加拿大魁北克水电站项目中结晶岩的水压致裂试验＊

Quirion M ，Tournier J－P

1）Hydro－Québec，UnitéConception des aménagements de production－Hydraulique et géotechnique，Montréal，Québec，Canada

2）Hydro－Québec，Ingénierie de production，Direction principale Expertise，Montréal，Québec，Canada

加拿大魁北克水电站项目中结晶岩的水压致裂试验＊

Quirion M1），Tournier J－P2）

1）Hydro－Québec，UnitéConception des aménagements de production－Hydraulique et géotechnique，Montréal，Québec，Canada

2）Hydro－Québec，Ingénierie de production，Direction principale Expertise，Montréal，Québec，Canada

自1997年以来，在加拿大地盾进行了250多次水压致裂试验，该试验是魁北克不同的水电站项目调查选址的一部分，所有项目都位于格伦维尔和超级地质省，那里的基岩由结晶质火成岩和变质岩组成。水压致裂试验是为了确定在水压条件下岩体渗透率的增加，进而定义隧洞衬砌承载的上限。对不同试验结果的研究表明，在深度小于150 m时，大规模结晶岩的岩体性质相似。我们给出了来自闭合曲线和P－Q曲线图的最小应力统计数据的分析，并与投入使用的压力隧洞的渗漏相比较。所采用的解释方法也在最小主应力求解中扮演着关键角色。所以破裂和破裂重张压力的比值在分析结果中是一个重要的参数。

引言

自1997年以来，魁北克水电站项目将水压致裂试验列入试验计划之中，该项目还包括无衬砌压力隧道的设计。水压致裂试验也广泛应用于倾斜管道项目中。在大多数情况下，试验在浅层进行，150 m甚至更浅，但SM－3项目不包括在此文的分析中，因为它的深度超过了250 m。Haimson等[1]已给出了这一项目的一些结果。所有的试验都是在结晶岩上进行的，到目前为止，测试的次数超过250次。

本文首先与大家分享魁北克水电站项目从试验测试到解释结果的经验，也提出了一些结晶岩水压致裂试验可能出现的典型响应。

1 水电项目

近来所有的项目都位于魁北克北部和北海岸（图1）。表1列出了使用水压致裂试验的项目。SM－3，Toulnustouc和Romaine－2进水隧道长度分别是8，10和5 km，还有一些其他与倾斜管道有关的项目试验。表1还列出了项目试验的时间，因为它们的设计可能要经过数年，以及试验的数量和与试验相关的钻孔数目。总的来说，每个钻孔有5或6次试验。

1.1 试验目的

试验的目的是确定岩体张开节理处对水压增加的影响。这与Broch和Dahlo[2]叙述的一致，在水电项目中，了解在无衬砌进水隧道岩体水压的影响可能比确定岩体应力场更重要。

表1 含水压致裂试验的水电项目

图1 项目位置分布图

其中的一步设计是：将Broch修改的Norwegian准则[3]对上覆岩石最小压力的估计作为初步估计，在设计起始阶段，认为安全系数是1.3，在实验进行之后，根据数据的质量、数量和岩体的性质，将安全系数适当调整。

2 区域地质概况

魁北克省（加拿大）由加拿大地盾90%的前寒武纪岩石组成，近来所有的魁北克项目都位于格伦维尔和超级地质省，除了Eastmain－1和Eastmain－1A发电站，它们位于Superior，其他工程都是在格伦维尔地区岩层上进行开凿。

格伦维尔省的岩石大部分都是由不同的深成岩组成：花岗岩、二长岩、正长岩、闪长岩、辉长岩和钙长岩等。格伦维尔省也含有变质岩：变质－沉积岩和具有高等变质作用的复杂片麻岩。Superior省也是由以上描述的火成岩和变质岩组成。然而，它也含有一些火山岩和比格伦维尔区域更低级变质作用形成的变质岩。能观测到典型的岩性结合点、岩墙、剪切区域和断层[4]。

该区域在更新世完全被冰覆盖。整个区域都表现为大陆冰河形成区域的特征。从工程学的角度来说，冰川后退的一个重要的冲击力是使浅部接合处减压，导致它们破裂，一些节理的方向和地形学表面平行。

2.1 完整岩石工程的性质和类型

更确切地说，Eastmain项目是在片麻岩和花岗闪长岩上进行的，Romaine－1和Toulnustouc项目是在片麻岩上进行的，Péribonka和Romaine－4项目是在钙长石上进行的，Romaine－2项目是在二长岩上进行的。完整岩石上的实验室试验是用来测定岩石力学性能的（表2）：单轴压缩强度（USC），弹性模量（E）和泊松比（ν）和间接拉伸强度（T0）。其中，E／UCS比值指示出完整岩石的模量比。根据Deere和Miller（1966）的分类，完整岩石的平均水平是处于中等层次的模量比值和高强度的岩石。Romaine 3和Romaine 4项目不在实验测试阶段，因此这里没有得到结果。

表2 完整岩石的平均力学性质

3 水压致裂实验概述

使用的设备和建立的测试很有代表性，与标准[5]、方法[6]和文献[7]中所描述的方法类似：双封隔器系统、泵、压力传感器和高频数据采集系统。

3.1 实验计划

钻孔的深度达到了预定的管道内衬位置，目的不但是测量岩体的特征，而且也是为了进行水压致裂试验。为了优化进水隧道的内衬部分，钻孔是沿着隧道轴线分布的，而且钻孔的数量是根据结果得到的，斜井压力钢管一般有1个或2个钻孔，试验是在弯曲部分进行的。

水压致裂试验广泛使用钻孔电视光学图像确定节理的位置。钻孔电视也能得到井壁的“声波图像”（图2）。水压致裂试验后，比较图像，能观测到已存破裂的影响和新产生的破裂。如果在隧道部位观测不到节理，那就进行水压致裂试验。

3.2 实验过程

在钻孔清理结束以后，钻井电视完成检查和测量已存的孔隙水压，系统安装在封隔器加压的地方。循环过程如图3所示：第一次循环已存破裂张开；第二次循环破裂延伸和关闭；第三次循环破裂重张和关闭；第四次循环阶段试验。

图2 水压致裂前后典型的展开的井下电视图像。（a）数字图像；（b）声波图像。箭头指新的破裂

图3 典型的P－T曲线表示4次试验循环。图中P b max是最大破裂压力，P3 max是第三次最大循环压力

在水压致裂试验过程中，对该实验过程作了较小的改进。测试持续时间一般为3到6个小时，可根据破裂响应来调整。文献中有许多解释方法是用来确定闭合压力和最小应力的。表3是一些相关的解释方法。

表3 测试结果的解释方法

这张表并不是全面的综述，它们中的一些在SINTEF[17]中有全面的描述和报道。魁北克水电项目使用的解释方法是检查H－Q柱图。从这点来看，国际岩石力学学会（ISIM）[6]并没有推荐一个唯一的解释方法。

4 水压致裂试验分析

下面，对数据进行统计分析，目的是估计岩体测试类型的数据趋势。

4.1 第一次和第三次循环的峰值压力

首先分析集成了第一次循环的峰值压力数据（即破裂压力）和第三次循环的最大压力。第一次循环的压力水平是预先存在破裂面的破裂，第二次和第三次循环是破裂面再次破裂，接着进行第四次循环阶段的测试。峰值压力值是原始数据，没有受到绘图（或数学）解释方法的干扰。Pbmax破裂压力和第三次循环的最大压力值P3的关系见图3。

表4是破裂压力最大值和第三次循环最大压力的比值。该表说明了分析实验的数据量（n），Pbmax／P3max比值的最大值，最小值和平均值与标准偏差一致。

所有工程的Pbmax／P3max比值的平均值都在相对稳定的1.4到1.8之间变化。比值的最大值在1.8～4.3之间变化。对Romaine－4项目来说，并不是说最低的最大值的1.8。因为这仅是根据5次试验结果分析得来的。

表4 最大破裂压力（P b）和第三次循环的最大压力（P3）的比值

4.2 破裂压力和工作压力之比

最大破裂压力（Pb）和工作压力（P0）的比较，即静水压力，衬砌隧道是由精确的Pb／P0比值来建造的。表5是相关统计数据的比值。它表明破裂的起始压力总是比隧道将要承受的压力高。同时也指出，如果在岩体内，破裂是互相连通的，那么这个结果就毫无意义了，但是，如果我们观测到罕见的岩体破裂，这也许是水环流的增加需要断层连通。为了使破裂之间形成连通，破裂压力必须达到起始破裂传播并连通的压力。

表5 最大破裂压力（Pb）和隧道或倾斜水渠中工作压力（P0）的比值

4.3 最小应力解释值

正如上面所说的，对最小应力的测量有很多种方法（表3）。表3所列的方法能很好地估计破裂面上的最小应力。然而，P－t和Q－P图上切线的交点是第一次估计的压力值（图4）。通过分析试验质量，吸水实验和其他的解释方法可得到最终的解释。

表6是不同工程的水压致裂实验解释的最小应力值的统计数。从表6可以看出：Eastmain和Péribonka项目大约是1.5 MPa，Romaine和Toulnustouc项目大约是2.5MPa。我们注意到，较高的标准偏差与最多和最少的测验次数有关。在Toulnustouc工程中我们还观测到，最小应力的最高是8.2 MPa，而且此实验是在岩体较深的深度上进行的。

表7列出了4个不同值的比较：第三次循环的峰值压力（P3max），P－Q图切线交点（P－Q交点），闭合曲线上的拐点起点（ISIP inflex）和切线交点（ISIP min）。我们注意到一个特殊的实验，即ISIP最小值经常与工程的解释的最小应力值相一致（表6）。

图4 对P－t和Q－P图上切线交点的解释

表6 不同工程中最小应力的解释值

表7 不同解释方法中的应力平均值

从表6可以看出，P3max通常是在稳定的范围4～5.5 MPa之间，除了Eastmain－1A项目，它的平均值较低。从P－Q的交点可以看出，除了Eastmain－1A项目，其他项目的平均值均在2.7～3.8 MPa之间，Eastmain－1A项目的最大值2.2 MPa在2.7～3.8 MPa这个范围内得到。

ISIP拐点平均值在2.5～4 MPa之间。Eastmain－1A项目低于ISIP拐点的平均值。ISIP min平均值在1.4～2.6 MPa之间。对大多数项目来说，ISIP min低于表7中的值。

5 讨论

比较破裂压力和第三次循环的最大压力进而确定一个相对稳定的范围1.4～1.8 MPa（表6）是有意义的。假设在结晶岩的研究中，Pbmax／P3max平均比值代表着起始破裂／重张破裂过程的典型特征，那么可用水压致裂试验来整体评估整个岩体的性质。计算比率的值通常不受数据分析方法的影响，因为它们是原始数据。

表7列出了所有项目的不同值，这些值通常都在同一范围：P3max平均值大约5 MPa。P－Q交点和ISIP拐点的平均值大约在3.5 MPa，ISIP min（和最小解释应力）大约是2 MPa。如前面所述的那样，ISIP min通常与最小应力解释值一致（表6）。

对于研究性项目，P－Q交点和ISIP min当然是对压力隧道内衬部分的设计有意义。在大多数情况下，ISIP min低于P－Q交点值和ISIP拐点值。根据统计学基础，可以得出闭合压力图拐点与P－Q交点值是一致的。拐点也许能为初步估计和P－Q交点确定和应力值的确定提供帮助。

在评估垂直于破裂的最小应力值时，ISIP min也许可被看成为更保守的最小应力值。Toulnustouc项目这一特例很好地说明了这一点。

对10 km长的Toulnustouc隧道，可分辨出两个低应力区：区域1在发电站附近，与地形学的鼻状地形有关，区域2是与笔直隧道剪切区域的一条河谷的存在有关。表6给出解释的最小应力在0.6～8.2 MPa之间，图5给出Toulnustouc数据的频率分布。隧道的最大工作压力是1.6 MPa，从应力测量计算的安全因子小于1.3。

图5 Toulnustouc项目的最小解释压力频率分布

区域2距离发电站大约3 km，需要关注的焦点是，如果加压水到达表面，超负荷稳定性将受到威胁。如果破裂发生，水将直接到达表面，隧道上的一系列减载炮眼会将水排干[18]。

在2005年项目完成后，对隧道进行了填埋并估计了渗漏值[19]。2005年估计的渗漏值如图6所示。

图6 水压条件下Toulnustouc隧道的渗漏值

在2006年到2008年间，对隧道进行了除水维护。隧道的再灌浆渗漏估计值也在图6中给出。使用一些年后的渗漏值也在相同的范围内，没有突出的抬升。

图6给出在使用相同方法的水压致裂实验中渗漏值的Q－P图（表4）。比较水压致裂试验下的P－Q曲线与储层压力下渗漏值的增加，有意义的是，当隧道液压达到1.5 MPa时，图6中的曲线表现出一个破裂点。这个值与实际的工作压力大致平衡。

如上所述，可以将ISIP min作为一种保守的解释方法。根据表7，我们可以计算出ISIP min和P－Q交点的平均比率是1.5，通过使用Toulnustouc最低的应力值和因子1.5（图5），得到最小的应力值能达到1 MPa，这比原压力条件下的应力值还要低。这些说明，很少能观测到低的应力值，这些保守的理论值也许对解释在Toulnustouc项目中观测到无控制的破裂起作用，但仅限于隧道渗漏增加的情况下。

6 结论

在结晶岩浅层进行的水压致裂试验结果表明，破裂／重张破裂压力是一种典型的、连续的响应。P3max平均约为5 MPa时，P－Q的交点和ISIP的拐点的平均值大约为3.5 MPa，ISIP min（最小解释的应力）平均约为2 MPa。解释的应力值、局部最小应力和ISIP min总是小于P－Q交点，是最低值。

对Toulnustouc项目的渗漏分析表明，测出了一些较小的最小解释应力。但是，除了渗漏的增加被注意到以外没有失控的情况。这种增长可能与岩体饱和水压的增加有关。为了解释这种互相渗入的事实，认为ISIP min可能过于保守，达到破裂的最初破裂阻力，Pb／P3比率可能与结晶岩断裂刚度和固有强度有关。

建议未来的研究应集中在破裂的性质和刚度。膨胀测试仪可能是一个令人感兴趣的工具。隧道灌浆时围压的水压力的原位测量和断裂位移变分也必然会令人感兴趣。

译自：Proceedings of the 5thInternational Symposium on In－Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”，Edited by Furen Xie，CRC Press／Balkema，Leiden，The Netherlands：513－518，2010

原题：Hydraulic jacking tests in crystalline rocks for hydroelectric projects in Quebec，Canada

（中国地震局地壳应力研究所研究生 方 震译；李 宏 校）

（译者电子信箱，方 震：fzhen215＠126.com）

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10.3969／j.issn.0235－4975.2011.01.013

2010－11－16。