三維水壓致裂法地應力測試在水電工程中的應用

全 海

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維水壓致裂法地應力測試在水電工程中的應用

全 海

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

測量巖體地應力的方法很多，測試成果分為平面應力和空間三維應力。在大型水電工程中，為了研究工程所在地區的應力場，需要獲得現場巖體的三維地應力狀態。介紹了通過三孔交匯的鉆孔布置方式，采用水壓致裂法獲得三維地應力成果過程并與套鉆解除孔徑變形法地應力成果進行了對比佐證，認為采用三維水壓致裂法測試地應力在水電工程中是可行的。

地應力；水壓致裂法；三維水壓致裂法地應力測試

1 概 述

地應力一般是指地殼巖體處在未經人為擾動的天然狀態下所具有的內應力，或稱初始應力，主要是在重力和構造運動綜合作用下形成的應力，有時也包括在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等作用下形成的應力[1]。它是影響工程巖體穩定性的重要因素。因此，測得巖體的地應力是工程設計中必不可少的重要環節。

目前國內測量巖體地應力的方法很多，從測量原理上可以分為地應力直接測量法和間接測量法。直接測量法通過試驗直接測得巖體的應力，水壓致裂法即屬于直接測量；間接測量法測量的不是應力，而是變形、應變或與應力有關的物理力學參數的變化，然后通過與應力的關系式計算得出的。按測量施工方法可以分為表面應變法、鉆孔應力解除法、水壓致裂法、利用巖芯地應力測量方法以及地質構造分析等方法。按照測試應力結果可以分為平面二維應力法和空間三維應力法。在國內大型水電水利工程中，為了獲得巖體地應力的狀態，通常采用的是鉆孔應力解除法和水壓致裂法。

2 水壓致裂法測試原理

水壓致裂法應力測量是以彈性力學為基礎，并以三個假設為前提：(1)巖體是均勻和各向同性的線彈性體；(2)巖體是完整的，壓裂液體對巖石來說(是非滲透的)符合達西定律；(3)巖體中有一個主應力的方向和孔軸線平行[2]。在上述理論和假設前提下，水壓致裂的力學模型即簡化為一個平面應力問題，在單個鉆孔內進行水壓致裂法測試即可得到鉆孔橫截面上的最大平面應力、最小平面應力和破裂方向。

鉆孔內水壓致裂法應力測試的操作方法在規程規范中已有相應的流程和規定，歸納起來為：水壓致裂法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，然后通過高壓泵入水體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，采用計算機數字采集集成系統實時記錄壓力隨時間的變化，對實測記錄的巖體壓裂曲線進行分析后得到特征壓力參數，再根據相應的理論計算公式即可得到測點處的鉆孔橫截面上的平面最大和最小主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數。

以水壓致裂法對完整圍巖進行的單孔應力測量因破裂沿軸向發展，因此而只能獲得垂直于孔軸的平面應力場。根據第3條假設，所測得的應力是鉆孔橫截面上的二維應力狀態，其與大地坐標系下的巖體地應力空間三維狀態是有差別的。若要獲得大地坐標系下的巖體地應力空間三維狀態，則需要3個以上的鉆孔(其中不同方向的鉆孔至少為3個)組成三維應力測量斷面。實際實施過程中通常采用3個孔交匯，測點的孔深應滿足相關規程規范的邊界條件，在這三個鉆孔中分別進行水壓致裂法應力測量，通過應力分量坐標變換和線性代數方程求解，獲得三維地應力的量值及方向。相關計算理論與公式國內有許多著作中都有詳細的闡述[3]，筆者在文中不再列出。

3 測量孔位置的布置

巖體地應力測試點的布置首先要考慮工程區樞紐建筑物的布置、類型及設計要求，所選位置要具有代表性。地應力測試的方法都是建立在彈性理論基礎上的，巖體作為裂隙介質并非理想的彈性體，要求將測試位置選在巖體完整或較完整的地方。對于工程區的測孔，應盡量選在巖體完整的區段，鉆孔應盡量遠離斷層等構造帶，同時應避開應力擾動區。為了測得巖體中的初始“真實”應力狀態，在測量之前，對工程區的區域地質構造、地形地貌等進行一定的前期分析，根據測段位置的地質條件、機窩的空間大小確定施測鉆孔深度并滿足相關技術規范中的邊界條件，避免在洞室應力集中區進行測量。只有鉆孔深度達到應力穩定區，所測試的成果才能代表原始地應力狀態。

對于鉆孔的布置，參考國際巖石力學學會試驗方法委員會確定的巖石應力的建議方法(4)，三孔交匯鉆孔有以下幾種方式(圖1)。在布置方式中圖1(a)、(b)、(c)的優點是鉆機不移動即可完成全部鉆孔，布置方式中的圖1(d)則采取收斂會聚型的布置，測試段取樣體積最小，各測點的地質差異小，更具有代表性。

圖1 鉆孔布置方式

4 工程實例

(1)西藏某水電站引水隧洞地應力測試。

西藏某水電站引水隧洞中布置了1組水壓致裂法三維地應力測試試驗，試驗編號為σ3#-1，試驗測段處巖石的巖性均為花崗巖。引水隧洞洞線大致沿山脊走向，σ3#-1試驗位于3#機窩，測點水平埋深約375m，垂直埋深約290m，見圖2。

σ3#-1試驗位于引水隧洞樁號3+950處，鉆孔布置采用圖2(b)方式，孔深均為30m，鉆孔編號及位置布置情況見圖3。

圖2 σ3#-1試驗位置圖

圖3 σ3#-1鉆孔位置示意圖(平面圖)

Zk3-1為鉛直鉆孔，孔深12～13m處的巖芯破碎，疑為小斷層或構造帶通過，試驗測點布置在15～29m間的巖石完整段，共取得6個有效測點的水壓致裂成果及2段印模。ZK3-2為水平鉆孔，孔口指向方位角為233°(方位角以N為零點，順時針為正，下同)，孔口下傾6°，試驗測點布置在8～29m間的巖石完整段，共取得7個有效測點的水壓致裂成果，2段印模。ZK3-3為水平鉆孔，孔口指向方位角為298°，孔口下傾4°，試驗測點布置在8～29m間的巖石完整段，共取得7個有效測點的水壓致裂成果，2段印模。部分鉆孔巖石致裂過程曲線見圖4。

各鉆孔巖石致裂結束后，在典型的巖石破裂測點處進行印模測量，測量采用三維電子定向器實時記錄巖石破裂方向，由此確定鉆孔橫截面上最大主應力的方向，印模成果見圖5。

根據巖石致裂過程曲線確定各致裂參數后計算出的鉆孔橫截面上的應力測試成果見表1。

圖4 巖石致裂過程曲線圖

圖5 印模成果圖

根據ZK3-1、ZK3-2和ZK3-3鉆孔的測試成果，取每孔測試結果(SH、Sh、破裂方向)的平均值計算巖體的三維地應力，計算成果見表2。

表1 σ3#-1水壓致裂法地應力測試成果表

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

表2 σ3#-1三維地應力計算成果表

σ3#-1測點的σ1量值為9.94MPa，方位角為290°(N70°W)，傾角為22°。單從σ1量值看，該測點地應力分級為低～中等地應力。

在同一工程區內，與σ3#-1測點有高程差別的PD05洞內前期完成了1組套鉆解除孔徑變形法試驗，測點編號為σSPD05-1，巖性同為花崗巖，水平埋深87m，測得的三維地應力成果見表3。

表3 孔徑變形法三維地應力測試成果表

將二者成果相比較后可以看出：雖然測試位置有一定的差別，但二者的應力值處于同一量級，主應力方向基本一致，與工程區的區域應力構造方向吻合。同時，通過二者的相互印證，表明該測試成果是可靠的。

(2)四川某水電站壓力管道地應力測試。

在四川某水電站的壓力管道線路上布置了1組水壓致裂法三維地應力測試試驗，試驗編號為σ- 1。測試點位于壓力管道0+30處，水平埋深約320m，垂直埋深約420m，巖性為斜長花崗巖，微新巖體內裂隙不發育，完整性較好，巖體以塊狀～次塊狀結構為主，附近隨機分布有少量小斷層及影響帶。測試位置由于探洞尺寸對鉆孔施工條件的限制，現場試驗在探洞地板上的三孔交匯采用發散型方式進行布置(圖6)。

從3個鉆孔取出的巖芯看，LD1和LD3孔的巖石總體較完整、新鮮，巖性為花崗巖。LD2孔0～8m巖體局部裂隙較發育，完整性較差；深部巖體較完整、新鮮，巖性為花崗巖。巖石致裂過程曲線見圖7。

圖6 鉆孔位置示意圖

圖7 巖石致裂過程曲線圖

試驗時選擇完整巖石段進行測試，致裂后進行印模測量，以確定鉆孔橫截面上最大平面主應力方向，各孔測量成果見表4。

取每孔測試結果(SH、Sh、破裂方向)的平均值計算巖體的三維地應力，計算成果見表5。

σ- 1測點的最大主應力的量值為16.32MPa，方位角為74°，即NEE，接近EW向；傾角為-53°。

在工程區同一高程水平埋深88m處早期完成的1組套鉆解除孔徑變形法測得的三維地應力成果見表6。

將二者成果相比較后可以看出：由于水平埋深不同，二者的應力值σ1表現出隨埋深增加、應力值有增大的趨勢，與測點處鉛直向埋深有關。主應力方向基本一致，與工程區的區域應力構造方向吻合。

表4 σ- 1水壓致裂法地應力測量成果表

表5 σ- 1三維地應力計算成果表

表6 孔徑變形法三維地應力測試成果表

4 結 語

水壓致裂法地應力測量具有很多優點，但在鉆孔內進行常規測試通常得到的是鉆孔橫截面上的平面應力。雖然有研究人員在單孔內進行過三維應力測試的努力，但實現起來還有許多問題需要解決。就水壓致裂法測三維應力而言，通過三孔交匯測量巖體三維空間地應力的方法更成熟，更具有操作性，取得的成果更可靠。

筆者通過兩個工程的實際應用以及與套鉆解除孔徑變形法得到的成果進行比較得知：二者的成果得到互相印證。因此，采用多鉆孔水壓致裂法測量巖體地應力的三維狀態是可行的。

在三維水壓致裂法地應力測試中，測孔應盡量選在巖體較完整的區段，鉆孔應盡量遠離斷層等構造帶，同時應避開應力擾動區，應保證測試巖體盡量符合該方法的假定條件。為了測得巖體中的初始應力狀態，測孔鉆探深度在滿足相關技術規范中邊界條件的同時應避免在洞室應力集中區進行測量。

在三維水壓致裂法地應力測試中，不管三鉆孔的布置為哪種形式，由單鉆孔水壓致裂法測得的平面應力成果都只能計算出三維空間地應力成果，只要基礎數據多且可靠，得到的成果都具有代表性。雖然與其他方法在原理與測量方法上有所不同，但通過實際工程中的對比，其測量成果基本一致。為了更準確地了解地應力在空間分布上的“真實”狀態，應在不同空間位置布置相應數量的地應力測試，取得較多的三維應力成果，所模擬的工程區域應力場才具有代表性。

[1] 彭 華，等.趙樓煤礦1 000m深孔水壓致裂地應力測量及應力場研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30(8)：1638-1645.

[2] 水電水利工程巖體應力測試規程,DL/T5367-2007[S].

[3] 劉允芳，等.巖體地應力與工程建設[M].武漢：湖北科學技術出版社，2010.

[4] 基姆(K.Kim;美國)，等，國際巖石力學學會試驗方法委員會確定巖石應力的建議方法[J].巖石力學與工程學報，1988，7(4)：357-388.

(責任編輯：李燕輝)

2017-01-18

TV7；[TV221.2];TU

B

1001-2184(2017)01-0075-06

全 海(1974-),男，四川巴中人，高級工程師，學士，從事巖體力學試驗工作.