岩体的水力劈裂现象通常指岩体在高压水作用下，流量产生突然增加的现象。图4.7表明1号试验孔断层段在中速法第一次高压压水条件下发生了三次较大规模的水力劈裂现象，第一次劈裂时的压力为3.0MPa，第二次劈裂时的压力为5.5MPa，第三次劈裂时的压力为6.5MPa。......
2023-06-28
理论分析劈裂压力的计算方法
【摘要】：表4.1给出了试验区岩体地应力的反演成果。根据表4.2绘制劈裂压力与裂缝长度关系见图4.9和图4.10。其可能原因是，连通性较好的长裂隙受地应力的作用相对较弱，产生劈裂所需的水压力相对较小。由此可见，劈裂压力理论值范围与压水试验得到的实验值范围吻合程度较高，说明理论计算值是合理的。
根据岩体水力劈裂压力计算公式（4.15）和式（4.16），如果已知岩体试验区的地应力大小，岩体中初始裂纹长度以及断裂韧度等，也可以估计出岩体的临界劈裂压力值。
根据黑麋峰抽水蓄能电站可行性研究阶段水压致裂法地应力测试成果，岔管处地应力属以自重应力为主的中等应力场，σ1、σ2、σ3分别为-6.52MPa、-4.75MPa、-3.52 MPa，方位角分别为149.80°、343.53°、253.39°，倾角84.07°、5.75°、1.39°。表4.1给出了试验区岩体地应力的反演成果。
表4.1 试验区地应力反演成果 单位：MPa
引水系统沿线以陡倾角节理为主，缓倾角节理次之，发育方向以NE、NWW向为主，多为陡倾角结构面，延伸长一般介于1～5m之间，少数NE、NWW向节理和缓倾角节理长度大于10m；节理间距局部达0.1～1.0m；节理宽度一般为1～5mm，少数大于1cm，充填物以碎屑为主，部分充填花岗伟晶岩脉或石英脉，或闭合无充填，少数夹泥。NE向陡倾角结构面与主应力σ2的应力方向近于垂直，NWW向陡倾角结构面与主应力σ3的应力方向近于垂直。
根据上述空间关系，结合压水孔钻孔资料可以推算出节理裂隙与长度方向与大主应力σ1方向夹角约5°。根据室内剪切试验成果，高压压水试验区裂隙岩体和断层岩体的内摩擦角分别为46°和22°，节理裂隙长度按1～10m变化取值。
根据孙宗颀等的试验研究，花岗岩断裂韧度值分别取KⅠC=1.88MPa·m1/2和KⅡC=4.86MPa·m1/2。
将上述已知条件，代入式（4.15）和式（4.16）分别计算出试验区裂隙岩体和断层岩体临界劈裂压力值见表4.2。
表4.2 计算水力劈裂压力临界值 单位：MPa
由表4.2可知，当岩体产生拉剪型劈裂，断层岩体劈裂压力理论值为3.7MPa，裂隙岩体理论劈裂压力值为6.66MPa；当岩体产生压剪型劈裂，断层岩体劈裂压力理论值为5.3MPa，裂隙岩体理论劈裂压力值为7.14MPa。
根据表4.2绘制劈裂压力与裂缝长度关系见图4.9和图4.10。由图可知，裂隙长度越长，临界劈裂压力越小，说明压水试验中首先产生劈裂的是长度较大的节理裂隙。其可能原因是，连通性较好的长裂隙受地应力的作用相对较弱，产生劈裂所需的水压力相对较小。连通性较差的短裂隙受地应力的作用相对较强，产生劈裂所需的水压力相对较大。
图4.9 拉剪型临界劈裂压力与裂纹长度关系（Ⅰ型裂纹）
图4.10 压剪型临界劈裂压力与裂纹长度关系（Ⅱ型裂纹）
综合来看，理论计算得到的断层岩体劈裂压力值在3.7～5.89MPa之间，而裂隙岩体的劈裂压力值在6.7～8.95MPa之间。由此可见，劈裂压力理论值范围与压水试验得到的实验值范围吻合程度较高，说明理论计算值是合理的。
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