水力劈裂介紹

水力劈裂是由于水壓力的抬高在巖體或土體中引起裂縫發(fā)生與擴(kuò)展的一種物理現(xiàn)象。水力劈裂是高壓水流或其他液體將巖體內(nèi)已有的裂紋、孔隙驅(qū)動擴(kuò)張、擴(kuò)展、相互貫通等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱。

水力劈裂法自1947年由Hubbert和Willis首次提出，其將這一概念應(yīng)用于石油開采業(yè)，自此，水力劈裂的理論，技術(shù)及分析方法逐漸發(fā)展起來，并且擴(kuò)展到巖土工程，環(huán)境工程，建筑上程和水利工程等多個領(lǐng)域。水力劈裂是一項有半個世紀(jì)歷史的技術(shù)，主要被用在石油和天然氣的生產(chǎn)上。這項技術(shù)可以使石油或天然氣自由地從巖石或土壤的空隙中流出，再由生產(chǎn)井帶到地表。在開采油氣時，我們希望增大油氣的產(chǎn)量，即要使油氣盡量多的流到井中，其方法之一是把己經(jīng)存在的裂隙想辦法連接起來，使得巖體中具有更大的裂隙成為油氣的通道。這個人造的裂隙從井壁處開始，然后向外延伸，可以到達(dá)幾百英尺遠(yuǎn)。

水力劈裂技術(shù)由美國的石油公司于年第一次用在位于的天然氣井的開采上。Kelpper1號井，位于Grant縣，是一口低產(chǎn)量的井，雖然它已經(jīng)被酸化處理過。該井被選作第一次用水力劈裂技術(shù)處理的井，水力劈裂技術(shù)處理的效果可以和酸化處理的效果相比。自從年第一次成功利用之后，水力劈裂技術(shù)己經(jīng)變成了一種標(biāo)準(zhǔn)的對石油和天然氣開采井的處理方法。

國內(nèi)外對于水力劈裂給出了不同的定義，這里給出國內(nèi)和國外中有代表性意義的兩個定義，大家可以從不同的角度來理解和體會水力劈裂的內(nèi)在含義。

（1）1982年，黃文熙給出水力劈裂的定義，認(rèn)為水力劈裂是指由于水壓力的抬高在巖體或土體中引起裂縫發(fā)生于擴(kuò)展的一種物理現(xiàn)象。指出：“心墻中任何一點處的孔隙水壓力如果是該點處的最小主應(yīng)力的有效值降低至心墻抗拉強度，心墻就會沿著這個最小主應(yīng)力而產(chǎn)生水力劈裂”。

（2）調(diào)查Tenton壩破壞原因的獨立小組給水力劈裂下了一個定義，水力劈裂是指在高水頭壓力作用下，土體或巖體中裂縫的產(chǎn)生，發(fā)展并且相互貫通最終形成裂隙的過程。

水力劈裂是這樣一個過程把一定流速的流體在短時間內(nèi)壓入井孔，該速度太高以至于對壓入地層來講不能以徑向流的方式接受。隨著地層對水流的阻力增加，井孔中的壓力相應(yīng)增加，當(dāng)增加到超過了地層的破裂壓力時，井孔處的地層開裂起劈。一旦地層破裂，新裂隙形成，壓入的流體開始流入新裂隙。在大多數(shù)地層中，形成單一的、豎向的裂隙。該裂隙從井孔處向外兩個方向延伸。這些裂隙的翅膀呈“分開，通常假定在任何點任何時間在形狀上在尺寸上是一致的。在含有天然裂隙的地層中，水力劈裂的過程中可能出現(xiàn)多裂隙，并延伸 。

水力劈裂階段分析

Chang通過人.量實驗分析，將水力劈裂全過程分為三的階段：圓孔擴(kuò)張，劈裂產(chǎn)生和劈裂擴(kuò)展。

（1）圓孔擴(kuò)張階段：是指壓力達(dá)到峰值前有較多塑性帶形成的階段。

（2）劈裂產(chǎn)生階段：在此階段，人多數(shù)研究致力于對劈裂破壓力的預(yù)測，并通過劈裂壓力的影響因素分析對其破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了一些推測。

（3）裂隙擴(kuò)張階段：是指壓力從峰值降低后，裂隙的進(jìn)一步發(fā)展階段。

水力劈裂破壞機(jī)理

土的破壞準(zhǔn)則有很多，包括廣義屈雷斯卡準(zhǔn)則，廣義米塞斯準(zhǔn)則，莫爾一庫倫準(zhǔn)則，拉德一鄧肯準(zhǔn)則，廣義雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則，形變能破壞準(zhǔn)則和土體拉裂破壞準(zhǔn)則等。雖然土體的破壞準(zhǔn)則繁多，對于水力劈裂的機(jī)理，主要有兩種觀點：拉裂破壞和剪切破壞。

（1）拉裂破壞：拉裂破壞的假設(shè)是借用固體材料中水力劈裂的破壞機(jī)理，認(rèn)為當(dāng)最小有效應(yīng)力成為負(fù)值并且超過土體的抗拉強度時，水力劈裂產(chǎn)生劈裂壓力。

（2）剪切破壞：剪切破壞又稱為莫爾一庫倫破壞準(zhǔn)則，剪切破壞的假設(shè)是認(rèn)為水力劈裂是由于土受剪切破壞所致。因此，一旦土體內(nèi)任一點任意平而上的剪應(yīng)力達(dá)到了土的抗剪強度，該點就發(fā)生破壞。

水力劈裂優(yōu)點

（1）在石油工程中，利用水力劈裂法來增加含油地層中裂縫的數(shù)量和增大裂縫的開度，用來加快石油開采的速度并且增大單井田的產(chǎn)油量。

（2）在環(huán)境治理中，在地而以下建立滲透性反應(yīng)屏障PRB中用以凈化地下水。水力劈裂所產(chǎn)生的裂隙空間為水化學(xué)反應(yīng)提供了場所也是污染物運移的通道。

（3）能源工程中，地?zé)豳Y源開發(fā)，用水力劈裂法在地下注入高壓水制造裂隙將一各井連通。然后從一些井向地下注入冷水，在地下發(fā)生熱交換后，再從另外的井中將熱水抽出。

水力劈裂缺點

（1）水力劈裂可能是造成許多人壩滲水和失穩(wěn)的原因，如美國愛達(dá)荷州的Teton人壩和挪威的Hyttejuvet大壩的坍塌。

（2）當(dāng)壓力灌漿時，水力劈裂被認(rèn)為是砂土地基開裂和造成漿液的原因。

（1）控制土石壩設(shè)計條件 由于水力劈裂機(jī)理分析可知壩中存在低應(yīng)力區(qū)可導(dǎo)致水力劈裂的產(chǎn)生。 因此，設(shè)計中應(yīng)努力消除不均勻沉降的因素，以避免壩內(nèi)產(chǎn)生低應(yīng)力區(qū)。

（2）控制水庫運行條件 大量資料表明，在水庫初次蓄水至最高水位，且蓄水速率較快時最容易引起土石壩水力劈裂。這是由于蓄水初期，壩體還未來得及在自重下充分固結(jié)，土體內(nèi)的有效應(yīng)力還不足以阻止庫水壓力的劈裂作用。另外，蓄水速率較快時，壩體中某些原先就存在的裂縫來不及愈合就被庫水壓力劈開。相反，若蓄水速率較慢，庫水能充分滲入周圍的土體就不可能形成劈縫壓力。因此，在水庫初次蓄水時，應(yīng)限制蓄水速率不要太快，同時要嚴(yán)密監(jiān)視土石壩的表現(xiàn)。

（3）優(yōu)選防滲體土料 防滲體土料應(yīng)避免用分散性土或易沖蝕性土，以防止水力劈裂引起的初始滲漏導(dǎo)致垮壩失事。

（4）在防滲體下游側(cè)設(shè)置反濾層。當(dāng)水力劈裂縫形成時，下游反濾層可使防滲體免遭滲透水繼續(xù)沖刷，保證大壩安全?？傊?，危害土石壩安全的最主要因素是滲流破壞。水力劈裂是導(dǎo)致土石壩因集中滲漏而失穩(wěn)的可能原因之一。只要從土石壩設(shè)計條件和水庫運行條件兩方面加以控制采取必要措施，就可保證土石壩不因水力劈裂而造成破壞。2100433B

《土石壩水力劈裂的物理機(jī)制及數(shù)值仿真》，本書在前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入地分析了水力劈裂發(fā)生的物理機(jī)制，研究了壓實黏土的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性及斷裂機(jī)理，提出和建立了描述水力劈裂發(fā)生和擴(kuò)展過程的數(shù)值仿真方法，從而將以往針對一點的土石壩水力劈裂判別方法發(fā)展為針對整體結(jié)構(gòu)安全性的評價方法。2100433B

高混凝土壩等水工混凝土結(jié)構(gòu)常年在高水壓、高應(yīng)力條件下運行，易發(fā)生水力劈裂破壞，而水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂形成和破壞演化機(jī)理復(fù)雜。本項目基于混凝土材料和水泥砂漿兩種試件，開展了單軸受壓、雙軸受壓、四點彎曲彎矩等條件下的水力劈裂試驗，研究了不同應(yīng)力狀態(tài)、荷載施加方式、初始裂縫開度和深度、化學(xué)侵蝕溶液溶度和歷時等對試件水力劈裂破壞過程的影響，分析了裂縫擴(kuò)展路徑上縫內(nèi)水壓演化規(guī)律，推導(dǎo)了縫內(nèi)水壓力的計算公式，結(jié)合滲流力學(xué)和斷裂力學(xué)理論，提出水力劈裂裂縫擴(kuò)展的損傷斷裂準(zhǔn)則，考慮縫內(nèi)水流與結(jié)構(gòu)變形的耦合效應(yīng)，建立水力劈裂數(shù)值分析模型。結(jié)果表明，在縫內(nèi)水壓和軸壓作用下，試件裂縫尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得臨界劈裂水壓與軸壓的差值小于其劈拉強度；試件臨界劈裂水壓值與試件劈拉強度、軸壓均呈線性關(guān)系。雙軸受壓狀態(tài)下水力劈裂試驗試件破壞類型為非完全水力劈裂破壞，破壞造成的裂縫細(xì)微，未形成完全貫通試樣的連續(xù)裂縫。四點彎曲彎矩作用下，裂縫發(fā)展過程中的混凝土試件應(yīng)變可分為線性段及指數(shù)段，當(dāng)應(yīng)變進(jìn)入指數(shù)段時，試樣臨近破壞。較小的荷載增量即會打破穩(wěn)態(tài)，促使裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展。劈裂水壓與拉應(yīng)力存在疊加效應(yīng)，若最值作用位置相同，裂縫尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，易引起水力劈裂破壞。不同化學(xué)溶液侵蝕下，試件起裂臨界水壓力和劈裂臨界水壓力隨侵蝕時間的演化規(guī)律一致，均具有明顯的時間依賴性和階段性。通過楔形劈裂試驗算例和單裂縫水力劈裂算例數(shù)值模擬，論證了數(shù)值分析模型的合理性，模擬某高重力壩水力劈裂破壞過程。項目研究成果有效推動水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂數(shù)值模型研究，可為水工程的安全評價和長效運行維護(hù)提供理論依據(jù)。