四川虎牙水電站三維水壓致裂地應力測量分析

吳錦超 馬思秀

關鍵詞：三維水壓致裂;地應力;應力張量;方位角

1.引言

賦存于地殼中，未受人類活動擾動的天然應力稱之為地應力[1]。地應力的大小和方向信息與礦產資源開采、地下空間開發、地震孕育過程等密切相關，是地球動力學研究的重要基礎參數[1-4]。水壓致裂法地應力測量，是上世紀70年代發展起來的一種能夠較好測量地殼深部應力的可靠而有效的方法。

本文基于水壓致裂三維地應力測試理論，通過對3個交匯鉆孔的水壓致裂地應力測量，獲取了研究區的三維地應力大小及空間方位。分析結果對研究區地球動力學基礎研究和地殼穩定性分析具有一定參考價值，也為水電站全生命周期安全運行提供重要的科學數據。

2.水電站工程概況

水電站壩址位于虎牙河與白洞溝匯合口下游30m處，廠址位于虎牙鄉扯馬索溝溝口上游約700m的扯馬索溝右岸灘地上。工程區屬構造剝蝕中、高山區，山頂高程一般大于2500m，最大切割深度大于1000m，地形崎嶇，常見陡崖峭壁。區內河谷一般呈“V”型峽谷，兩岸較對稱，常見階梯狀陡坎，地形坡度35°～55°，局部為70°～85°。工程區位于昆侖～秦嶺地層區馬爾康分區，主要為一套地槽型沉積建造，除侏羅系、奧陶系、寒武系地層缺失外，三疊系～前震旦系地層在工程區內均有不同程度的發育。工程區地處摩天嶺、龍門山、岷山山系的接壤地帶，地質構造主要由一系列近東西向褶皺與近南北向及北東向斷裂為其主要特征。

3.三孔交匯水壓致裂原地應力測試方法

利用水壓致裂法來測量三維地應力，目前主要包括以下幾種方法：單孔三維水壓致裂法、部分修正后的原生裂隙水壓致裂原地應力測量方法以及三孔交匯的三維水壓致裂原地應力測量法。本文采用三孔交匯的三維水壓致裂原地應力測量法獲取了虎牙水電站的三維應力狀態。根據每個鉆孔的空間方位以及水壓致裂法測試結果，利用最小二乘法求解大于6個方程且相互獨立的超定方程組，即可求得交匯位置應力張量最優解，從而得到主應力的大小、傾角和方位角。其關鍵原理和推導公式如下：

則一個經典水壓致裂孔可得到如下的三個方程，三個孔即9個方程：

其中，i=1，2，3。故原巖應力分量（解向量）可以由這個包含6個自變量、9個方程的超定方程組解得。

4.地應力測試及結果分析

4.1 測試布置情況

三維地應力測量在3個交匯的測試鉆孔中進行，鉆孔編號分別為HY-1鉆孔、HY-2孔和HY-3孔。現場地應力測量鉆孔空間分布如圖2。

4.2 三維地應力計算結果分析

在分析測試結果的基礎上，利用水壓致裂三維地應力測量計算分析軟件計算該點的三維應力張量，結果見表1。

深部巖體中的地應力狀態受控于區域構造狀態，反映構造應力水平。虎牙水電站位于青藏高原東緣龍門山斷裂帶和岷山構造帶的結合部位，整體上受控于青藏高原的側向推擠和逃逸作用。實測地應力資料（表2）顯示最大主應力方位角為117.74°，屬NWW方向，傾角-6.74°，屬于近水平，這表明虎牙水電站地應力狀態密切受青藏高原塊體NWW向水平推擠作用控制和影響。本工程區位于著名的南北地震帶，震源機制解可以解釋深部地應力特征。基于中國大陸地殼應力數據庫及區域地應力分布規律，本區域主應力方向亦為NWW為主，與本文實測應力結果一致性較好。研究表明，深部巖體和硐室圍巖的地應力狀態同樣受區域構造作用影響，因此，工程區活動斷裂勢必影響水電站巖體地應力的賦存規律，有必要進一步研究其對工程建設的影響作用。

5.結論

（1）基于水壓致裂理論，利用3孔交匯手段開展地應力測量可以獲得某一點真實三維主應力大小和方向，經濟方便，可靠性好，適用于水電站、深埋隧道等深部巖體工程地應力測量。

（2）工程區最大主應力方位角117.74°，傾角-6.74°，作用方向為NWW方向，且接近水平;中間主應力方位角為188.54°，傾角70.36°，近垂直;最小主應力方位角為210.05°，傾角-18.38°，近水平，傾向SSW，與山體坡向近垂直。

（3）測試主應力方向與本區已有震源機制解基本吻合，表明工程區地應力狀態主要受青藏高原塊體NWW向水平推擠作用控制和影響，這真實反應了構造應力的本質屬性。

參考文獻：

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