水力劈裂提升灌浆效果

在向钻孔内压水或灌浆时，作用到孔壁上的径向压力将引起孔的扩张，使孔壁岩体承受劈拉应力。当此应力超过岩体的抗拉强度时，就会在岩体内产生一些新的裂缝。这样造成的裂缝谓之水力劈裂。石油工业比较早地利用了这一技术来劈开隔油层，使油井产量提高或使废油井复活。在近代的灌浆工作中也在考虑此种问题的影响和作用。

在灌浆工作中，为了保证能向地层空隙内输水（压水试验时）和输入浆液（灌浆时）所用的（流体）压力必须高于地层内的孔隙水压力。一般称此压力为过剩压力或有效压力，用p0来表示，即：

式中　γω——水的容重；

　　　h——灌注点以上地下水高度。

在钻孔中，过剩压力p0对孔壁产生一种径向压力，该压力在岩石中引起一种切向应力σ0（图10-1），二者绝对值相等，而符号相反，即：

负号表示这个应力是张力即拉应力。

在孔壁上由过剩压力p0引起的切向应力σ0，将叠加在原来集中作用在孔壁上的应力之上。原有的应力如图10-2所示。由于孔壁是个自由表面，所以主应力轴的方向应该垂直于和平行于这个面。这里应该特别注意由原来两个水平主应力σx和σp（假定钻孔是垂直的），在孔壁上引起的切线应力σ0。对我们所研究的问题而言，特别有意义的是其中最小的切线应力σ0min。假若两个水平主应力不相等，而是σx＞σy，那么，在A点和C点将产生最小切线应力（P·E格雷泰纳，1976），即：

图10-1　过剩压力引起的切线应力

由过剩压力p0引起的切线应力σ0，将叠加在这个应力（σ0min）之上，从而可得复合应力σ0min：

图10-2　垂直作用于钻孔孔壁上的两个主应力引起的切线应力（根据P·E格雷泰纳）

当等于负值（出现拉应力）时，将在A点和C点产生劈裂作用，并有可能产生破裂。是否破裂，这时就取决于地层的抗拉强度St。如果由过剩压力引起的拉应力σ0min超过（如果拉应力取负号就小于）地层的抗拉强度St时，就将产生破裂。于是，在钻孔孔壁上产生水力劈裂的必要而充分的条件是：

式中地层拉抗强度St应为正值。

众所周知，岩石的抗拉强度是较低的，尤其在裂隙面上常常是St=0。大多数的土层和沉积层也几乎没有抗拉强度。

当地层中不存在构造应力（即地应力）时，地层中近似于“静水压力条件”，垂直作用于孔壁上的两个主应力相等

即：

式中：γb为地层平均容重；z为地层厚度。由主应力在孔壁上产生的切线应力应为：σQ=常数=2γbz。也就是说，此种情况下的水力劈裂条件必须是过剩压力（p0）大于上覆盖层压力的2倍。

但是，还应注意，在具有一定渗透性的地层中压水或灌浆时，实际上只有其中一部分液体压力（αip0）是用在对孔壁的扩张上，而其余的一部分［（1-α1）p0］是消耗在迫使液体进入空隙，引起向外作用的渗流力。这里α1是个无因次的分配系数，在基本上不透水的岩石中接近于1，在强烈透水的岩土中接近于0，即α1在1～0之间。由于地层情况的多样性，事实上α1值是很难预先掌握的。有资料指出，对渗透性比较大的土层而言，α1大致在0～0.5范围内；对孔隙度n比较低的裂隙型岩层而言，α1介于0.5～1.0之间［1］。此外，灌浆使用的浆液越稠，所含的固体颗粒越大，有助于提高α1值。

不难理解，随着灌浆作业的进行，地层越来越密实，作用到孔壁上引起孔壁扩张的作用力α1p0将随之增大。因此，在孔壁上开始产生水力劈裂的时机，将主要是发生在灌浆过程的后期。这种劈裂的位置是对称钻孔轴线，产生最小应力的两个点处；裂缝的方向与钻孔方向一致。

此外，还有一种型式的劈裂，是发生在地层内部的弱面（裂隙面、节理面、层面等）上，其方向与该弱面的延展方向相一致。此种劈裂是由进到缝隙里去的液体渗流力所引起，受渗流量、流体的平均压力和承受这一压力的裂缝面积所控制。在压水试验和灌浆的初期，由于渗流量较大，若施加的压力亦较大，将易引起此种型式的劈裂。(www.xing528.com)

根据P·B·阿特维尔和I·W·法默的研究（1974），在弱面上发生的、渗入半径为r的单位流体的渗流力可由下式求得：

式中　pr——半径为r处的液体压力；

　　　a——钻孔半径；

　　　R——浆液渗入半径。

索瓦奇等解此方程，以获得在弹性连续体中因灌浆而在钻孔周围引起的应力，即

式中

μ——泊松比；

脚号R和T表示与渗流方向垂直。

假设沿渗流方向（纵向）的应变为0，则纵向应力σx可用下式求得：

发生在弱面、由渗流力引起的劈裂，将容易引起大范围的地面抬升，并诱发出一系列新的应力裂缝。

在I.W.法默等人（1974）的著作中提出了用两种方法来评价因灌浆而引起大规模地基破坏的前景。这些方法分别假定：对土而言存在着截端圆锥体破坏带；对岩石而言则还有一系列扩大的诱发裂缝。

在图10-3中对土层的破坏进行了分析。对岩石的情况可根据能量平衡法进行分析。即：使浆液输入能量δE=p0δv（其中p0为平均灌注压力、δv为在特定时间内所灌注的液体的体积）等于地层所贮存的能量δEs（岩石和液体中的弹性应变能）和不可能恢复的能量δe（主要是对岩土的水力劈裂中以及克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所做的功）。这一分析的含意是：一个可以增长的微小能量随着浆源作用半径的逐渐增大和能量的不断输入，对引起水力劈裂有决定意义。如果保持能量继续输入、最终能造成水力劈裂。摩根斯坦和沃恩得出的结论是：用能量输入的办法比用其它任何办法更容易造成水力劈裂。

图10-3　以截圆锥体类比的地面抬升条件

（地层基的任意粘聚力都忽略不计）
《引自P·B·阿特维尔和I.W.法默的著俐（1971）》
截端圆锥体重：Wc=
截锥体抗剪强度：S=
上抬力：FG=πα2p0
抬升条件：FG≥Wc+S

在灌浆中有以下两种情况，被认为产生一些有控制的水力劈裂是有好处的。

（1）在具有较多的微细裂隙而又比较坚固的岩层中，只要压力不是用得过大，所造成的劈裂既不会蔓延得很远，也不致造成地面的抬升和好岩石的破坏，它却能挤密周围的岩体（使小的裂隙闭合），提高可灌性、产生好的灌浆效果。

然而不言而喻，如果在具有较大裂隙的岩层中采用大压力灌浆，就有可能会造成地面抬升和好岩石的破坏。这样的劈裂是不利的，应当避免。

（2）在周围受到坚硬岩石圈闭的、易受压缩变形的溶洞充填物、断层破碎带及其它软弱夹层中有意使用较高一些的灌浆压力，使在其内部产生一些劈裂裂隙，可以使这类软弱物质在灌浆中增实并最后被浆液结石脉穿插、包围起来，从而提高其力学性能与抗渗透破坏能力。这一点已被许多灌浆实践结果所证明。

对于无侧限的地表沉积层、人工堆积层和大范围的岩石破碎带，是否要实行高压劈裂灌浆，需根据具体情况而定。一般说来，在表面设有盖重的情况下采用高压劈裂灌浆，大多数都会造成地面的严重抬动，而且无助于使地层增实。因此，一般是无益的。

但是有一种情况，即我国在土坝坝体中进行的灌浆，却是专门利用促成坝体劈裂进行的，名曰“土坝的劈裂灌浆”。这是我国在20世纪60和70年代首先在山东省境内为制止一些漏水土坝，在群众性的灌浆实践中逐步发展起来的一项经济而又有效的灌浆技术。利用这项技术，到目前为止至少已有数百座土坝被制止住了大量渗漏，使原来不能蓄水、濒临报废的水库恢复了功能。在湖南等省，这项技术还被用来制止输水渠道向两岸土体中的渗漏。