前言

水力劈裂技术已广泛应用于石油开采、地应力测量、地热开发和核废料地下储存等工程领域。然而，水力劈裂在工程中有时会造成严重灾害，如隧洞施工中的大量突水、高压输水构筑物的破裂漏水和岩质高边坡在地下水作用下的失稳等。对于处在高水头、大埋深等条件下的岩体工程，水力劈裂是影响岩体及其上部建筑物稳定性的重要因素之一。因此，岩体的水力劈裂问题越来越引起人们的重视。

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。岩体材料具有不均匀性和存在自然构造裂纹等地质特征，水力劈裂涉及流-固耦合，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；因此数值模拟成为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），所以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，因此扩展有限单元法能有效地模拟岩体水力劈裂。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，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，而且具有广泛的应用价值。

本书首先建立了多裂纹扩展的扩展有限单元法，然后基于耦合和非耦合模型建立了分析岩体水力劈裂的扩展有限单元法模型，编制了相应的程序，模拟了岩体水力劈裂过程，研究了水力裂纹与自然裂纹的相互作用。本书的主要创新成果如下：

（1）针对岩体水力劈裂问题，建立了求解多裂纹扩展的改进的扩展有限单元法。裂纹附近区域采用广义形函数，其余区域采用传统的有限元形函数，并引入线增函数消除混合单元，这样在稍增加计算量的情况下有效地提高裂纹附近求解精度，从而精确地模拟裂纹扩展路径；引入裂纹交叉汇合加强函数以分析多裂纹交叉汇合过程；用砂浆法（线段-线段接触法）结合增广型Lagrange乘子法处理裂纹面的接触条件，可以精确地模拟裂纹面约束，并方便地求解控制方程。

（2）基于非耦合模型，建立了模拟岩体水力劈裂的扩展有限单元法模型，编制相应的计算程序，模拟了水力裂纹的扩展，得到了水力裂纹的存在对自然裂纹面上应力的影响，以及自然裂纹的存在对水力裂纹扩展路径的影响。

（3）基于边界耦合方式，建立了流-固耦合的岩体水力劈裂模拟的扩展有限单元法模型，编制相应的计算程序，数值模拟了水的流动、裂纹扩展和多裂纹的相互作用，得到了流体的特性和自然裂纹等因素对水力劈裂扩展的影响。

石路杨

2016年10月