水壓致裂法地應(yīng)力測試在老撾南俄3水電站的應(yīng)用

白云猛 王俊 劉慧芳

摘要：通過水壓致裂法地應(yīng)力測試進(jìn)行壓力管道測試斷面地應(yīng)力測試，為工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，選定技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的鋼襯起始點(diǎn)，減少工程投資，保證工程運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：水壓致裂法；地應(yīng)力測試；壓力管道；鋼襯起始點(diǎn)

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(yīng)庫容為14.11億m3，電站裝機(jī)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(jìn)水口、有壓引水隧洞、上游調(diào)壓井和壓力管道組成，初步設(shè)計(jì)鋼襯起始點(diǎn)為T11+154.962m樁號，鋼襯段總長812.365m，主管內(nèi)徑5.8m，支管內(nèi)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(shè)計(jì)要求非鋼襯段最小主應(yīng)力需3.5MPa以上，為最終確定鋼襯起始點(diǎn)，在壓力管道T11+190m、T11+155m、T10+955m斷面進(jìn)行地應(yīng)力測試。

2 測試段地質(zhì)條件

（1）T11+155～T11+190m段地質(zhì)情況

隧洞軸線方向NE56.7°，開挖斷面為圓型，內(nèi)徑7.4m。洞頂垂直埋深166m，隧洞圍巖為灰?guī)r，青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)地硬脆，以中厚層為主，局部薄層狀，為微風(fēng)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(jié)構(gòu)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(zhì)情況

隧洞軸線方向NE56.7°，開挖斷面為圓型，內(nèi)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(jié)構(gòu)面，張開度小，無充填或少量充填巖粉，局部夾泥質(zhì)充填。洞壁整體干燥，無滲水。

3 水壓致裂法地應(yīng)力測試

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

3.1 基本理論

該方法的理論基礎(chǔ)是彈性力學(xué)，其基本假設(shè)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(yīng)力分量方向平行于測試孔軸線方向。

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

實(shí)驗(yàn)證明孔壁上的初始水壓破裂總是垂直的，且擴(kuò)展平面與最小主應(yīng)力方向垂直，而與垂直應(yīng)力的大小無關(guān)。如果水平主應(yīng)力是最小主應(yīng)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(yīng)力方向垂直，在加壓停止后，垂直于破裂面方向的壓應(yīng)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(yīng)力是最小主應(yīng)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(dāng)向外擴(kuò)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(jù)壓力～時間曲線即可得出最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力。

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

3.2 測試過程

3.2.1 測試主應(yīng)力大小

根據(jù)工程需要及巖芯編錄情況確定水壓致裂測試孔段并進(jìn)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(chǎn)生破裂

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

（4）關(guān)泵

壓力泵關(guān)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(yīng)力Sh和液壓回路達(dá)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(yīng)力。

（5）卸壓

測得準(zhǔn)確的PS后與大氣連通進(jìn)行卸壓，測試孔段無壓，裂縫完全閉合，泵壓為零。

為準(zhǔn)確判斷巖石破裂及裂縫的延伸情況，需重復(fù)進(jìn)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(shù)。

3.2.2 測試主應(yīng)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(jìn)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(jù)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(shù)

3.3.1 確定瞬時閉合壓力PS