龍巖市萬(wàn)安溪引水工程水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用性研究

朱永和 鄧偉杰 楊林 蘇佳楠 趙順利 王洪領(lǐng)

（1.江河工程檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；3.榆林市引黃工程建設(shè)管理局，陜西 榆林 718600）

0 引言

原巖的地應(yīng)力狀態(tài)是直接影響工程穩(wěn)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(shè)過(guò)程中起著重要作用。國(guó)內(nèi)科研工作者為測(cè)試不同工程特點(diǎn)的地應(yīng)力情況，提出的地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)及計(jì)算方法已有十余種。近些年在大量科學(xué)生產(chǎn)試驗(yàn)中，地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)正在逐步完善和有效推廣，同時(shí)測(cè)試地應(yīng)力成果也在指導(dǎo)與服務(wù)工程高質(zhì)量建設(shè)［1?2］。

在眾多地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)中最為常用的有三孔交匯法三維地應(yīng)力測(cè)量、單孔三維地應(yīng)力測(cè)量、流變應(yīng)力恢復(fù)法和水壓致裂法。李宏等［3］在錦屏二級(jí)水電站地下廠房區(qū)開展壓磁套芯解除3孔交匯三維應(yīng)力測(cè)量和單孔三維地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)比研究，結(jié)果證明壓磁套芯解除單孔三維地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)可行、精度準(zhǔn)確。蔣景東［4］則利用流變應(yīng)力恢復(fù)法在圍巖相對(duì)軟弱區(qū)域開展地應(yīng)力測(cè)試，解決煤礦深部強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育軟弱圍巖區(qū)域地應(yīng)力難以準(zhǔn)確測(cè)出的問(wèn)題。徐干成等［5］利用水壓致裂法研究某工區(qū)地應(yīng)力分布情況和室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證應(yīng)力場(chǎng)的規(guī)律。由于水壓致裂法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理等典型特點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣的測(cè)試地應(yīng)力的技術(shù)手段。本研究將詳細(xì)介紹水壓致裂法基本原理、測(cè)試過(guò)程和技術(shù)成果應(yīng)用，為研究類似工區(qū)地應(yīng)力分布情況提供可靠依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

龍巖市萬(wàn)安溪引水工程位于福建省龍巖市新羅區(qū)、連城縣境內(nèi)。輸水工程沿線地貌中低山為主，山體相對(duì)雄厚，山頂高程范圍為700~1 300 m。工程區(qū)巖體地質(zhì)構(gòu)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(qū)內(nèi)滿竹溪至林邦溪段巖性主要是黑云母花崗巖，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，褶皺幾乎不發(fā)育，斷層少量發(fā)育，主要地質(zhì)構(gòu)造以陡傾角發(fā)育的斷裂為主。工程區(qū)內(nèi)節(jié)理多成組、陡傾角發(fā)育，表層花崗巖全風(fēng)化，多為鐵錳質(zhì)渲染或張開少量夾泥；弱風(fēng)化花崗巖多呈微張或閉合狀。

2 水壓致裂法測(cè)試原理

水壓致裂法是一種以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，并且此方法的實(shí)現(xiàn)需要3個(gè)假設(shè)前提［6?7］：一是巖石具有各項(xiàng)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(gè)主應(yīng)力分量方向平行孔軸方向。滿足以上3個(gè)假設(shè)條件后，水壓致裂法的受力狀態(tài)可視為一個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題，具體如圖1所示。

結(jié)合水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)力學(xué)理論模型分析可得，作用在半徑為a的圓孔無(wú)限大的平面空間內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)力σ1和σ2，利用彈性力學(xué)原理可計(jì)算圓孔平面內(nèi)一點(diǎn)M處的應(yīng)力值如式（1）所示。

式中：M點(diǎn)的徑向應(yīng)力為σr，MPa；切向應(yīng)力為σθ，MPa；剪應(yīng)力為τrθ，MPa；M點(diǎn)到圓孔中心的距離為r，m；當(dāng)r＝a時(shí)（a為圓孔半徑），圓孔壁上的應(yīng)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(diǎn)及其對(duì)稱處（A′/B′）的應(yīng)力分別為式（3）和式（4）。

當(dāng)σ1大于σ2時(shí)，圓孔周邊應(yīng)力集中效應(yīng)可知σA<σB。當(dāng)孔壁原巖承受應(yīng)力小于圓孔內(nèi)施加液壓時(shí)，將在原巖最小切應(yīng)力的位置上發(fā)生張破裂現(xiàn)象。破裂面延伸方向垂直于最小主應(yīng)力方向，把迫使孔壁發(fā)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(yīng)力與抗張強(qiáng)度T的合力，MPa，即式（5）。

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

當(dāng)測(cè)量垂直鉆孔的地應(yīng)力時(shí)，最大水平主應(yīng)力為SH、最小水平主應(yīng)力為Sh，即σ1為SH，σ2為Sh。若施加壓力段的巖石發(fā)生張裂破壞時(shí)，可用式（7）計(jì)算該段巖石臨界破裂壓力pb。

若原巖發(fā)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(kuò)展。停止注射液體時(shí)，將液壓回路封閉，裂縫擴(kuò)展現(xiàn)象停止。裂縫在地應(yīng)力的作用下將逐漸趨于緊閉，將原巖處于臨界閉合狀態(tài)的平衡壓力稱為瞬時(shí)關(guān)閉壓力ps，垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力即為瞬時(shí)關(guān)閉壓力ps，如式（8）。

當(dāng)再次對(duì)原加壓段施加壓力時(shí)，原裂縫再次張開，此時(shí)可以測(cè)出原巖破裂重新張開的壓力pr。因原巖在首次加壓時(shí)已發(fā)生破壞，不存在抗張強(qiáng)度，把（7）式變?yōu)槭剑?）。

用式（7）減去式（9）可知巖石的抗張強(qiáng)度如式（10）。

由式（7）（8）（9）可知最大水平主應(yīng)力SH如式（11）。

垂直應(yīng)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(cè)試成果及分析

在工程區(qū)典型鉆孔開展地應(yīng)力測(cè)試工作，取9段典型完整段巖體進(jìn)行，詳細(xì)成果信息見(jiàn)表1。由試驗(yàn)結(jié)果可知各加壓段的壓力—時(shí)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(cè)試循環(huán)成果曲線中清晰可見(jiàn)，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(shí)間成果曲線中可直接測(cè)讀出加壓段巖石的臨界破裂壓力pb、瞬時(shí)關(guān)閉壓力ps以及裂縫重新張開壓力pr，在這3個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上可算出精確的最大水平主應(yīng)力SH和最小水平主應(yīng)力Sh。計(jì)算公式如式（13）和式（14）。

在水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試中瞬時(shí)關(guān)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(diǎn)法、單切線法、雙切線法、流量－壓力法等［8?9］。本次測(cè)試中ps的計(jì)算方法采用單切線方法，利用上述其他方法進(jìn)行校核，最后依據(jù)多種取值方法的結(jié)果進(jìn)行綜合確認(rèn)。根據(jù)工程測(cè)試經(jīng)驗(yàn)加壓段巖層的孔隙壓力等于靜水壓力［10?12］，結(jié)合實(shí)際鉆孔情況未發(fā)現(xiàn)地下水出露，本次測(cè)試深度位于靜水位以上，孔隙水壓力為零。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯的室內(nèi)巖石試驗(yàn)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(jì)算出各測(cè)段的垂直應(yīng)力Sv值。

通過(guò)進(jìn)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(yīng)力作用下會(huì)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(shí)常難以有效辨認(rèn)張拉破壞裂隙。為選取典型壓裂段，在巖體相對(duì)完整的加壓段進(jìn)行水壓致裂試驗(yàn)前后的鉆孔電視圖像對(duì)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(cè)均勻?qū)ΨQ顯示，可以準(zhǔn)確測(cè)試出裂縫產(chǎn)狀。計(jì)算出測(cè)試段的最大水平主應(yīng)力SH的方向?yàn)镹24°—54°W。

由CZK06鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試成果可知：水壓致裂試驗(yàn)揭示的工程區(qū)總體的應(yīng)力規(guī)律滿足SH>Sv>Sh，測(cè)試結(jié)果可知本工程區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造為主，其最大水平主應(yīng)力范圍為5.22~17.31 MPa，平均值為9.42 MPa；最小水平主應(yīng)力范圍為4.28~11.00 MPa，平均值為6.70 MPa。通過(guò)鉆孔電視測(cè)算裂縫產(chǎn)狀可知最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹24°—54°W，水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試成果表明測(cè)試區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)以NW向的擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主［13?15］。

利用CZK06鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試成果精確計(jì)算出側(cè)壓力系數(shù)，為引水工程建設(shè)提供可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，即kHmax=SH/SV、khmin=Sh/SV。計(jì)算成果見(jiàn)表1，對(duì)所有側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到試驗(yàn)工程區(qū)的kHmax、khmin平均值分別為1.26、0.90，說(shuō)明工程區(qū)域內(nèi)水平主應(yīng)力作用明顯。通過(guò)繪制CZK06鉆孔的應(yīng)力深度曲線，可知工程區(qū)域應(yīng)力量值與深度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，隨著鉆孔深度增大應(yīng)力變大，即應(yīng)力量值與鉆孔深度呈正相關(guān)，與普遍地殼應(yīng)力場(chǎng)特征相符。

表1 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果

圖4為巖體應(yīng)力—鉆孔深度關(guān)系曲線，同樣揭示出應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性，測(cè)段235.47~236.09 m和377.08~377.70 m測(cè)得的應(yīng)力具有較大的離散性。為合理真實(shí)地反映工程區(qū)的應(yīng)力典型特征，對(duì)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到應(yīng)力量值與深度H的回歸方程如式（15）和式（16）。

4 工程區(qū)域地應(yīng)力特征討論與分析

根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力方向有較明顯的分區(qū)特征。根據(jù)謝富仁、崔效鋒等［16?17］在中國(guó)及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中得到的結(jié)論，中國(guó)大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可分為4個(gè)二級(jí)應(yīng)力區(qū)。

研究區(qū)隸屬于華南應(yīng)力區(qū)（東南沿?！_(tái)灣應(yīng)力區(qū)），華南應(yīng)力區(qū)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(yùn)移的共同作用，基于震源機(jī)制解的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，東南沿?！_(tái)灣應(yīng)力區(qū)水平最大主應(yīng)力方位分布的一致性較好，分布的優(yōu)勢(shì)方位為290°，即NW—SE向。

為了進(jìn)一步研究福建省及東南沿海的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征，李宏等［18］通過(guò)在福建沿海邊緣陸域地區(qū)活動(dòng)斷裂帶附近進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)得淺層地表地應(yīng)力的大小、方向以及主要分布特征，如圖5所示。根據(jù)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力資料，用庫(kù)侖摩擦滑動(dòng)準(zhǔn)則分析研究了斷裂帶的性質(zhì)和活動(dòng)性。結(jié)果表明：沿海岸線邊緣自北向南，其最大水平主壓應(yīng)力方向?yàn)镹W向，與測(cè)區(qū)北西向斷裂帶走向近于平行，與地質(zhì)構(gòu)造、跨斷層形變測(cè)量等方法反映的主壓應(yīng)力方向大體一致；水平主應(yīng)力值隨深度增加而增大，與垂直應(yīng)力值的關(guān)系為SH>SV>Sh和SH≈SV>Sh。

周碩愚等［19］利用GPS測(cè)量、地面地殼形變測(cè)量、震源機(jī)制解及原地應(yīng)力測(cè)量等技術(shù)，綜合分析東南沿海區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)分布特征。研究成果表明中國(guó)大陸東南沿海地區(qū)現(xiàn)今區(qū)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹W—SE向和NWW—SEE向。根據(jù)福建斷層形變測(cè)量網(wǎng)數(shù)據(jù)（1982—1998年）測(cè)試出斷層現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其受力狀態(tài)見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)NE走向斷層處于受擠壓構(gòu)造影響，而NW走向斷層處于受張拉狀態(tài)。由此可推測(cè)：本區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)可能受NW—SE方向壓縮，而受NE—SW方向拉張。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)龍巖市萬(wàn)安溪引水工程的CZK06鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果分析，結(jié)合本工程區(qū)內(nèi)地應(yīng)力特征可得以下結(jié)論。

①本工程區(qū)地應(yīng)力以NW向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹24°—54°W。水壓致裂試驗(yàn)揭示的工程區(qū)總體的應(yīng)力規(guī)律滿足SH>Sv>Sh，試驗(yàn)結(jié)果表明工程區(qū)的應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

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

③引水工程鉆孔區(qū)域巖性均一且完整性較好，水壓致裂法測(cè)試成果規(guī)律性較強(qiáng)，可為中國(guó)東南區(qū)域類似工程提供可靠技術(shù)參考。