水力劈裂

水力劈裂1.让我们来初步认识一下水力劈裂最早提出“水力劈裂”概念的是Clark.J.B,1948年，其将这一概念应用于石油开采业，自此，水力劈裂的理论，技术及分析方法逐渐发展起来，并且扩展到岩土工程，环境工程，建筑工程和水利工程等多个领域。国内外对于水力劈裂给出了不同的定义，这里给出国内和国外中有代表性意义的两个定义，大家可以从不同的角度来理解和体会水力劈裂的内在含义。1982年，黄文熙给出水力劈裂的定义，认为水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生于扩展的一种物理现象。指出：“心墙中任何一点处的孔隙水压力如果是该点处的最小主应力的有效值降低至心墙抗拉强度，心墙就会沿着这个最小主应力面产生水力劈裂”。调查Tenton坝破坏原因的独立小组给水力劈裂下了一个定义，水力劈裂是指在高水头压力作用下，土体或岩体中裂缝的产生，发展并且相互贯通最终形成裂隙的过程。水力劈裂的两种定义水力劈裂的利与弊（1）有利方面在石油工程中，利用水力劈裂法来增加含油地层中裂缝的数量和增大裂缝的开度，用来加快石油开采的速度并且增大单井田的产油量。在环境治理中，在地面以下建立渗透性反应屏障PRB中用以净化地下水。水力劈裂所产生的裂隙空间为水化学反应提供了场所也是污染物运移的通道。能源工程中，地热资源开发，用水力劈裂法在地下注入高压水制造裂隙将各井连通。然后从一些井向地下注入冷水，在地下发生热交换后，再从另外的井中将热水抽出。（2）不利方面水力劈裂可能是造成许多大坝渗水和失稳的原因，如美国爱达荷州的Teton大坝和挪威的Hyttejuvet大坝的坍塌。当压力灌浆时，水力劈裂被认为是砂土地基开裂和造成浆液的原因。2.对水力劈裂过程的基本物理机制的认识（1）水力劈裂的阶段分析Chang通过大量实验分析，将水力劈裂全过程分为三的阶段：圆孔扩张，劈裂产生和劈裂扩展。圆孔扩张阶段：是指压力达到峰值前有较多塑性带形成的阶段劈裂产生阶段：在此阶段，大多数研究致力于对劈裂破压力的预测，并通过劈裂压力的影响因素分析对其破坏准则进行了一些推测。裂隙扩张阶段：是指压力从峰值降低后，裂隙的进一步发展阶段。（2）水力劈裂的破坏机理土的破坏准则有很多，包括广义屈雷斯卡准则，广义米塞斯准则，莫尔--库伦准则，拉德--邓肯准则，广义双剪应力准则，形变能破坏准则和土体拉裂破坏准则等。虽然土体的破坏准则繁多，对于水力劈裂的机理，参考当前的文献，主要有两种观点：拉裂破坏和剪切破坏。拉裂破坏：拉裂破坏的假设是借用固体材料中水力劈裂的破坏机理，认为当最小有效应力成为负值并且超过土体的抗拉强度时，水力劈裂产生劈裂压力。剪切破坏：剪切破坏又称为莫尔--库伦破坏准则，剪切破坏的假设是认为水力劈裂是由于土受剪切破坏所致。因此，一旦土体内任一点任意平面上的剪应力达到了土的抗剪强度，该点就发生破坏。Teton坝概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路原因：渗透破坏－水力劈裂Teton坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？Teton坝11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？Teton坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？11:57坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？12：00过后坍塌口加宽Teton坝与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？失事现场目前的状况Teton坝与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？水力劈裂计算理论在工程中，人们关心的是水力劈裂起始压力的计算方法，即引起水力劈裂的最小水压力的计算。王俊杰，朱俊高总结了前人的水力劈裂压力的计算方法，归纳为以下四类：（1）基于圆孔扩张理论的水力劈裂理论（2）基于球孔扩张理论的水力劈裂理论（3）基于三轴应力状态的水力劈裂理论（4）基于断裂力学的水力劈裂理论