土石坝心墙水力劈裂机制研究

心墙的水力劈裂问题是土质心墙坝建设中亟需解决但尚未很好解决的重要岩土工程问题。从心墙受力变形方面探讨了水力劈裂发生、发展的机制。研究认为：水库蓄水初期是水力劈裂的危险期;完全均质的心墙内不会发生水力劈裂;“裂缝或局部的缺陷”及“迅速蓄水的初期”是土石坝心墙发生水力劈裂的两个重要条件,水力劈裂发生的根本原因是局部高水力梯度的存在。最后,对上述机制进行了简单的试验验证。为进一步研究水力劈裂发生的判定、水力劈裂计算模拟指出了研究方向与思路。     

水力劈裂楔劈效应试验研究

心墙是否会发生水力劈裂关系土石坝的安全,该问题的难点和关键之一是水力劈裂的发生机制和条件。利用自制模型,在2种不同加压速率条件下,对有无初始裂缝和5种不同初始裂缝深度的试样进行了水力劈裂试验;结合数值模拟和CT观测试验,验证了水力劈裂的楔劈效应机制-当水压力作用在初始裂缝形成的劈背上,引起劈刃上的力超过临界值时就可能导致发生水力劈裂。研究结果表明：初始裂缝深度越大、加压速率越高,越容易发生水力劈裂。为避免土石坝发生水力劈裂破坏,应注意心墙迎水面的施工质量和平整性,宜采用较慢的蓄水方案。     

高心墙堆石坝心墙水力劈裂的颗粒流模拟

目前针对堆石或土石坝的心墙水力劈裂问题虽然已取得了不少成果,但现有的成果大多从宏观的角度进行研究,对心墙水力劈裂发生机制的认识尚未达成一致的观点。采用颗粒流方法从细观角度对心墙水力劈裂问题进行初步研究,模拟了心墙水力劈裂发生和发展的过程。计算结果表明,劈裂水压力Pf随着竖向应力的增大而增大,且两者基本呈线性关系,与室内成果的规律基本一致;心墙在高水力梯度作用下,形成的水楔效应降低了裂缝尖端区附近的最大主应力,当该值小于或接近心墙上游的外水压力时则会导致水力劈裂的发生。此外,计算结果还证明了心墙发生水力劈裂的主要力学原因是由于心墙中的张拉应力超过了土体的抗拉强度。     

土石坝横向裂缝的土工离心机模型试验研究

岸坡突变所产生的不均匀沉降变形常常是导致土石坝心墙发生横向裂缝的主要原因。使用糯扎渡高心墙堆石坝心墙混合土料进行了模拟心墙发生横向裂缝的土工离心机模型试验。试验中再现了由于岸坡坡度变化导致坝顶发生横向裂缝的现象。采用工程中常用的3种裂缝分析方法：倾度法、Leonards法和有限元应力法对试验结果进行了分析。结果表明,前两种方法仅在测点较多时才是适用的,而有限元应力法对土石坝心墙横向裂缝问题更为有效。     

黑河黏土心墙土石坝分期位移反分析

高心墙土石坝的安全性评价问题涉及到土坝的变形与渗流规律及相关力学参数的确定,是当前土力学研究的热点与难点之一。由于土石坝受施工过程中施工工艺、施工方法和施工质量以及运行期运行环境和管理方法的影响,土石坝坝料的实际力学参数与原设计参数有一定的差别。为获得西安黑河黏土心墙土石坝大坝填料实际的力学参数,利用大坝的应力、变形与渗流观测资料,通过深入分析大坝变形机制和渗流特征,建立了黑河黏土心墙土石坝变形与荷载之间的对应关系,提出了基于准饱和土固结理论的心墙土石坝分期位移反分析的思路与方法,实现了心墙土石坝施工期、运行期全过程反演。结果表明该方法可反演得到心墙土石坝填筑材料的主要参数（邓肯-张模型）、心墙渗透系数及湿化变形参数。反演思路与方法对同类工程设计与反分析具有参考意义。     

土石坝心墙水力劈裂分析

简要分析了水力劈裂的发生条件、力学机理。基于水压楔劈机理,利用有限元方法建立了一种水力劈裂的发生判定方法。该方法假定心墙预先存在局部渗透弱面（裂缝）,通过将裂缝位置的单元材料改为裂缝软材料,考虑库水进入裂缝后对裂缝周围土体的作用,建立水力劈裂分析的平面有限元模型,确定裂缝端部垂直于裂缝面的正应力,进而依据该正应力判断水力劈裂发生的可能性,该方法同时可模拟水力劈裂的发展过程。     

掺砾心墙料拉裂力学特性试验研究

研究掺砾心墙料的拉裂特性对深入研究高土石坝水力劈裂、坝顶裂缝以及坝肩横缝等问题至关重要,但目前已有的研究尚不够深入。基于自主研制的单向拉伸试验装置,对不同掺砾量下的心墙料进行了系列的单向拉伸试验,依据试验结果分析了掺砾心墙料拉裂破坏的机制。在此基础上得到以下结论：在试样各自最大干密度及最优含水率下,随着掺砾量的增加,心墙料的抗拉强度和拉应变呈线性递减关系;所有试样的拉应力?应变曲线呈分段指数关系,极限拉应力前后试验曲线可分别采用正负指数关系来描述;进行了系列三轴排水剪试验,分析各试样抗拉强度与强度指标的关系发现,对于所研究的掺砾心墙料,抗拉强度与其黏聚力呈较好的线性关系,在不具备试验条件的情况下,此关系可用来大致估算心墙料的抗拉强度。相关试验结果可为实际土心墙坝抗裂设计提供参照。     

高土石坝裂缝分析的变形倾度有限元法及其应用

土石坝张拉裂缝一般由坝体的不均匀沉降变形引起,是土石坝破坏的主要诱因和表现形式之一。将基于现场沉降监测资料的传统变形倾度法进行了扩展,通过在有限元计算程序中嵌入变形倾度计算模块,发展了基于有限元变形计算的变形倾度有限元法。该方法简洁实用,方便与常规有限元变形计算相耦合,可作为在工程设计阶段分析和估算土石坝是否会发生表面张拉裂缝的实用方法。应用所发展的变形倾度有限元法,以糯扎渡高心墙堆石坝工程为例,进行了坝体后期变形引起坝体表面发生张拉裂缝的敏感性计算分析,探讨了高土石坝变形倾度的分布规律以及与坝体后期变形的关系,发现对糯扎渡高心墙堆石坝,坝顶后期沉降最大值小于坝高0.39%,可作为防止发生坝顶横向张拉裂缝的控制工况。通过工程实例的计算,说明提出的方法可用于高土石坝的裂缝预测分析。     

各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的应力-应变规律有重要影响,而建立在各向同性假设基础上的常用土体本构模型并不能反映土体的这种特性,因此需要分析土体各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响。采用各向异性非线性弹性模型,对水荷载作用下粘土心墙坝进行有限元数值分析,并与邓肯模型计算结果比较。结果表明,各向异性模型考虑了蓄水期间从小主应力方向加荷引起的土体应力各向异性,计算得出的小主应力σ3较邓肯模型的大,且相应抗水力劈裂能力亦大,则邓肯E-v模型由于不能模拟蓄水期土体各向异性特性,对于水力劈裂发生的评估可能偏于危险。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

Experimental Investigation on the Basic Law of Hydraulic Fracturing After Water Pressure Control Blasting

Because of the advantages of integrating water pressure blasting and hydraulic fracturing, the use of hydraulic fracturing after water pressure control blasting is a method that is used to fully transform the structure of a coal-rock mass by increasing the number and range of hydraulic cracks. An experiment to study hydraulic fracturing after water pressure blasting on cement mortar samples (300 × 300 × 300 mm³) was conducted using a large-sized true triaxial hydraulic fracturing experimental system. A traditional hydraulic fracturing experiment was also performed for comparison. The experimental results show that water pressure blasting produces many blasting cracks, and follow-up hydraulic fracturing forces blasting cracks to propagate further and to form numerous multidirectional hydraulic cracks. Four macroscopic main hydraulic cracks in total were noted along the borehole axial and radial directions on the sample surfaces. Axial and radial main failure planes induced by macroscopic main hydraulic cracks split the sample into three big parts. Meanwhile, numerous local hydraulic cracks were formed on the main failure planes, in different directions and of different types. Local hydraulic cracks are mainly of three types: local hydraulic crack bands, local branched hydraulic cracks, and axial layered cracks. Because local hydraulic cracks produce multiple local layered failure planes and lamellar ruptures inside the sample, the integrity of the sample decreases greatly. The formation and propagation process of many multidirectional hydraulic cracks is affected by a combination of water pressure blasting, water pressure of fracturing, and the stress field of the surrounding rock. To a certain degree, the stress field of surrounding rock guides the formation and propagation process of the blasting crack and the follow-up hydraulic crack. Following hydraulic fracturing that has been conducted after water pressure blasting, the integrity of the sample is found to be far lower than after traditional hydraulic fracturing; moreover, both the water injection volume and water injection pressure for hydraulic fracturing after water pressure blasting are much higher than they are for traditional hydraulic fracturing.     

低透煤层井下长钻孔水力压裂增透技术

针对我国低透气性煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的现状,提出了利用大直径长钻孔水力压裂对煤层进行增透的技术措施,探讨了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了煤矿井下煤层水力压裂瓦斯抽采试验。在成功施工顺层长钻孔的基础上,研发了一套适合井下水力压裂施工的快速封孔工具组合,分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了考察和评价。研究表明:该技术克服了传统井下水力压裂存在的封孔质量差、压裂影响范围小等问题,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了58 m,压裂后连续抽采130 d累计抽采纯瓦斯量为31.39万m3,日最高抽采量2 668 m3,瓦斯体积分数平均70.05%,百米钻孔瓦斯抽采纯量达到0.55 m3/min。      

水力压裂增水技术在青海卤盐矿开采中的试验

针对青海大盐滩地下钾盐矿开采难题,尝试利用水力压裂技术增加卤水井单井产能。从水力压裂技术原理、压裂井布置、压裂与座封段确定、器具安装、压裂施工、抽水试验等方面介绍了卤矿区水力压裂试验。试验结果表明,4眼试验井平均增产559.25%,获得良好的压裂增产效果。首次将水力压裂技术引入到了卤矿区盐田增产领域,填补了国内卤盐矿井压裂增产的技术空白。     

水平井中多条裂缝同步扩展时裂缝竞争机制

水平井中多条水力裂缝间的应力干扰行为,造成了压裂液排量的非均匀分配,影响了水力裂缝的几何形态。采用边界元法研究岩体在压裂液作用下的变形程度,以幂律流体泊肃叶平板流动方程来研究水力裂缝内部的压裂液流场,考虑了多条裂缝间应力干扰和压裂液流量分配,建立了流-固耦合的水平井多条水力裂缝同步扩展模型。模型可模拟水平井多条水力裂缝几何形态、应力干扰情况和压裂液排量的分配情况,可解释水力裂缝之间的竞争机制。多条裂缝同步扩展时,压裂液排量并非均等地分配到各个裂缝之中,进入到内部裂缝的压裂液流量最小,内部裂缝宽度最小;内部的水力裂缝增长一定长度后,停止增长,并且在应力干扰下逐渐闭合。     

水力劈裂过程中裂隙体积的估算

由于水力劈裂技术应用领域越来越广泛,评价裂隙劈裂效果变得越来越重要。本文对水力劈裂过程中裂隙的体积进行简单的探讨。文中给出了水力破裂过程中裂隙的概念模型,推导了该模型下求解裂隙体积的计算公式,并利用现场水力劈裂试验结果对裂隙进行估算。     

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

自然营造力作用下岩体混凝土水力劈裂分析与探讨

水利水电、矿业等工程在自然营造力作用下的水力劈裂边界条件与人工致裂不完全相同,有其自身的特点。在总结自然营造力作用下水力劈裂特点的基础上,根据研究的尺度不同,将水力劈裂研究分为岩体宏观的、综合的、统计意义上的水力劈裂和单裂纹的水力劈裂研究两种。分析了单裂纹内水流特性,将单裂纹内的水力劈裂分为两个阶段（或两种情况）分别进行研究,并将此问题得以简化,同时还提出了不同阶段裂纹内水流运动分析的模型。