水压致裂与套钻孔应力解除法比较

由于水压致裂法地应力测量的广泛应用，人们对它的测量精度，以及它和套钻孔应力解除法的测量成果是否一致的问题，十分关注。为研究这个问题，长江科学院在1991年在杭州天荒坪抽水蓄能电站的地应力测量中，在国内首次采用这两种方法在同一钻孔中进行测量，对实测成果进行了比较。2005年在深圳抽水蓄能电站地应力测量中，对位于地下厂房区的ZK307号铅垂向钻孔，也对在同一钻孔中同时采用单钻孔水压致裂法三维地应力测量和套钻孔应力解除法三维地应力测量的测量成果进行了比较，详细情况已在本章第3节第5小节工程应用实例3中介绍，这里不再累述。本节将介绍杭州天荒坪抽水蓄能电站在同一钻孔中同时采用水压致裂法和套钻孔应力解除法的实测成果的比较情况，同时也介绍国外类似这种比较试验的实测资料。

1）杭州天荒坪抽水蓄能电站

杭州天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县山河乡境内，距杭州82km，总装机180kW，是我国已经竣工发电的规模较大的抽水蓄能电站之一。主要担负华东电网的调峰、填谷等任务。

1991年8—10月，长江科学院承担了地下厂房区勘探平洞PD15中3个深钻孔的地应力测量任务，测量方法采用了两种深钻孔地应力测量方法：水压致裂法和套钻孔应力解除测量法。其中位于高压岔管区（主洞洞深521.3m处）的应2孔，采用这两种测量方法相继测量，并对测量成果进行了比较。

套钻孔应力解除测量法采用深钻孔水下三向应变计，共获得孔深27.44～75.51m3个测段5个测点的地应力实测资料，列于表4-34。

表4-34　套钻孔应力解除法的地应力实测值

水压致裂法地应力测量共获得孔深15.06～77.54m7个测段的地应力实测资料。由于当时印模器外圈半硫化的橡胶层老化，不能压印破裂缝痕迹。所以水压致裂法测量，只测得最大和最小水平主应力的量值，无法测量最大水平主应力的方位。7个测段压裂过程的特征参数列于表4-35，其中最深测段（76.64～77.54m）的压裂过程曲线如图4-17所示。

表4-35　水压致裂法测量压裂过程曲线特征值

图4-17　测段76.64～77.54m压裂循环过程曲线

水压致裂法和套钻孔应力解除法测量所获得的最大和最小水平主应力的量值列于表4-36，并且把此两种测量方法的实测成果点绘在图4-18上。由表4-36和图4-18可知，两种不同测量方法所获得的地应力实测值在同一离散范围内波动。

由于地应力状态随深度的加深而递增和两种测量方法的测段并不在同一深度上，所以这两种实测成果不能直接进行比较。由于各测段地质条件的差异和测量过程中不良影响因素的影响，使实测成果有一定程度的离散性。把水压致裂法的7个测段的最大水平主应力σH，最小水平主应力σh和二维应力不变量σH+σh，随深度进行线性回归，得到它们随深度变化的直线方程，如图4-18所示。这些直线方程表达的地应力状态综合了各测段局部地质条件和其他各种不利条件的影响，可比较准确代表该测量钻孔附近地应力场随深度的变化状态，称应力回归实测值。现将套钻孔应力解除法3个测点的实测成果与这些方程相应位置应力回归实测值进行比较，得到它们相对差绝对值，最大水平主应力平均为1.13MPa，最小水平主应力平均为2.50MPa，二维应力不变量平均为3.11MPa。

表4-36　两种测量方法所测得的最大和最小水平主应力的比较

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注：套钻孔应力解除法42.90m和75.22m测段的实测成果为两测点的平均值。

图4-18　两种测量方法实测成果的比较

（a）最大和最小水平主应力（σH，σh） （b）二维应力不变量（σH+σh）·水压致裂法 ＊套钻孔应力解除法

另外，从两种测量方法位置较接近测段的实测成果进行比较。套钻孔应力解除法孔深42.90m和75.22m两个测点，离水压致裂法孔深43.61～44.51m和76.64～77.54m测段的中心位置仅1.16m和1.87m。最大和最小水平主应力相对差绝对值，测段43.16～44.51m平均为1.97MPa，测段76.64～77.54m平均为0.88MPa，二维应力不变量相对差绝对值，测段43.61～44.51m为0.62MPa，测段76.64～77.54m为1.76MPa。

由以上分析可知，两种不同测量方法所获得的地应力实测值是非常接近的，可以相互印证。

2）瑞典斯吉帕（Stripa）矿山

为了对瑞典中部斯吉帕矿山地下建筑群体稳定性和与其相类似岩石中储存核废料等问题进行研究，瑞典把该矿作为地应力的一个研究现场。1980年，瑞典国家电力局和美国加利福尼亚大学合作，进行了地应力测量研究计划，在该矿北面约0.5km处钻了381m深的铅垂钻孔，采用水压致裂法和套钻孔应力解除测量法在同一钻孔中进行比较测量。套钻孔应力解除测量法由瑞典国家电力局负责，在钻进过程中分别在孔深100m，200m，300m，380m作4个测段的地应力测量，每个测段包含4个测点，另外在孔深325m作一单点测量，共17个套钻孔应力解除法测点。水压致裂法由美国加利福尼亚大学负责，从孔深30m到370m共进行14个测段地应力测量，两测段之间距离不超过50m。

两种地应力测量方法所测得的最大和最小水平主应力的平均值一起点绘在图4-19上，所测得的水平面上二维应力场绘于图4-20。由图4-19和图4-20可知，瑞典斯吉帕矿山在同一钻孔中两种测量方法实测成果的比较，与杭州天荒坪抽水蓄能电站在同一钻孔中的比较大体相同。虽然一般趋势为水压致裂法实测的应力量值比套钻孔应力解除法实测的应力量值略低一些，但是从总体分析，两种测量方法的实测成果，吻合得比较好。这两种测量方法所测得的水平主应力的方向，也是吻合的，并且有一种随深度加深而转动的相似趋势。1981年，对该矿山进行了地质力学模型试验，模型试验结果也与这两种测量方法的实测成果相吻合，并且其主应力的方向随深度变化，也有些旋转，在浅部铅垂向应力略大于上覆岩体自重。

从所介绍的国内和国外在同一钻孔中同时用两种不同测量方法进行对比测量的结果分析可知，水压致裂法的测量成果与套钻孔应力解除法的测量成果是一致的。由于它们的测量原理和测量方法不同，测量成果存在某些差异是自然的。由于“真实”地应力是未知的，所以不能说哪一种测量方法测得的应力量值更接近“真实”的应力量值。不管是哪一种测量方法，地应力测量以多测为宜，尤其对工程关键部位和地质上起控制作用部位更应如此。并且以众多实测资料和地质条件为依据，进行工程区域地应力场分析，把有限的地应力实测资料准确扩展到大范围工程地区。

图4-19　两种测量方法测得的最大和最小水平主应力的比较

·水压致裂法 ×套孔解除法

图4-20　两种测量方法测得的水平面上二维应力场的比较

（a）套孔解除法 （b）水压致裂法