抽水蓄能电站运行条件下，上、下库水位之间形成了高差达数百米的水头差，位于其间的输水系统出现的内水外渗现象尽管是局部的，但具有高渗压的传递特征。由此，改变了区内原有地下水系统的补、径、排条件，增大了系统内的径流强度，也加剧了地下水对岩体的改造作用。在输水系统下平段区，由于水头压力高，这种对于岩体的改造作用主要通过其静水压力作用和动水压力作用来实现的。这两种水力作用都可能使岩体发生水力劈裂，使裂隙的开度增大、彼此间的连通性增加，从而增加了岩体的渗透能力。此外，动水压力作用还能使裂隙中的充填物发生变形和位移，尤其是剪切变形和位移，由此可导致裂隙的再扩展。这里，主要探讨静水压力的水力劈裂作用及其对于岩体渗透性的影响。

9.3.4.1　岩体发生水力劈裂的临界水头压力

已有的研究表明，水力劈裂作用实际上是在高水头压力作用下，岩体内呈断续分布的裂隙发生扩展并相互贯通后再进一步张开所致。由此，可通过力学分析，确定发生水力劈裂作用的临界水头压力值。

在图9.3.34所示的岩体中，含有一长度为2a 的裂隙，其长轴方向与最大主应力σ1 之间的夹角为β，且有孔隙水压力p 作用，则裂隙面上的应力状态为

图9.3.34　含裂纹的岩体模型

在高水头压力作用下，裂隙法向应力σn可能为拉应力也可能为压应力。法向应力σn的性质不同，裂隙的扩展方式和扩展条件也不同，下面将分别予以讨论。

当裂隙法向应力σn为拉应力时，裂隙的扩展问题属断裂力学中Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹（断裂力学中称裂隙为裂纹）问题。工程上最关心的是裂纹扩展条件，这里选用工程近似判据

式中：KⅠc为Ⅰ型断裂韧度值。将KⅠ，KⅡ表达式（高庆，1985）代入式（9.3.16），整理后得到发生水力劈裂作用时的临界水头压力值pc

当裂隙法向应力σn为压应力时，裂隙扩展问题属于Ⅱ型裂纹问题。裂隙在压应力作用下将闭合，闭合后的裂隙均匀接触并能传递正应力和剪应力，此时裂隙上的有效剪应力为

式中：φ为裂隙纹面上的内摩擦角。假定裂隙的闭合力为零，将式（9.3.15），式（9.3.18）代入KⅡ表达式，有

在断裂力学中，Ⅱ型裂纹的扩展判据为

式中：KⅡc为Ⅱ型断裂韧度值。将式（9.3.19）代入式（9.3.20）整理后得到发生水力劈裂作用时的临界水头压力值pc

9.3.4.2　高水头压力作用下岩体裂隙开度的增量计算(www.daowen.com)

根据裂隙岩体的渗流理论，单宽流量q 与裂隙开度b0的三次方成正比，即

式中：g 为重力加速度；μ为流体黏滞系数；I 为水力梯度。在高水头压力作用下，上述裂隙岩体的渗流方程仍然是适用的，可见如何确定裂隙的开度值是进行涌水量计算的关键。

式中：α，β称为开度系数。在数值上，分别为

式中：M 为有侧限的变形模量，反映轴向应力和应变之间的关系；余同上。此时，裂隙的实际开度b*为

若裂隙面上有高水压作用，则裂隙面上有效法向应力σ*n 和综合剪应力τ*为

此时，裂隙开度的增加值Δb*为

这里，根据区内深孔三向地应力实测资料，计算在高压水头作用下岩体裂隙开度的变化值。以应2孔有关试段（2-3）有关测点（4～1）的实测值作为基本数据，其计算过程如下。

此处实测地应力值为σ1＝21.3MPa，σ3＝11.1MPa；依据类比法取凝灰岩的Ⅰ型裂纹断裂韧度值KⅠc＝10.8MN/m3/2，Ⅱ型裂纹断裂韧度值KⅡC＝6.8MN/m3/2；裂纹面上内摩擦角为30°，裂纹的长度为1.4m，裂纹长轴方向与最大主应力之间的夹角β为0°。采用式（9.3.17）进行计算，裂隙压裂的临界水头压力值Pc为16.66MPa。实际上该处劈裂压力值为5.30MPa。因此，该位置处的裂纹发生Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹扩展性不大。

当考虑裂纹的扩展属纯Ⅱ型裂纹问题时，用式（9.3.21）计算得到发生水力劈裂的临界水头压力值Pc为5.48MPa，与实测值5.3MPa比较吻合。所以在高压水头作用下，细观裂隙的扩展一般属于Ⅱ型裂纹问题，采用式（9.3.21）预测水力劈裂的临界水头压力值较为合理。

采用式（9.3.26），评价裂隙压裂后其张开度的变化。根据试验值以及类比法，取凝灰岩的饱和抗压强度σc为120.5MPa，弹性模量E 为1.5×104MPa，剪切模量G为3.17×104MPa，泊松比μ为0.25，有侧限的变形模量M＝1.2×104；导水裂隙倾角为70°，裂隙基本摩擦角φb取为30°，计算得到在高压水头作用下裂隙开度的增加值Δb*为0.02164b0。采用相似的方法，依据地应力资料，分别对应1～应3 孔有关试验段岩体的临界水头压力（Pc）以及相应压力作用下裂隙开度的变化量（Δb*）进行了计算，部分成果见表9.3.6。

表9.3.6　临界水头压力及裂隙开度计算部分成果统计

综上所述表明，区内某些部位岩体裂隙在高压水头作用下，其开度确实发生了变化。尽管这种变化是细观的，甚至是微观的，但对岩体的渗透稳定性是不利的。高压水头作用导致裂隙开度变化的有利的地应力条件，就是相应部位岩体的最大主应力与最小主应力之差值比较大。