Обзор методов прогноза гидравлического разрыва противофильтрационного ядра каменно-земляной плотины

Введение. С явлением гидравлического разрыва связывают аварии некоторых каменно-земляных плотин, при которых была нарушена целостность ядра, выполненного из глинистого грунта. Считается, что гидравлический разрыв возникает, когда давление воды, находящейся в порах и микротрещинах, преодолевает сжимающие напряжения в грунте. К настоящему времени предложены несколько методик расчетного прогноза гидравлического разрыва. Они направлены на определение условий возникновения гидравлического разрыва и определение величины критического давления воды, вызывающего рост трещины.

Материалы и методы. Для систематизации информации о методах и методиках определения критического давления был выполнен обзор зарубежных научных публикаций.

Результаты. Приведена классификация методов прогноза гидравлического разрыва. Теоретические методы основаны на использовании теории упругости, теории пластичности или механики разрушения. Самая простая методика основана на анализе напряженного состояния массива грунта. Описаны методики, основанные на анализе напряженно-деформированного состояния грунта вокруг полости, испытывающей внутреннее давление. В них рассматриваются несколько механизмов продвижения трещины, в том числе за счет потери прочности на растяжение и сдвиг. Также приведены эмпирические формулы, основанные на результатах лабораторных экспериментов. В рамках аналитического обзора было выполнено сравнение некоторых методик. Большинство методик сходятся в том, что критическое давление в первую очередь зависит от минимального главного напряжения σ3 в грунте. Сравнение показало, что критическое давление, рассчитанное по теоретической методике анализа трехосного напряженного состояния, заметно ниже, чем по эмпирическим методикам. При наличии полости более вероятной причиной гидроразрыва является потеря прочности грунта на сдвиг, а не на растяжение.

Выводы. Несмотря на обилие методик прогноза гидравлического разрыва, в настоящее время не создано теоретически выверенной и точной методики.

1. Vaughan P.P., Kluth D.J. et al. Cracking and erosion of the rolled clay core of Balderhead dam and the remedial works adopted for its repair // 10th ICOLD Congress. 1970. Vol. 36. Issue 5. Pp. 73–93.

2. Haeri S.M., Faghihi D. Predicting hydraulic fracturing in Hyttejuvet dam // International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 2008. Vol. 40. URL: https://scholarsmine.mst.edu/icchge/6icchge/session02/40

3. Малышев Л.И., Рассказов Л.Н., Солдатов П.В. Состояние плотины Курейской ГЭС и технические решения по ее ремонту // Гидротехническое строительство. 1999. № 1.

4. Sharma R.P., Kumar A. Case Histories of Earthen Dam Failures // International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 2013. Vol. 8. URL: https://scholarsmine.mst.edu/icchge/7icchge/session03/8

5. Wang J.J., Zhu J.G. Review on computing theories of hydraulic fracturing in soil // Proceeding of the Second National Academic Conference on Geotechnical Engineering, Wuhan, P.R. China. 2006. Pp. 231–237.

6. Randolph M.F., Carter J.P., Wroth С.P. Driven piles in clay — the effects of installation and subsequent consolidation // Geotechnique. 1979. Vol. 29. No. 4. Pp. 361–393.

7. Chadwick P. The quasi-static expansion of a spherical cavity in metals and ideal soils // The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics. Part 1. 1959. Vol. XII. Pp. 52–71.

8. Vesic A.S. Expansion of cavities in infinite soil mass // Journal of Soil Mechanics & Foundations Div. 1972. Vol. 98. Pp. 265–290.

9. Ladanyi B. Expansion of cavities in brittle media // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1967. Vol. 4. Pp. 301–328.

10. Yanagisawa E., Panah A.K. Two dimensional study of hydraulic fracturing criteria in cohesive soils // Soils and Foundations. 1994. Vol. 34. Issue 1. Pp. 1–9.

11. Zeng K.H., Yin Z.Z. Factors affecting hydraulic fracturing of high earth core dams // Journal of Hohai University. 2000. Vol. 28. Issue 3. Pp. 1–6.

12. Enyue J., Shengshui C., Zhongzhi F. Research on Criterions of Hydraulic Fracturing in Earth Core Rockfill Dams // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 304. P. 022032.

13. Jaworski G.W., Duncan J.M., Seed H.B. Laboratory study of hydraulic fracturing // Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE. 1981. Vol. 107. Issue GT6. Pp. 713–732.

14. Cambefort H. Discussion on Laboratory study of hydraulic fracturing // Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE. 1982. Vol. 108. Issue GT11. Pp. 1497–1506.

15. Fukushima S. Hydraulic fracturing criterion in the core of fill dams // Report of Fujita Kogyo Technical Institute. 1986. Vol. 22. Pp. 131–136.

16. Panah A.K., Yanagisawa E. Laboratory studies on hydraulic fracturing criteria in soil // Soils and Foundations. 1989. Vol. 29. Issue 4. Pp. 14–22.

17. Liu L.Y., Cui Y.H., Zhang G.W. The property of hydraulic fracture of wide grading gravelly soil // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 1998. Vol. 20. Issue 3. Pp. 10–13.

18. Mori A., Tamura M. Hydrofracturing pressure of cohesive soils // Soils and Foundations. 1987. Vol. 27. Issue 1. Pp. 14–22.

19. Decker R.A., Clemence S.P. Laboratory study of hydraulic fracturing in clay : in Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, Sweden. 1981. Vol. 1. Pp. 573–575.

20. Andersen K.H., Rawlings C.G., Lunne T.A., By T.H. Estimation of hydraulic fracture pressure in clay // Canadian Geotechnical Journal. 1994. Vol. 31. Pp. 817–828.

21. Henkel D.J. The relationship between the strength, pore water pressure and volume change characteristics of saturated clays // Geotechnique. 1959. Vol. 9. Pp. 119–135.

22. Djarwadia D., Suryolelonob K.B., Suhendrob B., Hardiyatmo H.C. Stress-path on the hydraulic fracturing test of the clay core of rock fill dams in the laboratory // Procedia Engineering. 2015. Vol. 125. Pp. 351–357.

23. Murdoch L.C. Hydraulic fracturing of soil during laboratory experiments. Part 1. Methods and observations // Geotechnique. 1993. Vol. 43. Issue 2. Pp. 255–265.

24. Murdoch L.C. Hydraulic fracturing of soil during laboratory experiments. Part 2. Propagation // Geotechnique. 1993. Vol. 43. Issue 2. Pp. 267–276.

25. Murdoch L.C. Hydraulic fracturing of soil during laboratory experiments. Part 3. Theoretical // Geotechnique. 1993. Vol. 43. Issue 2. Pp. 277–287.

26. Murdoch L.C., Slack W.W. Forms of hydraulic fractures in shallow fine-grained formations // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE. 2002. Vol. 128. Issue 6. Pp. 479–487.

27. Wang J.J., Zhang H.P., Zhao M.J., Lin X. Mechanisms of hydraulic fracturing in cohesive soil // Water Science and Engineering. 2009. Vol. 2. Issue 4. Pp. 95–102.

28. Murdoch L.C. Mechanical analysis of idealized shallow hydraulic fracture // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE. 2002. Vol. 128. Issue 6. Pp. 488–495.

29. Vallejo L.E. Shear stresses and the hydraulic fracturing of earth dam soils // Soils and Foundations. 1993. Vol. 33. Issue 3. Pp. 14–27.