高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析VIP免费

第24卷第7期岩石力学与工程学报Vol.24No.72005年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，2005收稿日期：2003–07–24；修回日期：2003–10–02作者简介：盛金昌(1969–)，男，博士，1991年毕业于成都科技大学工程力学系工程力学专业，现任副教授，主要从事岩体流固热三场耦合、岩体水力学、岩土渗流控制分析等方面的研究和水工建筑物方面的教学工作。E-mail：sh901@sina.com。高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析盛金昌，赵坚，速宝玉(河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098)摘要：以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上，在众多岩体工程中，其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究，首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的I型应力强度因子的计算方法，讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理，分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。关键词：隧道工程；高水头；水工压力隧洞；水力劈裂中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2005)07–1226–05ANALYSISOFHYDRAULICFRACTURINGINHYDRAULICTUNNELSUNDERHIGHWATERPRESSURESHENGJin-chang，ZHAOJian，SUBao-yu(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)Abstract：Thepreviousonhydraulicfracturinggenerallyassumethattensilecrackingistheessentialmodeofhydraulicfracturinginrocks.Inreality，however，themodeoffracturingiscombinedwithcompressionandshearing，asobservedinmanyrockengineerings.Inthispaper，theeffectofhydraulicfracturingondeep-lyinghydraulictunnelsunderhighwaterpressureisstudiedontheprinciplesoffracturemechanics.Firstly，theanalysismethodofstressintensityfactorofcrackofmodelIinmanycomplexconditionsinthesurroundingrockmassesoftunnelsispresented.Then，thecriteriaofhydraulicfracturingofdifferenttensilecracksarediscussed.Themechanismandformulaforstressintensityfactorareputforward.Finally，byusingtheabovetheory，thehydraulicfracturinganalysisofunder-lyinghydraulictunnelsofahydropowerprojectisperformed，whichshowsthatthemethodpresentedisreliable.Keywords：tunnelingengineering；highwaterpressure；hydraulictunnels；hydraulicfracturing1引言水力劈裂(hydraulicfracturing)是指由于水压力的抬高，在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象[1]。水力劈裂实际上是在高水头压力作用下，岩体断续裂隙(或空隙)发生扩展，并相互贯通后再进一步张开所致。自1948年文[2]提出“水力劈裂”概念以来到现在已有50多年的历史。水力劈裂是裂隙岩体流固耦合研究中一个难度较大的基础理论性课题。它涉及到的学科众多，对许多岩体工程(石油开采、水利水电工程、矿井突水防治、核废料地下储存、地下污染物运移、地下干热岩体热能开发等)具有重要的第24卷第7期盛金昌等.高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析•1227•理论意义和应用价值。水力劈裂作用可能给工程带来严重后果，如岩体中深埋隧道的涌水问题是隧道施工中常见的主要地质灾害。深埋引水压力隧洞、水电站地下洞室围岩等也可能发生水力劈裂而引发工程事故。另一方面，水力劈裂在很多领域又有重要的应用。如原位地应力测量[3]和地下注浆工程。随着对自然资源开发的进一步深入，在地下岩体工程建设中将会遇到更多前所未有的恶劣水文地质条件(如高水头、大埋深)，水力劈裂问题将更加引起岩石力学界的关注。已有许多学者引入断裂力学、损伤理论来研究水力劈裂问题。如文[4]对非均匀岩体建立了渗流、应力、损伤耦合作用的数学模型，从细观角度分析水压引起裂纹扩展机制。文[5]利用Biot理论讨论了水力压裂的起裂、扩展和闭合全过程。对深埋水工高压隧洞的水力劈裂分析也有一些工作...