龙岩市万安溪引水工程水压致裂法地应力测试技术应用性研究

2022-11-23朱永和邓伟杰杨林苏佳楠赵顺利王洪领

河南科技 2022年21期

朱永和邓伟杰杨林苏佳楠赵顺利王洪领

（1.江河工程检验检测有限公司，河南郑州 450003；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；3.榆林市引黄工程建设管理局，陕西榆林 718600）

0 引言

原岩的地应力状态是直接影响工程稳定性的重要因素之一，特别是在水利水电、金属矿山、交通隧道工程建设过程中起着重要作用。国内科研工作者为测试不同工程特点的地应力情况，提出的地应力测试技术及计算方法已有十余种。近些年在大量科学生产试验中，地应力测试技术正在逐步完善和有效推广，同时测试地应力成果也在指导与服务工程高质量建设［1−2］。

在众多地应力测试技术中最为常用的有三孔交汇法三维地应力测量、单孔三维地应力测量、流变应力恢复法和水压致裂法。李宏等［3］在锦屏二级水电站地下厂房区开展压磁套芯解除3孔交汇三维应力测量和单孔三维地应力测试技术对比研究，结果证明压磁套芯解除单孔三维地应力测试技术可行、精度准确。蒋景东［4］则利用流变应力恢复法在围岩相对软弱区域开展地应力测试，解决煤矿深部强度低、裂隙发育软弱围岩区域地应力难以准确测出的问题。徐干成等［5］利用水压致裂法研究某工区地应力分布情况和室内岩石试验结果验证应力场的规律。由于水压致裂法具有设备简单、适应性强、经济合理等典型特点，已成为应用最广的测试地应力的技术手段。本研究将详细介绍水压致裂法基本原理、测试过程和技术成果应用，为研究类似工区地应力分布情况提供可靠依据。

1 工程地质概况

龙岩市万安溪引水工程位于福建省龙岩市新罗区、连城县境内。输水工程沿线地貌中低山为主，山体相对雄厚，山顶高程范围为700~1 300 m。工程区岩体地质构造年代分布是沉积地层主要有志留—奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系及第四系地层单元，还有部分侵入岩分布，主要为燕山早期花岗岩。

工程区内满竹溪至林邦溪段岩性主要是黑云母花岗岩，地质构造相对简单，褶皱几乎不发育，断层少量发育，主要地质构造以陡倾角发育的断裂为主。工程区内节理多成组、陡倾角发育，表层花岗岩全风化，多为铁锰质渲染或张开少量夹泥；弱风化花岗岩多呈微张或闭合状。

2 水压致裂法测试原理

水压致裂法是一种以弹性力学为基础的地应力测试技术，并且此方法的实现需要3个假设前提［6−7］：一是岩石具有各项同性和弹性；二是岩石是完整的，且不具有透水性；三是岩层中有一个主应力分量方向平行孔轴方向。满足以上3个假设条件后，水压致裂法的受力状态可视为一个平面应力问题，具体如图1所示。

结合水压致裂法地应力测试技术力学理论模型分析可得，作用在半径为a的圆孔无限大的平面空间内的两个主应力σ1和σ2，利用弹性力学原理可计算圆孔平面内一点M处的应力值如式（1）所示。

式中：M点的径向应力为σr，MPa；切向应力为σθ，MPa；剪应力为τrθ，MPa；M点到圆孔中心的距离为r，m；当r＝a时（a为圆孔半径），圆孔壁上的应力分布如式（2）所示。

由式（2）可得出图1（b）所示的孔壁A、B两点及其对称处（A′/B′）的应力分别为式（3）和式（4）。

当σ1大于σ2时，圆孔周边应力集中效应可知σA<σB。当孔壁原岩承受应力小于圆孔内施加液压时，将在原岩最小切应力的位置上发生张破裂现象。破裂面延伸方向垂直于最小主应力方向，把迫使孔壁发生张裂的外加液体压力pb，MPa，称为临界破裂压力。其中临界破裂压力pb是岩石张裂处的集中应力与抗张强度T的合力，MPa，即式（5）。

为保证计算临界破裂压力的准确性，将岩石原孔隙压力p0减掉，pb将如式（6）所示。

当测量垂直钻孔的地应力时，最大水平主应力为SH、最小水平主应力为Sh，即σ1为SH，σ2为Sh。若施加压力段的岩石发生张裂破坏时，可用式（7）计算该段岩石临界破裂压力pb。

若原岩发生张裂破坏后，随着液体不断注入，张开裂缝将沿着纵深向扩展。停止注射液体时，将液压回路封闭，裂缝扩展现象停止。裂缝在地应力的作用下将逐渐趋于紧闭，将原岩处于临界闭合状态的平衡压力称为瞬时关闭压力ps，垂直裂缝面的最小水平主应力即为瞬时关闭压力ps，如式（8）。

当再次对原加压段施加压力时，原裂缝再次张开，此时可以测出原岩破裂重新张开的压力pr。因原岩在首次加压时已发生破坏，不存在抗张强度，把（7）式变为式（9）。

用式（7）减去式（9）可知岩石的抗张强度如式（10）。

由式（7）（8）（9）可知最大水平主应力SH如式（11）。

垂直应力Sv可用上覆岩石的重量求得如式（12）。

式中：ρ是岩石密度，kg/m3；g是重力加速度，N/kg；d是加压段的深度，m。

3 水压致裂法测试成果及分析

在工程区典型钻孔开展地应力测试工作，取9段典型完整段岩体进行，详细成果信息见表1。由试验结果可知各加压段的压力—时间线形良好，如图2所示。不同加压段岩石破裂压力pb、重张压力pr和闭合压力ps在各自的测试循环成果曲线中清晰可见，随着加压段孔深变化和地层岩性差异而有所不同。

由图2所示的压力—时间成果曲线中可直接测读出加压段岩石的临界破裂压力pb、瞬时关闭压力ps以及裂缝重新张开压力pr，在这3个参数基础上可算出精确的最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh。计算公式如式（13）和式（14）。

在水压致裂地应力测试中瞬时关闭压力ps的确定非常重要，目前最常用的ps取值方法有dt/dp法、dp/dt法、Mauskat、拐点法、单切线法、双切线法、流量－压力法等［8−9］。本次测试中ps的计算方法采用单切线方法，利用上述其他方法进行校核，最后依据多种取值方法的结果进行综合确认。根据工程测试经验加压段岩层的孔隙压力等于静水压力［10−12］，结合实际钻孔情况未发现地下水出露，本次测试深度位于静水位以上，孔隙水压力为零。根据现场钻孔取芯的室内岩石试验成果可知加压段岩石容重（暂取2.60 g/cm3）和上覆岩层的厚度，再利用公式计算出各测段的垂直应力Sv值。

通过进行钻孔电视观察岩芯照片可知：水压致裂形成的裂缝在地应力作用下会再次闭合，但由于岩体本身原生裂隙、孔壁杂物等客观因素的影响，时常难以有效辨认张拉破坏裂隙。为选取典型压裂段，在岩体相对完整的加压段进行水压致裂试验前后的钻孔电视图像对比分析，获得2段典型的水压致裂张裂缝的岩芯图像。图3为孔深0+204.73~205.35 m和0+336.56~337.18 m钻孔电视岩芯成像成果，水压裂缝延伸方向平行于钻孔方向并在孔壁两侧均匀对称显示，可以准确测试出裂缝产状。计算出测试段的最大水平主应力SH的方向为N24°—54°W。

由CZK06钻孔的地应力测试成果可知：水压致裂试验揭示的工程区总体的应力规律满足SH>Sv>Sh，测试结果可知本工程区地应力以水平构造为主，其最大水平主应力范围为5.22~17.31 MPa，平均值为9.42 MPa；最小水平主应力范围为4.28~11.00 MPa，平均值为6.70 MPa。通过钻孔电视测算裂缝产状可知最大水平主应力方向为N24°—54°W，水压致裂地应力测试成果表明测试区域的地应力场以NW向的挤压构造运动为主［13−15］。

利用CZK06钻孔水压致裂地应力测试成果精确计算出侧压力系数，为引水工程建设提供可靠试验数据支撑，即kHmax=SH/SV、khmin=Sh/SV。计算成果见表1，对所有侧压力系数进行算术平均，得到试验工程区的kHmax、khmin平均值分别为1.26、0.90，说明工程区域内水平主应力作用明显。通过绘制CZK06钻孔的应力深度曲线，可知工程区域应力量值与深度呈现一定的线性关系，随着钻孔深度增大应力变大，即应力量值与钻孔深度呈正相关，与普遍地壳应力场特征相符。

表1 水压致裂法地应力测试成果

图4为岩体应力—钻孔深度关系曲线，同样揭示出应力场的复杂性，测段235.47~236.09 m和377.08~377.70 m测得的应力具有较大的离散性。为合理真实地反映工程区的应力典型特征，对应力测试数据进行回归分析，得到应力量值与深度H的回归方程如式（15）和式（16）。

4 工程区域地应力特征讨论与分析

根据大量的现场试验结果，我国地应力场的最大水平主应力方向有较明显的分区特征。根据谢富仁、崔效锋等［16−17］在中国及邻区现代构造应力场中得到的结论，中国大陆及邻区现代构造应力场可分为4个二级应力区。

研究区隶属于华南应力区（东南沿海—台湾应力区），华南应力区以菲律宾板块向北西西方向碰撞和青藏板块向东南方向运移的共同作用，基于震源机制解的统计结果表明，东南沿海—台湾应力区水平最大主应力方位分布的一致性较好，分布的优势方位为290°，即NW—SE向。

为了进一步研究福建省及东南沿海的区域应力场特征，李宏等［18］通过在福建沿海边缘陆域地区活动断裂带附近进行地应力测量，测得浅层地表地应力的大小、方向以及主要分布特征，如图5所示。根据实测的地应力资料，用库仑摩擦滑动准则分析研究了断裂带的性质和活动性。结果表明：沿海岸线边缘自北向南，其最大水平主压应力方向为NW向，与测区北西向断裂带走向近于平行，与地质构造、跨断层形变测量等方法反映的主压应力方向大体一致；水平主应力值随深度增加而增大，与垂直应力值的关系为SH>SV>Sh和SH≈SV>Sh。

周硕愚等［19］利用GPS测量、地面地壳形变测量、震源机制解及原地应力测量等技术，综合分析东南沿海区域的应力场分布特征。研究成果表明中国大陆东南沿海地区现今区主压应力方向为NW—SE向和NWW—SEE向。根据福建断层形变测量网数据（1982—1998年）测试出断层现在运动状态，其受力状态见图6。由图6可见NE走向断层处于受挤压构造影响，而NW走向断层处于受张拉状态。由此可推测：本区域应力场可能受NW—SE方向压缩，而受NE—SW方向拉张。