岩体水力劈裂临界水压力影响因素及机理研究

为了研究材料强度、初始裂缝开度、初始缝长和轴向压应力对岩体水力劈裂临界水压力的影响,采用水泥砂浆作为岩体相似材料,进行岩体水力劈裂试验,探讨其水力劈裂破坏机理。试验结果表明,岩体水力劈裂临界水压力与材料强度和轴向压应力存在正相关关系,轴向压应力较材料强度对水力劈裂临界水压力影响大;水力劈裂临界水压力与初始裂缝开度、初始缝长呈负相关关系,初始缝长对水力劈裂临界水压力敏感性比初始裂缝开度大。随着缝内水压的增大,岩体初始裂缝的裂尖扩展,裂隙水流渗入到损伤劣化区,在裂隙水流的双重力学作用下,损伤区裂隙、孔隙扩展贯通形成宏观裂缝,宏观裂缝在缝内水流双重力学作用下,裂尖应力强度因子超过断裂韧度,岩体失稳破坏。     

单裂缝混凝土结构水力劈裂试验

针对不同强度单裂缝混凝土试件开展了两组应力状态下的水力劈裂试验,研究了应力状态、荷载施加方式对试件裂缝扩展过程的影响,分析了裂缝扩展路径上缝内水压演化规律,拟合得到了混凝土试件临界劈裂水压预测模型的定量关系式。试验结果表明,两组不同应力状态下的试件均发生水力劈裂破坏;临界劈裂水压值与轴压的差值均小于试件的劈拉强度值;试件水压尖端的发展滞后于干裂缝的发展。     

混凝土水力劈裂试验研究

本文采用改进后的楔形劈拉试验密封装置进行了有(无)水压作用下的混凝土(水力)劈拉试验。设计的密封装置通过特制的夹具、硅胶板来实现密封水的作用,以承受施加在混凝土试件预制缝的外部水压力。试验表明,本文设计的密封装置对混凝土试件断裂参数的影响相对较小。根据预埋在裂缝尖端水压力传感器记录的数据,拟合并总结出混凝土试件缝面水压力在不同阶段的分布情况及一般规律。试验结果表明,不论是慢速加载还是快速加载,当水稳定进入裂缝时,缝面水压分布曲线主要由直线段和抛物线段两部分组成;慢速张开情况下裂缝口的水有足够的时间流入裂缝内,快速张开时缝内水的运动明显有滞后性。当慢速与快速加载作用达到相同的裂缝张开宽度时,慢速加载时缝面水压力是快速张开情况下的2~3倍。外水压对混凝土楔形劈拉失稳荷载影响较大,随着外水压的增大,试件的失稳荷载明显减小;快速加载下,失稳荷载比慢速加载时要有所增大。水力劈裂试件的扩展裂缝形状比较平直,而无水压作用时,试件劈裂扩展裂缝形状则有较多的曲折。     

岩石与混凝土水力劈裂缝内水压分布的计算

假定岩石与混凝土水力劈裂过程的裂缝形态为椭圆形，根据自然营造力作用下产生水力劈裂的边界条件，从流体质量守恒和动量守恒定律出发，采用控制体积法推导出水力劈裂裂缝流体运动质量守恒定律的表达式及缝内水压分布的微分方程，并得到在裂缝扩展稳定状态任意时刻缝内压力的计算式。从定性和定量两个方面与已有的试验结果比较，论证了本文计算公式是正确的，在裂缝快速开裂的情况下计算结果与试验吻合较好。     

单轴压缩状态下类岩石材料水力劈裂试验

采用自制水泥砂浆作为类岩石材料进行试验,研究内水压力和单轴压缩耦合作用下岩体的破坏规律。制作带有中心预制裂缝的立方体试样,利用自行研发的内水压力与轴向压力加载装置,在固定内水压力加载速度和轴向压力大小的前提下,对不同材料强度和尺寸的试样,以不同轴向压力加载方向进行了水力劈裂试验。试验结果表明:轴向压力加载方向对裂缝尖端的起裂角度有一定影响,在固定内水压力加载速度下,裂缝内水压力上升速度与试样强度正相关;轴向压力方向无论是与预制裂缝走向平行还是垂直,都会加快内水压力上升速度;试样水力劈裂临界水压力与试样强度正相关;轴向压力加载方向对单裂缝试样水力劈裂影响较大,轴向压力方向与裂缝走向垂直时对裂缝开裂起抑制作用,轴向压力方向与裂缝走向平行时对裂缝开裂起促进作用。     

岩溶隧道含水裂缝扩展规律研究

为了探索岩溶隧道在施工过程中经常出现由于裂缝引发突水的灾害机理,利用水压致裂原理重点分析研究拉剪破坏突水和压剪破坏突水的力学过程和裂缝扩展过程中缝内水压分布特征和梯度。研究表明突水临界水压受裂缝的走向、所处位置等因素的影响;含水裂缝发生拉剪破坏所需的临界水压力大于其发生压剪破坏所需的临界水压力;在水力劈裂作用下裂缝的生长呈现间断性特征。研究成果对隧道施工过程中突水灾害的防治具有重要的意义。     

某水电站引水隧洞突水数值模拟

 离散元软件 UDEC 可以用来模拟裂隙岩体的开挖以及进行水力全耦合分析。采用 UDEC 来模拟裂隙岩体开挖后在水力耦合作用下渗流流量与其对应水压力的变化过程并预测可能发生的突水灾害。结果表明开挖洞室以后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量三者相互作用、相互依赖。裂隙隙宽的减小使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加。裂缝隙宽增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低。在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。西南某水电站在深部裂隙岩体中开挖引水隧洞,该处地应力高且外水压大,容易引起突水灾害,对其进行了突水数值模拟,提示了一些可能发生突水的位置。     

配筋对混凝土双K断裂参数的影响研究

为了确定在混凝土中配筋对试件断裂参数的影响,采用尺寸为1 000 mm×200 mm×200 mm的3组不同缝高比的钢筋混凝土试件进行试验。通过在初始裂缝两侧粘贴应变片确定了起裂荷载,计算出了钢筋混凝土试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度,并与相同缝高比的素混凝土试件进行了对比。结果表明,在混凝土中配筋,其起裂断裂韧度与失稳断裂韧度分别可以提高8.6%与15%;缝高比越大,钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度值越小;钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度的比值要比素混凝土试件的小,表明在混凝土试件中加入钢筋后可以提高结构的延性;钢筋混凝土试件的初始缝长与临界有效缝长的比值介于0.65～0.88。     

高压条件下岩体渗透系数取值方法研究

裂隙岩体在高水压条件下的渗透性可以通过高压压水试验获得。高水压状态下裂隙岩体中水流形态及渗流本构律对岩体渗透系数起决定性的影响。针对高水压状态下岩体中渗流形态为紊流和非达西流的实际情况,以高压压水试验中压水孔内的水压力和流量以及渗压孔内的孔隙压力等参量为基础,推导了单孔三段压水法和单孔单段压水法的裂隙岩体渗透系数计算公式。结合某抽水蓄能电站高压压水试验成果深入分析了不同渗流形态下的岩体渗透系数的差异性。研究成果表明,裂隙岩体水流形态对岩体渗透系数定量取值结果影响较大,同时高水压条件下水力劈裂产生也将导致裂隙岩体渗透系数取值的急剧增加。     

静水压力下混凝土双K断裂参数试验测定

本文主要研究混凝土在机械荷载和水压力的双重作用下,裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况。试验采用楔入劈拉试件,试验时每间隔一定的机械荷载,施加一个循环的一定数值的水压力,直至试件断裂。试验采用“恒定裂缝张开位移”和“恒定荷载”两种加载方式,恒定裂缝张开位移是对水压力作用下的试件进行的定性对比分析,恒定荷载是对固定水压力作用下的试件,通过表面粘贴应变片的方法监测裂缝的起裂和扩展长度。采用混凝土裂缝扩展的双K断裂准则计算了粘聚韧度、失稳韧度和起裂韧度,并与试验测定结果进行了比较。结果表明,随着水压力的逐渐增大,试件的可承受最大荷载逐渐减小,裂缝的起裂提前。     

重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析

大坝运行期间,重力坝坝踵裂缝在较高水头作用下易发生水力劈裂破坏。建立扩展有限元法框架下重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合数值模型,并采用扩展有限元法模拟水力劈裂耦合作用下重力坝坝踵裂缝扩展过程。计算结果表明:重力坝坝踵初始裂缝逐渐向坝基底部扩展,且裂缝扩展方向朝向下游;无水力劈裂作用下的裂缝开裂角大于水力劈裂作用下的,无水力劈裂耦合作用下的裂缝开裂角小于水力劈裂耦合作用下的;重力坝坝踵裂缝扩展前,裂缝内水压力基本与边界水压力相同,当裂缝开始扩展时,裂缝内水压力会降低,而后裂缝张开宽度不断增大,裂缝内水压力又会变成边界全水头;裂缝水力劈裂导致裂尖Ⅰ型应力强度因子增大,降低了重力坝裂缝的稳定性。研究结果可为重力坝坝踵裂缝水力劈裂防治提供理论依据。     

基于FDEM-flow的多孔水力压裂模拟

为指导水力压裂施工,用FDEM-flow方法对多孔水力压裂问题进行了研究。研究结果显示:当H2孔的水压较小时,由H1孔出发的裂缝几乎不朝H2孔偏转;当H2孔的水压较大时,H1孔出发朝下扩展的裂缝,向H2孔偏转明显;当H1,H3孔同步增大水压时,H1出发向下扩展的裂缝朝H3孔偏转,H3孔出发向上扩展的裂缝朝H1孔偏转,最终在H1孔和H3孔间形成2条相向扩展的裂缝。上述研究结果表明:水力压裂裂缝的走向会受到相邻孔的干涉,可以通过相邻孔应力干扰控制压裂裂缝的走向;同时相邻孔的干涉,可以降低注水孔的起裂水压力,这也从侧面说明了同步压裂技术的合理性。     

页岩水力压裂裂缝起裂和扩展断裂力学模型

结合大尺寸真三轴水平井水力压裂物理模拟试验,对龙马溪组页岩的起裂、扩展以及扩展过程中水力裂缝与天然裂缝的相互作用进行了详细的力学分析,并基于断裂力学和流体力学理论知识,建立了水力裂缝起裂和扩展力学模型,推导了相应的断裂力学判据。结果表明:①起裂方式可以分为3类,即页岩本体张性起裂、沿天然裂缝(层理面)的剪切起裂、沿天然裂缝(层理面)的张拉起裂;②水力裂缝扩展过程中,随着裂缝长度的增加,泵压逐渐减小,最终趋于一个略大于最小水平主应力的稳定值;③水力裂缝与天然裂缝的相互作用类型可根据天然裂缝是否开启分为以下5类,即剪切天然裂缝后穿过、直接穿过天然裂缝、从天然裂缝一端穿过、同时从天然裂缝两端穿过、从某一弱面穿过。研究结果可为页岩气藏水平井压裂开采提供有力技术支持。     

“水力压裂”技术在基岩帷幕灌浆中的应用

针对高坝防渗帷幕施工中常见的“回浆返浓”现象,提出将能源开采行业广泛应用的“水力压裂”造缝技术引入到基岩帷幕灌浆中。利用范围、宽度可控的人造裂缝解决了传统水泥灌浆时由于岩石隐微裂缝发育造成的浆液清水失水,水泥颗粒剩余返浓情况,避免了细水泥、化学灌浆施工的固有缺陷,为帷幕灌浆施工提供了一种新思路。     

多裂隙岩体渗流特性数值模拟研究

为了研究在水力压裂作用下多裂隙岩体的渗流特性,本文采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统和控制变量法,研究多裂隙岩体在不同裂隙角度、不同围压及轴压时,裂隙的扩展演化过程。模拟结果表明:随着岩体天然裂隙角度的增加,裂隙的萌生和扩展逐渐减弱;外界条件对水力压裂作用下裂纹的萌生和扩展是不可忽略的,其最大主应力控制着裂纹的扩展演化。     

地下高压管道的联合承压计算

本文推导了地下高压管道中钢衬、衬砌混凝土和围岩在施加内压的各个阶段中应力和位移的计算公式，这些公式适用于不同层间缝隙以及衬砌混凝土与围岩存在不同径向裂缝的情况，亦可应用这些公式计算混凝土与围岩产生径向裂缝时的临界内水压力和裂缝的开裂区半径，与同类计算公式相比，其精确性更高，适用性更广。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析方法研究

引入具有水力耦合属性的内聚单元模拟衬砌裂缝、衬砌-围岩交界面,以反映缝隙的位移非连续特征以及内部压力水体的流动特性.结合渗流-应力间接耦合方法,提出了水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂算法,探究了衬砌裂缝发展历程、裂缝宽度演化以及缝隙内部水压力传递特征等,并基于此系统分析了衬砌-围岩有条件联合承载特性的影响.计算分析表明,...