水力劈裂
劈裂注浆
一、劈裂灌浆的加固原理和特点堤体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。
水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物，为梯形断面，由于受多种自然因素的影响，常出现一些不稳定现象。
如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液，加上浆液自重因素，使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕，则可达到消险固堤的作用。
这种施工过程我们称之为劈裂灌浆。
劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛地运用。
但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。
二、工程简介秋风岭水库位于广东省潮阳市西南部的两英镇境内，距市区36公里，距324国道约7.5公里，属练江支流的秋风水系。
坝址以上集雨面积105.1平方公里，总库容6903万m3。
水库兼顾防洪、灌溉、供水、发电等效益，是潮阳市库容最大的一宗水库。
秋风岭水库主坝总长为1650米，为广东省最长的大坝之一，坝体平均高度约20米。
坝体建于20世纪50年代末期，主要依靠人工挑土筑坝，因此施工质量存在一定的问题，且经过多年的水压作用，坝体部分已出现险情，渗水现象较严重，对坝体的加固已刻不容缓。
坝体的劈裂灌浆工程量约为11127.2m，采用单排布孔，孔距4.0m，劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线，位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5m。
劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接。
水库主要挡水建筑物为均质土坝，坝顶高程48.0m，坝顶宽度7.0m，坝顶长1650m，根据地层地质资料，从上而下为：第一，人工回填土，为花岗岩风化土，局部为岩脉风化粘性土及粉质粘土。
主坝上部10m段渗透性较强，中下部土质较密实，渗透性较弱。
第二，花岗岩全风化土，透水性较弱。
承压水基坑突涌的水力劈裂-2019年文档
承压水基坑突涌的水力劈裂：Burst is one of the main disasters in thefoundationpit engineering. However ， the current methods for analyzing burst stability of the foundation pit on confined water could not reflect the failure mechanism. Accordingto mechanism of hydro-fracturing coupling should beconsidered when burst is studied. The coupling model for the foundation pit burst in hydro-fracturing process is established based on Biot's consolidation theory ， and the dynamic evolution of soils permeability and mechanical characteristic are considered.The possibility of burst is explored by analyzing the change of stress field and seepage field during the excavation process. The results show that burst begins intension failure in aquiclude of foundation base the periphery of foundation base is where more likely burstoccurs ； hydro-fracturing caused by water wedge effect of crack ) provides the channel for burst and a confined bed with high pore water pressure is the precondition for burst ， but high hydraulic gradient is the root cause for burst.突涌是基坑开挖过程中常见的地质灾害之一。
发电引水隧洞水力劈裂试验初步研究
发电引水隧洞水力劈裂试验初步研究【内容摘要】本文详细论述了加蓬大布巴哈水电站引水隧洞水力劈裂试验的原理、试验设备、试验过程，并对最终得出的数据进行统计分析，评价引水隧洞在高压水头作用下裂隙张开的可能性及张开后岩体裂隙渗透特性，从而指导引水隧洞衬砌设计，优化钢衬段长度。
【关键词】：引水隧洞水力劈裂试验原理设备方法成果分析评判1.工程概况加蓬大布巴哈水电站位于加蓬弗朗斯维尔地区(Franceville)奥果韦(Ogooue)河上游流域布巴哈(Poubara)地区。
大布巴哈水电站一期工程装机容量160MW，多年平均发电量9.50 亿Kw.h；电站水库正常蓄水位411.0m，总库容4.5亿m3。
一期工程由挡水建筑物、溢流建筑物、下游放水建筑物、引水建筑物、发电厂房和开关站组成。
挡水建筑物采用中央河床碾压混凝土坝和两岸粘土心墙坝的混合坝型，最大坝高37m。
引水隧洞全长2.2km，圆形，洞径6.5～7.0m，隧洞内水流最大流速5.50m/s。
发电厂房为地面式布置，其中安装4台单机容量为40MW的水轮发电机组。
二期工程是在一期的基础上加高大坝，最大坝高将达到57m，水库正常蓄水位达432.0m。
2.水力劈裂试验原理及其必要性1976年，Bolston Seed对岩体水力劈裂裂(hydraulic fracturing)的定义为，“当作用于岩体某个面上的水压力超过该面上的垂直总压力与岩体抗拉强度之和时，引起岩体中微裂缝的产生与发展，该现象称之为水力劈裂”。
国内黄文熙对岩体水力劈裂定义为“岩体水力劈裂是由于水压的抬高，在岩体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象”。
该定义较前者更具理论性和概括性[1]～[2]。
岩体水力劈裂试验研究是近些年发展起来的，国内研究较少，国外研究相对活跃一些。
水力劈裂试验均是在现场原位进行，一般是在已成孔的钻孔中连续或间隔封闭一定长度试段，向孔内压人一定压力的水流，试段内岩体结构面及其结构体，因水压作用而产生一定程度的张开和位移，或者结构面之间的充填物被冲开，即发生扩容现象，岩体透水率因此增大，从而导致试验中出现压入水量骤增。
劈裂灌浆的加固原理及其施工方法(清楚明了)
劈裂灌浆加固原理及其施工方法一、劈裂灌浆的加固原理和特点堤体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。
水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物，为梯形断面，由于受多种自然因素的影响，常出现一些不稳定现象。
如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液，加上浆液自重因素，使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕，则可达到消险固堤的作用。
这种施工过程我们称之为劈裂灌浆。
劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛地运用。
但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。
二、工程简介秋风岭水库位于广东省潮阳市西南部的两英镇境内，距市区36公里，距324国道约7.5公里，属练江支流的秋风水系。
坝址以上集雨面积105.1平方公里，总库容6903万m3.水库兼顾防洪、灌溉、供水、发电等效益，是潮阳市库容最大的一宗水库。
秋风岭水库主坝总长为1650米，为广东省最长的大坝之一，坝体平均高度约20米。
坝体建于20世纪50年代末期，主要依靠人工挑土筑坝，因此施工质量存在一定的问题，且经过多年的水压作用，坝体部分已出现险情，渗水现象较严重，对坝体的加固已刻不容缓。
坝体的劈裂灌浆工程量约为11127.2m，采用单排布孔，孔距4.0m，劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线，位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5m.劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接。
水库主要挡水建筑物为均质土坝，坝顶高程48.0m，坝顶宽度7.0m，坝顶长1650m，根据地层地质资料，从上而下为：第一，人工回填土，为花岗岩风化土，局部为岩脉风化粘性土及粉质粘土。
主坝上部10m段渗透性较强，中下部土质较密实，渗透性较弱。
第二，花岗岩全风化土，透水性较弱。
水力劈裂
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
11:30 洞口继续向上扩大， 泥水冲蚀了坝基， 主洞的上方又出现 一渗水洞。流出的 泥水开始冲击坝趾 处的设施。
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
11：50左右 洞口扩大加速， 泥水对坝基的冲 蚀更加剧烈。
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
水力劈裂的两种定义调查tenton坝破坏原因的独立小组给水力劈裂下了一个定义水力劈裂是指在高水头压力作用下土体或岩体中裂缝的产生发展并且相互贯通最终形成裂隙的过程
水力劈裂 1.让我们来初步认识一下水力劈裂 最早提出“水力劈裂”概念的是Clark . J . B, 1948年，其将这 一概念应用于石油开采业，自此，水力劈裂的理论，技术及分析 方法逐渐发展起来，并且扩展到岩土工程，环境工程，建筑工程 和水利工程等多个领域。 国内外对于水力劈裂给出了不同的定义，这里给出国内和国 外中有代表性意义的两个定义，大家可以从不同的角度来理解和 体会水力劈裂的内在含义。
（2）水力劈裂的破坏机理
土的破坏准则有很多，包括广义屈雷斯卡准则，广义米塞斯 准则，莫尔--库伦准则，拉德--邓肯准则，广义双剪应力准则， 形变能破坏准则和土体拉裂破坏准则等。
虽然土体的破坏准则繁多，对于水力劈裂的机理，参考当前的 文献，主要有两种观点：拉裂破坏和剪切破坏。
拉裂破坏：拉裂破坏的假设是借用固体材料中水力劈裂
Teton坝
11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
12：00过后 坍塌口加宽
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
承压水基坑突涌的水力劈裂
摘 要 ： 突涌是基 坑 工程施 工过程 中常 遇 的 主要 灾 害之 一 。现 有 的承 压 水基 坑 突涌稳 定 分析 方 法
均 不能反 应 突涌破 坏机理 。从 水力劈 裂 的机理 入 手 ， 建议 承 压 水基 坑 突 涌 问题 应 考虑 应 力一 渗 流 场 耦合 作 用 。在 Ｂ ｉ ｏ ｔ固结 理论 基础 上 ， 建立 了基 坑 突 涌分析 水力劈 裂耦 合模 型 ， 考 虑 了土体 物理 力 学
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂｕ ｒ ｓ ｔ ｉ ｓ ｏ ｎｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｍａ ｉ ｎ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｆ ｏｕ ｎｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｉ ｔ ｅ ｎ ｇｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ ． Ｈｏ ｗｅ ｖ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎｔ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄｓ ｆ ｏｒ ａ ｎａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎｇ ｂｕｒ ｓ ｔ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｔ ｈｅ ｆ ｏ ｕｎ ｄａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｉ ｔ ｏｎ ｃ ｏ ｎｆ ｉ ｎｅ ｄ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏｕ ｌ ｄ ｎ ｏｔ ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕｒ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｓ ｍ ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏｆ ｈｙｄ ｒ ｏ — ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ，ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｅ ｐａ ｇｅ — ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ｏｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｃ ｏ ｎｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｗｈｅ ｎ ｂｕ ｒ ｓ ｔ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄｉ ｅ ｄ． Ｔｈｅ ｃ ｏｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ ｍｏｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｆ ｏ ｕ ｎｄａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｉ ｔ ｂｕ ｒ ｓ ｔ ｉ ｎ ｈｙ ｄ ｒ ｏ — ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈｅ ｄ ｂ ａｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｂｉ ｏ ｔ Ｓ ｃ ｏｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｏ ｒ ｙ， ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎａ ｍｉ ｃ ｅ ｖｏ ｌ ｕｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ｓ ｏｉ ｌ ｓ ｐ ｅ ｒ ｍｅ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎｄ
粘土心墙土石坝水力劈裂特性研究
粘土心墙土石坝水力劈裂特性研究粘土心墙土石坝水力劈裂特性研究针对土石坝结构在长期运行中存在的渗漏及渗透问题，粘土心墙被广泛应用于土石坝的加固与渗漏控制工程中。
粘土心墙是通过利用水流对土石坝中的松散土进行冲刷溶解，形成具有一定密实度和渗透能力的粘土隔离层，以达到控制渗漏和提高坝体稳定性的目的。
本文旨在探讨粘土心墙土石坝的水力劈裂特性和其在工程应用中的意义。
首先，对水力劈裂的概念进行解析。
水力劈裂是指通过高速水流对岩石或土体进行冲刷分离，形成裂隙并有选择性地溶解松散颗粒，从而改变松散土体的性质和孔隙结构的过程。
水力劈裂主要受到水流速度、流量和土体颗粒大小等因素的影响。
在粘土心墙加固土石坝的过程中，水流的高速冲刷能够将松散土冲刷溶解，填充裂隙并增加土体的密实度，从而达到增加防渗能力的效果。
其次，对粘土心墙土石坝的施工与性能进行研究。
在粘土心墙工程施工中，首先需要选择合适的水力设备和喷口，根据坝体的结构特点和渗漏情况确定施工方案。
通过调节水流速度、流量和操作时间等参数，实现对松散土的冲刷溶解，形成规律的裂隙网络。
实验表明，采用适当的施工参数可以有效控制渗漏，提高土石坝的渗透能力和稳定性。
进一步，就粘土心墙土石坝水力劈裂机制进行分析。
实验结果表明，水流的高速冲刷能够通过溶解和置换作用改变土体的物理特性，形成具有较高密实度和较低渗透性的粘土层。
水流冲刷能够很好地适应土体的不均一性和复杂性，通过裂隙的形成和填充，形成稳定的渗透阻挡层。
同时，水力劈裂还能够通过改变土体的孔隙结构和形态，提高土体的抗渗性能和抗剪强度。
最后，对粘土心墙土石坝的工程应用意义进行探讨。
粘土心墙经济实用，施工灵活，可在施工期间动态调整参数，适应复杂的工程条件。
其通过水流冲刷松散土体，形成粘土隔离层，大大提高了土石坝的渗透能力和稳定性，并能够有效控制渗漏问题。
因此，粘土心墙在土石坝工程中的应用具有广泛的前景和实际价值。
综上所述，粘土心墙作为一种改善土石坝渗透性能的工程方法，其水力劈裂特性对于提高土石坝的稳定性和抗渗性能具有重要意义。
水力劈裂原理
水力劈裂原理
水力劈裂是一种利用高压水流将岩石裂开的技术。
其原理是利用水流
的高压力将岩石内部的裂隙扩大，从而使岩石裂开。
水力劈裂技术在
矿山、建筑、水利等领域有着广泛的应用。
水力劈裂技术的原理是利用高压水流对岩石进行冲击，使岩石内部的
裂隙扩大，从而使岩石裂开。
水力劈裂技术的关键是高压水流的产生
和控制。
高压水流是通过水泵将水压力提高到数百至数千兆帕，然后
通过喷嘴将水流喷射到岩石上。
水流的压力越高，对岩石的冲击力就
越大，岩石裂开的效果也就越好。
水力劈裂技术的优点是可以在不使用爆炸药的情况下将岩石裂开，从
而避免了爆炸带来的噪音、震动和环境污染。
此外，水力劈裂技术还
可以控制岩石裂开的方向和大小，从而更好地满足工程需要。
水力劈裂技术的应用范围非常广泛。
在矿山领域，水力劈裂技术可以
用于采矿、开采煤炭、开采石油和天然气等。
在建筑领域，水力劈裂
技术可以用于拆除建筑物、开挖地基和修建隧道等。
在水利领域，水
力劈裂技术可以用于修建水坝、开挖渠道和清淤河道等。
水力劈裂技术的发展趋势是向着更高效、更环保、更安全的方向发展。
随着科技的不断进步，水力劈裂技术的压力和流量将会不断提高，从而使其在更广泛的领域得到应用。
此外，水力劈裂技术还将会与其他技术相结合，形成更加完善的工程方案。
总之，水力劈裂技术是一种非常有前途的技术，其应用范围广泛，效果显著，具有很高的经济和社会效益。
随着科技的不断进步，水力劈裂技术将会得到更广泛的应用和发展。
水力劈裂分析
H = 265m
1. 问题
水力劈裂——水压力超过土体应力（总应力），使土体劈开的现象。
（1）总应力法
标准： σ 2 < u
（2）有效应力法
许多坝的计算结果，大片区域劈裂。
标准：
σ 2′ < 0
有效应力法对所有心墙坝都不出现劈裂。
h
·
总应力法计算的竣工时（总）小主应力等值线 (MPa) 总应力法计算的蓄水后（总）小主应力等值线 (MPa)
蓄水初，内水压力来不及升高，是发生水力劈裂的时刻。
τ
u
σ
σ
′
3
σ 3 σ 1′
σ1
（2）存在较大的心墙内外水压力差，是发生水力劈裂的必要条件。 水压力要有突变。渐变破坏是渗透破坏，不是劈裂。
（a）流土
（b）劈裂
施工完
A
蓄水初
B
A
B
u
上游面 水压
蓄水初孔压分布
x 0
施工刚完孔压分布
（3）心墙渗透性、饱和度、墙前水位上升速度，影响水力劈裂的发生
心墙堆石坝的 水力劈裂
殷宗泽 河海大学
正在设计或施工中的土石坝（h >150m）
坝名
坝型 坝高m 坝名
坝型 坝高m
双江口
心墙坝
322
（大渡河）
两河口 土石坝
300
（雅砻江）
虎跳峡 心墙坝
265
－云南 （金沙江）
糯扎渡 心墙坝
261
－云南 （澜沧江）
阿海
心墙坝
247
（金沙江）
三板溪 姚家坪 洪家渡 滩坑 紫坪铺
（1）有效应力法
≠
现有计算方法：计算心墙内部水压力、有效应力。σ
土体中水力劈裂研究进展
第2期2006年6月水利水运工程学报H YDR O 2SC I ENCE AN D ENGI NEERI NG No .2Jun .2006 收稿日期:2005-11-15 基金项目:江苏省交通科技项目(03Y007) 作者简介:章定文(1978-),男,湖南常德人,硕士,主要从事地基处理和路基工程研究.土体中水力劈裂研究进展章定文,刘松玉(东南大学岩土工程研究所,江苏南京 210096)摘要:简要评述了土体中水力劈裂的研究现状,归纳了土体中水力劈裂室内、外试验和水力劈裂破坏的机理,以及水力劈裂数值模拟等方面的研究方法与成果.关 键 词:土体;水力劈裂;破坏机理;综述中图分类号:T V541 文献标识码:A 文章编号:1009-640X (2006)02-0071-08St a te of art of hydrauli c fractur i n g i n so ilsZ HANG D ing 2wen,L I U Song 2yu(Institute of Geotechnical Engineering of Southeast U niversity,N an jing 210096,China )Abstract:The state of art of hydraulic fracturing in s oils is briefly revie wed,and s ome methods and results of hydraulic fracturing in s oils of laborat ory and in 2situ tests,hydraulic fracturing mechanis m s and nu merical si m ulati ons are p resented .Key words:s oil;hydraulic fracturing;failure mechanis m;revie w水力劈裂通常系指土体或岩体在高液体压力下产生裂缝并发展的过程[1].水力劈裂法自1947年在美国首次成功应用于油气井的增产之后,广泛应用到岩土工程等其它领域.水力劈裂已成为研究岩土工程(水工建筑物稳定性、石油开采、矿井突水防治、核废料地下处置、地下污染物运移、地下干热岩体热能开发等)的理论基础.土体中的水力劈裂不仅是处理大坝防渗的理论基础,还是解决地下注浆工程的核心问题[5];文献[2-4]已对岩体中水力劈裂的研究现状进行了全面的综述.水力劈裂法还成为污染土修复保护的有效方法,劈裂造成的裂隙空间是污染物质运移的通道[6].本文则主要报道土体中的水力劈裂研究进展.1 水力劈裂的试验研究1.1 现场试验研究1966～1968年,L.B jerrum 等[7]对以色列死海边上一蓄水池坝体的天然粘土心墙进行渗透试验时发现,当水压力超过上覆土重的40%～50%时,粘土心墙的渗透系数突然由10-9m /s 量级加大至10-6m /s 量级,即发生了水力劈裂.并认为,心墙土的拱效应可能是在如此低的超静水头下发生水力劈裂的原因.为了排除水利水运工程学报2006年6月拱效应的影响,又在天然沉积的正常固结粘土中做了渗透试验.其结果证实,在超静水头小于上覆有效压力的情况下确能发生水力劈裂.之后,又在挪威做了系统试验,并发现产生水力劈裂时的水压力与侧压力有关,且水压减小后土体渗透会相应减小,土中裂缝重新闭合.L.B jerrum等[8]还根据钻孔水力劈裂试验测定劈裂缝的闭合压力u cl及静止土压力系数K0.先抬升测压管的水压力至土中产生水力劈裂(缝),然后,降低水压力直至裂缝闭合.假定单位时间内的流量突然下降,且裂缝闭合,此时的水压力即为闭合压力ucl,钻孔发生水力劈裂的起裂压力为u f>σz+σt(1)式中:σz 为垂直应力;σt为土体的抗拉强度.根据L.B jerru m等的方法,A.D.M.Penman[9]在Sca mmonden坝和L lyn B rianne坝的粘土心墙中进行了钻孔水力劈裂试验,测得水力劈裂(缝)的闭合压力和静止土压力系数.重复进行试验时,发现闭合压力有所增加,且最低的闭合压力介于心墙中相应位置土体单元的大主应力σ1和小主应力σ3之间.P.R.Vanghan[10]通过现场钻孔水力劈裂试验,建议的水力劈裂起裂压力为u f=mσ3+σt(2)式中:试验常数m取决于钻孔周围的应力分布与应力路径,一般取m=1～2.美国的Tet on坝失事后,在该坝上进行了两组现场水力劈裂试验,主要目的是确定填料合理的泊松比,以便用于该坝的有限元应力计算[11].试验结束后对坝体试验段的开挖显示,几乎所有试验段形成的劈裂缝均为垂直缝,且裂劈面几乎垂直于坝轴线方向.只有少数水平方向的劈裂缝.由于在水平缝高程相近的相邻钻孔中也发现了水平缝,故可认为这是由于相邻钻孔的高空气压力钻进所致.A.K.Parkin等[12]曾在路堤上模拟土坝进行现场钻孔水力劈裂试验.试验结果表明,初始起裂压力与注入的液体性质有关,且随液体粘度和固体物质含量的增加而增大.在渗透性小、密实度高的路堤上试验得到的初始起裂压力,比在渗透性大、密实度低的路堤要大,劈裂(缝)的方向也不一样,前者为水平向,后者为垂直向;且后者在堤边坡钻孔中的水力劈裂(缝)平行于堤边坡,堤中心线上钻孔中的水力劈裂(缝)方向不受堤边劈裂(缝)的影响.此外,在有超载地段测得的初始起裂压力要高于没有超载的情况.1.2 室内试验研究L.B jerrum等[7]最初利用模型试验槽,在槽内填入分层压实粉质粘土,在土体中心设置测压管进行水力劈裂试验,在测压管中施加水压力观察流量的变化,通过透明的槽壁观察裂缝发展情况.试验结果表明,由于试验槽侧壁的约束力,土体中产生水平而不是垂直的裂缝,裂缝产生的位置在测头底部以上10c m处.开裂后再降低水压力又可看到裂缝闭合.在裂缝张开时,通过测压管流入的水量急剧增大,以此类推来解释现场钻孔水力劈裂试验中所出现的失水现象.为了证明闭合压力等于土的围压,L.B jerrum等[8]在三轴试验装置中模拟现场的水力劈裂试验.在三轴仪中进行水力劈裂试验,要比上述模型试验槽能更准确地控制试件的边界受力状态.试验表明,水力劈裂发生时的闭合压力等于围压.此外,切开发生水力劈裂的试件观察到,只有垂直裂缝而没有水平裂缝,且裂缝延伸到试样边缘.E.S.Nobari等[13]利用三轴仪研究了中空圆柱土(匹兹堡砂质粘土)试样的水力劈裂破坏方式、劈裂面方向及裂缝的扩展方式.在试样中沿轴心线钻一圆柱孔,再回填砂,加内水压力ui于圆柱孔内使试样产生水力劈裂.试样外用橡皮膜包上一薄层砂,施加独立于内水压力的外水压力u于砂层中,还可施加独立于内水、外水压力的轴向压力σv 和围压σH.试验结果表明,水力劈裂为发生在小主应力面上的拉伸破坏,裂缝既可以是垂直也可以是水平的,裂缝的方向则取决于试样的受力状态;水力劈裂是从有效小主应力σ′3最先达到抗拉强度的地方产生,之后扩展到试样整个断面;土的自身抗拉强度可起到阻碍劈裂发生的作用,但土的抗拉强度一般不大,其影响就微乎其微.对于高度在15m以上的心墙坝,可假定坝体心墙材料的抗拉强度为0.在不均匀应力状态下,水力劈裂是逐渐产生的,而不是突然贯穿整个坝体心墙,劈裂发生的最危险位置在心墙的上游面.E.S.Nobari等的试验虽可控制较多的应力与渗流状态,但是由于对试样轴心的圆柱孔内填砂的影响不易估计,以及试样较短易受端部约束的影响,试样的应力状态仍不明确,故试验的结论只是定性的.27 第2期章定文,等:土体中水力劈裂研究进展美国的Tet on 坝失事后,W.Ja woski 等[14]用Tet on 坝的原状土和重塑土制成203mm 的立方体试件,在其3个方向分别施加应力σ1,σ2和σ3,在垂直于击实层面的钻孔(直径4.8mm )中施加水压力进行水力劈裂试验,研究了土的组成、密度、含水量、抗拉强度和试验历时等对土中水力劈裂的影响,以及在试件产生劈裂后,先降低孔中水压力然后再升压的渗流变化.试验结果表明,可将水力劈裂起裂压力表示为围压σH 的线性函数,即u f =m σH +σta(3)式中:m 为试验点回归线的斜率,它取决于钻孔周围的应力分布和土的总应力(一般取m =1～2,试验中得m =1.5～1.8);土的视抗拉强度σta 与土的抗拉强度σt 、试验条件、加荷速率及钻孔尺寸有关,本次试验中σta =20～270kPa .由于该试验存在三维渗流场,且试验中各因素交互影响较为复杂,试件的应力场难以计算,判别式采用了综合系数法,这在水力劈裂的定量计算上做了有益的探索.陈愈炯等[15]利用中心钻孔的土圆柱试件,通过端部进水口不同形状的实心试件的水力劈裂试验,研究了具有不同渗流场试件的水力劈裂.还对不透水厚壁筒进行了弹性应力计算,并预计到发生部分弹塑性应力调整的可能性.根据试验结果指出,水力劈裂既不是一点破坏导致整体破坏,也不是整体达到强度极限后出现的破坏形式,而是介于两者之间.水力劈裂的起裂压力u f 随孔壁厚度及加压速率的增加而增大,先期裂缝会降低土体抵抗水力劈裂的能力,但随着土体再固结时间的增长,会发生一定程度的愈合.杨斌[16]利用三轴压缩、拉伸、扭剪仪进行了不同围压、不同应力比等条件下土的水力劈裂试验,以及对有先期扭转剪切面的土样试件的水力劈裂试验,还分析了试件的应力.结果认为,渗水作用既可导致有效小主应力σ′3达到土体抗拉强度σt 的拉伸破坏形式,也可导致Mohr 2coul omb 理论所控制的剪切塑性流变,主要取决于试件的大小主应力比σ1/σ3.试验还表明,试件是否发生水力劈裂不能用内水压力u i 是否超过起始条件下的最小主应力σ3与土的抗拉强度σt 之和来判断,必须是调整后的有效小主应力σ′3达到土的抗拉强度σt 之后才会产生水力劈裂.通过扭矩作用下试件的水力劈裂试验,观察到水力劈裂将沿着最小主应力的倾斜面发生,而土体中的先期扭剪屈服面则对水力劈裂影响不大.丁金粟等[17]利用改装的普通三轴仪进行了土的中空圆柱试样室内水力劈裂试验.试样的外径为10c m ,内径6c m ,高20c m.试样的土料为北京郊区某水库筑坝斜墙壤土,其塑限为17%,液限为28%,塑性指数为11%,试样经过分层击实.通过改变初始应力条件、内腔水压力,以及试样围压、应力路径等,研究了产生水力劈裂的必要条件,并推导了在渗水作用下中空圆柱试样水力劈裂的弹性解.结果表明,无论试样的应力路径如何,试样产生水力劈裂的必要条件是,在渗水体积力作用下试样中的应力将进行调整,调整后的最小有效应力为拉应力,且数值上等于或略大于土的极限抗拉强度.K .Y .Lo 等[18]利用三轴仪研究了圆柱压实粘土试样饱和度和固结度对起裂压力的影响.试样直径为103mm ,高120mm ,沿试样轴心线形成直径12mm 的圆孔,在圆孔内施加水压力进行水力劈裂试验.施加在试样上的围压与轴向压力的比值为0.6.试验结果表明,在相同围压下,饱和固结(SC )试验测得的试样起裂压力最高,非饱和不固结(UU )试验测得试样的起裂压力次之,饱和不固结(S U )试验测得试样的起裂压力最低.但这3种试验得到的起裂压力都比小主应力σ3大.另外,实例记录的现场起裂压力介于SC 试验和S U 试验测得的起裂压力之间,裂缝出现的相对位置则取决于土的饱和度和固结度.J.K .A tkins on 等[19]进行了土的中空圆柱试样室内三轴不排水试验的水力劈裂特性研究.试验结果表明,起裂压力与围压、土的不排水剪强度,以及试样中心圆孔孔径与试样直径的比率有关.此外,还与所加液体的类型、土的超固结比、初始应力比,以及加压速度等有关.刘令瑶等[20]对宽级配砾石土的水力劈裂特性进行了室内三轴试验研究.土料为瀑布沟黑马料场的砾石土,采用等重量替代法以5～10mm 的粗粒料代替超过10mm 的颗粒料,制成外径为100mm ,内径4mm ,高200mm 的空心圆柱试样.试验结果表明,含砾量是决定该类土是否发生水力劈裂的主要因素.含砾量小于15%时发生水力劈裂;起裂压力随土样干密度、围压和加压速度的增加而增大.经试验得出的起裂压力u f 与围压σH 之间关系的经验计算式同(3)式,其中的试验常数m =0.86;σta =0.21MPa .当含砾量大于20%时,试样的破坏形式与劈裂破坏有明显差别,破坏后的试样内有明显的集中渗漏通道,称其为水力击穿.37水利水运工程学报2006年6月曾开华[21]以ZSY -1型真三轴仪为基础,研制了一种新的水力劈裂试验装置,研究了中主应力σ2、加压速率、试样中心圆孔孔径(4～8mm )等对试样水力劈裂起裂压力的影响,并揭示了水力劈裂的渐进拉裂破坏机理.试验所用土料为南京下蜀粘土,其含水量为22.4%,分层击实制成7cm ×7c m ×3.5c m (分别为σ1、σ2和σ3的作用方向)的土样.试验得到的压实粘土样起裂压力u f =1.82σ3-0.637(σ2-σ3)+5.04(4) 可见,中主应力σ2愈大,起裂压力愈小;小主应力σ3愈大,起裂压力愈大;起裂压力随(σ2-σ3)的增大而减小.M.C .A lfar o 等[22]采用三轴仪和固结仪,研究了一种人工低渗透土样的水力劈裂特性.土料为40%的细砂(平均粒径D 50=0.18mm ,不均匀系数C u =2.2,曲率系数C c =1.0)和60%的高岭土(液、塑限分别为64%和35%)混合而成.对试验结果分析表明,水力劈裂机理为张拉破坏;如果土体中存在一定的初始裂缝,使土体发生劈裂的起裂压力就小,且初始裂缝的方向并不影响劈裂裂缝的扩展方向.综合以上室内、外试验成果,判断现场钻孔或实验室内钻孔试件产生水力劈裂的准则可概括为u f =m σm in +n σt (5)式中:试验常数m ,n (m =1～2,n =0～1)与试件的形状、几何尺寸、土的物理力学性质及加压速率等有关.对于不同条件下的水力劈裂试验,试验常数m ,n 值均不相同,所以无法进行不同试验间的相互验证,故(5)式离工程实际应用尚有一定的距离.2 水力劈裂破坏机理研究2.1 剪切破坏机理N.R.Morgenstern 等[5]、J.P .Cater 等[23]、A.Mori 等[24]、A.K .Panah 等[25]和E .Yanagisas w 等[26]都认为,土中水力劈裂是由于土受剪切破坏所致.N.R.Morgenstern 等[5]指出,当孔隙水压力上升时,有效应力圆向Mohr 2Coul omb 破坏包络线方向移动,直到与其相切时发生水力劈裂.在土体是均质材料、且服从Mohr 2Coul omb 破坏准则和土中钻孔的存在不影响地层应力的假定下,推导出水力劈裂的起裂压力的表达式为u f =σ1+σ32-σ1-σ32sinφ′+c ′ctg φ′(6)式中:c ′为有效粘聚力;φ′为有效摩擦角.(6)式劈裂条件的破坏包线为直线.但E .S .Nobari 等[13]认为,Mohr 2Coul o mb 破坏包线在张拉区应是弯曲线.因此,N.R.Morgenstern 等提出的理论适用范围将会受到一定的限制.K .R.Massarsch [27]采用圆孔扩张理论分析水力劈裂的机理.假定土为理想弹塑性体,且各向同性、饱和不排水,以及土中的圆柱孔为无限长、孔的膨胀不受土的初始水压力影响.根据Ske mp t on 孔隙水压力参数A f 确定土中孔隙水压力的变化.土中的水平有效应力为σ′H =τf (1.73A f +0.43)(7)式中:τf 为土的不排水剪强度.当σ′H 小于(7)式的值时,不会发生水力劈裂;σ′H 若大于(7)式的值时,可能产生水力劈裂破坏.此时的起裂压力u f 与膨胀压力P u 的关系为P u =τf ln 1.36Eτf (1+μ)(8)式中:E 为土体的弹性模量;μ为土的泊松比.J.P .Cater 等[23]得到了理想弹塑性材料中圆孔扩张理论的解析解.假定土体为各向同性,并服从Mohr 2Coul o mb 屈服准则,发生水力劈裂的起裂压力就是最终极限扩孔压力.对于纯粘性材料,起裂压力为u f =σH +c 1+ln Gc (9)47 第2期章定文,等:土体中水力劈裂研究进展式中:σH 为围压;c 为土体粘聚力;G 为土体剪切模量.A.Mori 等[24]认为,水力劈裂是由于剪切破坏所致.建议采用如下的经验计算式计算起裂压力u f =σH +q u (10)式中:q u 为土体的无侧限抗压强度.此外,试验结果表明,只要施加(液体)压力的速率足够快,以致使得注入的液体来不及渗入土体的微裂隙中,就可以忽略注入液体的粘性、土样大小及土样中的初始裂隙对起裂压力的影响.A.K .Panah 等[25]采用弹性理论计算土的厚壁圆柱试样的水力劈裂起裂压力.对于均质、各向同性的弹塑性土体,并服从Mohr 2Coul omb 屈服准则时,起裂压力为u f =(1+sin φ)σH +c co s φ(1-r 2i /r 2h )1+(r 2i /r 2h )sin φ(11)式中:c 为土的粘聚力;φ为土的内摩擦角;r i 为注水孔半径;r h 为圆柱体半径.(12)式表明,当注水孔壁土体单元的应力圆与Mohr 2Coul omb 破坏包线相切时发生水力劈裂.如果土的内摩擦角很小,且注水孔半径相对于圆柱体半径很小时,(12)式可转化为u f =σH +c (12)计算表明,由不固结不排水(UU )三轴试验得到的力学参数计算的起裂压力与室内试验数据十分吻合.据此认为,土的水力劈裂是由于孔壁周围径向和切向应力的差异导致的剪切破坏.J.K .A tkins on 等[19]认为,由于钻孔壁附近土的不排水抗剪强度致使土体在不排水条件下产生了水力劈裂,并运用建立在圆筒壁或球孔壁上应力分布的简单解,得到起裂压力u f 与土的不排水抗剪强度S u 的关系为u f =N f S u +σH (13)式中:N f 为不排水劈裂因子,与试样及钻孔的几何尺寸有关.2.2 张拉破坏机理张拉破坏理论主要是基于当最小有效应力成为负值且超过土体的抗拉强度时,则发生水力劈裂,即Δσ′3=Δσ3-u ≤-σt (14)式中:u 为超静孔隙水压力.P .R.Vanghan [10]认为,水力劈裂产生时,有效小主应力σ′3必须在张拉区.当有效小主应力变为拉应力,且其数值大于土的抗拉强度时,就会形成(劈)裂缝,而要保持裂缝张开,缝中的水压力必须大于边界上的总应力.美国Tet on 坝失事原因调查研究小组提出,水力劈裂应发生在土的抗拉强度与最小主应力之和小于静水压力的区域[28],即u f >σ3+σt (15)实际上,(16)式即为P .R.Vanghan [10]提出的水力劈裂破坏机理的总应力表达形式.W.Ja woski 等[14]假定土为不透水的线弹性材料、水力劈裂发生时有效应力为拉应力,且在数值上等于土的抗拉强度.通过平面应变分析得出土中钻孔的开孔和钻孔中水压力的施加产生的总应力变化,推导出起裂压力的近似解为u f ≈σH +σt 2(16)并认为,水力劈裂是弱链破坏现象,劈裂起始于抗劈裂最弱的点.孙亚平[29]推导了平面应变条件下,渗水体积力作用的中空圆柱土体在等围压下的起裂压力弹性解.推导中假定孔内壁的环向应力等于土的极限抗拉强度时孔内壁出现裂缝,压力水“楔入”裂缝后,导致裂缝沿径向扩展,产生水力劈裂.此时的起裂压力为u f =2(1-μ)(1-2μ)ln b -ln a +1-b 2a 2-b 21-a 2b22b 2b 2-a 2σH +σt 0(17)57水利水运工程学报2006年6月式中:μ为土的泊松比;b为试件外半径;a为试件内半径;σt0为土的极限抗拉强度.K.Y.Lo等[18]假定施加的水压力达到初始小主应力与土的抗拉强度之和时发生水力劈裂.推导了在外压力p作用下,在厚壁圆筒试样中心圆孔中加内水压力时产生水力劈裂的弹塑性解,并用传统的土的力学参数(c、φ)与抗拉强度表达.当试样直径比中心圆孔直径大得多且外压等于围压时,起裂压力为u f=c cosφ+(1+sinφ)σt2+(1-sinφ)σH(18) K.H.Andersen等[30]认为,土体的最小有效主应力为负(张力),且数值大于土体的抗拉强度时,土体发生水力劈裂.并强调了土体应力-应变非线性、土体平均总应力和剪切应力变化引起的超静孔隙水压力对水力劈裂的影响.曾开华[21]基于渐进拉裂破坏机理,并考虑中主应力σ2的影响,推导了三向应力作用下中空圆孔土体水力劈裂的弹性和弹塑性理论解.起裂压力的弹性解是发生水力劈裂的下限值,而弹塑性解是发生水力劈裂的上限值.三向应力作用下的起裂压力为u f=m1σ3+m2(σ2-σ3)+s(19)式中:m1,m2为比例系数;s为强度因素项.理论推导的结果为:弹性解(下限解)的m1=1.0,m2=-0.5,s=0.5σt;弹塑性解(上限解)的m1=1+ sinφ,m2=-(1+sinφ)/2,s=c cosφ+0.5σt(1+sinφ).也有学者认为,水力劈裂是两种机理的共同作用.谢兴华等[4]指出,地下岩土体存在原始裂隙,在渗透水压力作用下,这些裂隙发生扩展.其破坏的力学机理是拉还是剪,取决于发生水力劈裂时哪一种作用占优.此外,刘令瑶等[20]从孔隙结构形式阐述了宽级配砾石土的水力劈裂机理.认为纯细料土的孔隙结构形式为封闭型,,注水压力主要以面力形式作用于孔壁,孔周的孔隙水压力增大,有效应力降低,当有效拉应力达到土的拉伸强度时,试样产生水力劈裂.当含砾量增加,土的孔隙结构便逐渐由封闭型变为半封闭、半开敞型,孔隙部分连通,渗透性增大,注水压力部分以面力形式作用于孔壁,部分以渗透力形式作用于试样内,试样既可能以水力劈裂也可能以水力击穿形式破坏,取决于砾石的含量.当含砾量进一步增加到孔隙完全连通的开敞结构形式时,试样只会以水力击穿形式破坏.3 水力劈裂的数值模拟采用数值模拟方法分析计算开裂问题关键在于如何跟踪裂纹的发展.从处理裂缝的技术角度,可将数值模型分为两类:等效连续介质模型和裂隙介质模型.一般认为,对于属多孔介质的土体,等效连续介质模型更加合理.3.1 等效连续介质模型等效连续介质模型是将裂隙效应等效平均到整个土体中,然后利用经典的连续介质理论进行分析.其优点是可以沿用连续介质理论进行分析,无论在理论上还是在解的方法上均有雄厚的基础和经验,而且无需已知每条裂隙的确切位置和水力特性.引入损伤理论的等效连续介质模型,是研究土体中水力劈裂的一种有效工具.用损伤变量描述岩土体的内部损伤,可避免模拟岩土的开裂.目前,土体损伤力学模型主要有复合体模型[31]、堆砌体模型[32]和土体统一体模型[33].文献[34]基于CT试验建立了一个上海粘土弹塑性损伤模型. J.F.Shao[35]用损伤力学模型模拟裂隙岩体的性状,这种方法可借鉴到土体中.由于对土体损伤力学的研究还处于起步阶段,故将土体损伤力学应用于土体中水力劈裂的模拟还需要进行大量的工作.3.2 裂隙介质模型裂隙介质模型以为,裂隙土体是由孔隙性差、导水性强和孔隙性好、导水性弱的土体孔隙系统共同构成的统一体.有限单元法跟踪裂纹发展的技术又可以分为变网格和不变网格两种.变网格法是随着裂纹的发展,将有限元网格不断地重新划分,或者修改裂纹区域局部网格.其优点是无需修改已有的有限元程序,缺点是每步分析前后的数据处理工作量浩大,且传递困难,尤其是非线性分析时更是如此.不变网格法则是在整个分析6777 第2期章定文,等:土体中水力劈裂研究进展过程中网络保持不变,通过修改某些变量以模拟裂纹发展.如通过修改开裂单元的位移插值函数反映裂纹的存在[36],一旦某一单元开裂,裂纹即贯穿整个单元(这与事实不符),这种方法的计算精度取决于单元尺寸;有的则根据裂纹的发展方向、区域大小改变材料的力学参数,以模拟裂纹的发展.这种思路已经在一些大型商业软件(如ANSYS,MARC等)中应用;此外,也可在应力比较大或可能产生裂纹的区域引入零厚度接触单元实现裂纹跟踪[37].A.K.L.Ng等[38]用预先在心墙土坝的心墙部位设置节理单元的有限元方法,模拟Hyttejuvet大坝心墙的渗漏.应该注意的是,采用有限元模拟裂纹时的计算工作量很大,因而限制了计算规模,故不适合计算大型区域的水力劈裂.采用非连续变形(DDA)数值方法模拟裂纹开裂具有一定的优势.近10多年发展起来的数值流形方法[39]、无单元方法[40]在分析水力劈裂方面也具有相当的优势.如果使用无单元法模拟开裂,只需在裂纹尖端加密节点,随着裂纹的扩展,加密的节点也随之移动,就不会增加太多的计算量.参 考 文 献:[1] 地基处理手册(第二版)编写委员会.地基处理手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.314-315.[2] 王 媛,徐志英,速宝玉.裂隙岩体渗流计算模型综述[J].水科学进展,1996,7(3):276-282.[3] 盛金昌,速宝玉.裂隙岩体渗流应力耦合研究综述[J].岩土力学,1998,19(6):92-98.[4] 谢兴华,速宝玉.裂隙岩体水力劈裂研究综述[J].岩土力学,2004,25(2):330-336.[5] Morgenstern N R,Vaughan P R.S ome observati ons on all owable gr outing p ressures[A].Grouts and D r illi n g M uds i nEng i n eer i n g Practi ce[C].London:Butter worths,1963.36-42.[6] M urdoch L C.Remediati on of organic che m icals in the vadose zone[J].Vadose Zone,Sc i ence and Technology Soluti on s,2000,32:949-1237.[7] B jerru m L,Nash J K T I,Kennard R M,et al.Hydraullic Fracturing in Field Per meability Testing[J].Géotechn i que,1972,22(2):319-332.[8] B jerru m L,Andersen K H.I n2situ measure ment of later p ressures in clay[A].Proceed i n g of5th European Conference onSo ilM echan i cs and Founda ti on Eng i n eer i n g[C].M adrid:1972.333-342.[9] Pen man A D M.Earth p ressures measured with hydraulic p iezometers[J].Ground Eng i n eer i n g,1976,9(8):17-23.[10] Vaughan P R.The use of hydraulic fracturing tests t o detect crack f or mati on in e mbank ment da m cores[R].London:Depart m ent of Civil Engineering,I m perial College,1971.[11] Depart m ent of the I nteri or and the State of I daho on Failure of Tet on Da m.I ndependent Panel t o Revie w Cause of Tet on Da mFailure[R].Denver:US Bureau of Recla mati on,1976.[12] Parkin A K.Hydraulic fracturing tests in si m ulated earth da m s[A].Balke ma A A.Proceed i n gs of the12th I n terna ti ona lConference on So ilM echan i cs and Founda ti on Eng i n eer i n g[C].Rotterda m:Neth,1989.385-389.[13] Nobari E S,Lee K L,Duncan J M.Hydraulic fracturing in zoned earth and r ockfill da m s[R].Berkeley:University ofCalif ornia,1973.[14] Ja woskiW,Duncan J M,Seed H borat ory study of hydraulic fracturing[J].Journa l of the Geotechn i ca l Eng i n eer i n gD i v isi on,ASCE,1981,107(6):713-732.[15] 陈愈炯,孔凡令.击实粘性土水力劈裂试验[R].北京:水利水电科学研究院,1983.[16] 杨 斌.击实粘性土空心圆柱试件水力劈裂性能研究[D].北京:清华大学,1985.[17] 丁金粟,杨 斌.击实粘性土水力劈裂性能研究[J].岩土工程学报,1987,9(3):1-15.[18] Lo K Y,Kaniaru K.Hydraulic fracture in earth and r ock2fill da m s[J].Canad i a n Geotechn i ca l Journa l,1990,27(4):496-506.[19] A tkins on J H,Charles J A,M hach H K.Undrained hydraulic fracture in cavity expansi on tests[A].Balke ma A A.Proceed i n g of the13th I n terna ti ona l Conference on So ilM echan i cs and Founda ti on Eng i n eer i n g[C].Ne w Delhi:1994, 1009.[20] 刘令瑶,崔亦昊,张广文.宽级配砾石土水力劈裂特性研究[J].岩土工程学报,1998,20(3):10-13.[21] 曾开华.土质心墙水力劈裂机理及其影响因素的研究[D].南京:河海大学,2001.[22] A lfar o M C,Wong R C borat ory studies on fracturing of l ow2per meability s oils[J].Canad i a n Geotechn i ca l Journa l,。
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绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
11:30 洞口继续向上扩大， 泥水冲蚀了坝基， 主洞的上方又出现 一渗水洞。流出的 泥水开始冲击坝趾 处的Teton坝
11：50左右 洞口扩大加速， 泥水对坝基的冲 蚀更加剧烈。
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
概况： 土坝，高90m，长1000m，建于 1972-75年，1976年6月失事
原因： 渗透破坏－水力劈裂
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
1976年6月5 日上午10:30 左右，下游坝 面有水渗出并 带出泥土。
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
11：00左右 洞口不断扩 大并向坝顶 靠近，泥水 流量增加
（2）不利方面
水力劈裂可能是造成许多大坝渗水和失稳的原因，如美 国爱达荷州的Teton大坝和挪威的Hyttejuvet大坝的坍塌。 当压力灌浆时，水力劈裂被认为是砂土地基开裂和造成浆
液 的原因。
2.对水力劈裂过程的基本物理机制的认识
（1）水力劈裂的阶段分析 Chang通过大量实验分析，将水力劈裂全过程分为三的阶段： 圆孔扩张，劈裂产生和劈裂扩展。 圆孔扩张阶段：是指压力达到峰值前有较多塑性带形成的阶段 劈裂产生阶段：在此阶段，大多数研究致力于对劈裂破压力的 预测，并通过劈裂压力的影响因素分析对其破坏准则进行了一些 推测。 裂隙扩张阶段：是指压力从峰值降低后，裂隙的进一步发展 阶段。
水力劈裂的两种定义
1982年，黄文熙给出水力劈裂的定义，认为水力劈裂是指由于 水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生于扩展的一种物理现象。 指出：“心墙中任何一点处的孔隙水压力如果是该点处的最小主应 力的有效值降低至心墙抗拉强度，心墙就会沿着这个最小主应力面 产生水力劈裂”。
调查Tenton坝破坏原因的独立小组给水力劈裂下了一个定义， 水力劈裂是指在高水头压力作用下，土体或岩体中裂缝的产生，发 展并且相互贯通最终形成裂隙的过程。
水力劈裂计算理论
在工程中，人们关心的是水力劈裂起始压力的计 算方法，即引起水力劈裂的最小水压力的计算。王俊 杰，朱俊高总结了前人的水力劈裂压力的计算方法， 归纳为以下四类： （1）基于圆孔扩张理论的水力劈裂理论 （2）基于球孔扩张理论的水力劈裂理论 （3）基于三轴应力状态的水力劈裂理论 （4）基于断裂力学的水力劈裂理论
水力劈裂 1.让我们来初步认识一下水力劈裂 最早提出“水力劈裂”概念的是Clark . J . B, 1948年，其将这 一概念应用于石油开采业，自此，水力劈裂的理论，技术及分析 方法逐渐发展起来，并且扩展到岩土工程，环境工程，建筑工程 和水利工程等多个领域。 国内外对于水力劈裂给出了不同的定义，这里给出国内和国 外中有代表性意义的两个定义，大家可以从不同的角度来理解和 体会水力劈裂的内在含义。
Teton坝
11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
12：00过后 坍塌口加宽
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
洪水扫过下游 谷底，附近所 有设施被彻底 摧毁
绪论
为什么要学习土力学？ 与土有关的工程问题
Teton坝
失事现场目 前的状况
（2）水力劈裂的破坏机理
土的破坏准则有很多，包括广义屈雷斯卡准则，广义米塞斯 准则，莫尔--库伦准则，拉德--邓肯准则，广义双剪应力准则， 形变能破坏准则和土体拉裂破坏准则等。
虽然土体的破坏准则繁多，对于水力劈裂的机理，参考当前的 文献，主要有两种观点：拉裂破坏和剪切破坏。
拉裂破坏：拉裂破坏的假设是借用固体材料中水力劈裂
的 破坏机理，认为当最小有效应力成为负值并且超过土体的抗 拉强度时，水力劈裂产生劈裂压力。
剪切破坏：剪切破坏又称为莫尔--库伦破坏准则，剪切破 坏的假设是认为水力劈裂是由于土受剪切破坏所致。因此， 一旦土体内任一点任意平面上的剪应力达到了土的抗剪强度， 该点就发生破坏。
Teton坝
损失： 直接8000万美元，起 诉5500起，2.5亿美元， 死14人，受灾2.5万人， 60万亩土地，32公里 铁路
水力劈裂的利与弊 （1）有利方面 在石油工程中，利用水力劈裂法来增加含油地层中裂缝的 数量和增大裂缝的开度，用来加快石油开采的速度并且增大单 井田的产油量。 在环境治理中，在地面以下建立渗透性反应屏障PRB中用以 净化地下水。水力劈裂所产生的裂隙空间为水化学反应提供了 场所也是污染物运移的通道。 能源工程中，地热资源开发，用水力劈裂法在地下注入高压水 制造裂隙将各井连通。然后从一些井向地下注入冷水，在地下发 生热交换后，再从另外的井中将热水抽出。