水力劈裂楔劈效应试验研究

袁俊平 ，王启贵

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098）

1 引 言

水力劈裂是指由于水压力增加在岩体或土体中引起裂缝发生和发展的一种物理现象[1]。一旦发生水力劈裂，可能导致整个坝体迅速破坏（如1976年美国Teton 坝[2]）。为了保证坝体安全，实现有效预防，搞清水力劈裂的发生机制和条件就显得极为重要。

楔劈效应理论认为，均质试样中不会发生水力劈裂，只有土体中存在非连续现象，受水压后可能导致楔劈作用，才会发生水力劈裂[3-4]。朱俊高[5]、王俊杰[6]等利用数值模拟和断裂力学理论分析了水力劈裂发生机制，认为快速蓄水时，若心墙迎水面中存在初始渗透薄弱面或裂缝，将引发水力劈裂（见图1）。一些学者[5,7-8]还采用有初始裂缝的中空圆柱试样或自制的试验装置进行了水力劈裂试验，验证楔劈效应理论的合理性。然而，采用中空圆柱试样进行水力劈裂试验时，内环受水压后试样中会产生环向拉应力（见图2），不同于心墙的实际受力状态。中空圆柱试样的破坏是楔劈效应与环向受拉共同作用的结果。

为了较真实地模拟心墙迎水面受压状态，进一步验证楔劈效应，探索水力劈裂的发生机制和条件，本文采用圆饼形试样，通过平面加压方式，进行了水力劈裂试验。试验中主要考虑初始裂缝深度和加压速率的影响。为了检验楔劈效应的机制和作用效果，本文还对劈裂前后的试样进行了CT 试验观测，并对有无初始裂缝试样水力劈裂试验进行了数值模拟分析。

图1 黏土心墙水力劈裂的楔劈作用Fig.1 Wedge splitting function of hydraulic fracturing in clay core

图2 中空圆柱试样水力劈裂试验受力状态Fig.2 Stress state for hollow cylinder specimen in hydraulic fracturing test

2 水力劈裂试验

2.1 试验概况

试验时，将圆饼形试样和砂垫层用橡皮膜密封于圆筒形压力室中（见图3）。压力室一端连接注水孔，无气水加压后通过缓冲水腔作用在试样表面，流经试样和砂垫层后再由出水孔排出。压力室径向设置侧压孔，在橡皮膜外施加气压（高于注水孔水压），使橡皮膜贴紧试样。

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram for test apparatus

试验土料为两河口水电站黏土心墙料，其基本性质见表1。用静压法制备成φ 140 mm×60 mm 的圆饼形试样，制样干密度为1.80 g/cm3，含水率为15.3%。制备有初始裂缝的试样时，用刀片小心地在试样表面中心处切割出长80 mm、宽10 mm 的V字型裂缝（见图4）。

表1 试验土料基本物理性质指标Table 1 Main physical properties of test material

图4 水力劈裂试验试样Fig.4 Specimens for hydraulic fracturing test

试验时，若出水孔处流速突然增大，同时排出水流出现浑浊现象，判断试样发生水力劈裂，记录此时的注水孔水压，作为劈裂压力。

为方便表述，将无初始裂缝试样编号为F0，有初始裂缝试样编号为F1、F2、F3、F4、F5，分别对应于裂缝深度为试样厚度的10%、20%、30%、40%、50%。试验中选用了两种不同的水压力，加压载速率5、25 kPa/min。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 初始裂缝深度影响

图5为加压载速率为25 kPa/min 时不同初始裂缝深度各试样渗流速率随试验历时变化曲线。

可以看出，加载初期（600 s 以内），试样渗流速率很小，表明试样中尚未形成稳定渗流。而后随水压力增大，渗流速率逐渐增大，渗流速率随历时变化曲线近似呈线性关系，与水压力过程线平行，表明试样中形成了稳定渗流。这一阶段出水孔处排出水流清澈透明。

当初始裂缝深度较小时（不超过试样厚度20%，见图5(a)），随水压力持续增大，渗流速度随历时变化曲线的增幅相对较小，表明试样未发生水力劈裂。比较图5(a)中F0、F1、F2 试样试验结果可见，总体上，初始裂缝深度越大，试样渗流速率也越大，表明裂缝的存在降低了试样防渗性能。

当初始裂缝深度较大时，水压增大达到一定程度后，渗流速率突然迅速增大（在1 min 内增大约70 ml/min）（见图5(b)、图5(c)）。同时发现有细小黏土颗粒随水流排出，水流变浑浊。表明裂缝在水压力作用下贯通，试样发生了水力劈裂。随后很短时间内（约1 min），渗流速率迅速降低，注水孔处水压力不能保持读数而迅速下降。表明试样经历水力劈裂后，通过试样的流量大幅增加，注水孔供水量不足。

图5 各试样渗流速率历时曲线（加压速率25 kPa/min）Fig.5 Seepage rate-time curves for different specimens(loading rate:25 kPa/min)

值得注意的是，当初始裂缝深度为试样厚度30%时（F3 试样，见图5(b)），平行试验中有部分试样发生了水力劈裂：图5(b)中1 线显示，当水压力增加到700 kPa 时，渗流速率由10 ml/min 左右突变至100 ml/min 左右；试验结束后观察发现，试样中出现了贯穿裂缝。同样条件下，也有试样在试验过程中没有出现渗流突变现象（如图5(b)中2 线所示），整个试验过程中渗流量变化平稳；试验结束后发现该试样表面出现了沿初始裂缝的新的细小裂缝（见图6），但新裂缝深度不大，未贯通整个试样。

图5(c)显示，相对于初始裂缝深度较小的F4试样，初始裂缝深度较大的F5 试样，随水压力增大，较早出现了渗流突变现象。

图6 沿初始裂缝处的新微裂缝Fig.6 New developed crack along the initial crack

对比不同初始裂缝深度试样出现贯穿裂缝时的劈裂压力（见表2）可以看出，随初始裂缝深度增大，试样的劈裂压力逐渐减小。

表2 加压载速率25 kPa/min 时各试样劈裂压力(单位:kPa)Table 2 Splitting pressure of different specimens with a loading rate of 25 kPa/min(unit:kPa)

根据楔劈效应理论，楔劈由劈背和劈刃组成，施加到劈背上的水压力分解到劈刃上，当劈刃上的力足够劈开土体时，就会发生水力劈裂。若施加到劈背上的力为N，劈刃夹角为θ，则劈刃上的力为N cosθ 。可见，θ 越小，劈刃上的力就越大。也就是说，裂缝形成的劈角越小，就越容易导致水力劈裂。上述试验结果完全符合楔劈理论这一解释：试验中各试样初始裂缝宽度在试样表面处均相同，裂缝深度越大，裂缝所形成的角度就越小，裂缝就越锐，相应地，所测得的劈裂压力也越小，即越容易发生水力劈裂。

因此，为提高心墙的抗水力劈裂能力，应保证心墙迎水面的施工质量，避免出现施工质量的薄弱层（面），而且应使迎水面尽可能平整，避免出现空洞或凹陷。

2.2.2 加压速率的影响

图7 给出了加压载速率为5 kPa/min 时不同初始裂缝深度各试样渗流速率随试验历时变化曲线。

可以看出，初始裂缝深度不超过30%的各试样（F0、F1、F2和F3）均未出现渗流速率突变现象，表明未出现水力劈裂。比较图5(a)和图7(a)可以看出，达到同样水压力大小时，加压速率较小时，试样渗流速率相对较大。如在F0 试样上加压到700 kPa，加压速率为5 kPa/min 时，试样渗流速率为15 ml/min，而加压速率为25 kPa/min 时，试样渗流速率为10 ml/min。表明加压速率较小有利于减小试样内部水力梯度差异，使试样较早形成稳定渗流。

图7 各试样渗流速率历时曲线（加压速率5 kPa/min）Fig.7 Seepage rate-time curves for different specimens(loading rate:5 kPa/min)

当初始裂缝深度较大时（见图7(b)），试样渗流速率历时曲线发生了突变；试验结束后观察发现，与前述加压速率为25 kPa/min 时，初始裂缝贯通破坏现象不同，初始裂缝处有较明显的冲蚀破坏痕迹。难以判断图7(b)所示渗流速率历时曲线突变是由于水力劈裂现象或是管涌现象导致的。

为了进一步分析加压速率对水力劈裂的影响机制，本文利用Geostudio 软件Seep/W 模块进行了数值模拟分析。计算中考虑试样初始为非饱和状态，迎水面（左侧）受水压力的作用，背水面（右侧）为自由出流面，其余边界为不透水边界。

图8 分别给出了不同加压速率时无裂缝试样和有初始裂缝试样加压初期内部孔压等势线分布情况。可以看出，当加压速率较大时，试样迎水面孔压等势线分布更密集（见图8(a)），表明水力梯度较大，迎水面所受水压来不及传递到试样内部；而较低的加压速率则有利于试样中达到渗流的稳定状态。

从图8(c)和图8(d)可以看出，当有初始裂缝时，裂缝处有明显的孔压集中现象，而且垂直开裂面存在较大的水力梯度，表明裂缝处有较大的劈裂压力，使裂缝有进一步扩张的趋势。

图8 不同加压速率试样内孔压等势线分布Fig.8 Pore pressure contour maps in specimens with different loading rates

由上述试验结果和计算分析可见，加压速率越大，越容易引发水力劈裂。因此，为避免水力劈裂的发生，应合理安排水库蓄水运行计划，尽可能在较长时间内分多步抬高库水位，从而降低蓄水速度，减小心墙迎水面水压力增加速率。

3 水力劈裂前后试样CT 观测

为了进一步验证试样是否发生水力劈裂，搞清发生水力劈裂后试样内部如何变化，本文对水力劈裂试验前后的试样进行了CT 观测。

图9 是F0 试样（无初始裂缝）和F5 试样（初始裂缝深度为试样厚度50%）水力劈裂后三维重构模型图。可以看出，对无初始裂缝试样，试验前、后试样内部结构没有变化，试样仍保持均质（见图9(a)）；而有初始裂缝试样则在水力劈裂试验后出现了贯通裂缝（见图9(b)）。

图10为F5 试样发生水力劈裂后垂直裂缝方向CT 切片。可以看出，裂缝贯通了整个试样，而且沿水流方向裂缝宽度不断减小，表明水力劈裂是土体被水压楔劈开来，使得裂缝逐渐扩展的结果。

图9 水力劈裂试验后试样CT 扫描三维重构模型Fig.9 3D reconstructed model based on CT results for specimens after hydraulic fracturing test

图10 F5 试样劈裂后垂直裂缝CT 切片Fig.10 CT slice for vertical crack after hydraulic fracturing

4 结 论

（1）验证了水力劈裂楔劈机制。水压力作用在心墙初始裂缝所形成的劈背上，当劈刃上的力超过临界值时就可能发生水力劈裂。

（2）试验验证了水力劈裂楔劈效应。土体中存在初始裂缝，加压速率较大时，在裂缝处水力梯度较大，裂缝在水压力的楔劈作用下可能向深部扩展，最终贯通，从而导致水力劈裂的发生。

（3）初始裂缝和加压速率对水力劈裂有明显影响。初始裂缝深度越大、加压速率越高，越容易导致水力劈裂的发生。

（4）为提高心墙抗水力劈裂能力，避免土石坝发生水力劈裂破坏，应保证心墙迎水面的施工质量和平整性，并采用较慢的蓄水方案。

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