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。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，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。扩展有限单元法是一种在常规有限元框架内求解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，因此扩展有限单元法能有效地模拟岩体水力劈裂。本项目完成了多裂纹扩展的扩展有限元法的系统理论基础研究，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，取得的主要创新成果有：(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，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，数值模拟了水的流动、裂纹扩展和多裂纹的相互作用，得到了流体特性和自然裂纹等因素对水力劈裂扩展的影响。 2100433B

扩展有限单元法是一种不需要网格重构可以处理任意不连续问题的新型数值方法。通过岩体水力劈裂的扩展有限单元法数值模拟和模型试验，揭示岩体水力劈裂机理。主要研究内容是：1、针对岩体水力劈裂问题，建立多裂纹扩展的扩展有限单元法理论，包括位移逼近的构造、高效高精度的应力强度因子计算方法、裂纹扩展准则、提高裂纹附近求解精度的方法等；2、基于非耦合模型，采用扩展有限单元法分析水力裂纹和天然裂纹（裂隙）间的相互作用机理；3、基于边界耦合方式，建立流固耦合的岩体水力劈裂模拟的扩展有限单元法模型。数值模拟水的流动、裂纹扩展和多裂纹的相互作用。为了检验所建模型的正确性和数值模拟的可靠性，进行岩体水力劈裂模型试验。.本研究有望在岩体水力劈裂的数值分析方面取得突破性进展，对岩体稳定性研究和岩体破坏的预测预报具有理论指导和实际工程意义。本项目研究成果也可以用于研究土体和混凝土水力劈裂问题。

水力劈裂是由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。水力劈裂是高压水流或其他液体将岩体内已有的裂纹、孔隙驱动扩张、扩展、相互贯通等物理现象的统称。

水力劈裂法自1947年由Hubbert和Willis首次提出，其将这一概念应用于石油开采业，自此，水力劈裂的理论，技术及分析方法逐渐发展起来，并且扩展到岩土工程，环境工程，建筑上程和水利工程等多个领域。水力劈裂是一项有半个世纪历史的技术，主要被用在石油和天然气的生产上。这项技术可以使石油或天然气自由地从岩石或土壤的空隙中流出，再由生产井带到地表。在开采油气时，我们希望增大油气的产量，即要使油气尽量多的流到井中，其方法之一是把己经存在的裂隙想办法连接起来，使得岩体中具有更大的裂隙成为油气的通道。这个人造的裂隙从井壁处开始，然后向外延伸，可以到达几百英尺远。

水力劈裂技术由美国的石油公司于年第一次用在位于的天然气井的开采上。Kelpper1号井，位于Grant县，是一口低产量的井，虽然它已经被酸化处理过。该井被选作第一次用水力劈裂技术处理的井，水力劈裂技术处理的效果可以和酸化处理的效果相比。自从年第一次成功利用之后，水力劈裂技术己经变成了一种标准的对石油和天然气开采井的处理方法。

国内外对于水力劈裂给出了不同的定义，这里给出国内和国外中有代表性意义的两个定义，大家可以从不同的角度来理解和体会水力劈裂的内在含义。

（1）1982年，黄文熙给出水力劈裂的定义，认为水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩体或土体中引起裂缝发生于扩展的一种物理现象。指出：“心墙中任何一点处的孔隙水压力如果是该点处的最小主应力的有效值降低至心墙抗拉强度，心墙就会沿着这个最小主应力而产生水力劈裂”。

（2）调查Tenton坝破坏原因的独立小组给水力劈裂下了一个定义，水力劈裂是指在高水头压力作用下，土体或岩体中裂缝的产生，发展并且相互贯通最终形成裂隙的过程。

高混凝土坝等水工混凝土结构在浇筑成形过程中普遍存在的微细裂纹和缺陷常可引起新裂纹甚至宏观裂缝。针对高混凝土坝的结构特点，利用地下水温度环境耦合模拟试验系统建立渗流-应力-温度等多场耦合的试验模型，进行多场耦合条件下水工混凝土结构裂缝萌生、发展的室内模拟试验，研究并揭示水力劈裂的机理。结合断裂力学、损伤力学理论和双K断裂模型，采用无单元法与有限元法耦合分析技术，分析研究水工混凝土结构在渗流和温度作用下裂缝从萌生、发展到失稳的过程，揭示裂缝扩展的变化规律以及水力劈裂的形成和扩展机理，建立温度-渗流-应力耦合条件下水工混凝土结构水力劈裂的数值分析模型，以预测裂纹的萌生位置和扩展长度，实现水工混凝土结构水力劈裂全过程的仿真模拟。高混凝土坝易出现裂缝并进一步扩展危及结构安全，尤其是坝踵等部位，故该成果可广泛应用于水工混凝土结构的计算分析和安全评价，不仅具有理论意义，而且具有重要的应用价值。