地下洞室围岩地应力场的基本特性，是地下工程设计以及围岩体稳定性分析中必须要考虑的一个环境物理量因素。因为，该因素不仅将影响地下洞室的稳定与安全，也将影响围岩体的渗透稳定性。

为揭示输水系统以及地下厂房区岩体初始地应力状态，曾采用多种方法在电站枢纽区不同部位对岩体地应力作了原位测试。其中，包括进行平面钻孔交汇三向2组、二向5 组岩体应力的测试；深孔三向地应力测试；水压致裂法地应力测试等。

9.3.1.1　深孔三向地应力分析

在本工程的招标设计阶段由长江科学院在PD15 探洞内进行了深孔水下三向地应力测试，测孔编号依次为应1 孔～应3 孔。其中，应1 孔位于PD15-2探洞洞深147m处，孔口高程280.30m，所测岩体为流纹质角砾（含砾）熔凝灰岩（J3h1（3））；应2孔位于PD15 探洞洞深521.30m，孔口高程278.37m，所测岩体为流纹质集块岩（J3h1（2）），含砾流纹质熔凝灰岩（J3l1（d））；而应3 孔则位于PD15 探洞洞深305.59m的模型洞洞深28m处，孔口高程276.62m，所测岩体为含砾流纹质熔凝灰岩（J3l1（d））。计5 个试验段9 个测点。

根据测试成果，输水系统下平段区以及地下厂房区岩体内地应力场的分布具有以下特点：①最大主应力（σ1）值在15.1～20.8MPa之间，而在同一试段内不同测点间该物理量测值也有一定的变化，方向在S56°W～N44°W 之间，接近E～W向，而与大溪河流近垂直，倾角46°～74°，即近岸坡处较缓与坡向基本一致，向山内一侧变陡，而以自重应力场为主；②中间主应力（σ2）值在11.0～13.7MPa之间，而在同一试段内不同测点间该物理量测值也有一定的变化，方向在NNE～SSE之间，接近S～N 向，而与大溪河流近平行，倾角30°，较缓而接近水平；③最小主应力（σ3）试段值在3.5～11.0MPa 之间，变化比较大。显然，在测值较小的试段部位，岩体比较破碎；而在测值较大的部位，岩体则相对完整。在同一试段内不同测点间该物理量测值也有一定的变化，方向变化比较大，倾角较缓接近水平。

上述实测地应力场中不同主应力的分布特征反映了地下厂房区具有峡谷地形地貌的特征。

为进一步揭示下平段区域岩体内地应力场的分布特征，这里引入2个参数进行分析。一是地应力系数（K）；二是水平主应力各向异性系数（C）。在数值上，其表达式分别为：

式中：σmax为最大主应力；σV为垂直应力；σHmin为最小水平主应力；σHmax为最大水平主应力。部分计算结果，见表9.3.1。

表9.3.1　岩体地应力系数及各向异性系数统计（深孔水下三向法）

根据表9.3.1 可知：①区内岩体地应力系数K 值在1.02～1.25 之间，变化比较小；②区内岩体地应力各向异性系数C 值变化比较大，多数在0.73～0.84之间，占测点数的77.78%；少数较低，在0.29～0.35 之间，占测点数的22.22%。少数测点（即表9.3.1 中的3-2 测点）的地应力各向异性系数C 值低，反映相应部位岩体破碎，完整性差。

为揭示下平段区域围岩三向主应力随深度的变化，对深孔水下三向地应力作了回归计算。因应1 孔、应3 孔的测点偏少，这里仅列出对于应2孔地应力的回归关系式，见表9.3.2。其与埋深的关系曲线（σ～H）见图9.3.1～图9.3.3。3-1 及

表9.3.2　应2孔主应力随深度变化回归方程

注　限制域27.44～75.51m，相当于高程250.93～202.86m。

图9.3.1　应2 孔最大主应力随深度变化曲线

图9.3.2　应2 孔中间主应力随深度变化曲线

图9.3.3　应2 孔最小主应力随深度变化曲线

根据图9.3.1～图9.3.3，应2 孔在孔深27.44～75.51m（即高程250.93～202.86m）之间的最大及中间主应力（σ1，σ2）值随深度均呈线性增大，回归方程中的有关系数大致相同，略有差异，表明这2 个物理量随深度的变化梯度基本一致，之间的应力状态是均衡的。但该孔位最小主应力（σ1）值在该限制域的变化不是线性的，即在孔深41.95～43.85m（高程236.42～234.52m）之间的σ1值（分别为3.5、3.4MPa）明显小于上、下试段，并低于正常运行工况下输水系统的水头（680m）压力。该孔位局部最小主应力值偏低，源于相应部位岩体破碎而释放了部分应力所致。

9.3.1.2　水压致裂法地应力分析

除了采用上述地应力测试方法之外，还曾在不同阶段分别采用水压致裂法对下平段区域有关部位岩体作了地应力测试。

所谓水压致裂法（Hydraulic fracturing）是指向密封孔中注入压力水，使孔周壁的岩石发生张性破裂，其过程实际上就是岩石在水压作用下微裂隙（或微裂纹）萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂隙产生、导致失稳破裂的过程。

根据水压致裂法的测试成果，可计算试验段岩体的有关地应力参数，如最大水平主应力、最小水平主应力以及垂直应力等。

在图9.3.4中，设圆孔内径为r，孔心至孔外任一点的距离为R，该点与水平坐标的夹角为θ。当圆孔在水平应力σh和垂直应力σV作用下，根据弹性力学理论可得到该点的径向应力和切向应力，

圆孔周边上A、B 点的应力分别为

由于σh＞σV，经过比较可以得出σθA＜σθB，即图9.3.4 中的A 点是可能出现拉伸破坏的位置。而当孔壁受到高压水作用时，如果孔周的拉应力达到岩石的抗拉强度，就会产生处在与原岩应力σh相同方向上的破坏裂隙，见图9.3.5。因此，一旦确定此类破坏裂隙的发育方向，就可确定σh的方向。

使孔壁破裂的临界压力应满足以下表达式

图9.3.4　圆孔周边的应力分布特征(www.daowen.com)

图9.3.5　高压水作用下圆孔周边裂隙的形成与分布

式中：σHmax、σHmin分别为原岩应力场中的最大、最小水平主应力；T 为岩石的抗拉强度；p0为岩层的孔隙压力。

孔壁岩体一经破裂之后，保持裂隙张开的平衡压力（或为闭合压力）应等于垂直作用于裂隙上的原岩最小水平应力，即

此时，由于岩石已遭破坏，相当于T＝0，因此使裂隙重新张开的压力pr为

根据式（9.3.3）～式（9.3.7），可以得出

试验段的原岩应力的垂直分量σV为

式中：H 为试验段岩体的埋深；γ为上覆岩体的平均容重。

这样，根据式（9.3.8）～式（9.3.11）可分别求得试验段原岩应力的三个分量σV、σHmax和σHmin。

初设阶段水压致裂法测试及计算成果见表9.3.3。根据该表，该阶段采用此方法得到的不同测试段的水平主应力各向异性系数分别为：0.648（测试深度：9.51～10.41m）；0.661 （13.64～14.54m）；0.655 （16.34～17.24m）。同表9.3.1 相比较，采用水压致裂法得到的水平主应力各向异性系数值相对接近于采用深孔水下三向法得到的多数测试段（占测点数的77.78%）之值，由此也认为这3 个测试段的岩体完整性较好。

在招标阶段，仍采用水压致裂法对下平段区含砾流纹质熔凝灰岩（J3l1（d））体作了应力测试。根据测试结果，可以求得不同测试段的水平主应力各向异性系数值，见表9.3.4。

表9.3.3　初设阶段水压致裂法测试成果汇总

注　1.测试位置—PD15 洞深331.01m的观测洞内。
2.测试岩体为含砾流纹质熔凝灰岩（J3l1（d））。
3.应力单位为MPa，方向为磁方位角。

表9.3.4　招标阶段水平主应力各向异性系数值统计（水压致裂法）

根据表9.3.4可以得出：

1）在2个测孔共11 个试段中，水平主应力各向异性系数C 值在0.655～0.906 之间。其中，C＜0.700 的有4 个试段，占所测试段的36.36%；C＝0.700～0.800的有4 个试段，占36.36%；C＝0.800～0.900 的有2 个试段，占18.18%；C＞0.900的有1 个试段，占9.09%。

2）同不同阶段的地应力测试成果（表9.3.1 及表9.3.3）相比较，招标阶段的测试成果稍高于初设阶段，而相对接近于深孔水下三向法测试的多数试段值。总体而言，在不同阶段以及采用不同方法得到的区内岩体地应力测试成果之间是具有可比性的。

图9.3.6 及图9.3.7为应2孔于招标阶段水压致裂法求得的最大水平主应力（σHmax）及最小水平应力（σHmin）随埋深的变化曲线。总体上反映，采用此方法求得的σHmax、σHmin值随埋深也是趋于增大的，但两者之间的线性关系不典型。

图9.3.6　应2 孔最大水平主应力随埋深的变化

图9.3.7　应2 孔最小水平主应力随埋深的变化

图9.3.8为应1～应3 孔采用水下三向法求得的最大水平主应力方向随埋深变化图。该图中，横坐标“0”表示“N”；“0～90”表示“NE”；“0～－20”表示“NW”。总体上反映，这3 个不同孔位最大水平主应力方向有一定的变化，但随深度的变化比较小，而以近S—N向为主。此与初设阶段水压致裂法的测试成果（表9.3.3）基本一致。

至此，根据采用上述两种不同的测试方法获得的成果，把2号输水系统下平段区域地应力场的基本特征归纳为如下方面。

图9.3.8　应1 应3 孔最大水平主应力方向随埋深变化

1）地应力是空间和时间的复杂函数。无论是从平面上还是从剖面上，不同测点处测得的地应力的大小和方向均有所变化。由此表明，地应力在空间上的变化，从小范围来看是明显的（尽管就区域整体而言，其变化一般不大）。显然，在其一经形成之后随时间也将发生演变，但这种变化一般是相对缓慢的。因而认为，区内地应力场是一个具有相对稳定性的各向异性的应力场。

2）位于自重应力场内的垂直应力与自重应力相当，但位于卸荷带内的垂直应力、水平主应力显著大于自重应力。已有的研究表明，在中高山峡谷区山体中存在两个应力分带：卸荷应力带和自重应力带。此可以某部位（如测点）距相邻峡谷的水平距离（s）与其上覆岩层的减薄厚度（Δh）之比值来判定：即当（s/Δh）＜1.0，测点位于卸荷应力带；而当（s/Δh）＞1.0，测点则位于自重应力带。由此得出，区内测点应3 孔位于卸荷应力带，应1 孔位于自重应力带，而应2孔则位于上述两个应力带之间的过渡带。上述中，Δh 在数值上为研究区最古老一级夷平面与实际岩坡高程之差。

3）最大主应力方向呈近E～W 向，最大水平主应力呈近S～N向，但最小主应力方向在不同测点间无明显趋势性。此与区域地应力场是不相一致的。在区域地应力场中，最大主应力方向呈NW～SE向。