三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試在水電工程中的應(yīng)用

全 海

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試在水電工程中的應(yīng)用

全 海

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

測(cè)量巖體地應(yīng)力的方法很多，測(cè)試成果分為平面應(yīng)力和空間三維應(yīng)力。在大型水電工程中，為了研究工程所在地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)，需要獲得現(xiàn)場(chǎng)巖體的三維地應(yīng)力狀態(tài)。介紹了通過(guò)三孔交匯的鉆孔布置方式，采用水壓致裂法獲得三維地應(yīng)力成果過(guò)程并與套鉆解除孔徑變形法地應(yīng)力成果進(jìn)行了對(duì)比佐證，認(rèn)為采用三維水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力在水電工程中是可行的。

地應(yīng)力；水壓致裂法；三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試

1 概 述

地應(yīng)力一般是指地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動(dòng)的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力，或稱(chēng)初始應(yīng)力，主要是在重力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合作用下形成的應(yīng)力，有時(shí)也包括在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等作用下形成的應(yīng)力[1]。它是影響工程巖體穩(wěn)定性的重要因素。因此，測(cè)得巖體的地應(yīng)力是工程設(shè)計(jì)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)測(cè)量巖體地應(yīng)力的方法很多，從測(cè)量原理上可以分為地應(yīng)力直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)得巖體的應(yīng)力，水壓致裂法即屬于直接測(cè)量；間接測(cè)量法測(cè)量的不是應(yīng)力，而是變形、應(yīng)變或與應(yīng)力有關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)的變化，然后通過(guò)與應(yīng)力的關(guān)系式計(jì)算得出的。按測(cè)量施工方法可以分為表面應(yīng)變法、鉆孔應(yīng)力解除法、水壓致裂法、利用巖芯地應(yīng)力測(cè)量方法以及地質(zhì)構(gòu)造分析等方法。按照測(cè)試應(yīng)力結(jié)果可以分為平面二維應(yīng)力法和空間三維應(yīng)力法。在國(guó)內(nèi)大型水電水利工程中，為了獲得巖體地應(yīng)力的狀態(tài)，通常采用的是鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法。

2 水壓致裂法測(cè)試原理

水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，并以三個(gè)假設(shè)為前提：(1)巖體是均勻和各向同性的線(xiàn)彈性體；(2)巖體是完整的，壓裂液體對(duì)巖石來(lái)說(shuō)(是非滲透的)符合達(dá)西定律；(3)巖體中有一個(gè)主應(yīng)力的方向和孔軸線(xiàn)平行[2]。在上述理論和假設(shè)前提下，水壓致裂的力學(xué)模型即簡(jiǎn)化為一個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題，在單個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行水壓致裂法測(cè)試即可得到鉆孔橫截面上的最大平面應(yīng)力、最小平面應(yīng)力和破裂方向。

鉆孔內(nèi)水壓致裂法應(yīng)力測(cè)試的操作方法在規(guī)程規(guī)范中已有相應(yīng)的流程和規(guī)定，歸納起來(lái)為：水壓致裂法是利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔，然后通過(guò)高壓泵入水體對(duì)該試驗(yàn)段(常稱(chēng)壓裂段)增壓，采用計(jì)算機(jī)數(shù)字采集集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄壓力隨時(shí)間的變化，對(duì)實(shí)測(cè)記錄的巖體壓裂曲線(xiàn)進(jìn)行分析后得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式即可得到測(cè)點(diǎn)處的鉆孔橫截面上的平面最大和最小主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。

以水壓致裂法對(duì)完整圍巖進(jìn)行的單孔應(yīng)力測(cè)量因破裂沿軸向發(fā)展，因此而只能獲得垂直于孔軸的平面應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)第3條假設(shè)，所測(cè)得的應(yīng)力是鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力狀態(tài)，其與大地坐標(biāo)系下的巖體地應(yīng)力空間三維狀態(tài)是有差別的。若要獲得大地坐標(biāo)系下的巖體地應(yīng)力空間三維狀態(tài)，則需要3個(gè)以上的鉆孔(其中不同方向的鉆孔至少為3個(gè))組成三維應(yīng)力測(cè)量斷面。實(shí)際實(shí)施過(guò)程中通常采用3個(gè)孔交匯，測(cè)點(diǎn)的孔深應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的邊界條件，在這三個(gè)鉆孔中分別進(jìn)行水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量，通過(guò)應(yīng)力分量坐標(biāo)變換和線(xiàn)性代數(shù)方程求解，獲得三維地應(yīng)力的量值及方向。相關(guān)計(jì)算理論與公式國(guó)內(nèi)有許多著作中都有詳細(xì)的闡述[3]，筆者在文中不再列出。

3 測(cè)量孔位置的布置

巖體地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的布置首先要考慮工程區(qū)樞紐建筑物的布置、類(lèi)型及設(shè)計(jì)要求，所選位置要具有代表性。地應(yīng)力測(cè)試的方法都是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的，巖體作為裂隙介質(zhì)并非理想的彈性體，要求將測(cè)試位置選在巖體完整或較完整的地方。對(duì)于工程區(qū)的測(cè)孔，應(yīng)盡量選在巖體完整的區(qū)段，鉆孔應(yīng)盡量遠(yuǎn)離斷層等構(gòu)造帶，同時(shí)應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)。為了測(cè)得巖體中的初始“真實(shí)”應(yīng)力狀態(tài)，在測(cè)量之前，對(duì)工程區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等進(jìn)行一定的前期分析，根據(jù)測(cè)段位置的地質(zhì)條件、機(jī)窩的空間大小確定施測(cè)鉆孔深度并滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)規(guī)范中的邊界條件，避免在洞室應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行測(cè)量。只有鉆孔深度達(dá)到應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，所測(cè)試的成果才能代表原始地應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)于鉆孔的布置，參考國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)確定的巖石應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是鉆機(jī)不移動(dòng)即可完成全部鉆孔，布置方式中的圖1(d)則采取收斂會(huì)聚型的布置，測(cè)試段取樣體積最小，各測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)差異小，更具有代表性。

圖1 鉆孔布置方式

4 工程實(shí)例

(1)西藏某水電站引水隧洞地應(yīng)力測(cè)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(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)為σ3#-1，試驗(yàn)測(cè)段處巖石的巖性均為花崗巖。引水隧洞洞線(xiàn)大致沿山脊走向，σ3#-1試驗(yàn)位于3#機(jī)窩，測(cè)點(diǎn)水平埋深約375m，垂直埋深約290m，見(jiàn)圖2。

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

圖2 σ3#-1試驗(yàn)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(gòu)造帶通過(guò)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在15～29m間的巖石完整段，共取得6個(gè)有效測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，順時(shí)針為正，下同)，孔口下傾6°，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在8～29m間的巖石完整段，共取得7個(gè)有效測(cè)點(diǎn)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(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在8～29m間的巖石完整段，共取得7個(gè)有效測(cè)點(diǎn)的水壓致裂成果，2段印模。部分鉆孔巖石致裂過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

各鉆孔巖石致裂結(jié)束后，在典型的巖石破裂測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行印模測(cè)量，測(cè)量采用三維電子定向器實(shí)時(shí)記錄巖石破裂方向，由此確定鉆孔橫截面上最大主應(yīng)力的方向，印模成果見(jiàn)圖5。

根據(jù)巖石致裂過(guò)程曲線(xiàn)確定各致裂參數(shù)后計(jì)算出的鉆孔橫截面上的應(yīng)力測(cè)試成果見(jiàn)表1。

圖4 巖石致裂過(guò)程曲線(xiàn)圖

圖5 印模成果圖

根據(jù)ZK3-1、ZK3-2和ZK3-3鉆孔的測(cè)試成果，取每孔測(cè)試結(jié)果(SH、Sh、破裂方向)的平均值計(jì)算巖體的三維地應(yīng)力，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表1 σ3#-1水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果表

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

表2 σ3#-1三維地應(yīng)力計(jì)算成果表

σ3#-1測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)地應(yīng)力分級(jí)為低～中等地應(yīng)力。

在同一工程區(qū)內(nèi)，與σ3#-1測(cè)點(diǎn)有高程差別的PD05洞內(nèi)前期完成了1組套鉆解除孔徑變形法試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為σSPD05-1，巖性同為花崗巖，水平埋深87m，測(cè)得的三維地應(yīng)力成果見(jiàn)表3。

表3 孔徑變形法三維地應(yīng)力測(cè)試成果表

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

(2)四川某水電站壓力管道地應(yīng)力測(cè)試。

在四川某水電站的壓力管道線(xiàn)路上布置了1組水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)為σ- 1。測(cè)試點(diǎn)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(zhǎng)花崗巖，微新巖體內(nèi)裂隙不發(fā)育，完整性較好，巖體以塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)為主，附近隨機(jī)分布有少量小斷層及影響帶。測(cè)試位置由于探洞尺寸對(duì)鉆孔施工條件的限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在探洞地板上的三孔交匯采用發(fā)散型方式進(jìn)行布置(圖6)。

從3個(gè)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(fā)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(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖6 鉆孔位置示意圖

圖7 巖石致裂過(guò)程曲線(xiàn)圖

試驗(yàn)時(shí)選擇完整巖石段進(jìn)行測(cè)試，致裂后進(jìn)行印模測(cè)量，以確定鉆孔橫截面上最大平面主應(yīng)力方向，各孔測(cè)量成果見(jiàn)表4。

取每孔測(cè)試結(jié)果(SH、Sh、破裂方向)的平均值計(jì)算巖體的三維地應(yīng)力，計(jì)算成果見(jiàn)表5。

σ- 1測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)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(qū)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(cè)得的三維地應(yīng)力成果見(jiàn)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(yīng)力值σ1表現(xiàn)出隨埋深增加、應(yīng)力值有增大的趨勢(shì)，與測(cè)點(diǎn)處鉛直向埋深有關(guān)。主應(yīng)力方向基本一致，與工程區(qū)的區(qū)域應(yīng)力構(gòu)造方向吻合。

表4 σ- 1水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量成果表

表5 σ- 1三維地應(yīng)力計(jì)算成果表

表6 孔徑變形法三維地應(yīng)力測(cè)試成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在鉆孔內(nèi)進(jìn)行常規(guī)測(cè)試通常得到的是鉆孔橫截面上的平面應(yīng)力。雖然有研究人員在單孔內(nèi)進(jìn)行過(guò)三維應(yīng)力測(cè)試的努力，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)還有許多問(wèn)題需要解決。就水壓致裂法測(cè)三維應(yīng)力而言，通過(guò)三孔交匯測(cè)量巖體三維空間地應(yīng)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(guò)兩個(gè)工程的實(shí)際應(yīng)用以及與套鉆解除孔徑變形法得到的成果進(jìn)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(cè)量巖體地應(yīng)力的三維狀態(tài)是可行的。

在三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試中，測(cè)孔應(yīng)盡量選在巖體較完整的區(qū)段，鉆孔應(yīng)盡量遠(yuǎn)離斷層等構(gòu)造帶，同時(shí)應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，應(yīng)保證測(cè)試巖體盡量符合該方法的假定條件。為了測(cè)得巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)孔鉆探深度在滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)規(guī)范中邊界條件的同時(shí)應(yīng)避免在洞室應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行測(cè)量。

在三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)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(cè)得的平面應(yīng)力成果都只能計(jì)算出三維空間地應(yīng)力成果，只要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(cè)量方法上有所不同，但通過(guò)實(shí)際工程中的對(duì)比，其測(cè)量成果基本一致。為了更準(zhǔn)確地了解地應(yīng)力在空間分布上的“真實(shí)”狀態(tài)，應(yīng)在不同空間位置布置相應(yīng)數(shù)量的地應(yīng)力測(cè)試，取得較多的三維應(yīng)力成果，所模擬的工程區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)才具有代表性。

[1] 彭 華，等.趙樓煤礦1 000m深孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力場(chǎng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(8)：1638-1645.

[2] 水電水利工程巖體應(yīng)力測(cè)試規(guī)程,DL/T5367-2007[S].

[3] 劉允芳，等.巖體地應(yīng)力與工程建設(shè)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[4] 基姆(K.Kim;美國(guó))，等，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)確定巖石應(yīng)力的建議方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1988，7(4)：357-388.

(責(zé)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(jí)工程師，學(xué)士，從事巖體力學(xué)試驗(yàn)工作.