四川虎牙水电站三维水压致裂地应力测量分析

吴锦超 马思秀

关键词：三维水压致裂;地应力;应力张量;方位角

1.引言

赋存于地壳中，未受人类活动扰动的天然应力称之为地应力[1]。地应力的大小和方向信息与矿产资源开采、地下空间开发、地震孕育过程等密切相关，是地球动力学研究的重要基础参数[1-4]。水压致裂法地应力测量，是上世纪70年代发展起来的一种能够较好测量地壳深部应力的可靠而有效的方法。

本文基于水压致裂三维地应力测试理论，通过对3个交汇钻孔的水压致裂地应力测量，获取了研究区的三维地应力大小及空间方位。分析结果对研究区地球动力学基础研究和地壳稳定性分析具有一定参考价值，也为水电站全生命周期安全运行提供重要的科学数据。

2.水电站工程概况

水电站坝址位于虎牙河与白洞沟汇合口下游30m处，厂址位于虎牙乡扯马索沟沟口上游约700m的扯马索沟右岸滩地上。工程区属构造剥蚀中、高山区，山顶高程一般大于2500m，最大切割深度大于1000m，地形崎岖，常见陡崖峭壁。区内河谷一般呈“V”型峡谷，两岸较对称，常见阶梯状陡坎，地形坡度35°～55°，局部为70°～85°。工程区位于昆仑～秦岭地层区马尔康分区，主要为一套地槽型沉积建造，除侏罗系、奥陶系、寒武系地层缺失外，三叠系～前震旦系地层在工程区内均有不同程度的发育。工程区地处摩天岭、龙门山、岷山山系的接壤地带，地质构造主要由一系列近东西向褶皱与近南北向及北东向断裂为其主要特征。

3.三孔交汇水压致裂原地应力测试方法

利用水压致裂法来测量三维地应力，目前主要包括以下几种方法：单孔三维水压致裂法、部分修正后的原生裂隙水压致裂原地应力测量方法以及三孔交汇的三维水压致裂原地应力测量法。本文采用三孔交汇的三维水压致裂原地应力测量法获取了虎牙水电站的三维应力状态。根据每个钻孔的空间方位以及水压致裂法测试结果，利用最小二乘法求解大于6个方程且相互独立的超定方程组，即可求得交汇位置应力张量最优解，从而得到主应力的大小、倾角和方位角。其关键原理和推导公式如下：

则一个经典水压致裂孔可得到如下的三个方程，三个孔即9个方程：

其中，i=1，2，3。故原岩应力分量（解向量）可以由这个包含6个自变量、9个方程的超定方程组解得。

4.地应力测试及结果分析

4.1 测试布置情况

三维地应力测量在3个交汇的测试钻孔中进行，钻孔编号分别为HY-1钻孔、HY-2孔和HY-3孔。现场地应力测量钻孔空间分布如图2。

4.2 三维地应力计算结果分析

在分析测试结果的基础上，利用水压致裂三维地应力测量计算分析软件计算该点的三维应力张量，结果见表1。

深部岩体中的地应力状态受控于区域构造状态，反映构造应力水平。虎牙水电站位于青藏高原东缘龙门山断裂带和岷山构造带的结合部位，整体上受控于青藏高原的侧向推挤和逃逸作用。实测地应力资料（表2）显示最大主应力方位角为117.74°，属NWW方向，倾角-6.74°，属于近水平，这表明虎牙水电站地应力状态密切受青藏高原块体NWW向水平推挤作用控制和影响。本工程区位于著名的南北地震带，震源机制解可以解释深部地应力特征。基于中国大陆地壳应力数据库及区域地应力分布规律，本区域主应力方向亦为NWW为主，与本文实测应力结果一致性较好。研究表明，深部岩体和硐室围岩的地应力状态同样受区域构造作用影响，因此，工程区活动断裂势必影响水电站岩体地应力的赋存规律，有必要进一步研究其对工程建设的影响作用。

5.结论

（1）基于水压致裂理论，利用3孔交汇手段开展地应力测量可以获得某一点真实三维主应力大小和方向，经济方便，可靠性好，适用于水电站、深埋隧道等深部岩体工程地应力测量。

（2）工程区最大主应力方位角117.74°，傾角-6.74°，作用方向为NWW方向，且接近水平;中间主应力方位角为188.54°，倾角70.36°，近垂直;最小主应力方位角为210.05°，倾角-18.38°，近水平，倾向SSW，与山体坡向近垂直。

（3）测试主应力方向与本区已有震源机制解基本吻合，表明工程区地应力状态主要受青藏高原块体NWW向水平推挤作用控制和影响，这真实反应了构造应力的本质属性。

参考文献：

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