基于水压致裂法的拉脊山地区深部地应力测试及可靠性分析

祁 军,樊冬梅,谢得峰，张光庭，金文彬

(1.青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司，青海 西宁 810001； 2.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016；3.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

地应力指地下岩石介质各个部分间通过接触而相互作用的力，地应力研究是地球动力学发展的基础之一，在研究构造运动、探讨成矿规律、地震成因以及诸多工程建设中，需要了解地壳浅层的应力状态[1]。地应力研究的方法主要有震源机制分析、钻孔崩落、水压致裂与声发射法等[2]，其中水压致裂法是测量深部地应力方法之一，具有操作方便，测量深度不受限制，计算理论简单、结果相对准确等优点。

目前，国内地应力研究测试深度达到7 km[3]，多分布在中、东部地区[4-5]，而西部特别是青藏高原地区,由于海拨高、自然条件恶劣等原因，开展地应力研究相对较少，且深部地应力测试数据相对空白。拉脊山地区在大地构造区域上属祁连加里东褶皱带，位于青藏板块东部。本研究依托拉脊山区域的龙羊峡水电站[6]、李家峡水电站[7]及拉西瓦水电站[8]的地应力测试结果，对拉脊山引水隧洞超深钻孔中获取的深部地应力大小及方向等数据信息进行分析，获得了拉脊山地区深部地应力变化的一般规律及特征,研究结果可为青藏地区地应力的研究和青海省引黄济宁等多个工程的合理规划提供理论依据。

1 研究区概况

拉脊山区域在一级大地构造单元上属祁连加里东皱褶带，二级构造单元为拉脊山优地槽带，其南、北分别为二级构造单元中祁连中间隆起带、南祁连冒地槽带。区内构造较为复杂，总体构造方向以北西向为主。区域内主要断裂有拉脊山深大断裂(南北两侧)、青海南山—文都大寺深大断裂、祁连山深大断裂(南、北两侧)、鄂拉山深大断裂等，断层规模较大，宽度在50 m至数百米不等。此外次生小型断裂也较多，断层宽度多在2～8 m，区内主断裂延伸方向多以北西向为主，与区域构造方向基本相同。

1.2近场区水电站地应力特征近场区龙羊峡、李家峡及拉西瓦3个水电站工程勘查时的地应力实测数据[6-13]见表1。

表1 近场区项目地应力实测数据Tab.1 Measured in-situ stress data of the project in the near-field area

依据工程实测数据统计分析可知，近地表附近受地形影响最大主应力方向多发生偏转，但近场区应力场以水平构造应力场为主，方向以北东向为主，区内最大实测主应力方向与构造线形迹多呈垂直状。近场区地应力最大测试深度为278 m，最大主应力与测试深度的相关测试数据统计见表2。其中同一深度测试多组数据时，按平均值取值。根据结果统计，埋深小于100 m时，最大主应力为 5.57～9.96 MPa；埋深130～278 m时，最大主应力为4.80～16.69 MPa。受褶皱带及断裂带影响，地应力局部出现异常值，但总体随深度增大而增加，呈线性正相关。

表2 近场区地应力测试结果表Tab.2 Results of in-situ stress test in the near-field area

2 地应力数值模拟预测

2.1区域地应力数值模拟方法本次数值模拟，在区域内地应力实测数据的分析基础上，对研究边界加以不同初始量值，并与已测地应力值进行拟合，最终选取相对合理数值进行区域内地应力数值模拟[14]，得出拉脊山地区浅部地应力预测值。数值模拟采用FLAC3DV 5.0的平面模型进行模拟，在对地质条件与区域构造框架进行简化后进行有限元网格剖分，基本单元采用四边形，共有节点5 565个，单元2 954个。

2.2 边界条件

(1)研究范围。东起青海省与甘肃交界处公伯峡水库以东，西至青海海南藏族自治州兴海县鄂拉山，长500 km；南起青海黄南藏族自治州，北至祁连山，宽400 km，总面积约20万 km2。

(2)边界条件的简化及边界力的施加。由于研究范围内地层变化大，地质构造相对复杂，因此数值模拟时对研究范围内地层及构造进行了适当简化，地层按其主要岩性的软硬程度分为3个大的时代单元：(1)元古代—二叠纪；(2)三叠纪—侏罗纪；(3)第三纪。构造方面考虑主要的深大断裂：F1—拉脊山深大断裂(南北两侧)；F2—青海南山-文都大寺深大断裂；F3—祁连山深大断裂(南、北两侧)；F4—鄂拉山深大断裂，以及区内一些较大的断裂。

根据区域内主应力特征，在应力场方向NE30°～NE55°的范围内加载边界力，加载量值：南部边界为3.3～8.5 MPa，西部边界为1.1～3.1 MPa，其余边界设定为光滑约束。

2.3材料取值岩体物理力学参数参考黄河上游有关电站岩体力学试验[9]资料，详见表3。

表3 岩体物理力学参数取值表Tab.3 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

2.4区域地应力场主应力的拟合对加载边界分别加以不同的荷载组合进行初始地应力场的有限元计算，经过计算后获得区内各地段的应力量值。不同边界荷载组合下龙羊峡水电站、拉西瓦水电站、李家峡水电站处的最大、最小主应力及剪应力见表4。从表中可以看出：①、②组的荷载组合下，其应力值与拉西瓦水电站处高值较接近，但其余两处差异较大，且数据在计算中很难收敛，说明初始荷载不合理；③、④组的荷载组合下，计算收敛，但龙羊峡水电站、李家峡水电站处的量值偏高较多；⑤、⑥组的荷载下，其应力值与龙羊峡水电站、李家峡水电站处测点的参考主应力值较接近，在拉西瓦水电站处与实测低值相接近。在⑤、⑥组的荷载模拟结果中，⑤组稍高，⑥组偏低，为了更接近三处(李家峡水电站、龙羊峡水电站、拉西瓦水电站)的参考地应力值，取两种情况的平均值作为初步拟合的应力值。

表4 边界施加不同荷载时计算区内应力状况Tab.4 Stress state in the calculation area with different loads applied on the boundary

2.5拟合结果以李家峡、龙羊峡、拉西瓦3个水电站获得的地应力量值作为基本的测试值，再经边坡顶部岩体自重影响引起的水平应力改变后的量值作为参照值，根据⑤、⑥组的荷载拟合后平均值，再次数值模拟最终获取区域地应力场拟合值：拉西瓦水电站σ1=9.60 MPa，龙羊峡水电站σ1=4.65 MPa；李家峡水电站σ1=5.87 MPa，详见表5，其结果主要表征的是100～200 m深度时的最大应力量值。

表5 近场区内应力拟合状况Tab.5 Fitting state of in-situ stress in the near-field area

经数值拟合后，获得拉脊山地区不同部位最大水平主应力的方向详见图1。根据数值拟合计算结果，李家峡至西宁一线为NE15°～NE20°，拉脊山地区最大主水平应力方向与区内构造线方向基本垂直，为NE向，其变化范围为NE5°～NE65°，最大主应力方向的偏移主要与局部的构造及区域地层影响相关。在拉脊山隧洞附近，最大水平主应力方向约为NE23°，最大主应力量值为9.0 MPa。

图1 拉脊山地区水平地应力矢量图Fig.1 Horizontal in-situ stress vector of Laji mountain

2.6深部地应力预测由拉脊山地区地应力场数值模拟结果显示，当地面埋深为110 m时，最大主应力值量级为7.2～9.0 MPa；以此量值为基本值，根据中国西部实测地应力分布规律研究[15]的回归公式及国内实测地应力分布规律研究[16]的线性回归公式，进行不同深度的最大主应力量值计算，计算结果见表6。

表6 拉脊山地区不同深度的最大主应力计算值Tab.6 Calculated values of maximum principal stress at different depths in Laji mountain

3 地应力实测结果及可靠性分析

3.1水压致裂法简介水压致裂法地应力测量的试验设备主要由封隔系统、加压系统与量测系统3个部分组成，其中加压系统分双管和单管加压系统。本次试验中采用单管系统，见图2。

图2 轻型封隔器与水压致裂法地应力测量程序Fig.2 Light-duty packers and hydraulic fracturing procedures for in-situ stress measurement

水压致裂法地应力测试过程：(1)对钻孔的透水率、钻孔倾斜度等检查后，选择合适的试验段后进行座封。(2)注水加压使岩壁致裂，记录临界破裂压力后关泵，量测瞬时关闭压力。(3)放水卸压，重复进行多次加压循环，取得合理压裂参数。(4)解封后通过扩张印模胶筒外层橡胶和定向器记录破裂缝的长度和方向，其受压破坏后的破裂缝产生于最大主应力方向。根据量测得到的破裂压力、关闭压力、重张压力及岩体内孔隙水压力，按各向同性、均匀渗流及上覆岩体压力铅垂的条件下的岩体破裂模型，即以边界条件限定后的弹性力学平面问题进行最大、最小主应力计算[17-18]。

3.2地应力实测结果对拉脊山引水隧洞勘探深孔地应力进行现场测试，测试深度为230～850 m，布置测点原则：一般以50 m间距布置测试点，并依据孔内获取的岩芯完整程度及孔内电视摄像情况适当进行调整，选取较为完整的岩体部位作为水压致裂法地应力试验点进行测试，测试结果见表7。

表7 拉脊山地区地应力实测数据统计表Tab.7 Statistics of in-situ stress measured data in Laji mountain

表7(续)

3.3基于工程类比法可靠性分析结合近场区所处地质构造、地应力特征及临近工程(拉西瓦水电站、李家峡水电站、龙羊峡水电站)地应力实测资料(表1)，对拉脊山地区地应力分布进行工程类比分析和判断，地质构造及地应力实测资料对比情况见表8。

表8 临近工程地质构造及地应力概况Tab.8 Geological structure adjacent to the project and overview of in-situ stress

由表8可见，从区域构造上，李家峡水电站、拉西瓦水电站、龙羊峡水电站和拉脊山隧洞工程总体构造格局均受NW向拉脊山构造带控制，但场区地质构造有所差异。根据工程类比，对拉脊山引水隧洞地应力特征分析判断如下：

(1)最大主应力方向。拉西瓦水电站最大主应力方向以北东向为主，具体方向为NE9°～NE88°，平均值为NE46°，局部发生偏转呈北西向；李家峡水电站最大主应力方向以北东向为主，具体方向为NE58°～NE73°，平均值为NE63°，局部发生偏转呈北西向；龙羊峡水电站最大主应力方向北东、北西向均有发育，其中NE具体方向为NE50°～NE83°，平均值为NE68°。根据实测数据统计分析，区内最大主应力方向呈北东向，局部受构造影响而发生偏转。由此初步综合判断拉脊山地区最大主应力方向呈北东向，该方向与上述地应力实测方向基本一致。

(2)最大主应力量级。根据拉西瓦水电站测试结果，测点埋深278 m左右，最大主应力量级5.8～22.9 MPa；李家峡水电站测试结果，测点埋深68 m左右时，最大主应力量级为3.34～9.65 MPa；龙羊峡水电站测试结果，测点埋深110 m左右，最大主应力量级为4.0～9.7 MPa；根据近场区区域应力场模拟结果，拉脊山引水隧洞100～200 m深度时，最大主应力量级约为9.0 MPa；以中国国内与西部实测地应力分布规律的拟合公式进行计算，拉脊山地区地应力在深度为400、600、800 m时，最大主应力量级分别为15、19、24 MPa；拉脊山地区实测数据在埋深为400、600、800 m时，最大主应力量级分别为13、18、22 MPa。

根据各拟合结果与深孔实测地应力对比分析，可以看出，地应力量值总体一致，说明结果总体可靠。

4 讨论与结论

本研究得出的拉脊山地区浅部地应力实测值较景锋等[4]研究的国内实测地应力分布规律的线性回归公式计算结果偏小，其主要影响因素是浅部地应力受深切河谷卸荷影响较大。深部地应力实测量值与计算结果基本一致，接近度在90%以上，反映了水压致裂法作为深部地应力测试手段是合理可靠的。拉脊山地区最大主应力方向北东向，与祁连加里东大地构造单元内主应力方向相同，与郭摇[19]等的研究结论一致(拉脊山地区最大地应力方向呈北东向，与区内断裂构造线方向近垂直)。区内深部地应力场以水平构造应力场为主，其量值随深度增加而增加，与埋深相关性较好，在埋深900 m以内其量值为6～27 MPa；经可靠性分析，超深钻孔水压劈裂法测试的应力成果是相对准确的，因此研究成果对祁连加里东构造单元内的地应力研究有较好的参考意义，实测成果也可以作为青藏地区地质构造研究的基础数据使用。本研究过程中发现拉西瓦水电站浅部地应力测试结果值偏高，初步判断其主要原因为受青海南山—文都寺断裂影响所致，但二者之间相互影响关系有待于进一步研究分析。