史亞旋 徐力群 陶韻成 劉 沖 毛翼飛 沈宇揚

(1.河海大學 水利水電學院， 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210098)

巖體水力劈裂是指巖體內已有的裂隙、空隙在高壓水流的驅動下發(fā)生擴張、擴展、相互貫通最終導致結構失穩(wěn)破壞等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱[1-2]，屬于巖體滲流-應力耦合研究的一個子課題[3].自20世紀40年代美國試驗成功以來，水力劈裂技術被廣泛應用于石油增產(chǎn)和天然氣開采.在巖土和水利領域，水力劈裂方法也被用于地應力測量、地基處理和防滲灌漿等[4]方面.水力劈裂也能引起嚴重地質災害，如隧洞施工突水、高壓輸水結構開裂、深埋地下洞室涌水、巖質高邊坡失穩(wěn)、水庫大壩滲透開裂等[5-6].隨著一大批處于高水頭、大埋深等惡劣水文地質環(huán)境中的水電工程建設，巖體水力劈裂破壞成為工程中要面對的重要問題.

水力劈裂涉及裂隙水流運動和周圍巖石的變形耦合[7-8]，國內外針對這一復雜問題進行了許多試驗研究.Papanastasion[9]通過試驗，研究了巖石塑性屈服與剪脹對水力裂縫的張開與擴展的影響，定性分析了裂縫尖端在水力劈裂作用下的力學和結構上反應；Hock[10]等對均質砂巖進行三軸水力劈裂試驗，通過改變最小主應力以及注射速率觀察了裂縫寬度的變化；陳勉，龐飛，金衍[11]通過天然巖樣和人造巖樣的水力劈裂試驗，探討了圍壓、斷裂韌度等因素對巖體水力劈裂過程的影響；馮帆，楊錄勝，劉正和，等[12]以中心鉆孔的正方體紅砂巖為研究對象，在鉆孔兩側預制裂縫，進行三軸水力劈裂試驗，研究了裂縫方向對裂縫起裂與擴展規(guī)律的影響；王國慶，謝興華，速寶玉[13]采用水泥砂漿作為巖石相似材料，制作厚壁圓筒試件并在試件外壁粘貼應變片進行水力劈裂試驗，提出了試件破壞發(fā)生的判別依據(jù)；劉得潭，沈振中，徐力群，等[14]采用單裂縫立方體試件，研究了水力劈裂過程中裂縫劣化損傷和斷裂的過程；徐力群，陶韻成，劉得潭，等[15]以自制水泥砂漿作為類巖石材料，應用斷裂損傷相關理論，總結了內水壓力和單軸壓縮耦合作用下的巖體破壞規(guī)律.

1 試驗概述

1.1 試樣制備

天然巖體富含節(jié)理裂隙，較難用于制備大量尺寸與力學性質均相似的試樣，而且在巖石試樣中制作貫穿裂縫也易對試樣造成破壞，形成潛在內部裂縫，不利于滿足試驗密封性要求.為便于試樣制備并符合試驗研究要求，采用水泥砂漿作為類巖石材料開展研究.試樣尺寸為150mm×150mm×150mm，澆筑試樣時，在模具中心預埋鋼片以形成初始貫穿裂縫，裂縫長50mm，寬2mm.為記錄試驗過程中裂尖附近應變變化情況，養(yǎng)護結束后，在試樣預制縫兩側粘貼應變片.試件材料配合比為水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，經(jīng)試驗后確定水泥砂漿標準試樣的力學參數(shù)如下：抗壓強度為30.815MPa，抗拉強度為3.360MPa，彈性模量為19.22GPa，泊松比為0.213.

1.2 試驗設備

雙軸壓縮試驗的縱向壓力加載裝置采用電液伺服萬能試驗機，橫向壓力加載采用CLL-1050型螺母鎖定分體分離式液壓油壓千斤頂，配有傳力裝置進行軸壓的傳導.縫內水壓由自主制造的水壓加載系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)由電動施壓泵、耐高壓水管、儲水箱、變電器和控制計算機等組成，可實現(xiàn)水壓力的控制與實時記錄.采用自主設計的水密封裝置，該裝置由工字型密封鋼架，雙層密封硅膠墊層組成，通過螺桿緊固方式使密封膠墊緊貼試件兩端預制縫，保證縫內高壓水流的密封.采用應變數(shù)據(jù)動態(tài)采集系統(tǒng)采集應變數(shù)據(jù).安裝完成后的試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗裝置

1.3 試驗方案

為研究雙軸壓縮狀態(tài)下，垂縫向和順縫向兩個方向軸壓力對水力劈裂形態(tài)、擴展過程、裂尖應變、臨界水壓的影響，本文采用相似材料水泥砂漿制作劈裂試樣，考慮兩個方向不同大小的軸壓，開展雙軸水力劈裂試驗，試樣及軸壓加載方式如圖2所示.按荷載組合的不同，設計9組實驗，每組3個試樣.試驗分組編號表見表1.同時將這9 組試樣分為3 大組：A 組σct＞σcn，包括A-1-3、A-3-5、A-1-5；B組σcn=σct，包括B-1-1、B-3-3、B-5-5；C 組σcn＞σct，包括C-3-1、C-5-3、C-5-1.試驗時，安裝好試樣和試驗設備，加載軸壓到設計值，最后加載水壓，實時記錄實驗數(shù)據(jù).

圖2 試樣及軸壓加載方式

表1 雙軸壓縮狀態(tài)狀態(tài)下水力劈裂試驗分組編號

2 試樣破壞形態(tài)分析

雙軸壓縮狀態(tài)下類巖石材料水力劈裂試驗各組典型試樣破壞形態(tài)如圖3所示，水力劈裂破壞造成的裂縫均沿預制縫尖端起裂，并沿預制縫方向向外擴展，其形態(tài)細微，裂縫僅擴展至試樣表面或側面上一定距離，并未形成完全貫通試樣的完整裂縫面.試樣劈裂破壞后仍具有一定的完整性，且存在較大殘余強度.觀察試樣破壞的整體形態(tài)相似，僅在裂縫開裂處存在差異.

圖3 雙軸壓縮狀態(tài)下水力劈裂試驗典型試樣破壞形態(tài)

A 組所有試樣預制縫尖端均發(fā)生裂縫擴展，擴展路徑較易觀察，σct與σcn的差值越大，裂縫寬度越大.試樣中的微裂隙在壓應力作用下易于向與壓力垂直方向張開，順縫向軸壓促使試樣中的孔隙向垂縫向張開，故裂縫在高壓水流作用下易于擴展，裂縫寬度更大.B組試樣表面裂縫擴展路徑與A 組試件類似，但裂縫寬度小于A 組.C 組試樣表面擴展裂縫寬度較A、B兩組更小，裂縫寬度大小排序為C-3-1＞C-5-3＞C-5-1，其中C-5-1的裂縫僅能通過擠壓試樣側面的細微滲水紋路觀察到.試驗表觀現(xiàn)象表明σcn對試樣裂縫開裂有較大限制作用，σcn越大，裂縫寬度越小，當σcn大小相同時，σcn-σct的差越大，裂縫寬度越小.

綜合分析以上幾組試驗的試樣破壞形態(tài)可知，順縫向軸壓促進了水力劈裂過程，增加了高壓水流的劈裂破壞能力；垂縫向軸壓限制了裂縫的起裂與擴展，并且劈裂破壞后試件仍具有一定的殘余應力，試樣保持一定的整體性.

3 雙軸壓縮狀態(tài)下巖體水力劈裂破壞過程分析

3.1 劈裂過程水壓變化分析

雙軸壓縮條件下類巖石材料水力劈裂試驗各組典型試樣加載水壓歷時關系曲線如圖4所示.

圖4 雙軸壓縮條件下類巖石材料水力劈裂試樣加載水壓歷時關系曲線圖

由圖4可知，雙軸試驗的加載水壓歷時關系曲線形狀呈M 形.以水壓歷時曲線的峰值pc作為臨界劈裂水壓，將M 形曲線劃分為前半段和后半段.M 形曲線前半段初期，水壓力上升較緩，隨后水壓力以較快速度穩(wěn)定上升，接近臨界水壓pc前，水壓增速放緩，直至達到臨界水壓力pc；后半段水壓力開始下降，然后穩(wěn)定在某一值附近，隨后水壓再次快速跌落，緩慢逼近零值.M 形曲線中出現(xiàn)兩次水壓跌落現(xiàn)象，表明在雙軸壓縮的條件下，類巖石材料的水力劈裂存在二次劈裂破壞.

聯(lián)合監(jiān)管機構雖抽調了相關部門的執(zhí)法人員參與現(xiàn)場監(jiān)管，并明確了各單位的職責，但具體的責任落實體系尚未建立起來。因管理涉及多部門，造成內部管理綜合協(xié)調難度較大；再加上部分單位受利益驅動或成本投入影響，在某些問題上雖能達成一致意見，但很難具體落實到位。對因履行監(jiān)管職責不到位、工作不完全落實，導致偷采現(xiàn)象嚴重、采砂秩序混亂、影響防洪和通航安全的責任人，沒有相關的預警和追究措施。

類巖石試樣內部存在微小孔隙，在水壓上升初期，水流進入填充縫內微裂隙，水壓上升較緩，隨后類巖石試樣受水壓作用處于彈性變形階段，水壓上升速度維持在較高水平.當水壓接近臨界劈裂水壓pc時，裂尖損傷區(qū)開始發(fā)展，新的微裂隙逐漸生成，水流滲入損傷區(qū)微裂隙，水壓增速開始放緩直至達到峰值pc，此時宏觀裂縫形成，水力劈裂破壞發(fā)生，破壞后預制縫內高壓水流大量滲入裂縫開裂處，導致水壓迅速下降，開裂面越大，水壓下降速度越快.

試樣在首次水力劈裂破壞后裂縫發(fā)生一定程度的擴展，形成了滲水通道，導致預制裂縫界面上的水壓力減小，而軸壓σcn限制了裂縫的慣性延伸，開裂面等滲水通道會受到擠壓閉合，使?jié)B水流量下降.當滲水流量逐漸下降至進水流量時，水量達到平衡，進入水壓平穩(wěn)期.在軸壓σcn較大的試件中，如C 組C-5-1-2試樣，水壓進入平穩(wěn)期后小幅回升，但上升有限，不超過臨界劈裂水壓pc，表明部分較深區(qū)域的裂縫面在軸壓作用下可能存在裂縫閉合過程.

為分析雙軸壓縮條件下不同方向軸壓對臨界劈裂水壓的影響，得到各組試樣臨界劈裂水壓均值和不同方向軸壓關系圖，如圖5和圖6所示.

圖5 臨界劈裂水壓與垂縫向軸壓關系

由圖5可知，當順縫向軸壓一定時，臨界劈裂水壓與垂縫向軸壓呈線性正相關關系，σcn越大，pc也越大.σcn從0.1MPa增大至0.5MPa，pc從2.373 MPa、2.258MPa、2.041MPa 增 大 為2.962MPa、2.676MPa、2.205MPa，分別增大了24.8%、18.5%、8.0%.由試件受力狀態(tài)可知，垂縫向軸壓對裂縫的張開起抑制作用，劈裂水壓不僅需要克服試樣本身的抗拉性能，還需要抵抗軸壓σcn，因而垂縫向軸壓σcn增強了試樣的抗水力劈裂能力.

圖6 臨界劈裂水壓與順縫向軸壓關系

由圖6可得，當垂縫向軸壓一定時，臨界劈裂水壓與順縫向軸壓呈線性負相關關系，即臨界劈裂水壓隨σct的增大而減小.σct從0.1MPa增大至0.5MPa，pc從2.962MPa、2.719MPa、2.373MPa 減 小 為2.205MPa、2.147 MPa、2.041 MPa，分 別 減 小 了25.6%、21.0%、14.0%.根據(jù)線彈性斷裂力學理論，當縫端應力強度因子達到材料的斷裂韌度時，裂縫開始失穩(wěn)擴展，試樣在試驗應力狀態(tài)下，預制縫尖端應力強度因子只與垂縫向軸壓和縫內水壓有關，而與順縫向正應力無關，也即臨界劈裂水壓與σct無關.由于線彈性斷裂力學假定材料是均質的，但在試驗試樣及實際工程中，巖石等準脆性材料具有不均勻、各向異性等特性，內部分布著大量形態(tài)復雜且無序的孔隙，在順縫向軸壓作用下，試樣內部的微裂隙由于應力集中而易于張開，縫內高壓水流滲入使得裂尖損傷區(qū)更易開裂擴展.同時，材料的非均質也會引起局部區(qū)域的拉應力，在順縫向壓應力作用下，考慮到水泥砂漿各相組分的泊松比不同，材料內部各相組分界面將產(chǎn)生垂縫向拉應力，該拉應力會加劇試樣內部損傷，使裂縫易于擴展，因此順縫向軸壓促使臨界劈裂水壓減小.

3.2 裂縫尖端開裂應變分析

雙軸壓縮狀態(tài)下，各組典型試樣水壓-應變歷時曲線如圖7所示.由圖7可知，M 形曲線表明試樣發(fā)生首次劈裂時，應變ε與加載水壓p同時達到峰值，裂縫尖端附近應變與水壓同步變化，但發(fā)生二次劈裂時，水壓p穩(wěn)定維持在較高的水平，應變ε會再次突然上升，達到第二個應變峰值，隨后與水壓p同步快速跌落.從M 形曲線的試驗現(xiàn)象可得出：水力劈裂破壞之前，縫內水壓在裂縫尖端引起拉應力區(qū)，隨著水壓上升，拉應力不斷增大；當水力劈裂發(fā)生時，縫內水壓瞬間下降，拉應力隨之下降；二次劈裂時，水力裂縫貫穿試樣，造成瞬間的卸荷，垂縫向軸壓瞬間減小，預制縫端應變隨之有一定程度增大，隨后軸壓穩(wěn)定，高壓水流流出，水壓快速下落，應變隨之同步下降.

圖7 各組典型試樣水壓-應變歷時曲線

分析3組試樣的應變歷時曲線，水壓上升階段，應變歷時曲線較為平滑，第一次劈裂后的水壓穩(wěn)定階段，應變ε呈現(xiàn)不同程度的波動現(xiàn)象，其中，C-5-3-2試樣的波動最為劇烈.主要原因是在彈性變形階段，裂尖的應變隨應力的增大而增大，增大速率較為穩(wěn)定；當劈裂發(fā)生時，高壓水進入劈裂裂縫，促使裂縫擴張，而軸壓力σcn又會抑制裂縫的擴張，在滲流-應力耦合作用下，由于裂縫寬度較小，在預制縫尖端呈現(xiàn)張開閉合往復作用，因此應變測值不斷波動.C 組試樣劈裂裂縫寬度較小，其中C-5-3-2試樣的σcn較大，對裂縫張開的抑制作用較強，應變歷時曲線的波動較明顯.由圖7可知，C-5-3-2試樣預制縫尖端的應變片2號和4號的應變歷時曲線波動段對稱分布，預制縫兩端張開閉合呈對稱性.一端因軸壓閉合，另一端因高壓水張開，該滲流-應力耦合作用促使裂縫不斷擴展，最終導致試樣完全劈裂破壞.

3.3 水力劈裂破壞過程研究

根據(jù)雙軸壓縮條件下類巖石材料水力劈裂試驗的水壓-應變歷時曲線，可將其水力劈裂過程劃分為5個階段：彈性變形階段、縫端損傷區(qū)發(fā)展階段、劈裂破壞階段、劈裂后的持續(xù)變形開裂階段、完全破壞階段，如圖8所示.

圖8 類巖石材料的水力劈裂階段劃分

1)彈性變形階段：類巖石材料在水壓作用下發(fā)生彈性變形，此時裂縫并未擴展.

2)縫端損傷區(qū)發(fā)展階段：縫端損傷區(qū)隨著水壓力p的增大而萌生發(fā)展，縫端區(qū)域微裂縫生成，水壓上升速率有所下降，但此時結構并未失穩(wěn)破壞.

3)劈裂破壞階段：p=pc，結構發(fā)生劈裂破壞，破裂瞬間裂縫快速擴展，水壓力p隨著宏觀裂紋的產(chǎn)生而發(fā)生驟降.

4)劈裂后的持續(xù)變形開裂階段：水壓下降后對裂縫尖端的張拉作用減小，使得裂縫擴展速度減緩，裂縫面受到縫內水壓力和垂縫向壓力的共同作用，使得水壓力維持在一定水平.當垂縫向壓力較大時，裂縫面的重新閉合會導致平穩(wěn)期后水壓力有小幅回升.在軸壓與水壓的共同作用下，裂縫尖端將持續(xù)以相對緩慢的速度變形開裂.

5)完全破壞階段：裂縫尖端持續(xù)擴展直至貫通試件，形成穩(wěn)定滲水通道或貫通劈裂面，加載水壓再次驟降，此時結構已完全破壞，壓力水通過貫穿裂紋持續(xù)流出.

4 結 論

1)雙軸壓縮狀態(tài)下，巖體結構水力劈裂后裂縫寬度較小，垂縫向軸壓可限制裂縫擴展，劈裂破壞后結構有較大殘余強度；順縫向軸壓促進巖體水力劈裂過程，放大了高壓水流的劈裂破壞能力.

2)順縫向軸壓σct與pc呈負相關，σct從0.1MPa增大至0.5MPa，pc分別減小了25.6%、21.0%、14.0%，垂縫向軸壓σcn與pc呈正相關，σcn從0.1MPa增大至0.5MPa，pc分別增大了24.8%、18.5%、8.0%；順縫向軸壓加劇了巖體微裂隙的應力集中，對水力劈裂過程起較強促進作用，垂縫向軸壓增強了結構的抗水力劈裂能力，對水力劈裂過程起較強抑制作用.

3)垂縫向軸壓可抑制水力裂縫的慣性延伸，縫端起裂后，裂縫可以以一定速度持續(xù)擴展；水壓加載歷時曲線呈M 形，水壓以較快速度上升至峰值pc隨即快速下降，經(jīng)歷平穩(wěn)期后結構發(fā)生二次劈裂破壞；可將巖體水力劈裂過程劃分為5 個階段：彈性變形階