錦屏超高壓巖體水壓致裂法地應力測試系統研制與應用

馬 鵬，趙國平，張永永，吳春耕

(浙江華東工程安全技術有限公司，杭州 310014)

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州境內的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上，系利用雅礱江錦屏150 km長大河彎的天然落差，裁彎取直鑿洞引水，額定水頭288 m的優越水力條件。電站裝機容量為4 800 MW，單機容量600 MW，多年平均發電量242.3億kW·h，保證出力1 972 MW，年利用5 048 h。它是雅礱江上水頭最高、裝機規模最大的水電站，屬雅礱江梯級開發中的骨干水電站。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統、尾部地下廠房3大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站［1－2］。

錦屏輔助洞是錦屏一級、二級水電站前期工程的重要項目，其作用是溝通東、西雅礱江的交通，并作為錦屏二級水電站引水隧洞的施工輔助洞。輔助洞進口位于西雅礱江景峰橋上游150 m處，出口位于東雅礱江大水溝下游400 m處，大致沿東西向穿越錦屏山，由2條平行的長約17.5 km的單車道隧道組成，兩隧道位于錦屏二級水電站4條引水隧洞的南側，中心距35 m。洞線平行于引水隧洞，洞軸線方向N58°W，距離引水隧洞軸線的最小距離為60 m［3－4］。

2004年隨著輔助洞的開挖，輔助洞圍巖的地應力測試隨之開展，分別由輔助洞東西兩端洞口開始逐步向深部進行。隨著洞深和埋設的加大，應力也逐步增大，洞壁出現巖爆，鉆孔出現餅狀巖芯，常規的水壓致裂法設備和孔徑應變法已無法滿足地應力測試要求。為此，2009年浙江華東工程安全技術有限公司進行了高應力條件下的原位地應力測試方法的專題研究，其中之一即超高應力條件下水壓致裂法地應力測試系統的研究。經過3年的努力和現場反復實踐，成功研制出一套測試壓力為100 MPa的水壓致裂法地應力測試系統，并成功完成現場6組三維地應力的測試，單孔實測最高巖體致裂壓力達92.1 MPa，取得滿意的測試成果。

2 水壓致裂法地應力測試基本原理和方法

水壓致裂法地應力測量是利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在預定的測試深度封隔一段鉆孔巖體，然后泵入液體對該段鉆孔施壓，根據壓裂過程曲線的壓力特征值計算地應力。水壓致裂法地應力測量原理以彈性力學平面問題為基礎，并引入了如下3個假設:圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體;圍巖為多孔介質時，注入的流體按達西定律在巖體孔隙中流動;巖體中地應力的一個主方向為鉛垂方向，與鉛垂向測孔一致，大小等于上覆巖層的壓力［5］。

其具體測試方法是:通過鉆桿將2個可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段，加壓使其膨脹、座封于孔壁上，形成承壓段空間;開啟液壓泵對壓裂段注水加壓，鉆孔孔壁承受逐漸增強的液壓作用，當壓力達到臨界破裂壓力Pb，孔壁沿阻力最小的方向出現破裂，并在垂直于橫截面上最小主應力的平面內延伸，由于巖石破裂導致壓力值急劇下降，最終保持恒定以維持裂隙張開;關閉壓力泵后，隨著壓裂液滲入到巖層壓力緩慢下降，裂隙逐漸閉合，其臨界值為瞬時關閉壓力Ps;完全卸壓后再重新加壓注液，得到裂隙的重張壓力Pr以及瞬時關閉壓力Ps;采用定向印模器，通過擴張印模膠筒外層的生橡膠和能自動定向的定向器，記錄破裂縫的長度和方向。測試過程曲線見圖1。

圖1 水壓致裂法測試地應力示意圖Fig.1 The ideal curve of hydro-fracturing geostress measurement

3 常規水壓致裂法地應力測試系統

常規的水壓致裂法地應力測試系統，根據液壓泵的不同可分為2種，一是采用高壓油泵供壓(見圖2)，二是采用高壓水泵供壓(見圖3)。具體包括以下儀器設備:

(1)高壓油泵供壓。最高壓力70 MPa，流量10 L/min，需配相應容量的節油器。

(2)高壓水泵供壓。最高壓力35 MPa，流量10 L/min，可配相應的流量計。

圖2 油泵加壓方式水壓致裂法地應力測試系統Fig.2 Hydro-fracturing geostress measurement system with oil pump pressing

圖3 水泵加壓方式水壓致裂法地應力測試系統Fig.3 Hydro-fracturing geostress measurement system with water pump pressing

(3)試驗鋼管。一是利用鉆機上的鉆桿，配以推拉開關;二是自制專用試驗鋼管，長1.5 m和3.0 m、直徑20～28 mm的無縫鋼管，最高設計壓力＞40 MPa，接頭采用常規螺紋，密封形式采用螺紋纏繞生料帶或加尼龍墊圈，使用時配高壓油管給封隔器供壓。

(4)封隔器設備。外直徑72 mm、長120 cm的單路液壓膨脹式橡塞，最高測試壓力30～40 MPa。

(5)試驗管路。分向閥、高壓油管、指針式壓力表、壓力傳感器等，承受壓力＞40 MPa。

(6)記錄設備。x－y函數記錄儀和數字自動采集儀。

4 超高壓水壓致裂法地應力測試系統研制

根據現場預估地應力情況，超高壓系統按承受最高壓力100 MPa設計。

首先，選擇超高壓油泵作為加壓設備研制了一套測試系統，包括以下儀器設備:

(1)超高壓油泵4臺。最高壓力125 MPa，流量1 L/min，配備容量＞10 L的節油器。

(2)試驗鋼管。設計壓力，選擇高強度的無縫鋼管，外徑38 mm，長250 mm，采用外接頭連接及先進的高壓密封技術。

(3)封隔器(及印模器)。設計外徑為90 mm，長度約150 mm，承受壓力100 MPa以上，內部采用了先進的高壓密封技術，外部采用了雙道加強鋼環。

(4)油管及接頭。采用進口的高壓油管和快速接頭，承受壓力125 MPa以上，具有耐高壓、高密封性能。

(5)測量系統。120 MPa壓力傳感器，配備x－y函數記錄儀和數字自動采集儀。

(6)其他。承受100 MPa壓力的多通、截止閥和逆止閥。

系統研制成功后進行了現場測試，實測最高壓力達到92 MPa。

據現場應用情況，發現系統存在不足之處。隨后研制了采用超高壓水泵作為加壓設備的一套測試系統。主要是:將4臺超高壓油泵更換為一臺最高壓力達150 MPa、流量10 L/min的超高壓水泵，取消節油器，并在管路上增加一只承壓達100 MPa的流量計。

5 超高壓水壓致裂法地應力測試系統應用

應力DK12測試點位于錦屏輔助洞12號橫通道(樁號BK10+300)附近的B洞北側地板和洞壁上，大致埋深1 995 m，布置1組三維水壓致裂法地應力測試鉆孔，在測試過程中先后鉆了4個垂直孔(12－1，12－4，12－5和12－6孔)和 4個水平孔(12－2，12－3，12－7和12－8孔)，鉆孔位置及方向見圖4。巖性為白山組(T2b)灰－灰白色致密厚層塊狀臭大理巖。先后采用了超高壓油泵和超高壓水泵作為加壓設備的一整套測試系統進行試驗。

圖4 12號橫通道地應力測試孔布置示意圖Fig.4 Layout of boreholes in cross-channel No.12 for the geostress measurement

(1)首先，按常規鉆了1個垂直孔(12－1)，孔深為100 m，2個水平孔(12－2和12－3)，孔深均為35 m。成孔采用一次性鉆進方式，每個孔均一次性鉆至設計孔深，再逐孔逐段進行水壓致裂測試。

從鉆孔巖芯情況分析，3個方向的鉆孔均出現大量的餅狀巖芯，厚度一般0.5～2 cm，見圖5，但通過鉆孔電視上觀察，巖體屬于較完整－完整，說明該測點巖體中的地應力極高。

圖5 餅狀巖芯照片Fig.5 Photo of core discing

在3個鉆孔的測試過程中，出現因孔徑偏大和應力太高，封隔器多次破裂和巖體無法致裂的情況。如:在12－1孔深7～21 m的位置共測了6段，破了3只封隔器，僅有一段成功，判斷為鉆孔孔徑太大，故終止測試;在12－2孔深30.35 m的位置測試時，受油泵流量的影響，出現巖體假致裂的現象，經多次循環加壓，最高測試壓力達90 MPa左右，巖體也未出現破裂，見圖6;在12－3孔深6～31 m的位置共測了10段，最高試驗壓力達70 MPa以上，但孔壁巖體均未出現明顯的破裂。

圖6 12－2孔深29.85～30.85 m段測試壓力－時間關系曲線Fig.6 Curve of pressure-time at borehole No.12 －2 at the depth of 29.85 －30.85 m

(2)為解決鉆進過程中因鉆桿晃動造成孔徑變大的影響，在12－1孔附近補鉆了1只垂直孔(12－4)，采用了分段鉆進和分段測試的方法進行測試。即:每次鉆進12 m左右后進行測試，結束后再鉆進，再測試，終孔深度35 m左右，共測試了15段。其中，孔深17 m以上段的測試壓力為30～50 MPa;17 m以下孔段的測試壓力主要分布為60～80 MPa，最高壓力達到90 MPa，但有7段測試過程中均發生上封隔器破裂或炸裂的現象，巖體也未出現明顯破裂。分析其原因:一是隨著測試段的壓力增大，封隔器的壓力也隨之增大，由于上封隔器的外端臨空，缺少邊界約束，壓力差大到一定值且高于封隔器材料的抗拉強度時，封隔器就產生破裂;二是雖然采用了分段鉆進，但由于大理巖質地相對較軟，還是易產生擴孔的現象，孔徑過大，封隔器易造成破裂。

(3)為解決上封隔器內外壓力差的問題，采用了3種解決方案:一是提高封隔器本身材料的抗拉強度;二是將封隔器上部空間用水泥砂漿封堵;三是在上封隔器外再增加一個非同步壓力的封隔器。此外，對鉆探孔徑的控制也進行了相應的技術改進。并在12－5垂直孔孔深36.5～37.5 m段取得成功測試，測試過程曲線見圖7。據此段測試成果可以得到二維水壓致裂法地應力結果［6］:巖體的破裂壓力(Pb)為92.1 MPa，裂隙重張壓力(Pr)為74.0 MPa，裂隙閉合壓力(Pb)為62.5 MPa，巖體抗拉強度 (T)為18.1 MPa。計算得到的該測試段巖體的最大水平主應力 SH=113.9 MPa;最小水平主應力 Sh=62.9 MPa。

(4)最后，在補鉆的1個垂直孔(12－6)和2個水平孔(12－7和12－8)中，采用各種有效措施，最終完成了該測點三維地應力的測試，取得了滿意的測試成果。根據各測試孔的實測數據，經過整理分析，分別采用大值和均值進行三維地應力值計算，取得了該測點的三維地應力實測成果［7］(見表1)。

圖7 12－5孔深36.50～37.50m段測試壓力－流量－時間關系曲線Fig.7 Curve of pressure-flow-time at borehole No.12 －5 at the depth of 36.50 －37.50 m

表1 三維地應力實測成果Table 1 The measured results of 3-D geostress

6 結語

通過3年在錦屏輔助洞超高壓地應力測試過程中的不懈努力和艱苦工作實踐，逐步完善了對超高壓水壓致裂法地應力測試系統的研制、改進和應用，取得了較多、較好的現場寶貴測試經驗和測試成果，有效地解決了錦屏超深埋硐室圍巖超高原始地應力的測試難題。同時，此測試系統的成功研發，為將來在公路、鐵路、水電和礦業等領域的超埋深超高地應力的測試開啟了先河。

［1］周春宏.雅礱江錦屏二級水電站可行性研究報告［R］.杭州:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005.(ZHOU Chun-hong.Feasibility of Jinping-Ⅱ Hydropower Station on the Yalong River［R］.Hangzhou:Hydrochina Huadong Engineering Corporation，2005.(in Chinese))

［2］江 權，馮夏庭，陳建林，等.錦屏二級水電站廠址區域三維地應力場非線性反演［J］.巖土力學，2008，29(11):3003 －3010.(JIANG Quan，FENG Xia-ting，CHEN Jianlin，et al.Nonlinear Inversion of 3D Initial Geostress Field in JinpingⅡHydropower Station Region［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(11):3003 －3010.(in Chinese))

［3］夏澤勇，李 軍，吳旭敏，等.雅礱江錦屏二級水電站引水隧洞和輔助洞施工期導水及地下水處理規劃報告(咨詢本)［R］.杭州:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2008.(XIA Ze-yong，LI Jun，WU Xu-min，et al.Planning of Water Diversion and Groundwater Treatment During Construction of Diversion Tunnel and Auxiliary Tunnel of Jinping-ⅡHydropower Station on Yalong River(for Reference Only)［R］.Hangzhou:Hydrochina Huadong Engineering Corporation，2008.(in Chinese))

［4］嚴 鵬，盧文波，單志鋼，等.深埋隧洞爆破開挖損傷區檢測及特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(8):1552 － 1561.(YAN Peng，LU Wen-bo，SHAN Zhigang，et al.Detecting and Study of Blasting-Excavation-Induced Damage Zone of Deep Tunnel and Its Characters［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(8):1552 －1561.(in Chinese))

［5］劉允芳.水壓致裂法三維地應力測量［J］.巖石力學與工程學報，1991，10(3):246 －256.(LIU Yun-fang.In-situ 3-Dimensional Stress Measurements by Hydraulic Fracturing Technique［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1991，10(3):246 －256.(in Chinese))

［6］DL—T5367—2007，水電水利工程巖體應力測試規程［S］.北京:中國電力出版社，2008.(DL—T5367—2007，Code of Rock Mass Stress Measurements for Hydropower and Water Conservancy Engineering［S］.Beijing:China Electric Power Press，2008.(in Chinese))

［7］趙國平.雅礱江錦屏二級水電站輔助洞三維地應力測試報告［R］.杭州:浙江華東工程安全技術有限公司，2012.(ZHAO Guo-ping. Three-Dimensional Geostress Measurement for the Auxiliary Tunnel of Jinping-ⅡHydropower Station on the Yalong River［R］.Hangzhou:Zhejiang Huadong Engineering Safety Technology Co.，Ltd.，2012.(in Chinese))