水壓致裂法地應力測試在老撾南俄3水電站的應用

白云猛 王俊 劉慧芳

摘要：通過水壓致裂法地應力測試進行壓力管道測試斷面地應力測試，為工程設計提供數據支撐，選定技術上可行、經濟上合理的鋼襯起始點，減少工程投資，保證工程運行安全。

關鍵詞：水壓致裂法；地應力測試；壓力管道；鋼襯起始點

1 工程概況

本工程是老撾南俄河干流梯級開發(fā)的第3級，工程以發(fā)電為主，工程等別為一等大（1）型，主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水系統(tǒng)、地面發(fā)電廠房、230KV輸電線路組成。水庫正常蓄水位723.00m，相應庫容為14.11億m3，電站裝機容量為480MW。工程靜態(tài)投資12.9億美元，于2015年11月26日正式開工，目前在建。

引水系統(tǒng)全長11.83km，由進水口、有壓引水隧洞、上游調壓井和壓力管道組成，初步設計鋼襯起始點為T11+154.962m樁號，鋼襯段總長812.365m，主管內徑5.8m，支管內徑3.3m。壓力管道段巖性自上游至下游依次為花崗閃長巖、灰?guī)r、千枚巖。設計要求非鋼襯段最小主應力需3.5MPa以上，為最終確定鋼襯起始點，在壓力管道T11+190m、T11+155m、T10+955m斷面進行地應力測試。

2 測試段地質條件

（1）T11+155～T11+190m段地質情況

隧洞軸線方向NE56.7°，開挖斷面為圓型，內徑7.4m。洞頂垂直埋深166m，隧洞圍巖為灰?guī)r，青灰色，隱晶質結構，質地硬脆，以中厚層為主，局部薄層狀，為微風化-新鮮巖體，圍巖類別為Ⅲ1。主要發(fā)育裂隙有3組，與洞軸線呈大角度相交，為硬性結構面，張開度小，無充填或少量充填巖粉。洞壁整體干燥，局部存在沿裂隙面滲水。

（2）T10+950m處附近地質情況

隧洞軸線方向NE56.7°，開挖斷面為圓型，內徑7.4m。洞頂垂直埋深218m，隧洞圍巖為花崗閃長巖，以次塊狀為主，圍巖類別Ⅱ類。主要發(fā)育沿層面裂隙組，與洞軸線呈大角度相交、高傾角裂隙，為硬性結構面，張開度小，無充填或少量充填巖粉，局部夾泥質充填。洞壁整體干燥，無滲水。

3 水壓致裂法地應力測試

水壓致裂法可在任何深度進行重復、連續(xù)測試，在獲得地層中地應力的多種參量前可不用知道巖石的力學參數，因具有操作簡單、測試迅速、測試結果可靠等有點而被國際上所普遍采用。

3.1 基本理論

該方法的理論基礎是彈性力學，其基本假設為：（1）巖石具有完整性，壓裂液體在巖石中無法滲透；（2）巖石具有線彈性并是各向同性的；（3）巖石中一個主應力分量方向平行于測試孔軸線方向。

巖層中一點的應力情況用最大水平主應力、最小水平主應力及垂直應力三個正應力來表示。因在深孔周圍的巖石內有孔隙壓力的存在，主應力又分解為孔隙壓力、有效應力。水壓致裂地應力測試時，封隔段內的液體壓力逐漸增加，則孔壁上切向有效應力逐漸減小，直到變?yōu)閺垜橹?，當超過巖石的抗拉強度時，就會導致孔壁破裂。

實驗證明孔壁上的初始水壓破裂總是垂直的，且擴展平面與最小主應力方向垂直，而與垂直應力的大小無關。如果水平主應力是最小主應力，那么初始破裂是垂直的，裂縫延伸的平面與該最小水平主應力方向垂直，在加壓停止后，垂直于破裂面方向的壓應力便與保持裂縫張開的瞬時閉合壓力PS相等。如果垂直主應力是最小主應力，那么初始破裂也是垂直的，從而得到PS1（第一瞬時閉合壓力）；當向外擴展的破裂面慢慢變?yōu)樗狡屏褧r，就得到PS2（第二瞬時閉合壓力），且PS1>PS2，根據壓力～時間曲線即可得出最小水平主應力和垂直主應力。

通過測定孔壁上水壓裂縫的方向來確定主應力方向。在孔壁上僅有切向應力，跟角度是函數關系。圖3為切向應力在孔壁上分布圖，在P、Q點時（q=0、p），在平行于最大水平主應力方向的孔壁上存在最小切向應力為 ；而在M、N點時（q= p/2、3p/2），在垂直于最大水平主應力方向的孔壁上存在最大切向應力為 。當加壓導致鉆孔封隔段破裂時，發(fā)生部位的切向應力最小，水壓破裂的方向與最大水平主應力方向一致。

3.2 測試過程

3.2.1 測試主應力大小

根據工程需要及巖芯編錄情況確定水壓致裂測試孔段并進行測試。測試方法有單回路測試系統(tǒng)和雙回路測試系統(tǒng)兩種（圖4），本工程采用單回路測試系統(tǒng)測試，具體步驟如下：

（1）封隔測試孔段

用封隔器將測試孔段封隔，此時泵壓為零，測試段未承受液壓。

（2）加壓

對測試孔段逐漸加壓，泵壓逐漸增加。

（3）巖石產生破裂

逐漸增加液壓，如果孔壁上的切向有效張應力超過巖石抗拉強度，在最大水平主應力方向的孔壁上便產生破裂，相應地，因泵壓增加到巖石破裂的臨界值Pb而使巖石產生破裂，壓力也會迅速減小至裂縫張開和擴展的壓力水平上。

（4）關泵

壓力泵關閉后，泵壓先迅速減小，然后隨著破裂面的閉合緩慢下降，就可得到與破裂面垂直的最小水平主應力Sh和液壓回路達到平衡的瞬時閉合壓力PS，加上壓裂段深度的水柱壓力就得到最小水平主應力。

（5）卸壓

測得準確的PS后與大氣連通進行卸壓，測試孔段無壓，裂縫完全閉合，泵壓為零。

為準確判斷巖石破裂及裂縫的延伸情況，需重復進行以上測試3～5個次以便取得一個壓裂段較可靠的壓裂參數。

3.2.2 測試主應力方向

將自動定向印模器利用鉆桿放在測試段上，加壓致其膨脹。為了把印模器上的軟橡膠擠進重新張開的裂縫中而得到清晰的裂縫痕跡，需加大壓力并增長保壓時間。根據卸壓后印模器上留下的裂縫印痕確定破裂的形態(tài)和方向。

3.3 確定壓裂參數

3.3.1 確定瞬時閉合壓力PS