三维水压致裂法地应力测试在水电工程中的应用

全 海

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

三维水压致裂法地应力测试在水电工程中的应用

全 海

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

测量岩体地应力的方法很多，测试成果分为平面应力和空间三维应力。在大型水电工程中，为了研究工程所在地区的应力场，需要获得现场岩体的三维地应力状态。介绍了通过三孔交汇的钻孔布置方式，采用水压致裂法获得三维地应力成果过程并与套钻解除孔径变形法地应力成果进行了对比佐证，认为采用三维水压致裂法测试地应力在水电工程中是可行的。

地应力；水压致裂法；三维水压致裂法地应力测试

1 概 述

地应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力[1]。它是影响工程岩体稳定性的重要因素。因此，测得岩体的地应力是工程设计中必不可少的重要环节。

目前国内测量岩体地应力的方法很多，从测量原理上可以分为地应力直接测量法和间接测量法。直接测量法通过试验直接测得岩体的应力，水压致裂法即属于直接测量；间接测量法测量的不是应力，而是变形、应变或与应力有关的物理力学参数的变化，然后通过与应力的关系式计算得出的。按测量施工方法可以分为表面应变法、钻孔应力解除法、水压致裂法、利用岩芯地应力测量方法以及地质构造分析等方法。按照测试应力结果可以分为平面二维应力法和空间三维应力法。在国内大型水电水利工程中，为了获得岩体地应力的状态，通常采用的是钻孔应力解除法和水压致裂法。

2 水压致裂法测试原理

水压致裂法应力测量是以弹性力学为基础，并以三个假设为前提：(1)岩体是均匀和各向同性的线弹性体；(2)岩体是完整的，压裂液体对岩石来说(是非渗透的)符合达西定律；(3)岩体中有一个主应力的方向和孔轴线平行[2]。在上述理论和假设前提下，水压致裂的力学模型即简化为一个平面应力问题，在单个钻孔内进行水压致裂法测试即可得到钻孔横截面上的最大平面应力、最小平面应力和破裂方向。

钻孔内水压致裂法应力测试的操作方法在规程规范中已有相应的流程和规定，归纳起来为：水压致裂法是利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过高压泵入水体对该试验段(常称压裂段)增压，采用计算机数字采集集成系统实时记录压力随时间的变化，对实测记录的岩体压裂曲线进行分析后得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式即可得到测点处的钻孔横截面上的平面最大和最小主应力的量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。

以水压致裂法对完整围岩进行的单孔应力测量因破裂沿轴向发展，因此而只能获得垂直于孔轴的平面应力场。根据第3条假设，所测得的应力是钻孔横截面上的二维应力状态，其与大地坐标系下的岩体地应力空间三维状态是有差别的。若要获得大地坐标系下的岩体地应力空间三维状态，则需要3个以上的钻孔(其中不同方向的钻孔至少为3个)组成三维应力测量断面。实际实施过程中通常采用3个孔交汇，测点的孔深应满足相关规程规范的边界条件，在这三个钻孔中分别进行水压致裂法应力测量，通过应力分量坐标变换和线性代数方程求解，获得三维地应力的量值及方向。相关计算理论与公式国内有许多著作中都有详细的阐述[3]，笔者在文中不再列出。

3 测量孔位置的布置

岩体地应力测试点的布置首先要考虑工程区枢纽建筑物的布置、类型及设计要求，所选位置要具有代表性。地应力测试的方法都是建立在弹性理论基础上的，岩体作为裂隙介质并非理想的弹性体，要求将测试位置选在岩体完整或较完整的地方。对于工程区的测孔，应尽量选在岩体完整的区段，钻孔应尽量远离断层等构造带，同时应避开应力扰动区。为了测得岩体中的初始“真实”应力状态，在测量之前，对工程区的区域地质构造、地形地貌等进行一定的前期分析，根据测段位置的地质条件、机窝的空间大小确定施测钻孔深度并满足相关技术规范中的边界条件，避免在洞室应力集中区进行测量。只有钻孔深度达到应力稳定区，所测试的成果才能代表原始地应力状态。

对于钻孔的布置，参考国际岩石力学学会试验方法委员会确定的岩石应力的建议方法(4)，三孔交汇钻孔有以下几种方式(图1)。在布置方式中图1(a)、(b)、(c)的优点是钻机不移动即可完成全部钻孔，布置方式中的图1(d)则采取收敛会聚型的布置，测试段取样体积最小，各测点的地质差异小，更具有代表性。

图1 钻孔布置方式

4 工程实例

(1)西藏某水电站引水隧洞地应力测试。

西藏某水电站引水隧洞中布置了1组水压致裂法三维地应力测试试验，试验编号为σ3#-1，试验测段处岩石的岩性均为花岗岩。引水隧洞洞线大致沿山脊走向，σ3#-1试验位于3#机窝，测点水平埋深约375m，垂直埋深约290m，见图2。

σ3#-1试验位于引水隧洞桩号3+950处，钻孔布置采用图2(b)方式，孔深均为30m，钻孔编号及位置布置情况见图3。

图2 σ3#-1试验位置图

图3 σ3#-1钻孔位置示意图(平面图)

Zk3-1为铅直钻孔，孔深12～13m处的岩芯破碎，疑为小断层或构造带通过，试验测点布置在15～29m间的岩石完整段，共取得6个有效测点的水压致裂成果及2段印模。ZK3-2为水平钻孔，孔口指向方位角为233°(方位角以N为零点，顺时针为正，下同)，孔口下倾6°，试验测点布置在8～29m间的岩石完整段，共取得7个有效测点的水压致裂成果，2段印模。ZK3-3为水平钻孔，孔口指向方位角为298°，孔口下倾4°，试验测点布置在8～29m间的岩石完整段，共取得7个有效测点的水压致裂成果，2段印模。部分钻孔岩石致裂过程曲线见图4。

各钻孔岩石致裂结束后，在典型的岩石破裂测点处进行印模测量，测量采用三维电子定向器实时记录岩石破裂方向，由此确定钻孔横截面上最大主应力的方向，印模成果见图5。

根据岩石致裂过程曲线确定各致裂参数后计算出的钻孔横截面上的应力测试成果见表1。

图4 岩石致裂过程曲线图

图5 印模成果图

根据ZK3-1、ZK3-2和ZK3-3钻孔的测试成果，取每孔测试结果(SH、Sh、破裂方向)的平均值计算岩体的三维地应力，计算成果见表2。

表1 σ3#-1水压致裂法地应力测试成果表

注：SH为平面最大主应力；Sh为平面最小主应力；Sv为岩体自重应力(下同)。

表2 σ3#-1三维地应力计算成果表

σ3#-1测点的σ1量值为9.94MPa，方位角为290°(N70°W)，倾角为22°。单从σ1量值看，该测点地应力分级为低～中等地应力。

在同一工程区内，与σ3#-1测点有高程差别的PD05洞内前期完成了1组套钻解除孔径变形法试验，测点编号为σSPD05-1，岩性同为花岗岩，水平埋深87m，测得的三维地应力成果见表3。

表3 孔径变形法三维地应力测试成果表

将二者成果相比较后可以看出：虽然测试位置有一定的差别，但二者的应力值处于同一量级，主应力方向基本一致，与工程区的区域应力构造方向吻合。同时，通过二者的相互印证，表明该测试成果是可靠的。

(2)四川某水电站压力管道地应力测试。

在四川某水电站的压力管道线路上布置了1组水压致裂法三维地应力测试试验，试验编号为σ- 1。测试点位于压力管道0+30处，水平埋深约320m，垂直埋深约420m，岩性为斜长花岗岩，微新岩体内裂隙不发育，完整性较好，岩体以块状～次块状结构为主，附近随机分布有少量小断层及影响带。测试位置由于探洞尺寸对钻孔施工条件的限制，现场试验在探洞地板上的三孔交汇采用发散型方式进行布置(图6)。

从3个钻孔取出的岩芯看，LD1和LD3孔的岩石总体较完整、新鲜，岩性为花岗岩。LD2孔0～8m岩体局部裂隙较发育，完整性较差；深部岩体较完整、新鲜，岩性为花岗岩。岩石致裂过程曲线见图7。

图6 钻孔位置示意图

图7 岩石致裂过程曲线图

试验时选择完整岩石段进行测试，致裂后进行印模测量，以确定钻孔横截面上最大平面主应力方向，各孔测量成果见表4。

取每孔测试结果(SH、Sh、破裂方向)的平均值计算岩体的三维地应力，计算成果见表5。

σ- 1测点的最大主应力的量值为16.32MPa，方位角为74°，即NEE，接近EW向；倾角为-53°。

在工程区同一高程水平埋深88m处早期完成的1组套钻解除孔径变形法测得的三维地应力成果见表6。

将二者成果相比较后可以看出：由于水平埋深不同，二者的应力值σ1表现出随埋深增加、应力值有增大的趋势，与测点处铅直向埋深有关。主应力方向基本一致，与工程区的区域应力构造方向吻合。

表4 σ- 1水压致裂法地应力测量成果表

表5 σ- 1三维地应力计算成果表

表6 孔径变形法三维地应力测试成果表

4 结 语

水压致裂法地应力测量具有很多优点，但在钻孔内进行常规测试通常得到的是钻孔横截面上的平面应力。虽然有研究人员在单孔内进行过三维应力测试的努力，但实现起来还有许多问题需要解决。就水压致裂法测三维应力而言，通过三孔交汇测量岩体三维空间地应力的方法更成熟，更具有操作性，取得的成果更可靠。

笔者通过两个工程的实际应用以及与套钻解除孔径变形法得到的成果进行比较得知：二者的成果得到互相印证。因此，采用多钻孔水压致裂法测量岩体地应力的三维状态是可行的。

在三维水压致裂法地应力测试中，测孔应尽量选在岩体较完整的区段，钻孔应尽量远离断层等构造带，同时应避开应力扰动区，应保证测试岩体尽量符合该方法的假定条件。为了测得岩体中的初始应力状态，测孔钻探深度在满足相关技术规范中边界条件的同时应避免在洞室应力集中区进行测量。

在三维水压致裂法地应力测试中，不管三钻孔的布置为哪种形式，由单钻孔水压致裂法测得的平面应力成果都只能计算出三维空间地应力成果，只要基础数据多且可靠，得到的成果都具有代表性。虽然与其他方法在原理与测量方法上有所不同，但通过实际工程中的对比，其测量成果基本一致。为了更准确地了解地应力在空间分布上的“真实”状态，应在不同空间位置布置相应数量的地应力测试，取得较多的三维应力成果，所模拟的工程区域应力场才具有代表性。

[1] 彭 华，等.赵楼煤矿1 000m深孔水压致裂地应力测量及应力场研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(8)：1638-1645.

[2] 水电水利工程岩体应力测试规程,DL/T5367-2007[S].

[3] 刘允芳，等.岩体地应力与工程建设[M].武汉：湖北科学技术出版社，2010.

[4] 基姆(K.Kim;美国)，等，国际岩石力学学会试验方法委员会确定岩石应力的建议方法[J].岩石力学与工程学报，1988，7(4)：357-388.

(责任编辑：李燕辉)

2017-01-18

TV7；[TV221.2];TU

B

1001-2184(2017)01-0075-06

全 海(1974-),男，四川巴中人，高级工程师，学士，从事岩体力学试验工作.