隔器的外端臨空，缺少邊界約束，壓力差大到一定值且高于封隔器材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，封隔器就產(chǎn)生破裂;二是雖然采用了分段鉆進(jìn)，但由于大理巖質(zhì)地相對(duì)較軟，還是易產(chǎn)生擴(kuò)孔的現(xiàn)象，孔徑過大，封隔器易造成破裂。

(3)為解決上封隔器內(nèi)外壓力差的問題，采用了3種解決方案:一是提高封隔器本身材料的抗拉強(qiáng)度;二是將封隔器上部空間用水泥砂漿封堵;三是在上封隔器外再增加一個(gè)非同步壓力的封隔器。此外，對(duì)鉆探孔徑的控制也進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。并在12－5垂直孔孔深36.5～37.5 m段取得成功測(cè)試，測(cè)試過程曲線見圖7。據(jù)此段測(cè)試成果可以得到二維水壓致裂法地應(yīng)力結(jié)果［6］:巖體的破裂壓力(Pb)為92.1 MPa，裂隙重張壓力(Pr)為74.0 MPa，裂隙閉合壓力(Pb)為62.5 MPa，巖體抗拉強(qiáng)度 (T)為18.1 MPa。計(jì)算得到的該測(cè)試段巖體的最大水平主應(yīng)力 SH=113.9 MPa;最小水平主應(yīng)力 Sh=62.9 MPa。

(4)最后，在補(bǔ)鉆的1個(gè)垂直孔(12－6)和2個(gè)水平孔(12－7和12－8)中，采用各種有效措施，最終完成了該測(cè)點(diǎn)三維地應(yīng)力的測(cè)試，取得了滿意的測(cè)試成果。根據(jù)各測(cè)試孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析，分別采用大值和均值進(jìn)行三維地應(yīng)力值計(jì)算，取得了該測(cè)點(diǎn)的三維地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果［7］(見表1)。

圖7 12－5孔深36.50～37.50m段測(cè)試壓力－流量－時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Curve of pressure-flow-time at borehole No.12 －5 at the depth of 36.50 －37.50 m

表1 三維地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果Table 1 The measured results of 3-D geostress

6 結(jié)語

通過3年在錦屏輔助洞超高壓地應(yīng)力測(cè)試過程中的不懈努力和艱苦工作實(shí)踐，逐步完善了對(duì)超高壓水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的研制、改進(jìn)和應(yīng)用，取得了較多、較好的現(xiàn)場(chǎng)寶貴測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試成果，有效地解決了錦屏超深埋硐室圍巖超高原始地應(yīng)力的測(cè)試難題。同時(shí)，此測(cè)試系統(tǒng)的成功研發(fā)，為將來在公路、鐵路、水電和礦業(yè)等領(lǐng)域的超埋深超高地應(yīng)力的測(cè)試開啟了先河。

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