岩体水力劈裂的无单元法模拟
土石坝心墙裂缝发展的扩展有限元模拟
山东农业大学学报(自然科学版),2018,49(2):192-198VOL.49NO.22018Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science Edition )doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2018.02.003数字优先出版:2018-04-04土石坝心墙裂缝发展的扩展有限元模拟赵晓龙1,2,3,卞汉兵3,4,郑威5,孙兆辉3,章赛泽3,邱秀梅3*1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京2100982.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京2100983.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安2710184.LEM3,CNRS 7239，洛林大学,梅兹法国570455.徐州市水利建筑设计研究院,江苏徐州221112摘要:由于土石坝水力劈裂过程复杂，关于其发展机理目前仍有争议。
无论是总应力法还是有效应力法都不能计算裂缝的扩展过程。
为了进一步研究土石坝水力劈裂的发展机理，参照混凝土材料损伤模型的建模思路，根据土石坝水力劈裂中裂缝的形成过程，并结合非饱和土的力学特点，提出了压实黏土的孔隙扩展模型和裂缝张开模型，用来描述土样裂缝产生前后的状态。
借助扩展有限元方法，对裂缝的扩展过程进行了数值模拟。
最后通过一个简单的算例，验证了该方法的可行性。
该方法对于水力劈裂的数值研究有一定的参考价值。
关键词:扩展有限元;裂缝扩展模型;土石坝;水力劈裂;数值模拟中图法分类号:TU43文献标识码:A 文章编号:1000-2324(2018)02-0192-07The XFEM on Clay Crack Extension in Core Wall of Earth Rockfill DamZHAO Xiao-long 1,2,3,BIAN Han-bing 3,4,ZHENG Wei 5,SUN Zhao-hui 3,ZHANG Sai-ze 3,QIU Xiu-mei 3*1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering/Hohai University,Nanjing 210098,China2.Geotechnical Research Institute/Hohai University,Nanjing 210098,China3.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China4.LEM3CNRS 7239,Universitéde Lorraine,Metz 57045,France5.Xuzhou Water Conservancy Architectural Design and Research Institute,Xuzhou 221112,ChinaAbstract:There remains a controversial view on development mechanism of hydraulic fracture in earth rockfill dam due to its complexity.Both total stress method and effective stress method cannot calculate crack extension process.In order to study the development mechanism of hydraulic fracture further,a pore extension model and a crack extension model were proposed to describe soil state before and after the appearance of crack.These models were built according to modeling method of damage model of concrete material and crack formation process during hydraulic fracture in earth rockfill dam,combining with mechanical characteristics of unsaturated soil.Crack extension process was simulated numerically by extended finite element method (XFEM).Finally,the feasibility of this method was verified through a simple numerical example.This method has a certain reference value for numerical study of hydraulic fracture.Keywords:Extended finite element method (XFEM);crack extension model;earth rockfill dam;hydraulic fracture;numerical simulation土石坝水力劈裂是亟待解决的问题之一[1,2]。
离散元水力压裂一体化仿真
离散元水力压裂一体化数值仿真离散元水力压裂一体化数值仿真是一种用于研究岩石断裂和水力压裂的数值计算方法。
离散元法是一种粒子法，将实际问题分解成许多小颗粒，通过模拟颗粒之间的相互作用，来描述整体的力学行为。
水力压裂是一种通过注入高压水使岩石破裂的方法，常用于油田和天然气开发中。
离散元法的基本原理是将岩石颗粒化，用一个个粒子来代表岩石的小块。
每个粒子都有一定的质量、速度和位移，它们之间通过力的作用相互影响。
当岩石受到外部力的作用，如水压力、自重力等，粒子之间产生相互作用力，从而导致岩石的变形和破坏。
在离散元水力压裂一体化数值仿真中，首先需要建立岩石的离散元模型。
这个模型可以是二维或三维的，根据实际情况选择。
然后需要确定岩石的物理参数，如密度、弹性模量、抗压强度等。
这些参数将决定粒子的质量、刚度和强度。
接下来，需要定义水压裂的边界条件。
这包括注入水的速度、压力和注入位置。
可以根据实际的水压裂实验和场地条件来确定这些参数。
然后，通过数值计算，模拟水在岩石中的传播和扩散过程。
在模拟过程中，需要考虑岩石的破裂和破碎过程。
当岩石受到水压力的作用，超过其抗压强度时，岩石开始破裂。
破裂过程中，粒子之间的接触关系发生变化，会产生新的面，粒子可能会断裂或分离。
这些变化会影响力的传递和应力分布，进而影响岩石的变形和破坏。
离散元水力压裂一体化数值仿真可以帮助研究者更好地理解和预测水力压裂的效果。
通过对不同参数和条件的模拟，可以评估水压裂对岩石的破坏程度和产能提高效果。
可以研究不同裂缝网络对产能的影响，优化施工方案和操作参数。
离散元水力压裂一体化数值仿真是一种有效的工具，可以帮助研究者深入了解水力压裂的物理过程和岩石响应。
它可以提供定量的数据，为水力压裂的优化设计和操作提供科学依据。
随着计算机技术的不断进步，离散元水力压裂一体化数值仿真将在油田和天然气开发中得到广泛应用。
含孔岩体破裂过程的无单元法数值模拟
内的渗 流特性 发 生改 变．
关键词 ： 岩体 ； 单元 法 ； 力一 无 应 渗流 一 损伤 耦合 分析 ； 裂纹扩 展
中图分 类号 ：Ｕ ５ Ｔ ４２
文献标 识码 ： Ａ
Ｄ Ｉ １ ．８６ ｊｉ ｎ １（ －９ ０ ２０ ．５ ００ Ｏ ：０ ３ ７／ ． ｓ ．００ １８ ．０ ８ ０ ．３ ｓ ）
含 孑 岩 体 破 裂 过 程 的 无 单 元 法 数 值 模 拟 Ｌ
张 鑫 ， 振 中 ， 力 群 沈 徐
（． １河海大学水利水 电工程学院 ， 江苏 南京 ２０９ ； ． １０ ８ ２ 河北省水利水电第二勘测设计 研究 院 ， 河北 石家庄 ００２ Nhomakorabea ５０ １
岩体 的破裂过 程进行 了详 细的数 值模拟 ．
１ 渗 流 一 伤 耦 合 ［ 损 ］
为使应 力一 流一 伤耦 合分 析模型 的本构方 程在 考虑 材料 损伤 因素后 不太 复 杂 ， 用 Ｌｍ ｉｅ Ｊ 出的 渗 损 采 ｅ ａｒ 提 ｔ
损伤 等效应 变假设 ， 以材料 受损 伤前后 弹性模 量 的变 化 来刻 画 和度 量损 伤效 应 ， 即将 全 应 力换 成 有效 应 力 ， 所获 得无损 材料 的应变 与全应力 作用 于受损材 料产 生 的应变等 价 ． 于一维 问题 ， 对 该假设 可 以表示 为
收稿 日期 ：２０ ， ５ １ ０８ ０ —８ 作者 简 介 ：张 鑫 （９ １ ）男 ， 北 石家 庄 人 ， 士 ， １８ 一 ， 河 硕 主要 从 事 水 工 结 构 计算 研 究
维普资讯
裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究
Ｍ ＥＳ ＨＬＥＳ Ｉ ＵＬＡＴＩ Ｓ ＳＭ ｏＮ ＥＥＰ ｏＦ Ｓ ＡＧＥ Ｉ Ｆ ＥＬＤ ＡＮＤ ＥＥＰＡＧＥ Ｓ ＣＨＡＲＡＣ． Ｔ ＥＲＩ ＴＩ ｏＲ Ｓ ＣＳ Ｆ Ｆｑａ Ｎ Ｎ ａｈ ｉ Ｚ Ｎ ｈ ｎｕ Ｉ ｈ ｎｊｎ Ｉ Ｇ Ｌｕ ｉ ｎ ＩＧ Ｂｏｕ ＨＡ Ｇ Ｓ ｕ ｆ
ｐ ｒ ａ ｉ ｔ ｆ ｒ ｃｕ ｅ ｏ ｋ ｃ ｎ ｓ ｏ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓｏ ｎｓ ｔ ｐ ｎ ｉ ｏ ｔ ｕ ｔ ．Ｔ ｅ ｔ ｄ ｔ ｎ ｌ ｎ ｔ ｌ — ｅ ｍｅ ｂ ｌ ｙ ｏ ａ ｔ ｒ ｄ ｒ ｃ ａ ｈ ｗ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｆ ｉ ｒ ｙ ａ ｄ ｄ ｓ ｎｉ ｉ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｏ ｏ ｃ ｎ ｙ ｈ ａ ｉ ｏ ａ ｉ ｅｅ ｒ ｉ ｉ ｆ ｅ
（ ｈｎ ｎｔｕｅｏ ａｅ Ｒ ｓｕｃｓ ｎ ｙｒ ｏ ｅ Ｒ ｓ ｒ ，ｅｉｇ １０３ ） Ｃ ｉａＩｓｔ Ｗ ｔ ｅ ｒ ｄＨ ｄｏ ｗ ｒ ｅ ａｃ Ｂ ｉ ０ ０ ８ ｉｔ ｆ ｒ ｏ ｅａ ｐ ｅ ｈ ｊ ｎ
Ａｂｔａ ｔ Ｔ ｅｄｓｏ ｔ ｕｔ ｓ ｕ ｈａ ｃ ｃ ｓ ｊｉ ｓａｄｆ ｌ ａ ａｅｔｅｖｒｉｇｄ ｇｅｓ ｆ ｅ ｅ ｐ ｅ ｔ ｈ ｓｒｃ ｈ ｉ ｎｉ ｉｅ ｃ ｓ ｒ ｋ ， ｏ ｔ ｎ ｕｔ ｃｎｈ ｖ ａｙ ｅｒｅ ｏ ｖｌ ｍ ｎ ．Ｔ ｅ ｃ ｎ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｓ ｈ ｎ ｄ ｏ ｓ
Ｊ ｕｎ ｌｆＥ ｇｎｅｉ ｅｌ ｙ ｏｒａ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｇｏｏ ｏ ｅ ｎ ｇ
工程 地质 学报
１ ０ － ６ ５ ２ １／ ０ ４ 一５ ０ ０ ０ ４ ９ ６ ／ ０ ２ ２ （ ） ０ ７ —６
裂 隙岩 体 渗 流 场 的无 单 元 法模 拟及 渗 流 特 性 研 究
岩体水力劈裂数值模拟研究进展
关
键
词： 水 力劈 裂 ；数 值模 拟 ；数 值 模 型 ；岩 体 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ － １ ３ ７ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ４ ９
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｖ ２ ２ ３ ． １
Ｐｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈｅ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｈｙ ｄｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｆｒ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎｇ ｉ ｎ
摘
要： 水力劈 裂是岩体渗 流一 应力耦合研 究的重要 方面， 涉及水 电工程 建设、 石 油开采、 矿 井 突水防治、 核 废料 地下处
置、 地下污染物 运移 、 地应 力测量等众 多领域。介 绍 了水力劈 裂模拟 的 Ｐ Ｋ Ｎ模 型和 Ｋ Ｇ Ｄ模型 。模拟 岩体水 力劈 裂的数
值方法可分为连续变形数值 方法和非 连续变形数值 方法 ， 对连续 变形数值 方法的有 限单元法、 边界 元 法， 以及 非连续 变 形数 值方法的流形元法、 无单元法进行 了分析。提 出应进 一步加强对岩体 水力劈裂数值模 拟在非 线性、 数 值方 法耦 合 、
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｅ ｐ ａ ｇ ｅ － ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｋ ｍａ ｓ ｓ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｖ ｏ ｌ ｖ ｅ ｓ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｏ ｉ ｌ
基于扩展有限元法的煤岩体水力裂隙特征
第３６卷第４期２０２１年㊀１２月矿业工程研究ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌ.３６Ｎｏ.４Ｄｅｃ.２０２１ｄｏｉ:１０.１３５８２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７４－５８７６.２０２１.０４.００７基于扩展有限元法的煤岩体水力裂隙特征王子一ꎬ康向涛∗ꎬ高璐ꎬ唐猛ꎬ邹义怀ꎬ易汉华(贵州大学矿业学院ꎬ贵州贵阳５５００２５)摘㊀要:为合理探究煤岩体水力裂隙相关特征ꎬ基于扩展有限元理论ꎬ建立煤岩体水力压裂模型ꎬ得出煤岩体的水力压裂裂隙特征.结果表明:前３０ｓ裂隙应力场扩散速度最快ꎬ在３０ｓ达最大值ꎬ随后以极大的速度降低ꎬ裂隙应力场向裂隙四周扩散直到注水结束后达到稳态且压强几乎无变化ꎻ水力裂隙整体和横截面均为椭圆形ꎬ孔隙宽度由中央向两端逐渐减小ꎬ且孔隙压力场与孔隙宽度变化规律云图分别关于Ｙ轴与Ｘ轴方向对称ꎻ水压裂缝总体呈椭圆形态ꎬ并从初始孔隙向两端延伸最终形成 １ 字型裂缝.在工程实践中有一定参考价值ꎬ对有限元理论和裂隙的研究具有一定推动作用.关键词:扩展有限元ꎻ煤岩体ꎻ水力压裂ꎻ裂隙中图分类号:Ｘ７５２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－９１０２(２０２１)０４－００４０－０６ＯｎＨｙｄｒａｕｌｉｃＦｒａｃｔｕｒｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｏａｌａｎｄＲｏｃｋＭａｓｓＢａｓｅｄｏｎＥｘｔｅｎｄｅｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄＷＡＮＧＺｉｙｉꎬＫＡＮＧＸｉａｎｇｔａｏꎬＧＡＯＬｕꎬＴＡＮＧＭｅｎｇꎬＺＯＵＹｉｈｕａｉꎬＹＩＨａｎｈｕａ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｉｎｉｎｇꎬＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧｕｉｙａｎｇ５５００２５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍａｓｓｒｅａｓｏｎａｂｌｙꎬｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍａｓｓｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｔｅｎｄｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｒｙꎬａｎｄｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍａｓｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｉｓｔｈｅｆａｓｔｅｓｔｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔ３０ｓꎬａｎｄｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔ３０ｓꎬａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓａｔａｇｒｅａｔｓｐｅｅｄ.Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｓｐｒｅａｄｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｕｎｔｉｌｉｔｒｅａｃｈｅｓａｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｆｔｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓａｌｍｏｓｔｕｎｃｈａｎｇｅｄ.Ｔｈｅｗｈｏｌｅａｎｄｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｓａｒｅｅｌｌｉｐｔｉｃａｌꎬａｎｄｔｈｅｐｏｒｅｗｉｄｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙｆｒｏｍｔｈｅｃｅｎｔｅｒｔｏｂｏｔｈｅｎｄｓ.ＴｈｅｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍｏｆｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｐｏｒｅｗｉｄｔｈｃｈａｎｇｅｉｓｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌａｂｏｕｔＹａｘｉｓａｎｄＸａｘｉｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｔｈｅｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｃｒａｃｋｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｅｌｌｉｐｔｉｃａｌꎬａｎｄｅｘｔｅｎｄｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｏｒｅｓｔｏｂｏｔｈｅｎｄｓｔｏｆｏｒｍ １ －ｓｈａｐｅｄｃｒａｃｋｓ.Ｉｔｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｒａｃｋｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｘｔｅｎｄｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔꎻｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍａｓｓꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｉｎｇꎻｃｒａｃｋｓ煤炭在我国能源体系中占有主体地位ꎬ对我国经济发展具有促进作用ꎬ２０２０年中国的煤炭消费总量为３８.６亿ｔꎬ在一次能源中占比将达到５５.３％.随着煤炭矿井的开采深度逐渐增加ꎬ煤与瓦斯突出的危险性也在增加.煤层的低透气性是煤矿瓦斯抽采的难题ꎬ对于低透气性较难抽采的煤层ꎬ为提高其预抽煤层瓦斯效果ꎬ水力压裂技术被广泛应用.国内外对水力压裂的相关研究诸多ꎬ唐世斌等[１]将拉伸截断的摩尔－库仑准则引入有限元程序中ꎬ考虑了裂缝倾角㊁岩石内摩擦角和载荷条件对裂缝尖端应力场分布的影响ꎬ得到了影响水力裂缝的起裂类型㊀收稿日期:２０２１－０５－１５基金项目:国家自然科学基金资助项目(５２０６４００９)ꎻ贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑[２０２１]一般４００)㊀㊀∗通信作者ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｘｉａｏｋａｎｇｅｄｕ＠１６３.ｃｏｍ博看网 . All Rights Reserved.第４期王子一ꎬ等:基于扩展有限元法的煤岩体水力裂隙特征和位置的因素ꎻ李明等[２]采用水平集法(ＬＳＭ)描述非均质岩石的静态材料边界特性ꎬ采用基于流－固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型进行水力压裂过程的模拟ꎬ得出了等效开裂区域的发展过程㊁注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径ꎻ刘泉声等[３]采用连续－非连续方法ꎬ通过ｉｎｓ－ｃｏｈ程序在ＡＢＡＱＵＳ有限元模型全域内批量嵌入零厚度黏聚力单元ꎬ建立计算模型ꎬ模拟高水压下压裂液在岩体中流动ꎬ揭示了岩体裂隙面萌生㊁扩展㊁贯通的完整破坏过程ꎻ李明等[４]基于水平集法的基本思想ꎬ模拟了含有不同包裹体分布的岩石试件的水力压裂传播特点ꎻ盛茂等[５]运用考虑缝内水压力作用的相互积分法来数值求解缝尖应力强度因子ꎬ并采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展及扩展方位ꎬ编制了计算机程序ꎻ张振南等[６]基于有限元法ꎬ研究了劈裂单元内水压对结点力的作用以及结点速度场对渗流场的作用ꎬ建立了水力劈裂方程并验证其正确性ꎻ董卓等[７]利用最大周向应变断裂准则ꎬ基于裂纹扩展增量法模拟水力裂缝扩展过程ꎬ分析了定向射孔水力裂缝初始起裂水压㊁扩展路径与倾角㊁地应力差㊁泊松比和注水压力的影响ꎻＺｈｉｆｅｎｇＬｕｏ等[８]模拟计算了带有孔和初始预设断裂的弯曲梁断裂传播路径和三轴应力作用下的断裂连接孔ꎬ得到了水力裂缝与孔隙弹性介质中孔的相互作用关系ꎻＨｅｎｇＺｈｅｎｇ等[９]基于扩展有限元方法ꎬ建立了损伤－应力－渗流耦合的水力压裂扩展模型ꎬ定量分析了天然裂缝的接近角和水平应力差对天然裂缝扩展的影响.学者们对利用水力压裂治理低渗透性煤层瓦斯的研究做出了诸多贡献ꎬ但是ꎬ对利用扩展有限元法研究水力致裂裂隙特征研究不足.本文在前人的研究基础上ꎬ考虑流－固耦合效应㊁裂缝流和压裂液滤失的情况下ꎬ利用扩展有限元法建立煤岩体开裂和渗流相互耦合模型ꎬ基于ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件对煤岩体的裂隙扩展规律进行分析研究.１㊀模型建立１.１㊀有限元理论一般情况下ꎬ煤岩体的裂隙尖端在应力的加载和地应力的作用下会产生一定的应力集中现象ꎬ由于任何材料都有一定的塑性ꎬ因此裂隙尖端附近会产生非线性效应.在进行水力压裂时ꎬ煤岩体产生的裂纹ꎬ通过弹性力学㊁断裂力学计算的结果具有一定的精度.所以ꎬ在研究中可以视情况把煤岩体视为弹性介质进行研究分析.煤岩体应力平衡可以由虚功原理表示ꎬ某体积域内在ｔ时刻构形的虚功原理为ʏＶσᶄ－ｕｆＩ()εｄＶ＝ʏＳｑｖｄＳ＋ʏＶｗｖｄＶ＋ʏＶｓｎρｆｇｖｄＶ.(１)式中:σᶄ为有效应力ꎻε＝∂ｖ/∂ｘ为虚变形速率ꎻｖ为虚速度场ꎻｑ为单位面积的表面力ꎻＩ为单位矩阵ꎻｄＶ为体积微元ꎻｄＳ为面积微元ꎻｕｆ为渗流速度ꎻｗ为单位体积的体积力(不含流体质量)ꎻｓ为固相材料的饱和度ꎻｎ为固相材料的孔隙率ꎻρｆ为流体密度ꎻｇ为重力加速度ꎮ煤岩体多孔介质应力平衡方程可以通过虚功原理表示:某时刻岩石的虚功与作用在岩石上的体力和面力产生的虚功大小相等ꎬ若不考虑岩石中流体黏性ꎬ最终化简可得到式(２)[１０]:ʏＶｅＤｅｐｄｅｄｔｄＶ＋ʏＶｅＤｅｐｍｓｏ＋ｐｏｅ()３ＫｓｄｐｏｄｔéëêêùûúúｄＶ－ʏＶｅｍｓｏ＋ｐｏξ()ｄｐｏｄｔｄＶ＝ʏＶｕｄｆｄｔｄＶ＋ʏＳｕｄτｄｔｄＳ.(２)式中:ｅ为虚位移ꎻＤｅｐ为弹塑性矩阵ꎻｔ为时间ꎻｍ＝[１ꎬ１ꎬ１ꎬ０ꎬ０ꎬ０]ＴꎻＫｓ为固体颗粒的压缩模量ꎻＳｏ为岩石含液饱和度ꎻＰｏ为孔隙液体压力ꎻξ＝ｄｓｏｄｐｏ为表征毛细压力与饱和度关系的参数ꎻτ为时间为岩体面力ꎻｆ为岩石体力ꎻｕ为虚应变.扩展有限元法在常规有限元的位移模式中加入能反映裂隙所在面的不连续特性ꎬ从而不要求裂隙所在面与单元边保持一致ꎬ其克服了常规有限元分析煤岩体断裂问题中网格剖分繁琐㊁裂隙扩展后需要重新剖分网格的缺点ꎬ基于以下两种思想ꎬ对位移函数求解:１)基于单位分解思想ꎬ使用扩展元函数导入到有限元近似函数中ꎬ以此来模拟初始裂隙ꎬ由于初始裂１４博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２１年第３６卷隙是裂隙的一个子集ꎬ所以ꎬ它与扩展裂隙有统一的表达式ꎬ其位移函数为ｃ＝ðＩ＝１ＮＮＩ(ｘ)ｃＩ＋Ｈ(ｘ)ａＩ＋ðα＝１４Ｆα(ｘ)ｂαＩ[].(３)式中:ＮＩ(ｘ)为普通节点位移形函数ꎻｃＩ为位移求解连续部分ꎻａＩꎬｂαＩ皆为节点扩展自由度向量ꎻＨ(ｘ)为裂缝面的间断跳跃函数ꎻＦα(ｘ)为裂隙尖端应力渐进函数.２)基于拉格朗日公式和虚功方程离散化思想ꎬ可得到固体有限元网格ꎬ当流体流过这些网格时ꎬ流体还需要满足连续方程ꎬ在某时间增量内流入的流体流量等于流体体积的增加速率ꎬ即ｄｄｔʏＶρｆρｏｆｓｎｄＶæèçöø÷＝－ʏＳρｆρｏｆｓｎｖｆｄＳ.(４)式中:ｖｆ为渗流速度ꎻｎ为Ｓ面外法线方向.方程采用流体的参照密度ρｏｆ进行量纲一化.１.２㊀边界和初始条件在ＡＢＡＱＵＳ中建立煤岩体的二维均质可变形模型ꎬ其区域边界为封闭边界并约束Ｘ和Ｙ方向节点位㊀图１㊀煤岩体二维水力压裂模型移为Ｕ１＝０ꎬＵ２＝０.孔隙压力边界条件为一定值Ｐｏｂ.水力压裂初始裂隙在煤岩体正中央ꎬ沿着Ｙ方向设置ꎬ并给定初始参数:模型为煤岩体密度１３８０ｋｇ/ｍ３ꎻ煤岩体初始孔隙率１１.２％ꎻ煤岩体初始渗透率２.７ˑ１０－１６ｍ２ꎻ煤岩体弹性模量２.６９３ˑ１０９ꎻ煤岩体泊松比０.３３８５.基于已有的有限元分析理论ꎬ运用有限元数值模拟软件ＡＢＡＱＵＳ对煤岩体水力压裂成缝过程进行模拟ꎬ建立５０ｍˑ５０ｍ的煤岩体二维水力压裂模型ꎬ并设置初始裂隙位于煤岩体中心位置长度为４ｍꎬ注水点在初始裂隙中央ꎬ并对其施加Ｘ方向与Ｙ方向的约束ꎬ其示意图如图１所示ꎬ该模型采用四方形网格ꎬ为减少计算量和有针对性地对裂隙进行研究ꎬ故采用过渡网格的形式沿Ｘ轴方向向中轴线加密进行网格划分.２㊀计算结果分析㊀㊀基于已建立的煤岩体二维水力压裂模型ꎬ通过初始裂隙单元模拟１ｈ内水力压裂成缝的应力场㊁孔隙压力等变化规律ꎬ并通过后处理手段得到数值模拟结果图(图２)以及对应曲线(图３).㊀㊀由图２可以看出ꎬ原始裂隙在注水１０ｍｉｎ后ꎬ裂隙沿Ｙ轴向两边延伸且裂隙尖端与尾端云图基本呈对称图形ꎬ尖端与尾端最大应力均达到１３.８４ＭＰａꎬ其应力场影响范围以Ｘ方向６.９２ＭＰａ和Ｙ方向９.２６ＭＰａ向煤岩体局部扩散ꎻ注水３０ｍｉｎ时ꎬ沿Ｘ轴方向应力场影响范围有小幅度扩散ꎬ但沿Ｙ轴方向在１５ｍｉｎ时的应力场影响范围已经基本扩散到整个煤岩体ꎬ并以Ｘ方向８.９６ＭＰａ和Ｙ方向１０.２４ＭＰａ继续向全局扩散ꎬ此时ꎬ煤岩体的内部开始出现微小变形情况ꎻ注水４０ｍｉｎ时ꎬ煤岩体内部裂隙周围应力分布逐渐趋于稳定状态ꎬＸ方向应力场呈椭圆状分布ꎬ其大小为９.４３ＭＰａꎬＹ轴应力大小为１０.６１ＭＰａꎻ注水结束时ꎬ裂隙已发育完全ꎬ其裂隙形状呈 １ 字型ꎬ且Ｘ方向应力场呈葫芦状ꎬ其应力大小为９.８７ＭＰａꎬＹ方向最大应力位于裂隙尖端与尾端ꎬ其应力大小为１４.８１ＭＰａꎬ煤岩体周围应力分布已达到稳定状态.由以上分析结合应力云图可得到ꎬ沿Ｘ轴传播的应力场大小增长百分比分别为２８.９％ꎬ５.２５％ꎬ４.６７％ꎬ其增长趋势逐渐减小ꎬ当注水结束时ꎬ应力场在煤岩体中趋于平稳状态ꎬ其增长比几乎为０％ꎬ其应力传播增长比逐渐减少说明应力传播能力逐渐减弱ꎬ考虑其可能是由于在传播过程中能量损耗的原因ꎬ沿Ｙ轴应力扩散规律与Ｙ轴方向基本一致.由图３可知ꎬ在注水之初ꎬ由于裂隙还没有开始完全传播ꎬ所以ꎬ能量几乎没有损耗ꎬ其压强增长速度最大ꎬ其大小达到峰值后ꎬ在３０ｓ时ꎬ又以极大的速度减少ꎬ说明ꎬ此时ꎬ裂隙已经开始发育并损耗能量而２４博看网 . All Rights Reserved.第４期王子一ꎬ等:基于扩展有限元法的煤岩体水力裂隙特征导致压强短时间内急速减低ꎻ３０~２５０ｓ时ꎬ压强值呈上下起伏的变化情况ꎬ但总体上呈下降趋势且下降速度接近于３０ｓ时的下降速度ꎻ在３００~２６４０ｓ后ꎬ压强大小变化相对于３０~２５０ｓ时压强变化起伏度较小ꎬ趋近于平稳状态ꎻ注水３４６０ｓ后ꎬ压强基本无变化ꎬ已达到平稳状态.综上所述ꎬ在注水之初(５ｍｉｎ之前)ꎬ煤岩体裂隙压强已有大幅度变化ꎬ但在宏观上ꎬ裂隙变化不大ꎻ裂隙发生可见变化是在５ｍｉｎ时ꎬ裂隙初步开始发育ꎬ但发育速度较慢且不明显ꎻ１０ｍｉｎ时ꎬ裂隙开始加速发育直到３０ｍｉｎ时ꎬ裂隙发育速度逐渐下降且最小发育增长比为４.６７％ꎻ在注水４２ｍｉｎ时ꎬ煤岩体内部裂隙周围应力分布有向稳态发展的趋势且压强变化起伏较小ꎬ １ 字型裂隙基本形成ꎻ在注水５７ｍｉｎ时ꎬ煤岩体内部裂隙周围应力场变化基本已经达到稳态且压强基本无变化ꎬ １ 字型裂隙已完全形成ꎬ该状态一直维持到注水结束.图２㊀应力场阶段变化云图图３㊀应力场变化曲线在定义ｃｏｈｅｓｉｖｅ的力学性能时ꎬ实际上就是确定本构模型的具体形状ꎬ包括:刚度㊁极限强度㊁临界３４博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２１年第３６卷断裂能量释放率㊁最终失效单元位移.裂隙中的流体压力是裂缝扩展的能量来源.在ｃｏｈｅｓｉｖｅ单元中的流体流动方向分为沿着ｃｏｈｅｓｉｖｅ单元的切向流动以及垂直于ｃｏｈｅｓｉｖｅ单元的法向流动.利用ＡＢＡＱＵＳ软件内置ｃｏｈｅｓｉｖｅ单元对孔隙压力和孔隙宽度进行模拟ꎬ其初始饱和度设置为１ꎬ其孔隙变化如图４所示.图４㊀孔隙变化阶段云图由图４可知ꎬ注水６０ｍｉｎ时ꎬ裂隙长度为１７ｍꎬ其整体形状为长条状ꎬ横截面为类椭圆形ꎬ裂隙最大压力(１４.０９ＭＰａ)位于裂隙中心轴线(Ｙ方向)位置ꎬ裂隙最小压力(５.８４ＭＰａ)位于边缘位置ꎬ其压力分布是以中心轴线(Ｙ方向)为对称轴的中心对称分布ꎻ孔隙压力场对孔隙周围的影响范围为椭圆状ꎬ影响半径为１９.８ｍꎬ裂隙最宽处(１３.１ｃｍ)位于裂隙中间ꎬ宽度从中间向两端逐渐减少ꎬ最小值(６.５ｃｍ)位于裂隙尖端位置ꎬ并有向两端(Ｙ轴)继续扩展的趋势ꎬ其云图以裂隙中心位置(Ｘ轴方向)呈中心对称ꎬ且水力裂隙孔隙压力影响面积和孔隙宽度的增长率此时为最大.注水结束时ꎬ裂隙长度为２３ｍꎬ其最大㊁最小孔隙压力分布与注水３０ｍｉｎ时基本一致ꎬ其最大孔隙压力为１２.３２ＭＰａꎬ最小孔隙压力为５.１３ＭＰａꎬ此时ꎬ孔隙压力场影响范围已达整个煤岩体并保持相对稳态ꎬ压力值基本无变化ꎬ其相应曲线斜率逐渐降低ꎻ孔隙宽度变化规律与注水３０ｍｉｎ时相似ꎬ其最大值为１６.５３ｃｍꎬ最小值为８.２６ｃｍ.综合分析可知ꎬ注水结束的孔隙压力略小于注水中的孔隙压力是由于孔隙压力从开始注水到结束注水是呈逐渐减小到稳定的趋势ꎬ其原因是孔隙间压力要向周围传播ꎬ由于应力波的传播会消耗应力波能量ꎬ所以ꎬ总体呈减小趋势直到内部应力场平衡稳定ꎬ相应变化曲线在此时增长率趋近于０.３ 结论１)注水３０ｓ时ꎬ裂隙应力场扩散速度达到极大值ꎬ随后又以极大的速度减小ꎻ３０~２５０ｓ时ꎬ压强值呈上下起伏的变化情况ꎬ但总体上呈下降趋势且下降速度接近于３０ｓ时的下降速度ꎻ在３００~２６４０ｓ后ꎬ压强大小变化相对于３０~２５０ｓ时压强变化起伏度较小ꎬ趋近于平稳状态ꎻ注水３４６０ｓ后ꎬ压强基本无变化ꎬ几乎已达到平稳状态ꎬ注水结束后ꎬ最大应力位于裂隙尖端与尾端ꎬ其大小为１４.８１ＭＰａ.２)水力裂隙整体和横截面均为椭圆形ꎬ注水整个过程中ꎬ孔隙压力最大值位于裂隙中心轴线(Ｙ方向)处ꎬ其大小为１４.０９ＭＰａꎬ孔隙压力场呈椭圆状向裂隙四周扩散直到注水结束并有小幅度减小的趋势.孔隙宽度最大值位于孔隙中间段处ꎬ大小为１６.５３ｃｍꎬ孔隙压力场与孔隙宽度变化规律云图分别关于Ｙ轴与Ｘ轴方向对称ꎬ两者整体呈斜率逐渐减小的增长趋势.由数值模拟结果可知ꎬ水压裂缝总体呈椭圆形ꎬ从注水开始到结束期间ꎬ初始孔隙向两端延伸最终形成 １ 字型裂缝ꎬ两者结果基本吻合.４４博看网 . All Rights Reserved.５４第４期王子一ꎬ等:基于扩展有限元法的煤岩体水力裂隙特征参考文献:[１]唐世斌ꎬ董卓ꎬ王嘉旭ꎬ等.不同荷载作用条件下水力裂缝起裂特性的数值模拟研究(英文)[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０２０ꎬ２７(１２):３８７５－３８８７.[２]李明ꎬ史艺涛ꎬ李鑫ꎬ等.基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性[Ｊ].东北大学学报(自然科学版)ꎬ２０１９ꎬ４０(１):１０９－１１４.[３]刘泉声ꎬ甘亮ꎬ吴志军ꎬ等.基于零厚度黏聚力单元的水力压裂裂隙空间分布影响分析[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１８ꎬ４３(ｓ２):３９３－４０２.[４]李明ꎬ郭培军ꎬ李鑫ꎬ等.基于水平集法的非均质岩石建模及水力压裂传播特性研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１６ꎬ３７(１２):３５９１－３５９７.[５]盛茂ꎬ李根生.水力压裂过程的扩展有限元数值模拟方法[Ｊ].工程力学ꎬ２０１４ꎬ３１(１０):１２３－１２８.[６]张振南ꎬ王毓杰ꎬ牟建业ꎬ等.基于单元劈裂法的全耦合水力压裂数值模拟[Ｊ].中国科学:技术科学ꎬ２０１９ꎬ４９(６):７１６－７２４.[７]董卓ꎬ唐世斌.基于最大周向应变断裂准则定向射孔水力裂缝扩展研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１９ꎬ４０(１１):４５４３－４５５３.[８]ＬｕｏＺＦꎬＺｈａｎｇＮＬꎬＺｅｎｇＪꎬｅｔａｌ.Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆａｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｗｉｔｈａｈｏｌｅｉｎｐｏｒｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｍｅｄｉｕｍｂａｓｅｄｏｎｅｘｔｅｎｄｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈＢｏｕｎｄａｒｙＥｌｅｍｅｎｔｓꎬ２０２０ꎬ１１５(６):１０８－１１９.[９]ＺｈｅｎｇＨꎬＰｕＣＳꎬＳｕｎＣ.Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｒａｃｔｕｒｅａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒａｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｅｘｔｅｎｄｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｒａｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ２０２０ꎬ２３０(５):１０６９８１.[１０]龚迪光ꎬ曲占庆ꎬ李建雄ꎬ等.基于ＡＢＡＱＵＳ平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１６ꎬ３７(５):１５１２－１５２０.博看网 . 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浅谈土质心墙坝的水力劈裂有限元数值模拟
浅谈土质心墙坝的水力劈裂有限元数值模拟谢江红【摘要】随着我国水电建设飞跃发展,土石坝作为世界坝工建设中应用最为广泛和发展的一种坝型.土质心墙坝作为土石坝中最为典型一种,是很多高坝的首选.从世界上土石坝的破坏的角度看,土质心墙坝的水力劈裂问题是坝工界最为关注.本文主要分析土质心墙坝的水力劈裂的发生原理,并以工程实例作为分析对象进行详细阐述.【期刊名称】《吉林水利》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】3页(P11-12,16)【关键词】土石坝;心墙;水力劈裂;有限元【作者】谢江红【作者单位】四川华能溶江水电有限责任公司,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TV641.2+51 引言土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝,是历史最为悠久的一种坝型。
由于该坝型具有施工简单、工序少、造价低、施工速度快、工作可靠、寿命长、对自然条件适应性强,特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下,土石坝是最可取的坝型,有时也是唯一可取的坝型。
因而成为世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的坝型。
而作为土石坝的典型代表的土质心墙坝,无论是国内外的在建和拟建的,心墙的水力劈裂问题必定是设计和施工中最为关注的。
2 水力劈裂的定义1976年6月5日,坝高为93 m的美国爱达荷州的东南部Teton大坝,在完成后第一次蓄水就发生破坏,造成11人死亡及数百万美元的损失,破坏由距右岸坝顶40米处的一个漏洞引起的。
后来一个调查 Teton坝失事原因的研究小组提出,水力劈裂发生在土的抗拉强度与最小主应力之和小于静水压力的区域,即产生水力劈裂的条件是:ut＞σ3+σt(1)式中:ut为产生水力劈裂时的静水压力,即劈裂压力;σ3为土体的最小主应力;σt为土的抗拉强度。
当忽略土体的抗拉强度σt时,土质心墙坝的水力劈裂计算方法是,当心墙上游面的库水压力大于心墙上游面土体的最小主应力时,库水压力就成为劈裂压力,心墙就易受水力劈裂破坏,尤其是小主应力作用面垂直于坝轴线方向时,情况更为危险。
土石坝水力劈裂发生过程的有限元数值模拟
土石坝水力劈裂发生过程的有限元数值模拟
李全明;张丙印;于玉贞;王建国
【期刊名称】《岩土工程学报》
【年(卷),期】2007(29)2
【摘要】在总结国内外关于水力劈裂机理分析及数值模拟方法的基础上,将所提出的渗透弱面水压楔劈作用模型引入基于比奥固结理论的有效应力法,采用弥散裂缝理论描述水力劈裂裂缝的发展过程,建立了用于描述水力劈裂发生和扩展过程的数学模型及有限元计算模式。
模拟了挪威Hyttejuvet坝水力劈裂破坏的发生过程。
计算结果表明:本文建立的数学模型和相应计算模式能够较好地模拟土石坝水力劈裂的破坏过程,可用于土石坝工程的安全性评价。
【总页数】6页(P212-217)
【关键词】水力劈裂:比奥固结理论;弥散裂缝理论;Hyttejuvet坝
【作者】李全明;张丙印;于玉贞;王建国
【作者单位】清华大学水利水电工程系;新加坡国立大学
【正文语种】中文
【中图分类】TV641
【相关文献】
1.浅谈土质心墙坝的水力劈裂有限元数值模拟 [J], 谢江红
2.土石坝水力劈裂的发生机理及处理办法 [J], 杨森
3.基于坝壳湿化过程数值模拟的心墙坝初蓄水力劈裂机理研究 [J], 邓刚;陈辉;张茵琪;张延亿;张幸幸;侯伟亚
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岩体裂隙扩展过程的有限元仿真
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其中!9(FGH,I;5$ FGH, ,I* @,5& HJKI=!QR 为材料抗拉强度"
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, 网格自动调整策略
在裂隙扩展有可能经过的区域采用正四边形 N节点单元!其它部分可根据具体情况采用一般的四 边形 N节点单元和三角形 E节点单元!根据初始裂隙的分布情况对分析区域的网格通过节点的移植/增 加 等 手 段 作 局 部 调 整 !得 到 模 拟 裂 隙 扩 展 过 程 所 需 的 初 始 网 格 "
岩体裂隙扩展过程的有限元仿真
吴枝根)/ 李云鹏"/ 王建国)/ 白嘉楠)
*)1合肥工业大学 土木建筑工程学院/安徽 合肥 "6###+’"1西安科技学院 基础部/陕西 西安 %)##&0.
摘 要!利用 )I0奇异元和动态网格调整技术/对岩体裂隙动态扩展过程给出了一较理想的自动跟踪方法 J研制并调试完成
# 裂隙扩展的基本理论
采 用 力 法 分 析 岩 体 中 存 在 的 裂 隙 扩 展 问 题 !对 于 岩 体 中 存 在 的 裂 隙 一 般 可 视 为 $ %& 复 合 型 " 由 断 裂力学知裂隙端部 ’()处应力有 ’* 奇 #+, 异性!为较逼真地描述这种奇异性!在裂尖周围采 用 符 合 该 奇 异性特点的 #+-奇异元"通过有限元分析可获得图 #所示裂隙两侧奇异元上 ./0/1/2 -点的位移值! 裂 尖 应 力 强 度 因 子 可 按 下 式 计 算 3#4!即
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合 肥 工 业 大 学 学 报*自然科学版.
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浅谈土质心墙坝的水力劈裂有限元数值模拟
力大 于心墙 上 游 面土体 的最小 主应 力时 ，库水 压 力 就 成为劈 裂 压 力 ，心墙 就 易受 水 力 劈 裂 破坏 ， 尤其 是小 主应 力作 用面垂 直 于坝轴 线方 向时 ，情 土石 坝是指 由土 、石料 等 当地 材料填 筑而成 的坝 ，是历 史最 为悠久 的一 种坝 型 。由于该 坝 型 具有 施工 简单 、工 序 少 、造 价 低 、施 工 速度 快 、 工作 可靠 、寿命 长 、对 自然 条件适应 性强 ，特别 是在 气候恶 劣 、工程地 质条 件复 杂和高烈 度地震 区的情况下 ，土 石坝是 最可 取 的坝 型 ，有 时也是 唯一 可取 的坝型 。因而 成 为世界 坝工建设 中应用 最 为广泛 和发展 最快 的坝 型 。而作 为土石 坝 的典 型代 表 的土质心墙 坝 ，无论 是 国内外 的在 建和拟 建 的 ，心墙 的水力 劈裂 问题 必定是 设计 和施 工 中
吉林水利
浅谈 土质心墙 坝的水 力劈裂有 限元数值 模拟
谢 江红
２１ ０ ０年 ５月
蓄水过程等 因素的影 响 ，不能说 明土 体发生裂缝
的机理 ，也无 法计算 和分析水力 劈裂 的过程 。殷 宗泽［］ 则提 出 了用 有效 应 力 有 限 元法 计 算 得 ５等 Ｓ 应力 场 （ 有效应力 和 孔 隙水应 力 ） ，然后 用 蓄水
最 为关注 的 。
况更 为危 险 。 即使 小主应 力作 用面 垂直 于河 流方 向 ， 由于 心墙 上游 面产 生 了水 力劈 裂 ，渗透路 径
缩短 ，对 心墙 防渗 也不利 。 从 土 质心 墙 坝 的水 力 劈裂 的物 理 现 象 来看 ， 水力 劈裂 是指 由于水压力 的抬 高 ，在岩 体或 土体
关 注 。本 文 主 要 分析 土质 心 墙 坝 的 水 力劈 裂 的发 生 原 理 ， 并 以 工程 实例 作 为 分 析 对 象进 行 详 细 阐 述 。
岩石单轴压缩、拉伸、巴西劈裂数值实验模拟
形成新的刚度矩阵
计算基元节点力和位移
线弹性有限元求解器
将相变基元进 行弱化处理
是
根据相变准则判 断基元是否发生 相变
否 否
加载是否 结束 是
结束
图 1、RFPA 程序流程图
3.1.3 数值实验结果和分析 图 2 是单轴拉伸应力—位移及其声发射频数数值模拟曲线， 由图可知单轴拉 [2] 伸应力—位移整个过程曲线可以分为三个阶段 ：（Ⅰ）线性变形阶段；（Ⅱ） 非线性变形阶段；（Ⅲ）裂纹迅速发展、贯通，应力急剧弱化阶段。 如图 2 模拟曲线所示，当应力小于 5MPa 时，应力—位移曲线为直线，当随 着应力的不断增加，曲线逐渐偏离线性，应力达到峰值强度后，应力突变到强度 的 1/7 左右，又逐渐平缓到达残余应力，此数值模拟基本上和论文[1]一致，证明 数值模拟的合理性。由此发现，岩石在直接拉伸过程中也具有脆性破坏和残余强 度，这一点和硬岩（例如花岗岩）单轴条件下的力学特性很吻合。
实体建模和网格划分用统计分布函数赋予每个基元刚度相变等值施加荷载产生一个新的位移和载荷形成新的刚度矩阵计算基元节点力和位移根据相变准则判断基元是否发生相变开始结束加载是否结束线弹性有限元求解器将相变基元进行弱化处理cstep7006bstep5202astep4201图3rfpa模拟单轴拉伸条件下的破坏过程最大主应力场声发射累计分布图50100150200100200300400500声发图2单轴拉伸应力位移以及声发射个数位移曲线图4单轴拉伸条件下裂纹扩展是rfpa数值模拟得到的岩石单轴拉伸条件下的破裂过程最大主应力场声发射累计分布图
2.3 程序简介
整个工作流程见下图 1，对于每个给定的位移增量，首先进行应力计算，然 后根据相变准则来检查模型中是否有相变基元，如果没有，继续加载增加一个位 移分量，进行下一步应力计算。如果有相变基元，则根据基元的应力状态进行刚 度弱化处理，然后重新进行当前步的应力计算，直至没有新的相变基元出现。重 复上面的过程， 直至达到所施加的载荷、 变形或整个介质产生宏观破裂。 在 RFPA 系统执行过程中，对每一步应力、应变计算采用全量加载，计算步之间是相互独 立的。
岩石水力劈裂机理的试验研究和模拟
岩石水力劈裂机理的试验研究和模拟岩石水力劈裂是一种常用的岩石破裂分离方法，通过将高压水注入裂纹中，施加巨大的水压力，以实现岩石的分裂。
这种方法在岩石采矿、地下隧道开挖等工程领域中具有重要的应用价值。
为了深入探究岩石水力劈裂的机理，本文进行了一系列的试验研究和模拟分析。
一、试验研究1. 试验设备和方法本研究采用了自主设计的岩石水力劈裂试验装置，该装置包括高压水泵、水平试样加载系统、应力传感器等组成。
试验采用了不同类型的岩石样本，并在试验过程中记录了水压力、裂纹扩展速度和应力变化等参数。
2. 试验结果通过试验得到了以下几点结论：首先，水压力是影响岩石水力劈裂效果的关键因素，较高的水压力能够加速裂纹的扩展速度，并实现较大范围的岩石分裂。
其次，不同类型的岩石对水力劈裂的响应不同。
对于一些脆性岩石，水力劈裂效果更为显著；而对于一些韧性岩石，则需要更高的水压力和更长的时间才能实现分裂。
最后，岩石内部的裂纹结构对水力劈裂效果也有重要影响。
存在较多、较长裂纹的岩石更容易实现水力劈裂，并且裂纹的方向对分裂效果有明显影响。
二、模拟分析1. 模拟方法为了更全面地了解岩石水力劈裂的机理，本研究还进行了数值模拟分析。
采用了有限元方法，建立了岩石水力劈裂的三维模型，并引入了水力耦合模型和断裂模型，模拟了水力压力施加过程以及岩石的破裂分离过程。
2. 模拟结果通过模拟分析得到了以下几点结论：首先，岩石裂纹的形态和扩展与水压力的分布密切相关，高水压力区域的近邻岩石更容易发生破裂。
其次，岩石的断裂以裂纹的扩展为主，根据裂纹的扩展方向和岩石本身的特性，可以预测岩石的破裂受力路径。
最后，模拟结果与试验结果具有一定的一致性，验证了试验研究的可靠性。
三、应用前景岩石水力劈裂技术在工程领域具有广泛的应用前景。
通过深入研究岩石水力劈裂机理，可以对工程中的岩石破裂分离进行更准确的预测和控制，提高工程施工效率，降低成本。
同时，岩石水力劈裂技术还可以应用于岩石采矿、水坝爆破、地质勘探等领域，发挥重要的作用，并为相关工程领域的发展提供技术支持。
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水利水 电技术 第 ４ １卷 ２ １ ０ ０年第 １期
岩 体 水 力 劈 裂 的 无 单 元 法 模 拟
仲 济 刚 ，胡 云进
（． Ｉ 广东粤港供水有限公 司，广东 深圳 １０ １ ２ 浙江大学 水利与海洋Ｘ程学系，浙江 杭州 ３０ ２ ） ５８ ２ ； ． － １０ ７
摘
要 ：基 于 无单 元 法模 拟 水 力 开 裂 的优 越 性 ， 文 中结 合 断 裂 力 学理 论 进 行 了应 用 无 单 元 法模
拟 水 力劈 裂 的研 究 。 首 先探 讨 了 水 力 作 用 的 施 加 ，其 次 给 出 了水 力 劈 裂 准 则 和 开 裂 追 踪 方 法 ，
然后 应 用修 正 Ｊ积 分 法计 算 应 力 强 度 因子 ，编 制 了水 力 劈 裂模 拟 的无 单 元 法程 序 ，最 后 应 用 该 程 序 对 一 算例 进 行 了计 算 。 结 果 表 明 所 介 绍 的 方 法 和 程 序 合 理 可 行 ，为 岩 体 水 力 劈 裂 模 拟 提 供 了可靠 的手 段 。 关键 词 ：岩石 力学 ；水力劈 裂 ；无 单元法模 拟 ；开裂追踪
中 图 分类 号 ：Ｔ ４ Ｕ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ． ８０ ２ １ ） １ｏ ２ 一４ ００ ０ ６ （００ Ｏ ．ｏ ２ ｏ
Ｓｉ ｕｌ ｉ ｎ ｆｈｙ ｒ ｕ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｆｒ ｋ ａ ｓ ｗｉｈ ｅｅ ｅ －ｒ ｅ ｍ ｅ ｈ ｄ ｍ ａｔｏ ｏ ｄ ａ ｌｃ ｆ ａ ｔ ｒｎｇ ｏ ｏｃ ｍ ｓ ｔ ｌｍ ｎｔｆ ｅ ｔ ｏ