水压致裂法地应力测量的探讨及问题解析

尽管水压致裂法地应力测量有如此突出的优点，又在世界各国得到推广，但对其测试原理和破坏机理以及测试技术的研究，还有待深化，很多学者做了大量的研究工作。例如，探讨在多孔或单孔中进行三维地应力测量的理论，对钻孔轴向为主应力方向假定的计算结果和最大单轴拉应力破裂准则的计算结果进行校核和修正的理论，都是在20世纪90年代后提出来的新课题，并且得到了广泛应用。本节就水压致裂法地应力测量的几个关键技术问题进行探讨。

1）钻孔岩壁上存在原生裂隙及其如何鉴别的问题

完整岩体段常规的水压致裂法地应力测量的前提之一，就是对被测介质（岩体）作均匀、各向同性的线弹性假设，钻孔承压段岩壁上的破裂缝是沿岩壁最薄弱的部位产生。所谓岩壁最薄弱的部位包含地质上的缺陷和拉应力最大部位的两个内涵。如果压裂段的岩壁上存在原生裂隙或其他地质构造（包括软弱带）的情况，就不符合常规的水压致裂法地应力测量这一基本假设。当压裂段承受足够高的液体压力时，原生裂隙将再次开裂，而不产生新的破裂缝。这时水压致裂法测试，就是原生裂隙重张试验测试。

钻孔原生裂隙段的重张试验的实测资料，在地应力测量中并非没有价值，有时甚至还需要有意识布置一些原生裂隙段的重张试验。它的价值应该与完整岩体段有破裂缝记录的或没有破裂缝记录的常规压裂试验的测量一样，都可提供3个观测值方程（对原生裂隙结构面上采用法向应力和剪应力的3个应力平衡条件）或1个观测值方程（对原生裂隙结构面上采用法向应力的1个应力平衡条件）。布置一定数量的原生裂隙段的重张试验，也能测定三维地应力状态，如本章第三节水压致裂法三维地应力测量中介绍的那样。但是它的资料整理不可以按常规测量方法那样，根据瞬时关闭压力PS或重张压力Pr计算地应力量值。因为PS不再是与破裂缝张开保持平衡的小次主应力，而大次主应力的计算公式也不再适用，压裂缝方向也并非是大次主应力方向。需要采用新的计算公式进行计算，计算公式如第三节所列。

钻孔压裂段是否存在原生裂隙或其他软弱带的鉴别，可以直接从压裂循环曲线上得到结论。如果第一次压裂循环曲线与以后几次压裂循环曲线相似，增压曲线的峰值也相仿，那么该压裂段一定存在原生裂隙或其他软弱带。

2）压裂特征参数精确确定的问题

压裂特征参数是根据压裂过程曲线特征点的位置确定的，是水压致裂法地应力测量计算应力量值的依据。因此压裂特征参数取用的准确与否，直接关系到地应力实测值的准确性。目前水压致裂法地应力测量的数据采集系统已将压力传感器、流量传感器接入，压裂循环曲线除了有压力过程曲线外，还有流量过程曲线，如图4-4，这给压裂特征参数的精确确定提供了很好的资料。

一般破裂压力Pb比较容易确定，取用第一次压裂循环增压曲线的峰值或拐点处的压力，而瞬时关闭压力PS和重张压力Pr的确定，则有时会发生困难。作者赞同有些学者如下的一些做法：

对瞬时关闭压力PS，采用破裂压力Pb和重张压力Pr以后压裂循环曲线下降部分拐点处的压力。如果确定此拐点的位置有困难，就采用大家熟知的切线法或双切线法确定，如图4-14所示。

图4-14　拐点法和由此演变的切线法及双切线法确定瞬时关闭压力Ps

（a）拐点法 （b）切线法 （c）双切线法

另外在测试过程中，采用低流量法或流量压力法试验确定。低流量法是以小流量注液施压，当压力接近一定量值后就不再增加，把这时的压力值当作瞬时关闭压力；流量压力法就是按不同的流量注液施压得到的稳定压力值，描绘压力—流量曲线，因为裂缝张开前曲线变化梯度陡，裂缝张开后曲线变化梯度减缓，拐点比较明显，很容易找到瞬时关闭压力PS值。

对重张压力Pr，采用第二次及其以后压裂循环曲线压力上升部分拐点处的压力。由于此压力上升部分曲线变化较陡，也可把偏离此直线（或近似直线）处的压力，作为重张压力Pr，如图4-15所示。

瞬时关闭压力PS和重张压力Pr，采用第二次及其以后各压裂循环取用值的平均值。

图4-15　736～737m测段，依据压力循环曲线确定瞬时关闭压力PS和重张压力Pr

3）单钻孔测量中铅垂向应力的估算问题(www.xing528.com)

在铅垂钻孔中用水压致裂法进行地应力测量，只获得水平面上二维地应力状态，即最大和最小水平主应力及其方向。有的学者主张用测点上覆岩体自重γH估算铅垂向主应力σv。这种对铅垂向主应力的估算是否准确，其结论可从铅垂向应力实测值的统计资料得到。

根据布林，H.K.对铅垂应力实测值全世界的统计资料（图1-2）表明，在浅层岩体（深度1 000m内）铅垂应力实测值大部分大于上覆岩体自重γH（图1-2，γ取27kN／m3）。根据裴伟，A.B.整理的苏联测量深度为915m以内的统计资料表明，σv／γH＜0.8的仅占4%，σv／γH=0.8～1.2的占23%，σv／γH＞1.2的占73%，比值个别最大的达37。根据我国测量深度200m以内（个别为500m）的统计资料表明，σv／γH=0.8～1.2的仅占5%，σv／γH＜0.8的占16%，σv／γH＞1.2的占79%，比值σv／γH个别达20。

由此统计资料可知，铅垂应力实测值与上覆岩体自重相接近的仅占很小一部分，大部分实测值大于上覆岩体自重。因此，用测点上覆岩体的自重来估算铅垂应力的量值，是不可靠和需要慎重考虑的，尤其对浅层岩体。随着岩体深度的增加，铅垂应力实测值逐渐接近上覆岩体自重，深度大约超过1 000m，铅垂应力大致与岩体自重相一致。所以这种对铅垂应力的估算，浅层岩体比深层岩体的误差大。

4）孔隙压力P0的测定问题［67］

岩体与金属、塑料等材料不同之处，在于它是长期经受地质作用的地质构造体，具有节理、裂隙、断层等地质结构，并蓄存有地应力。倘若岩体中又充有水和气，则岩体将成为三相介质，其性质将更复杂。水在岩体中存在的形态是孔隙水，此时的地应力将包含孔隙压力和岩石骨架的应力。

孔隙压力P0在水压致裂法地应力测量的资料处理中是必须具备的，可是在压裂循环曲线中又不能直接测读，因此孔隙压力测量需要专用仪器。孔隙压力的观测方法和内容介于地下水位观测与地应变观测之间。观测孔隙水和孔隙压力，与观测地下水位相仿；观测应变状态的变化，又与钻孔应变观测相似，钻孔水位的变化能反映含水层内孔隙压力的变化。孔隙压力测量是采用特制仪器在局部封闭的钻孔中进行，例如KYJ-1型孔隙水压力计，它的结构示意图如图4-16，利用重油的比重（1.95），一方面能直接与钻孔水接触而又无损耗地将水压力传递到压差传感器的上端口，另一方面还能充分保护漫于其内的全部电气元件正常工作。传感器下端口连接标准压力室，依靠电磁阀门开通可使标准压力室内的压力与该处的外界水压力相等，电磁阀关闭后即可进行外界水压力变动的观测。

在三峡工程库区茅坪镇800m深钻孔水压致裂法地应力测量中，从孔深60m～653m范围内选择了6个孔段进行孔隙压力测量，孔内水位距孔口3.5m。测量结果表明，孔隙压力大体相当于静水压力（各段的误差仅为0.01～0.03MPa）。因此在没有条件测量孔隙压力的工程，可近似采用该测段的静水压力来置代孔隙压力。

5）破裂缝方向问题

水压致裂法地应力测量的经典测量原理，是以最大的单轴拉应力破裂准则为基础，没有考虑轴向应力σz和径向应力σr对岩壁围岩的约束效应，切向应力σθ随液压Pw增大，由压应力状态转变为拉应力状态，再由拉应力逐渐增大达到围岩抗拉强度时，钻孔岩壁上沿切向产生破裂。因此，按经典的水压致裂法地应力测量的测量原理，钻孔压裂段岩壁上只能产生平行于钻孔轴向的纵向破裂缝。

图4-16　KYJ-1型孔隙水压力计结构示意图

1-电缆 2-吊环 3-弯管 4-过滤布 5-水6-重油 7-电磁阀 8-隔板 9-空气10-导管 11-重油 12-差压传感器

实际上钻孔压裂段岩壁上的应力状态为式（4-40），在那里承受压—压—拉或压—拉—拉三维应力状态下破裂的。根据本章第四节二小节分析，压裂段破裂处3个主应力σθ，σz和σr的大小顺序有6种可能的状态，剔除破裂时径向应力σr不可能形成最小主应力（因σr＞0）的两种应力状态外，其余4种应力状态中σz为最小主应力的一种应力状态σθ＞σr＞σz，随液压Pw的增加，切向应力σθ趋于零，未切过破坏包络线，这种应力状态钻孔岩壁也不会发生破裂，也把它剔除。

切向应力σθ为小主应力的两种应力状态：应力状态1（σr＞σz＞σθ）和应力状态2（σz＞σr＞σθ）的两种状态，也即当Pb＞σz0-2μ（σA-PS）＞3 PS-σA-Pb和σz0-2μ（σA-PS）＞Pb＞3 PS-σA-Pb时，在钻孔压力段岩壁上垂直最小切向应力方向破裂，也即产生平行于孔轴的纵向破裂缝；而轴向应力σz为小主应力的一种应力状态：应力状态3（σr＞σθ＞σz），也即当Pb＞3σB-σA-Pb＞PS-2μ（σA-σB）+σz0时，在钻孔压力段岩壁上垂直轴向应力方向破裂，也即产生垂直于孔轴的横向破裂缝。

压力段岩壁上产生纵向破裂缝的两种应力状态，由于橡胶封隔器在液压Pw作用下，在座封的围岩有顺轴向的剪应力产生，使纵向破裂缝在封隔器附近稍有弯曲的现象发生。

6）在三维地应力测量中3个不同方向的测量钻孔的布置形式问题

水压致裂法三维地应力测量中，采用不同方向的3个（或3个以上）钻孔完整岩体段常规压裂试验测量时，3个钻孔有两种布置形式：一是像套钻孔应力解除法中钻孔孔径变形测量法和钻孔孔底应变测量法那样布置成交汇于“一点”的形式，因此三维地应力实测成果非常接近于“点应力状态”的情况，不存在各钻孔测量深度差异的影响问题；另一是像本章第3节第5小节工程应用实例1广州抽水蓄能电站地应力测量中那样布置成散射状（见图4-7），这实际上对各个钻孔测段，都作了处于同一均匀应力场的假定，也就是三维地应力实测成果，是这些测段范围内的综合性应力状态。后一种布置形式钻孔施钻容易，并在水工建筑中非常实用，例如高压引水隧洞衬砌设计中，需要测求不同方位的围岩破裂压力，测量钻孔布置成散射状，求得各方向围岩破裂压力的同时，也求得了三维地应力状态。这种布置形式如同国际岩石力学学会试验方法委员会建议的那样（图3-20），应用非常广泛。