使用无网格方法研究围压对水力隧洞水力压裂过程的影响

为什么用水破裂岩石很重要

随着城市扩张以及更多的水和能源工程转入地下，工程师需要在坚硬岩石中开挖更长更深的隧道。在地表深处，这些隧道承受着来自周围地层和通过裂缝的水造成的巨大压力。当受压水将岩石撬开——即所谓的水力压裂——可能引发突发的涌水、泥流甚至隧道塌方。本研究采用一种新型计算建模方法，细致观察在不同地下围压条件下，充水隧道周围裂缝如何产生和扩展，为更安全的隧道设计与运行提供线索。

观察岩石破裂的新方法

传统的岩石失效数值方法将地体划分为固定网格。这在未出现裂缝时运作良好，但一旦裂缝出现并且岩石开始分离、扭曲和分支，网格就必须频繁更新，速度慢且容易失败。作者改用一种称为光滑粒子流体动力学（SPH）的“无网格”方法。在这种方法中，岩石和水由相互作用的离散粒子云表示。由于没有固定网格，模型能够自然地模拟大变形、新裂缝产生以及分支的断裂网络。

将隧道和水转化为粒子

在模型中，一个50米×50米的方形岩体包含一个中央马蹄形、跨径9米的隧道。岩石由成千上万的“基体粒子”表示，隧道内及裂缝中的水由“水粒子”表示。随着隧道内部模拟水压随时间升高，水与岩粒子之间按简单规则传递力：水向外推动，岩石抗拒，应力在某些区域集中。每个岩石粒子都被持续检测——如果局部拉应力超过岩石的抗拉强度，该粒子被标记为失效，不再承载应力，模拟为一小段新裂缝。通过更新数百万次这样的粒子相互作用，模型可以追踪裂缝如何起始、生长、分支并最终切穿整个岩体。

地下挤压如何引导裂缝

研究的一个关键点是“围压”，即周围地层在水平方向和垂直方向上对隧道的挤压力。作者考察了若干水平应力与垂直应力比率变化的情形。当该比率较低——即垂直挤压占主导时——由上升水压触发的裂缝通常从隧道下角开始，因为那里应力最高，并主要向上直线延伸。形成的断裂网络看起来像稀疏的树状纵向分支。随着水平应力变得更重要，隧道表面和主裂缝尖端会出现次生裂缝向侧面扩展，使整体模式更复杂、更为广泛分布。

从简单树状到“雪花”状裂缝

当水平应力接近垂直应力时，裂缝网络的特征发生变化。在中等比率时，模式变为“M”形：明显的纵向主裂缝伴随显著的向外弧形侧支。在更高比率下，裂缝网络类似雪花：纵向和横向分支都发育良好，裂缝在隧道周围更均匀地向各方向扩展。在这些情况下，隧道在完全失效前会有更明显的变形，且随着整体围压增加，裂缝生长速度变慢。然而在所有情形中，有一点保持一致：首个裂缝几乎总是在马蹄形隧道的拐角处产生，那儿应力自然集中。

对真实隧道的启示

研究表明，基于无网格的SPH方法能够真实再现深部水力隧洞周围复杂的裂缝模式，并揭示不同应力条件如何塑造这些模式。对工程师而言，结论很直接：在垂直应力占优时，应关注可能突然将隧道与远处含水层连通的高耸纵向裂缝；在水平应力强时，侧向裂缝和“雪花”状裂缝网络更可能出现，需要对隧道壁和拐角进行额外加固。通过将地下应力条件与可预测的裂缝形态联系起来，这项工作为预测并防止深部隧道工程中与水相关的危险失效提供了实用工具。

引用: Zhang, H., Shi, Y., Mu, J. et al. Using a meshless method to investigate the effects of confining pressure on the hydraulic fracturing processes of hydraulic tunnels. Sci Rep 16, 5702 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36426-0

关键词: 水力隧洞, 水力压裂, 岩石裂缝, 地下水, 数值模拟