高水平放射性废物(以下简称“高放废物”)的安全处置问题正受到公众的广泛关注^[1,2,3]。目前国际上对高放废物处置普遍认可并且技术上可行的方案是地质处置,即在地下深300~1 000 m的花岗岩或黏土岩地质体中将高放废物进行埋藏^[4,5]。埋藏高放废物的地下工程称为高放废物地质处置库。由于高放废物地质处置的整个处置过程前人从未经历,缺乏实际经验,给工程实践带来巨大挑战。为解决处置库设计、建造中的重大难题,需要建立地下实验室,开展大量具有针对性的现场试验研究,从而为高放废物地质处置提供理论依据及工程实践经验。作为处置系统的天然屏障,围岩(即花岗岩或黏土岩)的深部结构面特征是岩体工程质量评价、三维地质建模、钻孔水文地质试验和地下实验室工程设计等研究的重要影响因素。因此,在地下实验室选址和建造过程中,需要对围岩结构面特征进行深入了解,以确保地下实验室建设及其运行过程中的长期稳定性和安全性。

传统钻探取芯手段虽然可以直观获得岩体深部结构面的数量、填充物类型等信息,但无法获得结构面的深度、产状尤其是倾向等信息,因此不能全面评价结构面特征^[6]。超声波钻孔电视(ATV)作为一种小口径地球物理测井工具,采用了先进的声波束聚焦技术、数字记录技术和数字化数据处理等技术,测量精度和测井速度大幅提高,其优点是岩体深部结构面特征可以通过超声波振幅变化以电视图像形式直观、清楚地显示在地面显示屏上,记录各扫描点的磁坐标并对钻孔孔壁图像定向,对所测得的结构面进行倾角校正,其最小探测距离(以结构面隙宽衡量)为0.1 mm(与测井速度和数据传输速度有关);因此,被广泛应用于地质、水文、矿产勘探和开采设计以及工程勘察等领域^[7,8,9]。

甘肃北山新场花岗岩地段已被确定为中国高放废物地质处置地下实验室的推荐场址。根据研究需要,北山新场地段内钻探施工了多个600 m深钻孔(图1)。其中,BS32 为垂直孔,位于场址中心位置,其目的为验证场址岩体完整性;BS37、BS39为斜孔,位于场址边缘,钻孔顶角/方位角分别为11°/110°和9°/120°,其目的为验证场址周边线性构造特征。上述钻孔的分布基本涵盖了全部场址范围。因此,通过钻孔获得的岩体深部结构面数据,可以全面评价地下实验室场址岩体结构面特征。基于此,本文以超声波钻孔电视技术获得的BS32、BS37、BS39钻孔揭露的岩体深部结构面数据为基础,结合岩心编录数据以及其他地质资料对地下实验室场址岩体结构面特征,包括结构面密度、产状、宽度、岩体完整性等特征展开分析研究。

北山新场地段距甘肃玉门市以北约80 km左右,行政区划隶属甘肃省肃北县和玉门市。其东西长约17 km,南北宽约5 km,地表出露面积约85 km²。地段内主要岩性为新场单元(O₁x)二长花岗岩、机井沟单元(O₁j)花岗岩闪长岩、红柳井单元(P t22h)片麻状花岗闪长岩和鸳鸯沟单元(P t22y)片麻状二长花岗岩。其中,片麻状花岗闪长岩和片麻状二长花岗岩呈东西向展布,主要分布于岩体南北边缘;二长花岗岩和花岗闪长岩分布于岩体中部、西部和北部^[10]。

已有地质资料显示新场地段发育两组断裂构造:近EW走向的压性、压扭性主干断裂和与其配套的NE、NW走向的扭性、张扭性断裂^[11]。主干断裂切割中生代及其之前的地层和岩体,为岩体的边界断裂,规模较大,一般为长约10~20 km,宽n×10 m,在地貌上多形成沟谷。扭性、张扭性的次级配套断裂主要发育在地段内花岗岩体中,以左旋扭性为主,规模相对较小,一般长约2~5 km,倾角50°~80°。

地下实验室场址位于新场地段中部,其围岩为二长花岗岩和花岗闪长岩。场址周边主要断裂为F31、F32、F33、F34及F32-2(图1)。通过遥感影像解译、野外调查和探槽揭露,对上述断裂的产状、规模、力学性质、构造岩类型等特征进行了详细调查和研究,具体内容见表1。

超声波钻孔电视测量技术基本原理如图2所示:压电陶瓷晶体产生并发射的高频超声波束沿探管轴心传播,被高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射并聚焦,然后穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁。部分超声波被孔壁反射并按原路径返回,被压电陶瓷晶体接收。压电陶瓷晶体记录孔壁反射波的振幅和传播时间生成孔壁特征图像。同时,三轴磁力仪记录孔壁各扫描点的磁坐标对孔壁图像定向;测斜仪则记录孔壁各扫描点的倾斜坐标并计算钻孔的偏移值以及对所测得的结构面进行倾角校正。最终形成反映孔壁特征的二维孔壁展开图像。

测量所使用的超声波钻孔电视为美国Mount Sopris仪器公司生产,包括声波探头、数据采集器、绞车和显示器。声波探头型号为QL40,可发射频率为1.2 MHz、尺寸为3 mm×3 mm的超声波束;探头内置磁力计精度为5%;最大测量深度为1 500 m;适用直径为50~510 mm范围的钻孔。

超声波钻孔电视的数据采集由MSlog软件自动控制,操作简便易行。数据采集模式和频率根据现场情况而定,测量速度保持在0.6~1.0 m/min,以保证采集数据的正确率和图像的精度。

图像的处理和解译主要依靠Well CAD软件,该软件可实现:① 将超声波振幅值转换成钻孔孔壁二维图像;② 利用测得的磁方位值对钻取的岩心定位;③ 自动插值修补部分缺失的数据;④ 将二维孔壁图像还原成三维孔壁柱状图;⑤ 自动计算结构面产状,绘制结构面走向玫瑰花图和倾向极点图;⑥ 实现结构面视倾角和真倾角转换;⑦ 进行公式运算, 生成新的图柄;⑧ 实现多种图像格式进行相互转换。

将采集的数据文件(rd文件或las文件)导入Well CAD软件,可自动获得钻孔孔壁二维图像,该图像是由传感器从地磁北极开始以顺时针方向(N→E→S→W→N)对钻孔孔壁进行扫描所形成的孔壁二维平剖图。由于不同物质对超声波的反射能力存在差异,平剖图的颜色深浅变化反映了超声波反射信号的强弱,即反映了岩性和强度的差异性。因此,结构面在平剖图中以正弦/余弦曲线的形式展现,并且与围岩图像形成鲜明反差。

结构面的产状可通过测量正弦或余弦曲线获得,其方法是:在孔壁二维图像上建立与其同样大小的新图层,将孔壁二维图像上的正弦/余弦曲线精确描绘在新图层上,形成一张结构面随钻孔深度分布的图像。Well CAD软件可自动计算每个结构面的深度、倾向和倾角值,这些数值可以数字的方式输出,或者以“蝌蚪”符表示,其中“蝌蚪”所在的区间代表结构面倾角,“蝌蚪尾巴”的指向代表结构面倾向,与倾向垂直的方向为结构面走向(图3)。

需要注意的是:在钻探施工过程中会对钻孔孔壁造成机械扰动, 形成类似正弦/余弦的不规则曲线,这些曲线会影响分析结果。为确保数据解译的精确性,在进行图像解译时,必须与岩心裂隙编录数据进行比对,以去除错误数据,使解译结果更接近于客观事实。

结构面发育程度,即结构面间距(结构面密度)和组数,是影响岩体完整性的重要因素。根据对比解译后的结构面数据,对岩体裂隙密集带、断裂带和裂隙密度进行统计分析研究。

国内不同行业根据行业需求,对岩体结构面间距的划分标准不一。考虑场址岩体结构面对施工可能产生的影响,并参考水力发电工程地质勘查规范GB50287-2006,本文中将裂隙密度≥10 m^-1(裂隙间距≤10 cm)且宽度≥30 cm的孔段归为裂隙密集带范畴。在划分裂隙密集带深度范围时,以密集带上下两端的裂隙深度为准;但在进行特征分析时,可能会使用到密集带周边范围的裂隙数据及其特征。各钻孔裂隙密集带统计数据见表2。

4.1.1 BS32钻孔裂隙密集带特征

BS32钻孔发育裂隙密集带2段,总长度1.93 m,占岩心总长的0.33%。根据地质资料显示:44.80~46.04 m段裂隙密集带岩性为花岗闪长岩。受蚀变影响,岩石强度变弱,其间发育单条陡倾长裂隙,造成岩石破碎。111.54~112.23m段裂隙密集带岩性为花岗闪长岩。发育一组近平行裂隙,解译获得裂隙平均产状为156°∠44°(图4)。

4.1.2 BS37钻孔裂隙密集带特征

BS37钻孔发育裂隙密集带3段,总长度3.76 m,占岩心总长的0.63%。解译结果和地质资料显示:53.63~54.87 m段裂隙密集带岩性为花岗闪长岩,其间发育的陡倾长裂隙与平缓裂隙相互切割,解译平缓裂隙产状为310°∠39°。616.55~617.40 m和618.55~620.22 m段裂隙密集带段均发育一组陡倾裂隙,裂隙面被方解石充填,裂隙平均产状为310°∠73°和307°∠67°(图5)。

4.1.3 BS39钻孔裂隙密集带特征

BS39钻孔发育裂隙密集带10段,总长度19.77 m,占岩心总长的3.38%。解译结果和地质资料显示:相对于BS32和BS37钻孔,BS39钻孔裂隙密集带内的岩石蚀变程度强烈,密集带范围较大。除384.22~386.65 m段裂隙密集带优势裂隙产状为216°∠74°外,其他密集带内裂隙产状基本为300°~320°∠60°~70°左右(图6),具有一致性。

BS37、BS39钻孔为验证F34、F33断裂。根据断裂地表地质特征、岩心地质编录以及图像解译结果判断:钻孔均穿越断裂。所揭露的断裂带特征具体如下。

BS37钻孔601.39~602.26 m断裂带:断裂核心位于601.70~601.98 m,为硅质胶结碎裂岩,视厚度约0.28 m,真厚度为0.12 m,产状为297°∠64°(图7)。

BS39钻孔471.26~473.53 m段断裂带:原岩为花岗闪长岩,视厚度为1.46 m,真厚度为 0.66 m左右,断裂产状为293°∠63°,与地面获得的断裂产状300°∠73°基本一致(图8)。

与裂隙密集带、断裂带等规模较大的结构面对岩体完整性的影响相比,单条结构面如裂隙对岩体完整性的影响作用要弱,但部分陡倾且延伸规模较大的裂隙不仅影响岩体质量分级,也可能是岩体导水通道,是影响岩体渗透性的重要因素^[12]。由于裂隙在岩体中呈非均匀分布状态,因此对岩体完整性的影响也存在差异。为直观展示裂隙对岩体完整性的影响,文中引入裂隙密度,即单位长度范围内的裂隙数量来评价岩体完整性。

在去除裂隙密集带、断裂带的数据后,计算结果显示岩体裂隙密度极低:BS32全孔裂隙密度最小,仅为0.26 m^-1;BS39全孔裂隙密度最大,可达1.84 m^-1;BS37全孔裂隙密度为0.44 m^-1,说明岩体的完整性非常高。但全孔裂隙密度对评价岩体完整性有局限性,表现在无法确定裂隙相对密集的孔段,而这些孔段可能会对岩体渗透性和机械开挖产生较大影响。基于此考虑,进一步对岩体裂隙密度进行分段统计分析:以双栓塞钻孔水文试验段(12.40 m)为间距统计裂隙密度。图9表明岩体不同深度分段裂隙密度差异明显,具体表现为:

1) BS32钻孔裂隙密度最大的孔段位于115.79~128.16 m,为2.02 m^-1;在此孔段上部的91.79~104.16 m、103.79~116.16 m孔段裂隙密度也较大;而此孔段以下,裂隙密度很小,尤其是 400.0 m以下,几乎不发育裂隙。

2) BS37钻孔浅部和底部裂隙密度相对较大,最大为4.01 m^-1,位于568.21~580.67 m;中间孔段密度很小。受裂隙密集带影响,其周边孔段裂隙密度明显较其他孔段偏大。

3) BS39钻孔分段裂隙密度最大值为6.26 m^-1,位于457.42~469.89 m。与BS37钻孔类似,构造破碎带和裂隙密集带周边孔段裂隙密度值较大。

构造成因的结构面对反演和佐证区域构造应力场和其他构造现象具有重要意义。分别以10°和30°对裂隙倾角、倾向进行统计(图10),研究结果显示:岩体裂隙倾角以陡倾角为主,主要分布范围为40°~80°;裂隙倾向则呈现差异,BS32优势倾向为150°~180°,BS37、BS39优势倾向为270°~330°。

利用Dips软件绘制裂隙走向玫瑰花图和极点图(图11),结果显示:BS32优势裂隙产状为158°∠45°和307°∠69°;BS37、BS39优势裂隙产状明显,分别为309°∠69°和299°∠60°,与F34、F33断裂产状基本一致。裂隙产状特征表明:场址范围内裂隙的形成与周边断裂相关。裂隙走向呈现明显NNE-NE走向,与场址周边钻孔实测最大水平主应力方向一致^[13],进一步佐证了区域应力场的特点^[14,15]。

结构面特征分析结果可以看出:BS32与BS37、BS39钻孔揭露的岩体深部结构面特征存在显著差异,主要表现在:

1)BS32钻孔未揭露到断裂构造,与地面地质调查、地球物理探测结果相符,表明岩体中部十分完整,未受到构造运动破坏。BS37、BS39钻孔揭露到F34、F33断裂构造的存在,并通过钻孔电视技术获得断裂构造产状,解译结果证明断裂呈舒缓波状,产状变化不大,但破碎带宽度呈随深度减小的趋势。

2)岩体优势裂隙产状基本一致,表明其形成在同一期次构造运动中。但根据裂隙密集带的分布和产状特征可以看出,岩体周边裂隙密集带的形成与断裂构造有关,岩体中部裂隙密集带则为非构造成因。

3)断裂构造、裂隙密集带、裂隙的数量和空间分布不均一。岩体中部裂隙密集带和裂隙主要分布在浅层且数量较少,400 m以下只发育少量裂隙;而岩体周边由于断裂构造的存在且纵向延伸较深(超过400 m),受此影响,裂隙密集带和裂隙十分发育,其数量和密度远大于岩体中部。

通过野外调查、探槽揭露的断裂浅层特征和钻孔揭露的断裂深部特征以及裂隙密集带、裂隙特征等研究结果表明:

新场场址周边F31、F32、F33、F34断裂均为张扭性断裂。断裂带宽度呈从北至南、从浅至深逐步变小的趋势,如F33在460 m处的断裂宽度为0.66 m左右,F34在590 m处只可见硅质胶结完整的碎裂岩,说明断裂纵向延伸范围有限,考虑断裂角度陡倾且变化不大(10°左右),可以推断断裂对岩体的纵向完整性影响较小。

断裂附近裂隙密集带规模普遍偏大,解译的优势裂隙(裂隙密集带)的产状特征与断裂相一致,表明裂隙密集带发育受断裂影响明显。断裂在浅地表影响范围较大,水平宽度范围可达10 m,而在深部影响范围约5 m左右。

场址中心区域的岩体裂隙和密集带数量、规模极小。从仅有的裂隙密集带特点分析,其形成与断裂构造无关,是两组裂隙相互切割或者存在单条陡倾裂隙造成的岩心破碎。BS32钻孔优势裂隙走向为NE向,与区域构造应力场以及断裂走向相一致,但优势倾向为SE向,与区域断裂、裂隙密集带等优势倾向截然相反,说明场址中心区域未受断裂影响或影响有限。

基于上述研究结果可以判定:地下实验室推荐场址所在的北山新场花岗岩体具有很好的完整性,呈现结构面数量少、规模小的特征。场址周边的断裂构造规模较小,所揭露的裂隙密集带主要发育在断裂构造附近,未对中心区域岩体完整性产生影响。

通过超声波钻孔电视技术,对高放废物地质处置地下实验室推荐场址——北山新场花岗岩体的BS32、BS37、BS39钻孔进行测量,获得大量岩体深部结构面的可靠实测数据,结合地面地质资料、钻孔岩心等数据,对结构面的产状、分布以及对岩体完整性的影响等进行研究,得出以下结论:

1) 场址内的花岗岩体具有很好的完整性,场址范围内无断裂构造以及与断裂构造相关的裂隙密集带,有利于地下实验室的工程建造。

2) 场址周边的断裂构造纵向延伸范围有限。随深度增加,断裂带规模和横向影响范围都逐渐减小。裂隙密集带主要发育在断裂构造周边。

3) 结构面走向呈NNE—NE,与区域构造特征相一致。

4) 岩体深部结构面特征研究为三维地质建模、岩体质量评价提供了重要基础数据。对工程开挖设计方案、设置断裂带安全避让距离等具有重要参考价值。