第1章　绪论

1.1　研究背景及意义

水力劈裂（Hydraulic fracturing）是指由于水压的抬高，在岩（土）体中引起裂纹产生和扩展的一种物理现象[1]。水力劈裂最早由美国的陶氏公司应用于石油和天然气行业，作为一种提高石油和天然气产量的方法[2]。自1950年以来，在北美洲的石油和天然气行业中，70%的天然气产量和50%的石油产量都是通过水力劈裂技术生产的。除此之外，水力劈裂也被应用于在其他科学和生产领域，比如地应力测量[3]、刺激地下水[4]、核废料地下存储[5]、碳水化合物的增产和地热开发[6，7]等。

除了能应用于工业生产外，水力劈裂在工程中有时也会造成严重灾害，如隧洞施工中的大量突水、高压输水构筑物的破裂渗漏、水库坝体的渗透开裂和岩质高边坡在地下水作用下的失稳等。地下水的存在是岩体工程的环境因素之一，水流无时无刻不在影响着岩体的变形和内部构造。岩体内部会存在微裂纹、孔隙以及节理等缺陷，这些缺陷的存在不但会改变岩体的力学特征，而且会给水流的流动提供存储和流动的场所，流体在裂纹面上产生的压力会影响岩体的变形和应力分布，同时岩体应力场的改变使裂纹产生变形，进而影响裂纹中的水压力和裂隙的渗透性，对岩体的稳定性产生不利影响[8]。在一般的岩体工程中，裂纹的尺寸和规模较小，水力劈裂作用不明显，但在处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下的岩体工程中，水力劈裂是影响岩体及上部建筑物稳定性的重要因素之一[9]。法国Malpasset拱坝[10]和美国Teton坝[11]的溃坝就是典型的水力劈裂的作用造成的工程事故。据统计，在工程事故中，90%以上的岩质边坡破坏与地下水渗透力有关，60%的矿井事故与地下水作用有关，30%～40%的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的[12]。因此，岩体的水力劈裂问题越来越引起人们的重视。

对于岩体水力劈裂研究而言，岩体劈裂机理是一个核心问题。相对复杂多样的工程建设环境，岩体水力劈裂理论的研究却还处于初始阶段，目前几乎都只考虑单裂纹问题的水力劈裂。然而，岩体中存在一些自然裂纹，这些裂纹会影响水力裂纹的扩展路径，因此，考虑水力裂纹和自然裂纹的相互作用，才能更真实地揭示岩体水力劈裂机理。现有文献中对水力裂纹和自然裂纹的相互作用的水力劈裂理论的研究甚少，工程实践缺少理论支持，故急需深入地开展岩体水力劈裂的研究。开展岩体水力劈裂理论及技术的研究，揭示水力裂纹的发生机理和流体-应力耦合中两者的相互影响，从而为工程建设服务。研究岩体水力劈裂具有以下几方面的意义：

（1）了解岩体中裂纹面存在水压力作用下岩体的破坏形式以及结构性质的变化，能够进一步完善岩体的破坏理论。

（2）了解岩体材料的不均匀性和存在的自然构造裂隙等地质特征对水力劈裂的影响，以及流体流动和岩体变形的耦合作用下结构的力学响应，为石油和天然气行业的增产提供理论依据。

（3）为矿井事故、岩质边坡在地下水作用下失稳和隧洞施工中的大量突水等事故的发生及治理措施提供理论依据。

岩体材料具有不均匀性和存在天然构造裂隙等地质特征，水力劈裂涉及固-液耦合，且边界条件复杂，采用理论分析只能求解一些简单问题；模型试验又存在很多缺陷；因此数值模拟是揭示岩体水力劈裂机理的强有力手段。常规数值方法不能有效地模拟岩体水力劈裂问题（主要困难是常规数值方法不能有效地模拟裂纹扩展），采用新的数值方法模拟岩体水力劈裂问题就显得尤其重要。

扩展有限单元法（Extended finite element method-XFEM）是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法，模拟裂纹扩展时不需要网格重构，可以考虑任意形状的自然裂纹，且裂纹扩展对网格尺寸不敏感。基于扩展有限单元法，考虑自然裂纹和水力裂纹的相互作用，模拟裂纹起裂、扩展和交叉，揭示高水压力作用下岩体裂纹的演化机制和发展规律，这样不但可以为生产服务，也可预测工程中可能发生的事故而防患于未然。因此，开展高水压力作用下岩体水力劈裂的扩展有限单元法数值模拟的研究，不仅具有重要的理论研究意义，而且具有广泛的实用价值。