高水壓力作用下巖體水力劈裂的擴展有限單元法模擬

對于處在高水頭、大埋深等條件下的巖體工程，水力劈裂是影響巖體及其上部建筑物穩(wěn)定性的重要因素之一。巖體中存在一些自然裂紋，這些裂紋會影響水力裂紋的擴展路徑，考慮水力裂紋和自然裂紋的相互作用才能更真實地揭示巖體水力劈裂機理。擴展有限單元法是一種在常規(guī)有限元框架內(nèi)求解不連續(xù)問題的新型數(shù)值方法，模擬裂紋擴展時不需要網(wǎng)格重構(gòu)，因此擴展有限單元法能有效地模擬巖體水力劈裂。本項目完成了多裂紋擴展的擴展有限元法的系統(tǒng)理論基礎(chǔ)研究，基于耦合和非耦合模型建立了分析巖體水力劈裂的擴展有限單元法模型，編制了相應(yīng)的程序，模擬了巖體水力劈裂過程，取得的主要創(chuàng)新成果有：(1) 針對巖體水力劈裂問題，建立了求解多裂紋擴展的改進的擴展有限單元法。裂紋附近區(qū)域采用廣義形函數(shù)，其余區(qū)域采用傳統(tǒng)的有限元形函數(shù)，并引入線增函數(shù)消除混合單元，這樣在稍增加計算量的情況下有效地提高裂紋附近求解精度，從而精確地模擬裂紋擴展路徑；引入裂紋交叉匯合加強函數(shù)以分析多裂紋交叉匯合過程；用砂漿法(線段-線段接觸法)結(jié)合增廣型Lagrange 乘子法處理裂紋面的接觸條件，可以精確地模擬裂紋面約束，并方便地求解控制方程。(2) 基于非耦合模型，建立了模擬巖體水力劈裂的擴展有限單元法模型，模擬了水力裂紋的擴展，得到了水力裂紋的存在對自然裂紋面上應(yīng)力的影響，以及自然裂紋的存在對水力裂紋擴展路徑的影響。(3) 基于邊界耦合方式，建立了流-固耦合的巖體水力劈裂模擬的擴展有限單元法模型，數(shù)值模擬了水的流動、裂紋擴展和多裂紋的相互作用，得到了流體特性和自然裂紋等因素對水力劈裂擴展的影響。 2100433B

擴展有限單元法是一種不需要網(wǎng)格重構(gòu)可以處理任意不連續(xù)問題的新型數(shù)值方法。通過巖體水力劈裂的擴展有限單元法數(shù)值模擬和模型試驗，揭示巖體水力劈裂機理。主要研究內(nèi)容是：1、針對巖體水力劈裂問題，建立多裂紋擴展的擴展有限單元法理論，包括位移逼近的構(gòu)造、高效高精度的應(yīng)力強度因子計算方法、裂紋擴展準(zhǔn)則、提高裂紋附近求解精度的方法等；2、基于非耦合模型，采用擴展有限單元法分析水力裂紋和天然裂紋（裂隙）間的相互作用機理；3、基于邊界耦合方式，建立流固耦合的巖體水力劈裂模擬的擴展有限單元法模型。數(shù)值模擬水的流動、裂紋擴展和多裂紋的相互作用。為了檢驗所建模型的正確性和數(shù)值模擬的可靠性，進行巖體水力劈裂模型試驗。.本研究有望在巖體水力劈裂的數(shù)值分析方面取得突破性進展，對巖體穩(wěn)定性研究和巖體破壞的預(yù)測預(yù)報具有理論指導(dǎo)和實際工程意義。本項目研究成果也可以用于研究土體和混凝土水力劈裂問題。

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)動擴張、擴展、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。

高混凝土壩等水工混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑成形過程中普遍存在的微細(xì)裂紋和缺陷?？梢鹦铝鸭y甚至宏觀裂縫。針對高混凝土壩的結(jié)構(gòu)特點，利用地下水溫度環(huán)境耦合模擬試驗系統(tǒng)建立滲流-應(yīng)力-溫度等多場耦合的試驗?zāi)Ｐ停M行多場耦合條件下水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫萌生、發(fā)展的室內(nèi)模擬試驗，研究并揭示水力劈裂的機理。結(jié)合斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)理論和雙K斷裂模型，采用無單元法與有限元法耦合分析技術(shù)，分析研究水工混凝土結(jié)構(gòu)在滲流和溫度作用下裂縫從萌生、發(fā)展到失穩(wěn)的過程，揭示裂縫擴展的變化規(guī)律以及水力劈裂的形成和擴展機理，建立溫度-滲流-應(yīng)力耦合條件下水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂的數(shù)值分析模型，以預(yù)測裂紋的萌生位置和擴展長度，實現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂全過程的仿真模擬。高混凝土壩易出現(xiàn)裂縫并進一步擴展危及結(jié)構(gòu)安全，尤其是壩踵等部位，故該成果可廣泛應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的計算分析和安全評價，不僅具有理論意義，而且具有重要的應(yīng)用價值。