袁俊平 ，王啟貴

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098）

1 引 言

水力劈裂是指由于水壓力增加在巖體或土體中引起裂縫發(fā)生和發(fā)展的一種物理現(xiàn)象[1]。一旦發(fā)生水力劈裂，可能導(dǎo)致整個(gè)壩體迅速破壞（如1976年美國(guó)Teton 壩[2]）。為了保證壩體安全，實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防，搞清水力劈裂的發(fā)生機(jī)制和條件就顯得極為重要。

楔劈效應(yīng)理論認(rèn)為，均質(zhì)試樣中不會(huì)發(fā)生水力劈裂，只有土體中存在非連續(xù)現(xiàn)象，受水壓后可能導(dǎo)致楔劈作用，才會(huì)發(fā)生水力劈裂[3-4]。朱俊高[5]、王俊杰[6]等利用數(shù)值模擬和斷裂力學(xué)理論分析了水力劈裂發(fā)生機(jī)制，認(rèn)為快速蓄水時(shí)，若心墻迎水面中存在初始滲透薄弱面或裂縫，將引發(fā)水力劈裂（見(jiàn)圖1）。一些學(xué)者[5,7-8]還采用有初始裂縫的中空?qǐng)A柱試樣或自制的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)，驗(yàn)證楔劈效應(yīng)理論的合理性。然而，采用中空?qǐng)A柱試樣進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)環(huán)受水壓后試樣中會(huì)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力（見(jiàn)圖2），不同于心墻的實(shí)際受力狀態(tài)。中空?qǐng)A柱試樣的破壞是楔劈效應(yīng)與環(huán)向受拉共同作用的結(jié)果。

為了較真實(shí)地模擬心墻迎水面受壓狀態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)證楔劈效應(yīng)，探索水力劈裂的發(fā)生機(jī)制和條件，本文采用圓餅形試樣，通過(guò)平面加壓方式，進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)中主要考慮初始裂縫深度和加壓速率的影響。為了檢驗(yàn)楔劈效應(yīng)的機(jī)制和作用效果，本文還對(duì)劈裂前后的試樣進(jìn)行了CT 試驗(yàn)觀(guān)測(cè)，并對(duì)有無(wú)初始裂縫試樣水力劈裂試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

圖1 黏土心墻水力劈裂的楔劈作用Fig.1 Wedge splitting function of hydraulic fracturing in clay core

圖2 中空?qǐng)A柱試樣水力劈裂試驗(yàn)受力狀態(tài)Fig.2 Stress state for hollow cylinder specimen in hydraulic fracturing test

2 水力劈裂試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)時(shí)，將圓餅形試樣和砂墊層用橡皮膜密封于圓筒形壓力室中（見(jiàn)圖3）。壓力室一端連接注水孔，無(wú)氣水加壓后通過(guò)緩沖水腔作用在試樣表面，流經(jīng)試樣和砂墊層后再由出水孔排出。壓力室徑向設(shè)置側(cè)壓孔，在橡皮膜外施加氣壓（高于注水孔水壓），使橡皮膜貼緊試樣。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram for test apparatus

試驗(yàn)土料為兩河口水電站黏土心墻料，其基本性質(zhì)見(jiàn)表1。用靜壓法制備成φ 140 mm×60 mm 的圓餅形試樣，制樣干密度為1.80 g/cm3，含水率為15.3%。制備有初始裂縫的試樣時(shí)，用刀片小心地在試樣表面中心處切割出長(zhǎng)80 mm、寬10 mm 的V字型裂縫（見(jiàn)圖4）。

表1 試驗(yàn)土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main physical properties of test material

圖4 水力劈裂試驗(yàn)試樣Fig.4 Specimens for hydraulic fracturing test

試驗(yàn)時(shí)，若出水孔處流速突然增大，同時(shí)排出水流出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，判斷試樣發(fā)生水力劈裂，記錄此時(shí)的注水孔水壓，作為劈裂壓力。

為方便表述，將無(wú)初始裂縫試樣編號(hào)為F0，有初始裂縫試樣編號(hào)為F1、F2、F3、F4、F5，分別對(duì)應(yīng)于裂縫深度為試樣厚度的10%、20%、30%、40%、50%。試驗(yàn)中選用了兩種不同的水壓力，加壓載速率5、25 kPa/min。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 初始裂縫深度影響

圖5為加壓載速率為25 kPa/min 時(shí)不同初始裂縫深度各試樣滲流速率隨試驗(yàn)歷時(shí)變化曲線(xiàn)。

可以看出，加載初期（600 s 以?xún)?nèi)），試樣滲流速率很小，表明試樣中尚未形成穩(wěn)定滲流。而后隨水壓力增大，滲流速率逐漸增大，滲流速率隨歷時(shí)變化曲線(xiàn)近似呈線(xiàn)性關(guān)系，與水壓力過(guò)程線(xiàn)平行，表明試樣中形成了穩(wěn)定滲流。這一階段出水孔處排出水流清澈透明。

當(dāng)初始裂縫深度較小時(shí)（不超過(guò)試樣厚度20%，見(jiàn)圖5(a)），隨水壓力持續(xù)增大，滲流速度隨歷時(shí)變化曲線(xiàn)的增幅相對(duì)較小，表明試樣未發(fā)生水力劈裂。比較圖5(a)中F0、F1、F2 試樣試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，總體上，初始裂縫深度越大，試樣滲流速率也越大，表明裂縫的存在降低了試樣防滲性能。

當(dāng)初始裂縫深度較大時(shí)，水壓增大達(dá)到一定程度后，滲流速率突然迅速增大（在1 min 內(nèi)增大約70 ml/min）（見(jiàn)圖5(b)、圖5(c)）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有細(xì)小黏土顆粒隨水流排出，水流變渾濁。表明裂縫在水壓力作用下貫通，試樣發(fā)生了水力劈裂。隨后很短時(shí)間內(nèi)（約1 min），滲流速率迅速降低，注水孔處水壓力不能保持讀數(shù)而迅速下降。表明試樣經(jīng)歷水力劈裂后，通過(guò)試樣的流量大幅增加，注水孔供水量不足。

圖5 各試樣滲流速率歷時(shí)曲線(xiàn)（加壓速率25 kPa/min）Fig.5 Seepage rate-time curves for different specimens(loading rate:25 kPa/min)

值得注意的是，當(dāng)初始裂縫深度為試樣厚度30%時(shí)（F3 試樣，見(jiàn)圖5(b)），平行試驗(yàn)中有部分試樣發(fā)生了水力劈裂：圖5(b)中1 線(xiàn)顯示，當(dāng)水壓力增加到700 kPa 時(shí)，滲流速率由10 ml/min 左右突變至100 ml/min 左右；試驗(yàn)結(jié)束后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，試樣中出現(xiàn)了貫穿裂縫。同樣條件下，也有試樣在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)滲流突變現(xiàn)象（如圖5(b)中2 線(xiàn)所示），整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中滲流量變化平穩(wěn)；試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)該試樣表面出現(xiàn)了沿初始裂縫的新的細(xì)小裂縫（見(jiàn)圖6），但新裂縫深度不大，未貫通整個(gè)試樣。

圖5(c)顯示，相對(duì)于初始裂縫深度較小的F4試樣，初始裂縫深度較大的F5 試樣，隨水壓力增大，較早出現(xiàn)了滲流突變現(xiàn)象。

圖6 沿初始裂縫處的新微裂縫Fig.6 New developed crack along the initial crack

對(duì)比不同初始裂縫深度試樣出現(xiàn)貫穿裂縫時(shí)的劈裂壓力（見(jiàn)表2）可以看出，隨初始裂縫深度增大，試樣的劈裂壓力逐漸減小。

表2 加壓載速率25 kPa/min 時(shí)各試樣劈裂壓力(單位:kPa)Table 2 Splitting pressure of different specimens with a loading rate of 25 kPa/min(unit:kPa)

根據(jù)楔劈效應(yīng)理論，楔劈由劈背和劈刃組成，施加到劈背上的水壓力分解到劈刃上，當(dāng)劈刃上的力足夠劈開(kāi)土體時(shí)，就會(huì)發(fā)生水力劈裂。若施加到劈背上的力為N，劈刃夾角為θ，則劈刃上的力為N cosθ ?？梢?jiàn)，θ 越小，劈刃上的力就越大。也就是說(shuō)，裂縫形成的劈角越小，就越容易導(dǎo)致水力劈裂。上述試驗(yàn)結(jié)果完全符合楔劈理論這一解釋?zhuān)涸囼?yàn)中各試樣初始裂縫寬度在試樣表面處均相同，裂縫深度越大，裂縫所形成的角度就越小，裂縫就越銳，相應(yīng)地，所測(cè)得的劈裂壓力也越小，即越容易發(fā)生水力劈裂。

因此，為提高心墻的抗水力劈裂能力，應(yīng)保證心墻迎水面的施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)施工質(zhì)量的薄弱層（面），而且應(yīng)使迎水面盡可能平整，避免出現(xiàn)空洞或凹陷。

2.2.2 加壓速率的影響

圖7 給出了加壓載速率為5 kPa/min 時(shí)不同初始裂縫深度各試樣滲流速率隨試驗(yàn)歷時(shí)變化曲線(xiàn)。

可以看出，初始裂縫深度不超過(guò)30%的各試樣（F0、F1、F2和F3）均未出現(xiàn)滲流速率突變現(xiàn)象，表明未出現(xiàn)水力劈裂。比較圖5(a)和圖7(a)可以看出，達(dá)到同樣水壓力大小時(shí)，加壓速率較小時(shí)，試樣滲流速率相對(duì)較大。如在F0 試樣上加壓到700 kPa，加壓速率為5 kPa/min 時(shí)，試樣滲流速率為15 ml/min，而加壓速率為25 kPa/min 時(shí)，試樣滲流速率為10 ml/min。表明加壓速率較小有利于減小試樣內(nèi)部水力梯度差異，使試樣較早形成穩(wěn)定滲流。

圖7 各試樣滲流速率歷時(shí)曲線(xiàn)（加壓速率5 kPa/min）Fig.7 Seepage rate-time curves for different specimens(loading rate:5 kPa/min)

當(dāng)初始裂縫深度較大時(shí)（見(jiàn)圖7(b)），試樣滲流速率歷時(shí)曲線(xiàn)發(fā)生了突變；試驗(yàn)結(jié)束后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，與前述加壓速率為25 kPa/min 時(shí)，初始裂縫貫通破壞現(xiàn)象不同，初始裂縫處有較明顯的沖蝕破壞痕跡。難以判斷圖7(b)所示滲流速率歷時(shí)曲線(xiàn)突變是由于水力劈裂現(xiàn)象或是管涌現(xiàn)象導(dǎo)致的。

為了進(jìn)一步分析加壓速率對(duì)水力劈裂的影響機(jī)制，本文利用Geostudio 軟件Seep/W 模塊進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。計(jì)算中考慮試樣初始為非飽和狀態(tài)，迎水面（左側(cè)）受水壓力的作用，背水面（右側(cè)）為自由出流面，其余邊界為不透水邊界。

圖8 分別給出了不同加壓速率時(shí)無(wú)裂縫試樣和有初始裂縫試樣加壓初期內(nèi)部孔壓等勢(shì)線(xiàn)分布情況?？梢钥闯觯?dāng)加壓速率較大時(shí)，試樣迎水面孔壓等勢(shì)線(xiàn)分布更密集（見(jiàn)圖8(a)），表明水力梯度較大，迎水面所受水壓來(lái)不及傳遞到試樣內(nèi)部；而較低的加壓速率則有利于試樣中達(dá)到滲流的穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖8(c)和圖8(d)可以看出，當(dāng)有初始裂縫時(shí)，裂縫處有明顯的孔壓集中現(xiàn)象，而且垂直開(kāi)裂面存在較大的水力梯度，表明裂縫處有較大的劈裂壓力，使裂縫有進(jìn)一步擴(kuò)張的趨勢(shì)。

圖8 不同加壓速率試樣內(nèi)孔壓等勢(shì)線(xiàn)分布Fig.8 Pore pressure contour maps in specimens with different loading rates

由上述試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算分析可見(jiàn)，加壓速率越大，越容易引發(fā)水力劈裂。因此，為避免水力劈裂的發(fā)生，應(yīng)合理安排水庫(kù)蓄水運(yùn)行計(jì)劃，盡可能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)分多步抬高庫(kù)水位，從而降低蓄水速度，減小心墻迎水面水壓力增加速率。

3 水力劈裂前后試樣CT 觀(guān)測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試樣是否發(fā)生水力劈裂，搞清發(fā)生水力劈裂后試樣內(nèi)部如何變化，本文對(duì)水力劈裂試驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行了CT 觀(guān)測(cè)。

圖9 是F0 試樣（無(wú)初始裂縫）和F5 試樣（初始裂縫深度為試樣厚度50%）水力劈裂后三維重構(gòu)模型圖?？梢钥闯觯瑢?duì)無(wú)初始裂縫試樣，試驗(yàn)前、后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，試樣仍保持均質(zhì)（見(jiàn)圖9(a)）；而有初始裂縫試樣則在水力劈裂試驗(yàn)后出現(xiàn)了貫通裂縫（見(jiàn)圖9(b)）。

圖10為F5 試樣發(fā)生水力劈裂后垂直裂縫方向CT 切片?？梢钥闯?，裂縫貫通了整個(gè)試樣，而且沿水流方向裂縫寬度不斷減小，表明水力劈裂是土體被水壓楔劈開(kāi)來(lái)，使得裂縫逐漸擴(kuò)展的結(jié)果。

圖9 水力劈裂試驗(yàn)后試樣CT 掃描三維重構(gòu)模型Fig.9 3D reconstructed model based on CT results for specimens after hydraulic fracturing test

圖10 F5 試樣劈裂后垂直裂縫CT 切片F(xiàn)ig.10 CT slice for vertical crack after hydraulic fracturing

4 結(jié) 論

（1）驗(yàn)證了水力劈裂楔劈機(jī)制。水壓力作用在心墻初始裂縫所形成的劈背上，當(dāng)劈刃上的力超過(guò)臨界值時(shí)就可能發(fā)生水力劈裂。

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證了水力劈裂楔劈效應(yīng)。土體中存在初始裂縫，加壓速率較大時(shí)，在裂縫處水力梯度較大，裂縫在水壓力的楔劈作用下可能向深部擴(kuò)展，最終貫通，從而導(dǎo)致水力劈裂的發(fā)生。

（3）初始裂縫和加壓速率對(duì)水力劈裂有明顯影響。初始裂縫深度越大、加壓速率越高，越容易導(dǎo)致水力劈裂的發(fā)生。

（4）為提高心墻抗水力劈裂能力，避免土石壩發(fā)生水力劈裂破壞，應(yīng)保證心墻迎水面的施工質(zhì)量和平整性，并采用較慢的蓄水方案。

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