（水力学及河流动力学专业论文）岩体水力劈裂实验及计算模拟方法研究.pdf

摘要 岩体水力劈裂是裂隙岩体渗流一应力耦合的一个方面，它主要反映的是在渗 透水压力的作用下，岩体的力学响应及结构变化。随着社会的发展，水利工程建 设、油气开采、地下核废料储存、地热开采等越来越多的岩土工程都处于高水头、 大埋深的复杂水文地质条件下，使得岩体水力劈裂受到越来越多的关注。由于岩 体水力劈裂的复杂性，至今人们对水力劈裂的发生机理、发生条件、发展过程以 及判别方法等问题仍没有很好地解决。本文以实验研究为基础，数值模拟为手段， 采用室内实验与数值模拟相结合的研究方法，对岩体水力劈裂问题进行了研究， 并将研究成果应用于实际工程问题的分析中。本文主要从事研究的内容与取得的 成果如下： ( 1 ) 综述了国内外对岩体水力劈裂方面的研究成果与主要发展方向，在此 基础上提出了本文重点研究的问题。借鉴前人的研究思想和研究方法，本文最终 确立了以实验研究为基础，结合理论分析的研究思路。 ( 2 ) 开展水力劈裂实验试样的设计，并进行了水泥砂浆的材料力学特性参 数测定试验，着重测试了设计配合比下的水泥砂浆的抗压强度、抗拉强度、弹性 模量、泊松比以及应力应变曲线，为水泥砂浆的水力劈裂试验的试样材料力学 特性描述提供了的依据。 ( 3 ) 以水泥砂浆作为岩石的相似材料，进行了水力劈裂实验方法设计。针 对厚壁圆筒试件进行了9 组近3 0 个试样的水力劈裂试验研究。通过对试验成果 分析，寻找水力劈裂的破坏形式、水力劈裂临界内孔水压力与试件破坏时应力状 态之间的关系，重点探讨了渗透孔隙水压力对劈裂的影响机理，并总结提出了半 经验关系。初步分析了实验围压条件、试件内径、加载路径对水力劈裂的影响。 ( 4 ) 引进虚拟接触面单元作为预留的可能发生劈裂的单元，基于弹脆性力 学理论，研制了相应的不变网格水力劈裂开裂过程模拟算法，开发了三维岩体水 力劈裂有限元计算分析程序。通过对试验结果与数值模拟结果的比较，验证了计 算模型和算法的正确性。 ( 5 ) 将上述的研究成果应用于乌龙山抽水蓄能电站的引水隧洞衬砌水力劈 裂计算分析研究中。通过计算分析，对该引水隧洞工程在高水头作用下的安全和 稳定性作出了评价，并提出了适当的建议，为工程的设计和施工提供参考依据。 ( 6 ) 总结了本文尚未解决的问题，提出了展望。 关键词：岩体、水力劈裂、试验研究、数值模拟、虚拟接触面单元、有限元法 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i ct i a c t u 一“go fr o c km a s si so n ee m b r a n c h m e n to f 恤e 矗s s u r e dm c km a s ss e e p a g e s t r e s s c o u p l i n gr e s e a r c h t h en u c l e u so fh y d r a u l i cf h c t i l r i n gi sm e c h a n i c a le f r e c ta n ds t r u c t u r a ic h a n g eo fm c k m a s su n d e r h i 曲w a 【e rp r e s s u r ea c t i 伽a l o n gw i mt h ed e v e l 叩m e mo f s o c i e 吼m o r ea n dm o r eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gs u c ha sc o n s t 九l c t i o no f h y d m p o w e rp r o j e c t ，e x p l o i t a t i o no fo i la n dg a s ，d e p o s i t i o no fn u c i e a r w a s t e ，d e v e l o p m e n to ft e r r e s 砸a lh e a ta n ds oo ni s i nt h eh i g hh y d r a u l i ch e a d a n dd e e pe m b e d d e d g e o h y d m l o g i c a lc o n d i t i o n ，s ot h a tt h eh y d m u l i cf h c t u r i n go fm c km a s si sp a i dm o r ea n dm o r ea n e n t i o n s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft 圭1 e h y d r a u l i c 疗a c t u r i n go fr o c km a s s ，u pt on ow t h em e c h a n i s m ，t h e c o n d i t i o n ，t h ed e v e l 叩m e n ta n dt h ec r i t e r i o nt ot h ej u 电i n go fh y d r a u i i cf r a c t u r i n ga r es t n o tm a n j f e s t t h i sp 印e rs t u d j e st h eh y d r a u l i cf h c t l l n go f r o c km a s sw i t he x p e r i m e n ta n dn u m e n ca 1s i m u l a t i o n a n dt h e r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r e 印p l i e dt ot h ea n a l y s i so f r e a lp r o j e c t t h em a i na s p e c t sa n da c h i e v e m e n t so f t h i s t h e s i sa r es u m m a r j z e da sf b o w s ： ( 1 ) t h er e l a t e di n f o 肌a t i o na i l dc u n n tr e s e a r c hd e v e l o p m e n ta b o u t h y d r a u l i cf h c t u r i n go f r o c km a s s a r es u m m a r i z e da n ds t l l d i e d ，m e nb a s e di t ，r e s e a r c ht a | g e ta r eb r o u g h tu p t h et h o u g h t w a y sa n dm e t h o d so f o t h e rm a na r eu s e df o rr e f e r e n c e ，t h er e s e a r c hm e m o di se s 协b l i s h e dw i t l le x d e r i m e n ta n da c a d e m i ca n a i v s e ( 2 ) t h es a m p i e sf o re x p e m e n to f h y d r a u l i c 如c t u d n go f r o c ka r ed e s i g n e d b yt h em e a s u r e m e n ii e s t a b o u tm a t e r i a lm e c h 册i c sp 黝e t e ro ft h ec e m e mm o r t a r ，c o m p r e s s i v es t r e n 磬h ，t e n s i l es t r e n g t l l ，e l a s t i c m o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i oa n ds t r e s s s t r a i nd j a g r a mo ft h ec e m e n tm o n a ra r eo b t a i n e d ，w h i c hp r d v i d et h e b a s i so f t h ec h a m c t e z a t i o no f t h et e s ts a m p l eu s e di nh y d r a u l i cf h c t u r i n gt e s t ( 3 ) t h em e t h o do fh y d r a u l i c 舶咖一n ge x p e n m e n ti sd e c j d e dw i t hr o c km a s ss u b s t i t u t e db yc e m e n t m o r t a lh y d r a u l i cf b c t u r i n gt e s t so f t h i c k - w a l lc y l i n d e rs a m p l ea r ep e r f b r m e dw j t ht h ek i n do f e x p e r i m e n t s i sn i n ea n dt h en u m b e ro f s 锄p l ei sa b o u tt ot h i r 咄t h ef a i l u r ef o r mo f t l l es a l l lp l e ，t h er e l a t i o n sh j pb e t w e e n p r e s s u r ec o n d u c i n gh y d r a u l i c 丘a c t u n n ga n ds 订e s ss t a 把o ft h es a m p l ea n dt h ej n 们u e n c eo fp o r ew a t e r p r e s s u r e ，c o n n n i n gp r e s s u r e ，i n s i d ed i a t l l e t e ro ft h es 枷p l ea n dl o a d i n gc o u r s et oh y d r a u l i cf h c t u r i n ga r e o b t a i n e db ya n a l y z e dt h et e s tr e s u l t s ( 4 ) t h ep r e s e m n gc r a c ke l e m e n t sa r ep r e s e n t e db yi n t r o d u c e dt h ed u m m yc o n t a c ts u 订h c ee l e m e n t b a s e d0 nt h e 血e o r yo fe l a s t j cb r m l em e c h a n i c s ，an 砌e r i c a ls i m u l a t i o nm e 锄so fi n v a r i a b l em e s h 柚da f i n i t ee l e m e n tp r 0 粤a mu s e dt oc a l c u l a t e3 dh y d r a u l i c 舳c m r i n go f r o c km a s sa r ew o r k e do u t i ti ss h o w e d m a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e la 1 1 dt h ep r o g r a mi nt h i st h e s i sa r ec o 兀c t e dt h r o u g ht h ec o m p a n s o n0 fi h et e s t t e s u i t sa n ds j m u l a t i o ni 弓s u l t s ( 5 ) t h ea b o v em e n t i o n e dr e s e a r c ha c h j e v e m e n t sa r ea p p l i e dt oh y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n a l y s i so f l l n e ro f w a t 盯t u n n e l i np u m p e d - s t o r a g eh y d r o p i a n ta tb l a c kd r a g o nm o u m a i n t h ea p p r a i s e m e n ta b o u tt h es e c u r i t y a n ds 协b i l “ya n dt h es u g g e s t i o no f t h ew a t e rt i l 眦e la r eb m u g i l tu p ，w h i c hp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rd e v i s e a n dc o n s 订u c t i o no f t h i se n g i n e e r i n g ( 6 ) a i m e da tt h es h o r t a g e so f t h es t u d yi nt h i st h e s i s ，q u e s t i o nw a sp o i n t e do u ta n dp m s p e c t e d k e y w o r d s ：r o c km a s s ，h y d r a u l i cf h c t u r i n e x p e r i m e n t a ls t u d mn u m e c a ls i m u l a t i o n ，d u m m y c o n t a c ts u r f k ee l e m e n t f e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： 一荔蓬二一2 0 0 6 年名月知日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部 或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 红 2 0 0 6 年“月一日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 岩石经过了漫长的成岩和改造过程，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、空隙 以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了储存和运移的场所。地 下水的渗流以渗流应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的 改变往往使裂隙产生变形或产生新的裂纹，影响岩体的渗透性能，所以渗流场随着 岩体渗透性的变化而重新分布，这种相互影响称为岩体渗流一应力耦合。目前，国 内外许多学者都致力于渗流一应力耦合问题的研究，并取得了许多很有价值的研究 成果。 针对不同的工程背景，岩体渗流一应力耦合研究包括以下两个方面i l 】：一是固 体( 岩体) 在应力作用下的变形对流体渗流( 裂隙流流态、水头场) 的影响，研究 重点偏重于流体力学( 流场) ；二是在水渗流( 流速、水压力) 作用下，固体骨架( 岩 体) 的力学反应( 包括岩体的变形、破坏、稳定性等) ，研究重点偏向于固体力学( 应 力场、变形场) 。目前，国内外学者对前者的研究较多p “，相对而言对后者的研究 比较少 1 1 1 4 】，而且面临的问题较多，研究还不能满足工程需要。 岩体水力劈裂是岩体渗流一应力耦合研究的一个方面，它是指岩体在水压作用 下微裂纹的萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破坏等物理现象的 统称【1 5 】。它反应了渗透水压力对岩体结构作用的影响。1 9 5 9 年1 2 月2 日，法国 m a l d a s s e t 拱坝在初次储水时即发生了全坝溃决，这是典型的水力劈裂作用所造成的 工程事故例子。人们开始认识到从基础理论和工程应用两方面研究水力劈裂作用的 重要性。据统计，9 0 以上的岩石边坡破坏与地下水渗透力有关，6 0 的矿井事故 与地下水作用有关，3 0 4 0 的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的【。因此， 岩体的水力劈裂问题越来越引起人们的重视。 另外，水力劈裂作用在给岩体工程的稳定性带来危害的同时，也有其有利的一 面。在石油工业中，人们用水力劈裂来增加含油层裂缝的数量和裂缝的开度，加速 石油出渗，提高石油的单井产能。随着人们对新型清洁能源需求的增加，地热开发 引起了人们的兴趣。地热开发工艺中的地下造缝一般用水力劈裂的方法，注入高压 水将岩体破坏，造成连通裂缝。裂缝的方向及规格就成为人们关心的对象。 如今，随着国民经济的飞速发展，隧洞工程和土木工程的规模日益增大，工程 岩体在渗流和应力相互作用下的动态平衡体系中的变形、损伤破坏及稳定性是许多 工程学科面临的共同问题。在地下水抽取、油气开采、水库诱发地震、地表沉降、 河海大学硕士学位论文 地下核废料储存等都涉及到岩体的水力劈裂问题。国内外许多学者都致力于岩体水 力劈裂问题的研究，并且提出了多种理论分析和数值模拟的模型。但由于设备所限， 目前岩体水力劈裂的实验研究开展的还很不够，对岩体水力劈裂的机理还不是很清 楚。如果仅有理论研究而没有足够的实验数据去验证显然是不够的，所以开展岩体 水力劈裂的实验研究，并通过实验验证、研究岩体水力劈裂的数值计算模型具有十 分重要的理论意义和工程价值。 1 2 岩体水力劈裂研究综述 水力劈裂( h y 血“i cf m 咖血g ) 理论、技术及分析方法是在石油工业5 0 多年 调查的基础上随石油、天然气的开发而发展起来的。自1 9 4 7 年水力劈裂在美国首次 实验成功后，作为油气井的增产主要技术措旌已经广泛应用于现代石油工业中，在 该领域的研究比较多【1 他3 1 。随后水力劈裂又被用于其他的岩体工程中，其中应用较 早，技术较成熟的是用于地应力测量。我国自1 9 8 0 年1 0 月国家地震局地震地质大 队在河北易县进行了第一次水压致裂法地应力测量试验喜获成功后【2 4 】，许多地应力 测量学者致力于水压致裂问题的研究，研究成果也比较多【2 5 例。水压致裂法地应力 测量的基本假设是：岩石为脆性、线弹性、均质、各向同性及非渗透性的，而且作 用与岩层的一个主应力方向于钻孔轴平行。李白耐3 0 】等研究后认为，上述的水压致 裂测量地应力的方法仅适用于地下5 0 0 m 以内的地应力测量。超过这一深度后，张 性破裂理论就暴露了局限性和不完全性。当深度大于5 0 0 m 时，岩石先发生剪切破 裂，然后才受拉破坏。如今，水力劈裂技术已被广泛应用于地基加固【3 ”、地热开发、 核废料处置【3 2 】等工程领域。 水力劈裂也会经常给岩体工程造成严重的灾害，如地下矿产开采及深埋隧洞工 程中的大量涌水【3 3 】、在地下水作用下岩石高边坡的滑动、高压输水构造物的开裂蚓、 水库坝体开裂等。岩体水力劈裂研究己成为许多工程学科面临的前沿课题。 1 2 1 水力劈裂的破裂准则研究进展 如何判断裂纹的产生及扩展是岩体水力劈裂机理的核心问题，许多学者都致力 于这方面的研究，根据不同的力学理论提出了岩体水力劈裂过程中破裂模式的判断 标准。理论模型主要有两类：一类是弹性力学模型，另一类是断裂力学模型。 1 2 _ 1 1 弹性力学模型 2 很多学者对水力劈裂的力学分析最早是基于弹性力学理论。h u b b e n 和w i l l i s 【”1 第一章绪论 在假定岩石为均质各向同性弹性介质，且不具渗透性的前提下，用弹性理论描述了 水力劈裂前孔壁的应力状态，提出了经典的拉伸破坏破裂压力表达式： p 623 盯m 一盯m + ，r ( 1 1 ) 式中：盯一、盯一分别为原岩应力场中最小、最大水平应力， 为岩石抗拉强度。 该理论显然只考虑了孔壁处切向主应力的作用，而忽略了铅直主应力q 和径 向主应力q 的影响。因此，人们对是否产生剪切破坏给予了极大的重视，实验和分 析结果均表明 3 矾，当所有三个主应力都为压缩状态时，孔壁处也可能发生剪切破坏， 这主要取决于各主应力的相对大小和岩石材料的特性参数。 阳友奎等【3 7 】根据岩石力学中常用的c o u l o i n b 一加l o r 破坏准则，根据两种可能的 主应力组合方式( a 一萨r 与分别为最大、最小主应力；b 一盯v 与分别为最大、 最小主应力) ，给出了可能产生两种剪切破坏的剪切破裂压力为： 小 p m2 曼+ ! ( 3 盯_ 一) n “ ( 1 2 ) 曰：p 船= 卢+ 五( 3 盯血一盯一) ，1 一盯，五 式中： = 盯一一五盯m i n = 2 c c 0 8 妒1 8 缸妒 ( 1 3 ) 旯5 l + s m 缈1 一s m 妒 式中：c 、p 分别为岩石材料的内聚力和内摩擦角。并通过分析得出以下结论： 1 ) 水力劈裂可能由孔壁处的剪切破坏引起，而不总是由拉伸破坏引起； 2 ) 引起剪切破裂的应力状态有两种组合形式； 3 ) 水力劈裂的破坏模式主要取决于地应力场和岩石的物理力学参数。通常情况 下，随着深度的增加，剪切破裂发生的可能性也越大： 4 ) 剪切破裂面亦将在流体压力的作用下发生张性扩展。 周时光等跚通过最大拉应变强度理论，推导出水力劈裂破裂准则： 见= 二( 盯一+ 盯一) 一2 ( 1 一) p 一一盯m ) 卢 ( 1 4 ) 口l 一 一南矿一一而丘 式中：e 、胁s ，分别为岩石材料的弹性模量、泊松比、极限拉应变。当= o 时， 上式即变成了式( 1 1 ) ，所以与拉伸破裂准则相比，该准则考虑了岩石泊松比的影 响，更接近实际情况。 1 2 1 2 断裂力学模型 利用弹性力学理论推导出的破裂准则是在不考虑岩体裂隙的假设下得出的。然 河海大学硕士学位论文 而岩体这类天然介质都含有原生裂隙，尤其在裂隙较发育或有人工裂纹情况下，这 时的水力劈裂导致岩体破坏的问题必须借助于新的力学理论，断裂力学理论的发展 为这类问题的分析注入了新的活力。多年来，国内外学者运用断裂力学理论对岩体 水力劈裂问题的理论研究进行了广泛的研究。 文 3 9 基于线弹性断裂力学理论，认为原地应力场中的水力压裂问题属于i 型裂 纹问题，以裂纹尖端应力强度因子k ，= 世，c 为裂纹扩展的条件，推导出破裂压力只 的表达式： = 赢 等+ 。们一只邝) n s ， 式中：世。为断裂韧度，口为钻孔半径，冬只为原地应力水平应力， ( 啊j l l 7 ( f ) 、 g ( 吼，( d 为裂纹长度，的函数。 文【3 3 】和文 4 0 】结合有效应力原理研究了水力劈裂对裂纹扩展的力学机制。指出 当裂纹的法向应力为拉应力时，裂纹扩展问题属于i i i 型复合型裂纹问题：当裂纹 的法向应力为压应力时，裂纹扩展问题属于纯i i 型裂纹问题，并分别推导出了发生 水力劈裂时的临界水压力： ：盟一盟c o s 2 卢+ 华血2 + 磐 zzz 吖，z n 只= ! 学一! 孚c o s 2 + 里孚s i n 2 卢 ( 1 - 6 ) 一击睫+ 孚蛐川t a n p l 翮 2 j 式中：卢为裂纹长轴方向与最大主应力盯之间的夹角，妒为裂纹面上的内摩擦角。 但是，利用断裂力学分析岩体水力劈裂破坏机理时，也有其缺点：( 1 ) 经典断 裂力学理论( 包括弹塑性断裂力学) 研究处于均质和各向同性体中的单个裂纹的断 裂特性，而实际上岩体表现为突出的非均匀性和非连续性，并且往往其中存在许多 条裂纹，裂纹扩展会出现分支或者相互交叉，这样线弹性断裂力学的某些概念就不 再适用了；( 2 ) 断裂力学认为，裂纹一经开裂就立即失稳扩展，但是扩展过程的状 态及其扩展路径如何，现在的断裂理论都无法对此做出有效的描述。 对于岩体水力劈裂研究而言，岩体劈裂的机理是_ 个核心问题。但是显然目前 研究处于起步阶段。岩体水力劈裂机理的研究要最终为工程服务，应该研究基于水 与岩体耦合和岩体基本结构基础上的力学反应的机理。近年来，细观损伤力掣4 1 1 的 发展对为进一步研究岩体水力劈裂的机理提供了更准确的理论。 4 第一章绪论 1 2 2 岩体水力劈裂的实验研究现状 实验研究是岩体水力劈裂机理研究的一个有效、直观的方法，自从水力劈裂试 验在美国首次成功后，许多学者进行了岩体水力劈裂的实验研究。h l l b b e r t 和w i l l i s 【3 5 】 经过现场试验研究，对岩体钻孔水力劈裂压力问题作了详尽描述。他们认为无论液 体能否渗入岩体，开裂面总是垂直于小主应力方向。对于不同的地质构造，地表岩 层中小主应力可能是水平的，也可能是垂直的。 h a i l n s o n 4 2 】对岩石进行钻孔水力劈裂试验，他认为小主应力方向正交于孑l 轴的 不透水岩体，引起水力劈裂的压力等于岩石抗拉强度与两倍小主应力之和： = 2 盯i + h i ( 1 7 ) 式中：蜥为造成水力劈裂的液体压力，盯。为岩体的最小主应力，q 为岩体抗拉强 度。他还指出透水性岩体造成水力劈裂的压力“，+ 总是小于不透水岩体而大于小主 应力： b ”扩 盯一 ( 1 8 ) b l a i r 柚d1 1 1 0 r d ec ta 1 【4 3 】在石膏水泥基质中预埋砂岩块，并在相应距离处预留压 裂管。在压裂管与砂岩块体之间设置钨丝网格，用来指示裂纹的扩展位置。将试块 放在真三轴的力学环境中，环境压力保持恒定，通过对压裂管加压，研究了水压致 裂过程中在石膏水泥基质以及石膏水泥与砂岩块体界面上裂纹的萌生和扩展。实验 完成后，剖开试块观察裂纹的形态，压裂液用油，剖开试块后可以清楚的观察到液 体的渗透范围。试验得到了劈裂过程中“压力一时间”关系曲线，并通过数值方法 模拟试验结果，数值模拟与实验数据拟合很好。 i ( j 血如da b 髂s 【舭】在石膏长方体试块上进行了室内真三轴水力劈裂试验。在第 二、第三主应力平面内，与第三主应力成不同角度布置五个方向的压水孔，研究主 应力方向对劈裂方向的影响。试验压裂液用红色油液，试件完成后，将试件切片， 观察裂缝的发育状况。试验设计了两种注油流速( 8 m p 折n - m 、2 强仰“m i l l ) ，研究裂 缝的起始压力和扩展情况。文中给出了随偏转角的变化各个试件内裂缝的起始压力 和扩展压力的变化趋势图，并得出以下结论： ( 1 ) 不同偏转角的注水孔产生相似的裂缝起始和扩展状态； ( 2 ) 高注射率同时产生多条裂缝，而低注射率可以避免产生多条裂缝； ( 3 ) 试件产生垂直于最小主应力方向的多条裂缝；大多数的小裂缝从注射孔开 始开裂，但不相交。 试件中采用倾斜钻孔的方法，在孔内加载水压力，就必然导致材料内部状态方 向的改变，这将很难研究单个应力改变对劈裂的影响。虽然得到了一些有意义的结 论，但还不能上升到“定量”研究的高度。 河海大学硕士学位论文 国内关于岩体水力劈裂的实验研究相对较少，早期主要是在油气井开采和地应 力测量领域开展研究。高龙生等【4 5 】用中心带孔的立方体大理石试件来模拟水压致裂 测量的钻井。在轴压和侧压稳定为一常压后，匀速向中心孔内泵入高压水，直至岩 样至中心孔压裂。实验通过设计不同的侧压比来分析最大、最小水平主应力比与破 裂压裂的关系。文中给出了孔内水压随时间变化的关系曲线，通过观察破坏后的试 件，得出压裂裂缝的扩展方向垂直与最小水平主应力方向。并利用式( 1 一1 ) 计算 出破裂压裂的理论值，通过理论值与实验值的比较得出，当实际最大水平主应力大 于最小水平主应力的2 倍时，理论值与实验值偏差很大，测得结果将不反映实际应 力值。但由于设备所限，该实验并不能分析这种偏差的产生原因。 文【4 6 】利用厚壁圆筒岩样，通过对试件施加不同的围压及轴向压力来研究岩样 的破坏模式及破裂压力与围压、轴向压力的关系，并得出以下结论： ( 1 ) 只要存在足够大的拉应力，脆性岩体就表现为拉破坏特性，即在垂直于拉 应力方向出现破裂面； ( 2 ) 在孔压致裂的条件下，引起岩体破裂的拉应力随轴压的增加而减小； ( 3 ) 在孔压三轴条件下，引起岩石破裂的拉应力随围压的增加而线性增加； ( 4 ) 用孔压致裂法确定的岩石抗拉强度值比岩体的直接抗拉强度值明显高。 文 4 7 分别对干厚壁圆筒岩样和饱和厚壁圆筒岩样进行了不同围压下的水力劈 裂试验，并通过应变片测量试件水力劈裂过程中的轴向和周向应变，利用声发射研 究水力劈裂的破坏模式。根据试验结果得出以下结论： ( 1 ) 无论是饱水样还是干样，从试件破裂后的宏观形态看，在孔压作用下岩样 大多数呈张性破裂； ( 2 ) 同一孔压应力水平下，饱水样的应变比干样大；破裂时干样是突然的，饱 水样具有变形滞后现象，而且产生较大的塑性变形； ( 3 ) 岩样饱水后，不但致裂强度降低，而且刚性度也有明显降低； ( 4 ) 随着围压的增加，缓延了水力劈裂过程，同样饱水作用也会缓延劈裂过程。 文【6 2 】对7 种岩石的厚壁圆筒试件进行不同围压下的水压致裂试验，并用弹性 力学厚壁圆筒公式对试验结果进行了分析。分析结果表明： ( 1 ) 致裂瞬间试件内壁环向应力随围压的增加而减小，并由低围压时的拉应力 逐渐过渡为高围压时的压应力； ( 2 ) 致裂瞬间试件内壁环向应变始终为拉应变，并先随围压的增加而增加，当 围压超过某一特征值后，内壁环向应变随围压的增大也有所减小； ( 3 ) 在三向受压的应力状态下，岩体会出现张性破裂。 文中试件在高围压情况下，其内壁环向应力为压应力而试件却在垂直与环向面 上发生拉伸破坏，可能是在试件应力状态分析时没有考虑渗透孔隙水压力的作用所 6 第一章绪论 造成的。 石油大学陈勉等人【4 8 】采用一个大尺寸真三轴模拟系统模拟地层条件，对天然和 人工立方体岩样进行水力劈裂破坏试验。该系统能够检测裂缝扩展的实际过程。主 要讨论了地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水力劈裂的影响。试验中对 裂缝的检测是采用声发射方法，能够实时检测声波速度的变化，这种变化只能说明 裂缝扩展，不能说明裂缝扩展的具体位置，也不能显示裂纹的扩展方向，对水力劈 裂的影响也只能定性的说明，而不能达到定量的程度。 从收集到的资料可以看出，水力劈裂的影响因素是复杂的。由于受加载设备、 水封、测试仪器等条件的限制，室内岩体水力劈裂的实验研究开展的还较少，致使 到目前为止尚没能系统地将水力劈裂机理和影响因素全面的表述清楚，尤其是岩体 的水力劈裂问题。目前，已有学者应用c t 扫描技术研究岩体开裂破坏过程并取得 了一定的成果【4 9 】，这为岩体水力劈裂的实验研究提供了更先进的测试仪器，但如何 将得到的c t 数据与真实裂纹扩展和闭合定量的联系起来，还有待于深入研究。 1 2 3 水力劈裂的数值模拟 对于水力劈裂的数值模拟是一个难题，国内外许多学者都致力于数值模拟的研 究，并开发出一些二维、假三维或全三维的数值工具用来模拟水力劈裂 ”】。采用 数值方法研究岩体的水力劈裂问题，关键在于如何跟踪裂纹的发展。目前，可用于 分析岩体开裂的方法有多种。仅从处理裂纹的技术角度可分为连续变形数值方法和 非连续变形数值方法两类。 连续变形数值方法有有限单元法、边界元法等。其中有限单元法是较为成熟且 广为应用的数值方法，其根据在计算分析中网格是否调整可分为不变网格法和变网 格法。不变网格法中常用的方法是在整个分析过程中网格保持不变，根据裂纹的发 展方向和区域大小而改变材料的力学参判躺5 1 。如z p b a z a i l t 5 q 提出的钝裂纹带模 型，其主要思路是：随着裂纹的形成、发展，材料的力学参数随之发生改变，由此 可假定产生裂纹后，在垂直于裂纹面方向的弹性模量为零，但在平行与裂纹面方向 仍保留非零的弹性模量。该模型基于材料为脆弹性体，而后经不断发展，考虑材料 的弹塑性及软化特性后认为，裂纹是在一个带内形成、扩展，带外区域则保持均匀 各向同性，且无能量耗散，出现裂纹后沿开裂面仍有一定的抗剪能力。该方法的最 大特点是，随着裂纹的发展不必修改计算网格，只需改变单元的力学参数，便于程 序实现。但该方法是从材料开裂后的力学特性改变出发，模拟开裂对位移场、应力 场、水头场的影响是可行的，却不能得到裂纹的张开位移，从而无法了解裂纹内的 水流运动，同样该方法的计算结果受网格尺寸的影响。变网格法中的一种是随着裂 河海大学硕士学位论文 纹的扩展，根据裂纹所在的位置，将原有的有限元网格不断重新剖分；另一种是根 据张拉破坏单元近似模拟裂纹的扩展。以已有的有限单元法分析网格为基础，通过 在破坏单元与破坏单元相邻的单元之间插入接触面单元实现裂纹跟踪的适用技术 【5 3 】。从所查阅的文献看，该类方法还只有二维模拟的成果报道。变网格法的优点是 不需要修改已有的有限元程序。其不足之处也是很突出的，每一步分析前后数据处 理量大，每增加一个破坏单元，单元总数与节点总数均发生改变。且存在网格重组 及网格优化方面的困难。当采用在原有网格基础上直接插入接触面单元和分离的节 点时，将导致整体网格带宽过大，使得算题规模受到过大限制，难以应用到大型实 际工程问题的研究中。 非连续变形数值方法包括流形元法和无单元法【57 】等。流形元法是以数学流形为 基础来计算结构体的位移和变形。它的最大优点是统一了连续与不连续变形，但该 方法目前仅应用于平面问题。无单元法是近年来发展和流行起来的一种全新的数值 计算方法，它的基本思想是，采用滑动最小二乘法产生的光滑函数、近似场函数和 计算形函数，将区域积分转化为对结点积分乘以总区域中由此结点占有的小片作为 该结点的权，从而实现真正的无单元。该方法的最大特点是形函数及形函数的偏导 数仅与结点坐标有关，摆脱了单元的限制，它的这种特点相对于以单元为基础的其 他计算方法有一定的优势，但它的程序复杂，且目前仅应用于平面问题。如何将如 此先进的数值分析模型与裂纹水流模型很好的结合起来，还有许多问题需要研究【5 ”。 1 3 本文的研究意义 岩体水力劈裂是裂隙岩体渗流一应力耦合的一个方面，它主要反映的是在渗透 水压力的作用下，岩体的力学响应及结构变化。它是许多工程学科和领域( 水电工 程、采矿工程、基础建设工程、煤层底板突水、瓦斯突出、核废料地下处置、地下 污染物运移) 所面临的前沿课题。研究岩体水力劈裂具有以下几方面的意义： 1 通过对岩体水力劈裂的研究，了解岩体裂隙中由于渗透水的存在及在渗 透水压力作用下，岩体本身的材料性质( 如岩体粘结强度和内摩擦角) 的变化，岩 体的破坏强度、破坏形式有何不同，进一步推进和发展天然岩体的破坏理论。 2 通过对岩体水力劈裂的研究，了解岩体中裂纹萌发、扩展及贯通的过程， 在水头场与应力场联合作用下岩体的力学和结构响应，能够为工程建设提供新的技 术方法。包括为油井增产，地应力测量等利用水力劈裂的工程项目提供新的技术方 法。 3 通过对岩体水力劈裂的研究，可以为水工压力隧洞的稳定性、矿井突水 的预防及事故发生后如何采取及时、有效、经济的治理措施提供理论基础，同时还 第一章绪论 可以应用到地下核废料的安全储存、地下污染物质的迁移、火成岩的侵入过程研究 等领域。 总之，开展岩体水力劈裂机理及模拟分析技术的研究，不仅可以扩展岩体渗流 一应力耦合研究的深度和广度，完善岩石力学的基本原理，具有重要的理论意义， 而且可以为现行工程问题的解决提供帮助，能够为工程建设服务，具有广阔的应用 前景和实用价值，更是许多工程学科的基础性理论研究课题。 1 4 本文研究的主要内容 岩体水力劈裂的研究已经取得了一定的进展，前人己从理论分析、试验研究、 数值模拟等方面对岩体的水力劈裂问题进行了大量的研究，对其发生机理、发生条 件、判别标准和发展过程等认识也在逐步加深，尤其是对一些能严格控制边界条件 的试验研究，使得理论分析和试验方法能有效的结合起来。但是，由于岩体结构及 岩体水力劈裂过程的复杂性，目前的研究成果几乎均不能很好的运用于工程的设计 和施工中，而且确实也存在一些问题。如在岩体水力劈裂实验研究分析中，往往基 于岩体为不透水介质，忽略了渗透孔隙水压力对水力劈裂的加剧作用，这与实际是 不相吻合的。对于某些典型问题，如圆筒模型水力劈裂实验，甚至无法从根本上解 释岩体水力劈裂的破坏机理。另外，在岩体水力劈裂数值模拟方面，在变网格法中， 当采用在原有网格基础上直接插入接触面单元和分离的节点时，将导致整体网格带 宽过大，导致算题规模受到过大限制，难以应用到大型实际工程问题的研究中，且 从所查阅的文献看，该类方法还只有二维模拟的成果报道等。本文在前人对岩体水 力劈裂的研究基础上，着重开展了岩体水力劈裂的试验研究，通过对试验数据的分 析，深入探讨了在渗透孔隙水压力作用下，岩体水力劈裂的发生条件，揭示其发生 机理。同时，在数值模拟方面，通过在原有的有限元网格基础上，在可能发生水力 劈裂的区域预先设置虚拟接触面单元，来模拟水力劈裂过程中裂缝的扩展问题。虚 拟接触面单元在没有发生破坏时，为了不改变原有结构的应力场和位移场，使得接 触面两侧的相对位移差趋于零，接触面单元的劲度系数在法向和切向上都取大值 ( k s 、k t 、k n 一般取1 0 8 k 曲n 3 ) 。当某接触面单元发生水力劈裂破坏，该虚拟接触面 单元就不参加下一步的计算，同时在该接触面单元的两片接触面上施加法向面力， 大小与内水压力相同，以此来模拟裂缝扩展过程中内水压力作用在裂缝表面的效应。 这种模拟方法即可以避免裂缝的扩展过程中网格的重新剖分或重组，又很容易模拟 水力劈裂过程中裂缝的扩展过程。并考虑开裂后水压力作用，同时不会产生整体网 格带宽过大，算题规模受限制的困难。最后将上述研究成果应用于实际大型工程问 题的分析中。本文的主要研究工作如下： 9 河海大学硕士学位论文 1 回顾和总结了国内外对岩体水力劈裂研究的现状，比较系统地阐述了前人 关于岩体水力劈裂的理论、试验以及数值模拟等研究的成果，分析比较了它们之间 的优缺点，明确了本文研究的方向和目标。 2 利用河海大学材料实验室的仪器，进行了水泥砂浆的材料力学参数测定试 验，得到了设计配合比下的水泥砂浆的抗压强度l 、抗拉强度 、弹性模量e 、泊 松比以及应力应变曲线，为水泥砂浆的水力劈裂试验的试样材料力学特性描述 提供了的依据。 3 利用河海大学渗流实验室设计开发、成都伺服液压设备有限公司制造的“超 高压( 多路控制) 大流量渗流仪及渗流一应力耦合系统”，以水泥砂浆作为岩石的相 似材料，选用厚壁圆筒试件进行水力劈裂试验研究，通过对试验成果分析，寻找水 力劈裂的破坏形式、水力劈裂压力与破坏时试件应力状态之间的关系以及渗透孔隙 水压力、围压、试件内径、加载路径等对水力劈裂的影响。 4 引进虚拟接触面单元作为预留的虚拟裂缝单元，开展水力劈裂开裂及开裂 过程中水压力作用模拟技术研究。基于弹脆性力学理论，研制相应的算法，开发三 维岩体水力劈裂有限元计算程序。通过对试验结果与数值模拟结果的比较，验证计 算模型的正确性。 5 将上述的研究成果应用于乌龙山抽水蓄能电站的引水隧洞衬砌水力劈裂计 算分析研究中。通过计算分析，对该引水隧洞工程在高水头作用下的安全和稳定性 作出了评价，并提出了适当的建议，为工程的设计和施工提供参考依据。 6 最后，在总结本文所做的工作的基础上，指出了本文的不足之处及有待进 一步研究的问题，提出了展望。 1 0 第二章试件的制各与材料力学参数测定试验 第二章试件的制备与材料力学参数测定试验 利用原岩制作规则的试件比较困难，在实验研究中通常采用相似材料代替岩石。 本章详细介绍了相似材料的选取要求、试件的设计和制作过程，并介绍了材料的力 学参数测定试验的具体步骤，通过对试验数据的分析，得到了材料的抗压强度正、 抗拉强度，、弹性模量e 、泊松比及材料的应力应变曲线，为下一章的厚壁筒 水力劈裂实验研究及力学分析作必要的准备。 2 1 试件的制备 2 1 1 相似材料的选取 由于岩石材料在原地层中的性质与取出的干扰岩石的性质差别很大，且制成规 定形状的试件比较困难，所以在实验研究时，通常采用相似材料来代替岩石。 2 1 1 1 对相似材料的基本要求 1 主要力学性质与模拟的岩层或结构相似。如：模拟破坏过程时应使相似材料 的单向抗压与抗拉强度相似于原型材料。 2 试验过程中材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响。 3 改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条件的需要。 4 制作方便，凝固时间短。 5 成本低，来源丰富。 2 1 1 2 相似材料的分类 相似材料通常有几种材料配制而成。组成相似材料的原材料通常分为两类： 1 骨料：主要有砂、尾砂、粘土、铁粉、铅丹、重晶石粉、铝粉、云母粉、软 木屑、聚苯乙烯颗粒、硅藻土等。 2 胶结材料：主要有石膏、水泥、石灰、水玻璃、碳酸钙、石蜡、树脂等。 河海大学硕士学位论文 2 1 1 3 骨料的主要技术特征与用途 1 砂子：应采用d = o 2 1 o 1 2 m m 的纯净细砂。 2 粘土：宜采用比重大于2 6 锄3 的纯粘土，用前先干燥磨碎，并用d - 0 3 5 m m 的筛子筛分。 3 云母粉：比重2 7 k 锄3 作骨料以采用d _ o 3 0 5 i n l 的细云母。 4 铁粉、重晶石粉、铅丹( p b 3 0 4 ) 、磁铁矿粉等，属于重骨料，用来增大相似 材料的容重。 5 软木屑、炉渣、浮石等，属于轻骨料，用来减少材料的容重。 6 软木屑、砂