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摘要：通过水压致裂法地应力测试进行压力管道测试断面地应力测试，为工程设计提供数据支撑，选定技术上可行、经济上合理的钢衬起始点，减少工程投资，保证工程运行安全。
关键词：水压致裂法；地应力测试；压力管道；钢衬起始点
1 工程概况
本工程是老挝南俄河干流梯级开发的第3级，工程以发电为主，工程等别为一等大（1）型，主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水系统、地面发电厂房、230KV输电线路组成。水库正常蓄水位723.00m，相应库容为14.11亿m3，电站装机容量为480MW。工程静态投资12.9亿美元，于2015年11月26日正式开工，目前在建。
引水系统全长11.83km，由进水口、有压引水隧洞、上游调压井和压力管道组成，初步设计钢衬起始点为T11+154.962m桩号，钢衬段总长812.365m，主管内径5.8m，支管内径3.3m。压力管道段岩性自上游至下游依次为花岗闪长岩、灰岩、千枚岩。设计要求非钢衬段最小主应力需3.5MPa以上，为最终确定钢衬起始点，在压力管道T11+190m、T11+155m、T10+955m断面进行地应力测试。
2 测试段地质条件
（1）T11+155～T11+190m段地质情况
隧洞轴线方向NE56.7°，开挖断面为圆型，内径7.4m。洞顶垂直埋深166m，隧洞围岩为灰岩，青灰色，隐晶质结构，质地硬脆，以中厚层为主，局部薄层状，为微风化-新鲜岩体，围岩类别为Ⅲ1。主要发育裂隙有3组，与洞轴线呈大角度相交，为硬性结构面，张开度小，无充填或少量充填岩粉。洞壁整体干燥，局部存在沿裂隙面渗水。
（2）T10+950m处附近地质情况
隧洞轴线方向NE56.7°，开挖断面为圆型，内径7.4m。洞顶垂直埋深218m，隧洞围岩为花岗闪长岩，以次块状为主，围岩类别Ⅱ类。主要发育沿层面裂隙组，与洞轴线呈大角度相交、高倾角裂隙，为硬性结构面，张开度小，无充填或少量充填岩粉，局部夹泥质充填。洞壁整体干燥，无渗水。
3 水压致裂法地应力测试
水压致裂法可在任何深度进行重复、连续测试，在获得地层中地应力的多种参量前可不用知道岩石的力学参数，因具有操作简单、测试迅速、测试结果可靠等有点而被国际上所普遍采用。
3.1 基本理论
该方法的理论基础是弹性力学，其基本假设为：（1）岩石具有完整性，压裂液体在岩石中无法渗透；（2）岩石具有线弹性并是各向同性的；（3）岩石中一个主应力分量方向平行于测试孔轴线方向。
巖层中一点的应力情况用最大水平主应力、最小水平主应力及垂直应力三个正应力来表示。因在深孔周围的岩石内有孔隙压力的存在，主应力又分解为孔隙压力、有效应力。水压致裂地应力测试时，封隔段内的液体压力逐渐增加，则孔壁上切向有效应力逐渐减小，直到变为张应力为止，当超过岩石的抗拉强度时，就会导致孔壁破裂。
实验证明孔壁上的初始水压破裂总是垂直的，且扩展平面与最小主应力方向垂直，而与垂直应力的大小无关。如果水平主应力是最小主应力，那么初始破裂是垂直的，裂缝延伸的平面与该最小水平主应力方向垂直，在加压停止后，垂直于破裂面方向的压应力便与保持裂缝张开的瞬时闭合压力PS相等。如果垂直主应力是最小主应力，那么初始破裂也是垂直的，从而得到PS1（第一瞬时闭合压力）；当向外扩展的破裂面慢慢变为水平破裂时，就得到PS2（第二瞬时闭合压力），且PS1>PS2，根据压力～时间曲线即可得出最小水平主应力和垂直主应力。
通过测定孔壁上水压裂缝的方向来确定主应力方向。在孔壁上仅有切向应力，跟角度是函数关系。图3为切向应力在孔壁上分布图，在P、Q点时（q=0、p），在平行于最大水平主应力方向的孔壁上存在最小切向应力为 ；而在M、N点时（q= p/2、3p/2），在垂直于最大水平主应力方向的孔壁上存在最大切向应力为 。当加压导致钻孔封隔段破裂时，发生部位的切向应力最小，水压破裂的方向与最大水平主应力方向一致。
3.2 测试过程
3.2.1 测试主应力大小
根据工程需要及岩芯编录情况确定水压致裂测试孔段并进行测试。测试方法有单回路测试系统和双回路测试系统两种（图4），本工程采用单回路测试系统测试，具体步骤如下：
（1）封隔测试孔段
用封隔器将测试孔段封隔，此时泵压为零，测试段未承受液压。
（2）加压
对测试孔段逐渐加压，泵压逐渐增加。
（3）岩石产生破裂
逐渐增加液压，如果孔壁上的切向有效张应力超过岩石抗拉强度，在最大水平主应力方向的孔壁上便产生破裂，相应地，因泵压增加到岩石破裂的临界值Pb而使岩石产生破裂，压力也会迅速减小至裂缝张开和扩展的压力水平上。
（4）关泵
压力泵关闭后，泵压先迅速减小，然后随着破裂面的闭合缓慢下降，就可得到与破裂面垂直的最小水平主应力Sh和液压回路达到平衡的瞬时闭合压力PS，加上压裂段深度的水柱压力就得到最小水平主应力。
（5）卸压
测得准确的PS后与大气连通进行卸压，测试孔段无压，裂缝完全闭合，泵压为零。
为准确判断岩石破裂及裂缝的延伸情况，需重复进行以上测试3～5个次以便取得一个压裂段较可靠的压裂参数。
3.2.2 测试主应力方向
将自动定向印模器利用钻杆放在测试段上，加压致其膨胀。为了把印模器上的软橡胶挤进重新张开的裂缝中而得到清晰的裂缝痕迹，需加大压力并增长保压时间。根据卸压后印模器上留下的裂缝印痕确定破裂的形态和方向。
3.3 确定压裂参数
3.3.1 确定瞬时闭合压力PS 通過水压致裂理论可以得出最小水平主应力Sh与瞬时闭合压力PS是相等的。瞬时闭合压力是指关闭压力泵停止注水后，液压回路中的液压和破裂面内的正应力达到瞬时平衡时的平衡力，这一瞬时的平衡力即为破裂面的瞬时闭合压力，其大小等于原地最小水平主应力。在一般情况下，根据各测试循环的压力～时间记录曲线及其变化特征，采用切线法就可以较好地确定出瞬时闭合压力。
3.3.2 确定重张压力Pr
因准确测定岩石的抗张强度较难，最大水平主应力SH需通过破裂重张压力Pr来确定。而从上升曲线的线性部分作一切线，曲线偏离切线的那一点即为重张压力Pr。
3.3.3 确定破裂压力Pb
在岩石完整的情况下，破裂压力值在压力～时间记录曲线上非常明确，压力～时间记录曲线上第一回次的峰值压力即为岩石破裂压力Pb值。
3.3.4 确定孔隙压力P0
大量实测和研究表明，大多数情况下某一深度上的孔隙压力值P0等于该深度上的静水柱压力值，故采用终孔后实测的钻孔静水柱压力PH值代替其孔隙压力P0值。
4 测试结果
（1）三个断面共9个钻孔的最大水平主应力（大次主应力）、最小水平主应力（小次主应力）及最大水平主应力（大次主应力）方向的统计结果如表1所示。
（2）三个断面岩石完整程度相差较大，地应力测量结果受到局部地质条件的影响，其中T10+950断面的DYL-ZK7钻孔岩心较为破碎，其主应力测值要小于其它钻孔。
（3）三个断面的垂直钻孔最大主应力方向较为一致，在北偏西21°～39°左右，区域应力场方向为N至NE向。各断面大次主应力方向也较为一致，左壁大次应力方向在108°～139°左右。大次主应力的方向是面向洞壁右水平逆时针转至破裂面的角度，由于同一个断面两个水平孔分别位于隧洞两侧的同一高度，其大次主应力方向之和应基本等于180°，从表1可见，T11+190断面、T11+155断面、T10+950断面的左右壁两个水平孔大次主应力方向之和分别为165°、197°、168°，说明测量结果可靠。
（4）DYL-ZK6和DYL-ZK9两个钻孔在靠近孔口8～10米的范围内应力值明显偏小，这可能是隧洞开挖造成的应力释放。其余钻孔各测段应力值随深度分布较为均匀。
（5）水平孔由于其轴线并不与地应力场中的某个主应力方向一致，所测得的最大和最小主应力是垂直于钻孔轴线横截面上的大、小主应力，与空间中的大、中、小主应力并不一样，因此称为大次主应力和小次主应力以作区别。对于水平孔，大次、小次主应力与空间最大、最小主应力并不一致，对于垂直孔来说，大次、小次主应力即为最大、最小水平主应力。
5 总结
通过对压力管道三个测试断面地应力测试统计结果可知，选定的三个断面的最小主应力平均值均大于3.5MPa，均满足混凝土衬砌设计要求，因钢衬造价明显高于混凝土衬砌，在保证工程安全的前提下，为减少项目投资，将钢衬起始点由初步设计的T11+154.962m桩号向下游调整为T11+205m（与T11+190m地质情况一致）桩号，减少钢管衬砌50m，约160t，节约投资350万人民币。
作者简介：白云猛（1985～），男，四川成都人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作。
（作者单位：中国水利水电第十工程局有限公司）
关键词：水压致裂法；地应力测试；压力管道；钢衬起始点
1 工程概况
本工程是老挝南俄河干流梯级开发的第3级，工程以发电为主，工程等别为一等大（1）型，主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水系统、地面发电厂房、230KV输电线路组成。水库正常蓄水位723.00m，相应库容为14.11亿m3，电站装机容量为480MW。工程静态投资12.9亿美元，于2015年11月26日正式开工，目前在建。
引水系统全长11.83km，由进水口、有压引水隧洞、上游调压井和压力管道组成，初步设计钢衬起始点为T11+154.962m桩号，钢衬段总长812.365m，主管内径5.8m，支管内径3.3m。压力管道段岩性自上游至下游依次为花岗闪长岩、灰岩、千枚岩。设计要求非钢衬段最小主应力需3.5MPa以上，为最终确定钢衬起始点，在压力管道T11+190m、T11+155m、T10+955m断面进行地应力测试。
2 测试段地质条件
（1）T11+155～T11+190m段地质情况
隧洞轴线方向NE56.7°，开挖断面为圆型，内径7.4m。洞顶垂直埋深166m，隧洞围岩为灰岩，青灰色，隐晶质结构，质地硬脆，以中厚层为主，局部薄层状，为微风化-新鲜岩体，围岩类别为Ⅲ1。主要发育裂隙有3组，与洞轴线呈大角度相交，为硬性结构面，张开度小，无充填或少量充填岩粉。洞壁整体干燥，局部存在沿裂隙面渗水。
（2）T10+950m处附近地质情况
隧洞轴线方向NE56.7°，开挖断面为圆型，内径7.4m。洞顶垂直埋深218m，隧洞围岩为花岗闪长岩，以次块状为主，围岩类别Ⅱ类。主要发育沿层面裂隙组，与洞轴线呈大角度相交、高倾角裂隙，为硬性结构面，张开度小，无充填或少量充填岩粉，局部夹泥质充填。洞壁整体干燥，无渗水。
3 水压致裂法地应力测试
水压致裂法可在任何深度进行重复、连续测试，在获得地层中地应力的多种参量前可不用知道岩石的力学参数，因具有操作简单、测试迅速、测试结果可靠等有点而被国际上所普遍采用。
3.1 基本理论
该方法的理论基础是弹性力学，其基本假设为：（1）岩石具有完整性，压裂液体在岩石中无法渗透；（2）岩石具有线弹性并是各向同性的；（3）岩石中一个主应力分量方向平行于测试孔轴线方向。
巖层中一点的应力情况用最大水平主应力、最小水平主应力及垂直应力三个正应力来表示。因在深孔周围的岩石内有孔隙压力的存在，主应力又分解为孔隙压力、有效应力。水压致裂地应力测试时，封隔段内的液体压力逐渐增加，则孔壁上切向有效应力逐渐减小，直到变为张应力为止，当超过岩石的抗拉强度时，就会导致孔壁破裂。
实验证明孔壁上的初始水压破裂总是垂直的，且扩展平面与最小主应力方向垂直，而与垂直应力的大小无关。如果水平主应力是最小主应力，那么初始破裂是垂直的，裂缝延伸的平面与该最小水平主应力方向垂直，在加压停止后，垂直于破裂面方向的压应力便与保持裂缝张开的瞬时闭合压力PS相等。如果垂直主应力是最小主应力，那么初始破裂也是垂直的，从而得到PS1（第一瞬时闭合压力）；当向外扩展的破裂面慢慢变为水平破裂时，就得到PS2（第二瞬时闭合压力），且PS1>PS2，根据压力～时间曲线即可得出最小水平主应力和垂直主应力。
通过测定孔壁上水压裂缝的方向来确定主应力方向。在孔壁上仅有切向应力，跟角度是函数关系。图3为切向应力在孔壁上分布图，在P、Q点时（q=0、p），在平行于最大水平主应力方向的孔壁上存在最小切向应力为 ；而在M、N点时（q= p/2、3p/2），在垂直于最大水平主应力方向的孔壁上存在最大切向应力为 。当加压导致钻孔封隔段破裂时，发生部位的切向应力最小，水压破裂的方向与最大水平主应力方向一致。
3.2 测试过程
3.2.1 测试主应力大小
根据工程需要及岩芯编录情况确定水压致裂测试孔段并进行测试。测试方法有单回路测试系统和双回路测试系统两种（图4），本工程采用单回路测试系统测试，具体步骤如下：
（1）封隔测试孔段
用封隔器将测试孔段封隔，此时泵压为零，测试段未承受液压。
（2）加压
对测试孔段逐渐加压，泵压逐渐增加。
（3）岩石产生破裂
逐渐增加液压，如果孔壁上的切向有效张应力超过岩石抗拉强度，在最大水平主应力方向的孔壁上便产生破裂，相应地，因泵压增加到岩石破裂的临界值Pb而使岩石产生破裂，压力也会迅速减小至裂缝张开和扩展的压力水平上。
（4）关泵
压力泵关闭后，泵压先迅速减小，然后随着破裂面的闭合缓慢下降，就可得到与破裂面垂直的最小水平主应力Sh和液压回路达到平衡的瞬时闭合压力PS，加上压裂段深度的水柱压力就得到最小水平主应力。
（5）卸压
测得准确的PS后与大气连通进行卸压，测试孔段无压，裂缝完全闭合，泵压为零。
为准确判断岩石破裂及裂缝的延伸情况，需重复进行以上测试3～5个次以便取得一个压裂段较可靠的压裂参数。
3.2.2 测试主应力方向
将自动定向印模器利用钻杆放在测试段上，加压致其膨胀。为了把印模器上的软橡胶挤进重新张开的裂缝中而得到清晰的裂缝痕迹，需加大压力并增长保压时间。根据卸压后印模器上留下的裂缝印痕确定破裂的形态和方向。
3.3 确定压裂参数
3.3.1 确定瞬时闭合压力PS 通過水压致裂理论可以得出最小水平主应力Sh与瞬时闭合压力PS是相等的。瞬时闭合压力是指关闭压力泵停止注水后，液压回路中的液压和破裂面内的正应力达到瞬时平衡时的平衡力，这一瞬时的平衡力即为破裂面的瞬时闭合压力，其大小等于原地最小水平主应力。在一般情况下，根据各测试循环的压力～时间记录曲线及其变化特征，采用切线法就可以较好地确定出瞬时闭合压力。
3.3.2 确定重张压力Pr
因准确测定岩石的抗张强度较难，最大水平主应力SH需通过破裂重张压力Pr来确定。而从上升曲线的线性部分作一切线，曲线偏离切线的那一点即为重张压力Pr。
3.3.3 确定破裂压力Pb
在岩石完整的情况下，破裂压力值在压力～时间记录曲线上非常明确，压力～时间记录曲线上第一回次的峰值压力即为岩石破裂压力Pb值。
3.3.4 确定孔隙压力P0
大量实测和研究表明，大多数情况下某一深度上的孔隙压力值P0等于该深度上的静水柱压力值，故采用终孔后实测的钻孔静水柱压力PH值代替其孔隙压力P0值。
4 测试结果
（1）三个断面共9个钻孔的最大水平主应力（大次主应力）、最小水平主应力（小次主应力）及最大水平主应力（大次主应力）方向的统计结果如表1所示。
（2）三个断面岩石完整程度相差较大，地应力测量结果受到局部地质条件的影响，其中T10+950断面的DYL-ZK7钻孔岩心较为破碎，其主应力测值要小于其它钻孔。
（3）三个断面的垂直钻孔最大主应力方向较为一致，在北偏西21°～39°左右，区域应力场方向为N至NE向。各断面大次主应力方向也较为一致，左壁大次应力方向在108°～139°左右。大次主应力的方向是面向洞壁右水平逆时针转至破裂面的角度，由于同一个断面两个水平孔分别位于隧洞两侧的同一高度，其大次主应力方向之和应基本等于180°，从表1可见，T11+190断面、T11+155断面、T10+950断面的左右壁两个水平孔大次主应力方向之和分别为165°、197°、168°，说明测量结果可靠。
（4）DYL-ZK6和DYL-ZK9两个钻孔在靠近孔口8～10米的范围内应力值明显偏小，这可能是隧洞开挖造成的应力释放。其余钻孔各测段应力值随深度分布较为均匀。
（5）水平孔由于其轴线并不与地应力场中的某个主应力方向一致，所测得的最大和最小主应力是垂直于钻孔轴线横截面上的大、小主应力，与空间中的大、中、小主应力并不一样，因此称为大次主应力和小次主应力以作区别。对于水平孔，大次、小次主应力与空间最大、最小主应力并不一致，对于垂直孔来说，大次、小次主应力即为最大、最小水平主应力。
5 总结
通过对压力管道三个测试断面地应力测试统计结果可知，选定的三个断面的最小主应力平均值均大于3.5MPa，均满足混凝土衬砌设计要求，因钢衬造价明显高于混凝土衬砌，在保证工程安全的前提下，为减少项目投资，将钢衬起始点由初步设计的T11+154.962m桩号向下游调整为T11+205m（与T11+190m地质情况一致）桩号，减少钢管衬砌50m，约160t，节约投资350万人民币。
作者简介：白云猛（1985～），男，四川成都人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作。
（作者单位：中国水利水电第十工程局有限公司）