龍巖市萬安溪引水工程水壓致裂法地應力測試技術應用性研究

朱永和 鄧偉杰 楊林 蘇佳楠 趙順利 王洪領

（1.江河工程檢驗檢測有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；3.榆林市引黃工程建設管理局，陜西 榆林 718600）

0 引言

原巖的地應力狀態是直接影響工程穩定性的重要因素之一，特別是在水利水電、金屬礦山、交通隧道工程建設過程中起著重要作用。國內科研工作者為測試不同工程特點的地應力情況，提出的地應力測試技術及計算方法已有十余種。近些年在大量科學生產試驗中，地應力測試技術正在逐步完善和有效推廣，同時測試地應力成果也在指導與服務工程高質量建設［1?2］。

在眾多地應力測試技術中最為常用的有三孔交匯法三維地應力測量、單孔三維地應力測量、流變應力恢復法和水壓致裂法。李宏等［3］在錦屏二級水電站地下廠房區開展壓磁套芯解除3孔交匯三維應力測量和單孔三維地應力測試技術對比研究，結果證明壓磁套芯解除單孔三維地應力測試技術可行、精度準確。蔣景東［4］則利用流變應力恢復法在圍巖相對軟弱區域開展地應力測試，解決煤礦深部強度低、裂隙發育軟弱圍巖區域地應力難以準確測出的問題。徐干成等［5］利用水壓致裂法研究某工區地應力分布情況和室內巖石試驗結果驗證應力場的規律。由于水壓致裂法具有設備簡單、適應性強、經濟合理等典型特點，已成為應用最廣的測試地應力的技術手段。本研究將詳細介紹水壓致裂法基本原理、測試過程和技術成果應用，為研究類似工區地應力分布情況提供可靠依據。

1 工程地質概況

龍巖市萬安溪引水工程位于福建省龍巖市新羅區、連城縣境內。輸水工程沿線地貌中低山為主，山體相對雄厚，山頂高程范圍為700~1 300 m。工程區巖體地質構造年代分布是沉積地層主要有志留—奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系及第四系地層單元，還有部分侵入巖分布，主要為燕山早期花崗巖。

工程區內滿竹溪至林邦溪段巖性主要是黑云母花崗巖，地質構造相對簡單，褶皺幾乎不發育，斷層少量發育，主要地質構造以陡傾角發育的斷裂為主。工程區內節理多成組、陡傾角發育，表層花崗巖全風化，多為鐵錳質渲染或張開少量夾泥；弱風化花崗巖多呈微張或閉合狀。

2 水壓致裂法測試原理

水壓致裂法是一種以彈性力學為基礎的地應力測試技術，并且此方法的實現需要3個假設前提［6?7］：一是巖石具有各項同性和彈性；二是巖石是完整的，且不具有透水性；三是巖層中有一個主應力分量方向平行孔軸方向。滿足以上3個假設條件后，水壓致裂法的受力狀態可視為一個平面應力問題，具體如圖1所示。

結合水壓致裂法地應力測試技術力學理論模型分析可得，作用在半徑為a的圓孔無限大的平面空間內的兩個主應力σ1和σ2，利用彈性力學原理可計算圓孔平面內一點M處的應力值如式（1）所示。

式中：M點的徑向應力為σr，MPa；切向應力為σθ，MPa；剪應力為τrθ，MPa；M點到圓孔中心的距離為r，m；當r＝a時（a為圓孔半徑），圓孔壁上的應力分布如式（2）所示。

由式（2）可得出圖1（b）所示的孔壁A、B兩點及其對稱處（A′/B′）的應力分別為式（3）和式（4）。

當σ1大于σ2時，圓孔周邊應力集中效應可知σA<σB。當孔壁原巖承受應力小于圓孔內施加液壓時，將在原巖最小切應力的位置上發生張破裂現象。破裂面延伸方向垂直于最小主應力方向，把迫使孔壁發生張裂的外加液體壓力pb，MPa，稱為臨界破裂壓力。其中臨界破裂壓力pb是巖石張裂處的集中應力與抗張強度T的合力，MPa，即式（5）。

為保證計算臨界破裂壓力的準確性，將巖石原孔隙壓力p0減掉，pb將如式（6）所示。

當測量垂直鉆孔的地應力時，最大水平主應力為SH、最小水平主應力為Sh，即σ1為SH，σ2為Sh。若施加壓力段的巖石發生張裂破壞時，可用式（7）計算該段巖石臨界破裂壓力pb。

若原巖發生張裂破壞后，隨著液體不斷注入，張開裂縫將沿著縱深向擴展。停止注射液體時，將液壓回路封閉，裂縫擴展現象停止。裂縫在地應力的作用下將逐漸趨于緊閉，將原巖處于臨界閉合狀態的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力ps，垂直裂縫面的最小水平主應力即為瞬時關閉壓力ps，如式（8）。

當再次對原加壓段施加壓力時，原裂縫再次張開，此時可以測出原巖破裂重新張開的壓力pr。因原巖在首次加壓時已發生破壞，不存在抗張強度，把（7）式變為式（9）。

用式（7）減去式（9）可知巖石的抗張強度如式（10）。

由式（7）（8）（9）可知最大水平主應力SH如式（11）。

垂直應力Sv可用上覆巖石的重量求得如式（12）。

式中：ρ是巖石密度，kg/m3；g是重力加速度，N/kg；d是加壓段的深度，m。

3 水壓致裂法測試成果及分析

在工程區典型鉆孔開展地應力測試工作，取9段典型完整段巖體進行，詳細成果信息見表1。由試驗結果可知各加壓段的壓力—時間線形良好，如圖2所示。不同加壓段巖石破裂壓力pb、重張壓力pr和閉合壓力ps在各自的測試循環成果曲線中清晰可見，隨著加壓段孔深變化和地層巖性差異而有所不同。

由圖2所示的壓力—時間成果曲線中可直接測讀出加壓段巖石的臨界破裂壓力pb、瞬時關閉壓力ps以及裂縫重新張開壓力pr，在這3個參數基礎上可算出精確的最大水平主應力SH和最小水平主應力Sh。計算公式如式（13）和式（14）。

在水壓致裂地應力測試中瞬時關閉壓力ps的確定非常重要，目前最常用的ps取值方法有dt/dp法、dp/dt法、Mauskat、拐點法、單切線法、雙切線法、流量－壓力法等［8?9］。本次測試中ps的計算方法采用單切線方法，利用上述其他方法進行校核，最后依據多種取值方法的結果進行綜合確認。根據工程測試經驗加壓段巖層的孔隙壓力等于靜水壓力［10?12］，結合實際鉆孔情況未發現地下水出露，本次測試深度位于靜水位以上，孔隙水壓力為零。根據現場鉆孔取芯的室內巖石試驗成果可知加壓段巖石容重（暫取2.60 g/cm3）和上覆巖層的厚度，再利用公式計算出各測段的垂直應力Sv值。

通過進行鉆孔電視觀察巖芯照片可知：水壓致裂形成的裂縫在地應力作用下會再次閉合，但由于巖體本身原生裂隙、孔壁雜物等客觀因素的影響，時常難以有效辨認張拉破壞裂隙。為選取典型壓裂段，在巖體相對完整的加壓段進行水壓致裂試驗前后的鉆孔電視圖像對比分析，獲得2段典型的水壓致裂張裂縫的巖芯圖像。圖3為孔深0+204.73~205.35 m和0+336.56~337.18 m鉆孔電視巖芯成像成果，水壓裂縫延伸方向平行于鉆孔方向并在孔壁兩側均勻對稱顯示，可以準確測試出裂縫產狀。計算出測試段的最大水平主應力SH的方向為N24°—54°W。

由CZK06鉆孔的地應力測試成果可知：水壓致裂試驗揭示的工程區總體的應力規律滿足SH>Sv>Sh，測試結果可知本工程區地應力以水平構造為主，其最大水平主應力范圍為5.22~17.31 MPa，平均值為9.42 MPa；最小水平主應力范圍為4.28~11.00 MPa，平均值為6.70 MPa。通過鉆孔電視測算裂縫產狀可知最大水平主應力方向為N24°—54°W，水壓致裂地應力測試成果表明測試區域的地應力場以NW向的擠壓構造運動為主［13?15］。

利用CZK06鉆孔水壓致裂地應力測試成果精確計算出側壓力系數，為引水工程建設提供可靠試驗數據支撐，即kHmax=SH/SV、khmin=Sh/SV。計算成果見表1，對所有側壓力系數進行算術平均，得到試驗工程區的kHmax、khmin平均值分別為1.26、0.90，說明工程區域內水平主應力作用明顯。通過繪制CZK06鉆孔的應力深度曲線，可知工程區域應力量值與深度呈現一定的線性關系，隨著鉆孔深度增大應力變大，即應力量值與鉆孔深度呈正相關，與普遍地殼應力場特征相符。

表1 水壓致裂法地應力測試成果

圖4為巖體應力—鉆孔深度關系曲線，同樣揭示出應力場的復雜性，測段235.47~236.09 m和377.08~377.70 m測得的應力具有較大的離散性。為合理真實地反映工程區的應力典型特征，對應力測試數據進行回歸分析，得到應力量值與深度H的回歸方程如式（15）和式（16）。

4 工程區域地應力特征討論與分析

根據大量的現場試驗結果，我國地應力場的最大水平主應力方向有較明顯的分區特征。根據謝富仁、崔效鋒等［16?17］在中國及鄰區現代構造應力場中得到的結論，中國大陸及鄰區現代構造應力場可分為4個二級應力區。

研究區隸屬于華南應力區（東南沿海—臺灣應力區），華南應力區以菲律賓板塊向北西西方向碰撞和青藏板塊向東南方向運移的共同作用，基于震源機制解的統計結果表明，東南沿海—臺灣應力區水平最大主應力方位分布的一致性較好，分布的優勢方位為290°，即NW—SE向。

為了進一步研究福建省及東南沿海的區域應力場特征，李宏等［18］通過在福建沿海邊緣陸域地區活動斷裂帶附近進行地應力測量，測得淺層地表地應力的大小、方向以及主要分布特征，如圖5所示。根據實測的地應力資料，用庫侖摩擦滑動準則分析研究了斷裂帶的性質和活動性。結果表明：沿海岸線邊緣自北向南，其最大水平主壓應力方向為NW向，與測區北西向斷裂帶走向近于平行，與地質構造、跨斷層形變測量等方法反映的主壓應力方向大體一致；水平主應力值隨深度增加而增大，與垂直應力值的關系為SH>SV>Sh和SH≈SV>Sh。

周碩愚等［19］利用GPS測量、地面地殼形變測量、震源機制解及原地應力測量等技術，綜合分析東南沿海區域的應力場分布特征。研究成果表明中國大陸東南沿海地區現今區主壓應力方向為NW—SE向和NWW—SEE向。根據福建斷層形變測量網數據（1982—1998年）測試出斷層現在運動狀態，其受力狀態見圖6。由圖6可見NE走向斷層處于受擠壓構造影響，而NW走向斷層處于受張拉狀態。由此可推測：本區域應力場可能受NW—SE方向壓縮，而受NE—SW方向拉張。

5 結論

通過對龍巖市萬安溪引水工程的CZK06鉆孔水壓致裂法地應力測試成果分析，結合本工程區內地應力特征可得以下結論。

①本工程區地應力以NW向擠壓為主，最大水平主應力方向為N24°—54°W。水壓致裂試驗揭示的工程區總體的應力規律滿足SH>Sv>Sh，試驗結果表明工程區的應力以水平構造應力為主。

②CZK06孔的測試分析結果表明，測試深度內（204.73~398.37 m）最大水平主應力范圍為5.22~17.31 MPa，平均值為9.42 MPa；最小水平主應力范圍為4.28~11.00 MPa，平均值為6.70 MPa。

③引水工程鉆孔區域巖性均一且完整性較好，水壓致裂法測試成果規律性較強，可為中國東南區域類似工程提供可靠技術參考。