4.2 岩体水力劈裂扩展过程分析
4.2.1 基于流量与压力关系的劈裂过程分析
水力劈裂是指由于岩体裂隙水压力升高，引起岩体裂隙发生与扩展的一种物理现象。水力劈裂实际上是在高水头水压力作用下，岩体断续裂隙（或空隙）发生扩展，相互贯通后再进一步张开所致。由于岩体的劈裂在时间上具有突变性，在保证压水压力不变的情况下，必须补充更多的流量来填充新增的孔隙空间。在p-Q曲线上的反映就是流量的突然变化。因此岩体是否发生劈裂，可采用p-Q曲线是否出现突变点来判断。压力流量曲线中如存在流量突变区间，那么流量突变区间的起始点对应的水压力可以判断为岩体发生水力劈裂的临界压力。
需要注意的是，岩体是否发生水力劈裂与压入流量的绝对值大小无关，只与p-Q曲线上是否出现明显突变点有关。
图4.4~图4.7分别为黑麋峰抽水蓄能电站高压岔管段裂隙岩体和断层破碎带岩体在高压压水试验过程中的压力与流量关系曲线。所有这些压力流量关系曲线都要一个共同点，即压水试验过程中，压水段中的流量出现2次以上的突变点，这种现象表明随着压水压力的增加，出现多次“扩容”现象。岩体空隙空间的扩容可以看做是岩体发生水力劈裂后的结果。
图4.4 1号试验孔岩体段压力与平均流量关系曲线（快速法）
图4.5 1号试验孔岩体段压力与平均流量关系曲线（中速法）
图4.6 1号试验孔断层段压力与平均流量关系曲线（快速法）
图4.7 1号试验孔断层段压力与平均流量关系曲线（中速法）
压水试验中之所以出现上述多次劈裂扩展现象，是由于裂隙对水的阻滞作用，压水孔中的水压力通常会大于裂隙面上的水压力。随着压水孔压力的逐渐增加，在靠近压水孔附近岩体被劈裂后，远离压水孔位置岩体中的水压力升高需要一定的积累过程，如果压水压力继续增加，则可能出现水力劈裂的渐进式发展。
图4.8 岩石劈裂过程示意图
对于均质岩石或岩体来说，图4.8给出了岩石劈裂扩展过程示意图。当孔内充满高压水后，圆孔附近范围岩石在内水压力的作用下将首先达到劈裂条件而出现水力劈裂（第一次劈裂圈）。第一次劈裂后，孔内水压力上升，第一圈和第二圈交界面上岩体承受的水压力在克服岩体的阻力后继续增加，当增加的水压力再次满足岩石发生水力劈裂的水压力条件后，新的水力劈裂圈再次生成。依此类推，随着孔内压力的继续增加，又会形成第三、第四破裂圈。
压水试验过程中，压水孔中的后续水压力较第一次劈裂压力大，但岩体劈裂的水压力并未增加，增加的水压力主要用来克服水的流动阻力，因此岩体真正的劈裂压力应该取第一次产生劈裂现象时的压力。
对于工程岩体来说，确定水力劈裂范围的大小应该被提高到与产生水力劈裂的劈裂压力相同的高度来重视。劈裂压力的大小给出了岩体是否发生劈裂的临界判据；而劈裂范围大小，则为工程设计治理范围的大小提供科学合理的依据。
4.2.2 基于断裂力学机理的劈裂扩展分析
高压压水试验过程中，岩体水力劈裂扩展过程可用上述断裂力学理论加以分析。
在地应力一定情况下，由式（4.12）知，缝内水压力p越大，σa越小；根据断裂韧度与地应力关系
，可知断裂韧度KⅠC也就越小。由式（4.17）可知，缝内水压力p越大，断裂韧度KⅡC也越小。考虑到缝内水压力的分布与空间位置和压水历时有关：压水过程中靠近压水孔附近（裂纹开口处）的缝内水压力大；远离压水孔位置（裂纹尖端）的缝内水压力小。随着压水时间的持续，由式（4.11）知，远离压水孔位置岩体内的裂纹中的水压力会逐渐增大，断裂韧度不断减小。当缝内压力满足式（4.15）或式（4.16）时，裂缝失稳并扩展。
对式（4.11）进行变换，有
由式（4.18）可知，保持压水孔压力和裂纹宽度改变率不变（即p0和
不变），当岩体中原有裂缝产生水力劈裂后，裂缝长度a增加，裂缝宽度w0增加，则由裂缝长度和宽度控制的指数函数自变量数值减小，由指数函数性质可知，指数函数值减小，故缝内压力px也随之减小。根据断裂韧度与地应力关系和式（4.17）可知，当缝内压力p减小时，断裂韧度值KⅠC和KⅡC都将增大。根据式（4.15）和式（4.16）可知，断裂韧度值KⅠC和KⅡC增大后，裂纹产生水力劈裂的临界水压力pC增大。因此，为了使岩体中产生新的裂缝或使得原有裂纹继续扩展，需要继续提高压水孔中的压水压力p0。这就是岩体高压压水试验过程中随着压水压力的增加，岩体出现渐进式的多次劈裂扩展的基本力学机理。