CN101231226A - 岩石高压渗透试验系统 - Google Patents

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CN101231226A CNA2008100453044A CN200810045304A CN101231226A CN 101231226 A CN101231226 A CN 101231226A CN A2008100453044 A CNA2008100453044 A CN A2008100453044A CN 200810045304 A CN200810045304 A CN 200810045304A CN 101231226 A CN101231226 A CN 101231226A
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虞修竞
严明
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邓英尔
蔡国军
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成都理工大学
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Abstract

本发明提供了一种岩石高压渗透试验系统,包括试样压力室装置,试样压力室装置中有承力架,位于承力架中的液压千斤顶,置于液压千斤顶顶部的移动小车,固定于移动小车上的三轴压力室,三轴压力室包括围压腔体、带渗透水进口和围压水进口的压力室底座、位于压力室底座上的与渗透水进口和试样上的渗透水通道连通的下传力柱系统、位于压力室顶部含与试样上的渗透水通道相通的渗透水出口的上传力柱系统,所述的试验系统中有分别与液压千斤顶、渗透水进口、围压水进口连接的油水转换动力控制系统。本发明可进行试样在各种条件下的渗透性测试,各种加载路径的常规三轴力学特性测试、高渗透压力下渗流、应力耦合全过程试验研究,可对轴压、围压、渗透压力、轴向位移进行精确控制。

Description

岩石高压渗透试验系统技术领域:本发明与岩石(体)渗透性测试、高渗压下岩石(体)的力学特性测试及其破坏 机制研究有关。 背景技术-在水利、矿业、石油、铁路、公路和国防等工程建设中,经常会遇到各种各样 的岩石渗透问题。在西部地区300m级高坝的大型水电站建设,以及高等公路、'铁 路深埋长隧道工程建设中, 一类重大地质灾害问题就是异常地下水流的"高压突水" 问题。对这类问题的评价与预测,就要求我们必须了解高水头压力作用下岩体的渗 透特性、破坏机理和力学特性,而目前,人们在这方面所积累的知识和经验都很少。要完成上述研究课题,需配备相应的试验仪器设备。高压下岩石漆流帮,合试验 的试件密封、各向压力控制以及应力、应变测量的难度很大,对设备要求很高.国 内、外能做此类试验的设备并不多。试验仪器首要性能是进行渗透性测定。按照实验原理,室内渗透性测试方法可分为两大类: 一类是在试件的两端施加一定或变化的水压差,通过测量渗透流量来计算试件的渗透系数,传统的定水位和变水位法即属于此类;另一类是向试件的一端以一定的流量注水或直接施加压力脉冲,通过测量试件两端间压力差随时间的变化来计算试件的渗透系数。20世纪60年代,Olsen H W Darcy's law in saturated kaolinite[J]. Water Resources 1966, 2(6): 287-295[3〗;Brace W F, Walsh J B. Fangos W T. Permeability of granite under high pressure[J]. Journal of Geophysical Research. 1968. 73(6): 2 225-2 236 文中先后提议的定流量法以及压力脉冲法即属于此类。-渗透性测试,主要存在两大技术难点, 一是渗流量的测定,二是稳定渗透水压 差的建立。渗流量的测试方式,二般釆用高灵敏度流量传感器,但其测试精度有限, 一般大不180ml/min,主要用于高渗透岩性及松散颗粒土等的测试。Zhang M. Takahashi M, Esaki T. Japan Patent No. 3041417 [P];韩小妹.低渗透岩石非 Darcy渗流实验研究[硕士学位论文][D].北京:清华大学2004中分别采用高性能 流泵和双缸Quizix柱塞泵进行流量测定。前者可在定流量控制条件下可以每分钟O.Olul到50ml间任意设定的流量速度注水或抽水,控制误差为3%;后者的驱替泵
的控制测试流量范围为0. 0012ml〜15. Oml/min。这两种方法虽然可以精确测到微 小的渗流量,但仪器精度要求太高,流速不易长时间精确控制,难能普遍推广使用。
而渗透测试稳定水压差一般在试样进出端分别采用伺服控制,使试样进、出端 分别保持一定的水压值不变。例如张铭在他的《低渗透岩石实验理论及装置》(岩 石力学与工程学报,2003 22(6): 919-925)中定流量测定在试样进出端分别采用 流泵控制,其中一流泵设为定流量工作状态,另一流泵采用定压工作状态来实现稳 定渗透水压差的建立。此法往往需要较长的测量时间,而且同样存在上述对流量测 定的技术问题,难能长时间稳定控制,不易推广使用。
近年来,随着对低渗透岩的深入研究,瞬时压力脉冲法被广泛采用和认可。该 技术是通过测量试样两端容器水压力差随时间的变化来测定岩石的渗透性,不需要 测量流量,从而避免用常规方法测量流体通过致密岩石时微小流量计量的困难。该 实验压力可实时测量,而流量则需要时间积分,这一特性使得测试时间大大减少, 但在测试低渗透试件时仍然需要较长时间。根据试件的渗透性、睹水性、试件尺寸 及实验装置本身的压縮储水性能的大小,实验时间可短至几分钟,几小时,长则几 天乃至几十天。该方法是根据水压力的平衡与时间的关系来测试试样的渗透性,它 忽略了试样中流体的压缩性和岩石的孔隙压縮性,管路的变形及管路的泄漏,而且 压差传感器的精度相对较低,试验持续时间长必然影响测试结果。渗流出水口端水 压力是一个变量,这与试样实际所受的孔隙水压力情况不符。 发明内容-
本发'明的目的是了为了提供一种可根据试样在高渗透压力下,变形破坏过程和 渗透压力耦合作用机理研究的需要,能够开展高渗透压力下,岩石变形破坏和渗透 压力耦合的全过程试验研究,围压、渗透压最大均可加到30MPa,轴向最大力可加 到4000KN,且可对轴压、围压、渗透压力、轴向位移进行精确控制的岩石高压渗透 试验系统。
本发明的另一个目的是为了提供一种还可进行各种加、卸载路径下的力学及渗 透性测试研究,出水端水流量可0〜10L/min任意调节,流量测定采用出水端水体 积的精确变化来计量岩石的渗流量,要求除了对常规试样尺寸外,还能开展大尺寸 岩样的测试,可针对0300X6OOram、 0200X4OOmm、 0150X300ran、 0100X2OOmm、 050XlOOmm的标准试样及高度低于相应规格尺寸的非标准试样进行力学、渗透性试 验研究的岩石高压渗透性试验系统。
本发明的目的是这样来实现的.-本发明岩石高压渗透试验系统,包括试样压力室装置,试样压力室装置中有承 力架,位于承力架中的液压千斤顶,置于液压千斤顶顶部的移动小车,固定于移动 小车上的三轴压力室,三轴压力室包括围压腔体、带渗透水进口和与围压腔体相通 的围压水进口的压力室底座、位于压力室底座上的与渗透水进口和试样上的渗透水 通道连通的传力柱系统、位于压力室顶部含与试样上的渗透水通道相通的渗透水出 口的上传力柱系统,所述的试验系统中有分别与液压千斤顶、渗透水进口、围压水 进口连接的油水转换动力控制系统。上述的油水转换动力控制系统中有油箱,与油箱连通的油泵,通过单向阀与油 泵出油口连接的储能油罐,分别通过第一、第二静态伺服阀及与第一、第二静态伺 服阀连接的第一、第二电磁换向阀与储能油罐连接的渗透水储能器、围压水储能器, 渗透水储能器、围压水储能器分别与三轴压力室的渗透水进口和围压水进口连通, 储能油罐分别通过第三静态伺服阀及第三电磁换向阀向液压千斤顶提供液压油。上述的储能油罐包括带进油口和出油口的第三密封罐体、第三密封罐体上部装 有预先加有压力的氮气密封胶囊,渗透水储能器包括带进油口的第一罐体、位-丁第 一罐体中的带渗透水出口的装渗透水的渗透水胶囊,围压水储能器包括带进油口的 第二罐体、位于第二罐体中的带围压水的出口的装围压水的围压水胶囊。上述的压力室渗透水出口处有通过管道分别与之连通的出水端水流控制系统, 体变测量仪。上述的出水端水流控制系统中有管路过滤器、与管路过滤器连接的手动调速阀。 上述的体变测量仪中有带渗流水进口的圆柱体钢桶,位于圆柱体钢桶中。磁致 性位移传感器。上述的承力架上梁固定有轴向压力传感器,承力架侧面与液压千斤顶相对应的 沿压力室轴向位置装有带竖直滑道的光纤位移传感器,可对测试试样轴向位移进行 精确测量,灵敏度高。上述的承力架由立柱、装于立柱上的下梁、上梁,与立柱螺纹配合且将上梁固 定的螺帽组成。.上述的三轴压力室渗透水进、出口处分别装有水压力传感器,在三轴压力室渗 透水进、出水管路上装有对水压'力传感器测试差值进行校核的差压传感器。上述的传力柱系统中与试样接触端面上有保证渗流在试样整个端面进行的环形 水槽。本发明中试样围压采用自来水,以热縮管将围压水与试样隔离。可同时输出三 路相同或不相同的压力,其中围压、轴压可通过计算机控制以不同的速率加、卸载,围压最小可以0. lMPa/min的速率加、卸载,轴向荷重则最小可以6KN/min速率加、 卸载;渗透水压可采用手动加压或采用计算机调控将压力预加到某一压力值,渗透 水压在脱机计算机控制条件下,靠自身的伺服控制系统,水压的波动幅度可控制在 0.02MPa范围以内。出水端水流速采用管路过滤器、手动调速阀进行流速精确控制 进而在试样两端建立稳定的水压差;流量测定采用体变量法对微小流量进行准确测 量。因此,该套系统可进行高围压、高孔隙水压力下的渗透性能、各种加、卸载路 径的常规和非常规三轴力学特性、高渗压下水一岩相互作用等试验研究;仪器稳压 效果好,计算机控制灵活,易于操作。 附图说明:
图1为本发明系统示意图。
图2为试样组合安装示意图。
图3为静态伺服阀工作原理图。
图4为油水转换原:理图。
图5为出水端水流控制系统示意图。 图6为体变测量仪结构示意图。 图7为磁致伸缩性位移传感器结构示意图。 图8为体变测量仪的实测精度图。 图9为渗透压波动幅度实测结果图。 图10为轴向荷重波动幅度实测结果图。 图11为围压波动幅度实测结果图。 图12为渗流应力耦合试验示意图。 图13为传力柱系统端面上的环形水槽位置图。 具体实施方式-
参见图1,本发明岩石高压渗透试验系统,包括试样压力室装置1,油水转换动 力控制系统2、出水端水流控制系统3,体变测量仪4。
参见图2,'试样压力室装置中有承力架5,位于承力架中的液压千斤顶6,置于 液压千斤顶顶部的移动小车7,固定于移动小车上的三轴压力室8。三轴压力室包 括围压腔体9,带渗透水进口 l'O和与围压腔体相通的围压水进口 11的压力室底座 12,位于压力室底座上的与渗透水进口和试样13上的渗透水通道相通的下传力^ 系统14,位于压力室顶部含与试样上的渗透水通道相通的渗透水出PI 16的上传力 柱系统17,承力架由立柱18、装于立柱上的下梁19、上梁20组成,立柱上、下端 装有螺帽21,将上、下梁固定在立柱上。在立柱上相对小车位置装有带竖直滑道22的光纤位移传感器23。'在水平方向上有与小车滚轮配合的水平导轨24。轴向压 力传感器25装在上梁上。采用螺帽联接承力架上、下梁组装、拆卸试件方便快捷 并安全可靠。试样采用热縮管26与围压水隔离,根据不同的传力柱组合,可针对 不同直径尺寸的试样进行测试分析。如图13所示,在传力柱系统中与试样接触端 面上有保证渗流在试样整个端面进行的环形水槽71。图2是针对直径200鹏试样的 组合安装。压力室体坐落在可滑动小车上,沿定位导轨,压力室体可推出进行试样 组合安装。试验时,小车、压力室体定位在液压千斤顶上方,可依靠压力室体上方 的轴向压力传感器进行计算机数据采集;轴向位移采用光纤位移传感器进行精确测 量,测试精度可达O.OOlmm。可计算机控制加、卸载速率,力最小控制精度可达 6KN/min。
参见图l,油水转换动力控制系统中有油箱27,与油箱连通的油泵28,通过单 向阀29与油泵出油口连接的储能油罐30,分别通过第一、第二静态伺服阀31、 32 及与第一、第二静态伺服阀连接的第一、第二电磁换向阀33、 34与储能油罐连接 的渗透水储能器35,围压水储能器36。渗透水储能器,围压水储能器分别与三轴 压力室的渗透水进口和围压水进口连通。储能油罐分别通过第三静态伺服阀37及 第三电磁换向阀38向液压千斤顶提供液压油。在三轴压力室渗透水进、出口处分 别装有水压力传感器60,在三轴压力室渗透水进、出水管路上装有对水压力传感器 测试差值进行校核的差压传感器15。图1中的序号39、 61分别为真空泵、围压表。
本系统以成都伺服公司生产的静态伺服阀——平衡阀为主要控制元件,结合电 磁阀、调速竭、换向阀等相关领域成熟机械设备进行电、气、液调控。对轴压、渗 透压、围压分别进行单独伺服控制,系统压力一旦设定后,试件发生变形,无需任 何控制,静态伺服阀通过自身的内反馈控制后,便能保证设定压力长期稳定。
静态伺服阀工作原理如图3所示,图中:
Pl:阀标准压力(可调值)
P2:工作压力(可调值) P:泵源压力 ,Fl:活塞大端面积 F2:活塞小端面积
PI X Fl =N1 P2 XF2=N2
当N1=N2时处于平衡位置,为静态稳压状态;当N1〉N2 (工作压力低于设定压 力)时,顶杆70下移,P进入"A"腔,P2压力上升,当达到N1:N2时,处于平衡,在此过程中滞后或冲击P2过高,当N1〈N2 (工作压力高于设定压力)时,顶杆70 上端开启多余压力从溢油口溢出,达到NPN2时,此过程为动态稳压过程。以该阀 为核心元件,以高精度的推力千斤顶(作垂压),高精度的拉压千斤顶(作水平加 载)为执行机构,以荷载传感器、位移传感器,作信号反馈,在计算机指令控制下 实现对控制目标的真实模拟,若保持在某一压力不变时,在脱离计算机控制条件下, 单纯依靠该系统的自控功能,对试样进水端水压可控制在O. 02MPa范围之内。该伺 服液压控制台具有长期稳定压力功能,保证实现相关试验项目的测试功能。参见图4,储能油罐30包括带进油口 40和出油口 41的第三密封罐体42,第三 密封罐体上部装有预先加有压力的氮气密封胶囊43。渗透水储能器34包括带进油 口 44的第一罐体45,位于罐体中的带渗透水出口 46的装渗透水的渗透水胶囊47。 围压水储能器35包括带进油口 48的第二罐体49,位于罐体中的带围压水的围压水 胶囊50,围压水胶囊上有围压水出口 51。储能器储能压力为31.5MPa,水压试验压 力为48MPa。各胶囊与罐体组成的腔室充满液压油。试验首先依靠电动机油泵将油 液注入储能油罐,管路中装有单向阀52,保证了油液不能反向流动。通过上述电、 气、液转化转换系统,将油压力转换成供水压力及油压千斤顶所需的油压,分别针 对渗透水储能器、围压水储能器进行水压及轴向荷载进行精确控制(如图l所示)。 试验首先将总压表设置压力变化区间,当压力低于所设置的最低压力时电动机自动 启动,压力高于设置的最高压力电动机则自动停止。储能油罐内有预先加有一定压 力(5 MPa左右)密封的氮气胶囊,加压时胶囊被压縮,供油时总油压降低胶囊膨 胀,使总油压缓慢降低,避免了电动机频繁启动。储能器中水压依靠气、液控制系 统,以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可保持压力波动幅度 在0.02MPa范围之内;而围压和轴向荷载,需靠计算机控制,当压力低于预定值时, 控制系统发出信号使储能油罐进行供油,当压力高于预定值时,油液则通过回油管 路将多余的油液流入动力源油箱中。以此种方式完成对进水端水压、围压、轴压的 精确控制,可进行各种加、卸载路径的力学特性测试,储能器压力指标0〜30MPa,切换流量60L。渗透水储能器有两个,最大容水量 80L,试验过程可交替使用,同时可对非工作状态的进行补充渗透液体,做到对高 渗透试样长时间不间断的渗透性测试;围压水储能器最大容水量为20L。参见图5,出水端水流控制系统3中有管路过滤器53、与管路过滤器连接的手 动调速阀54,管路过滤器(过滤精度:3um)对渗流出水流量进行调控,使在出水 端保持某一稳定的流量长期不变(出水流量0〜10LAiin可任意调节)。只要保证试 样进口端水压力不变,当试样的渗流量与调节的流量达到平衡时,则可在渗出端产生一个稳定的水压值,进而在试样两端形成稳定的水压差。当渗透水压差与渗流量 均保持不变时,则该时段渗透性测试符合达西定律,进而可以获得相应条件下试样 的渗透性指标。参见图6,体变量仪中有带渗流水进口 55的圆柱体钢桶56,位于圆柱体钢桶中 的磁致性位移传感器57。渗流量采用精确测量渗出水体积的变化量进行流量测定, 采用特制圆柱体钢桶,结合康宇公司生产的KYCM-L系列磁致伸縮性位移传感器(简 称"磁尺")对位移变化进行准确测量,通过位移变化(渗出水的上升高度)与钢 桶的横截面积(其数值预先输入计算机)的乘积即可精确得出水体积的变化量。为 测定不同大小的流量,本套试验系统采用五种不同直径尺寸的圆柱形钢桶,其直径 分别为30. 692mm、 40. 386ram、 81.079mm、 102. 109誦、292. 209mm,相应水体积变化 有效测试精度分别可达0. 03ml、 0. 05m]、 0. 19ml、 0. 25ml、 2. 18ml。参见图7,磁致伸縮性位移传感器主要由测杆58、电子仓和套在测杆上的非接 触的磁环59等组成。具有非接触测量、测量精度高,输出真正绝对位置、不需定 期重标等优点。测杆内装有磁致伸縮线(波导线)69,工作时(水进入时),由电 子仓内的电子电路产生一起脉冲,此起始脉冲在波导线中传输时,同时产生了一沿 波导线方向前进的旋转磁场,当这个磁场与磁环中的永久磁场相遇时,产生磁致收 縮效应,使波导线发生扭动,这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换 成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两脉冲之间的时间差,即可进行精确位移 测量,进而由计算机换算出相应的水体积的精确变化量。磁致伸缩性位移传感器通 过了康宇测控仪器仪表工程有限公司质量检测,其测试精度可达O.OOlmm,线性度 0.0505%,最大误差0.0025。而各种规格的特制钢桶内直径大小,是采用通过中国 测试技术研究院所标定的量具进行量测,其测试精度可达0. Olrr.m。通过试验鉴定, 按不同规格体变测量仪满量程进行实时校对,即加入的水量与量测的结果相对比, 测试结果在允许误差范围之内。因为进水管路为密封系统,钢桶内浮标(非接触磁环)以下处于半真空状态, 而且每种状态下测试时间只需十几分钟甚至几分钟,渗出水分蒸发的问题可以忽略 不计。采用这种方法,本试验系统最小可精确测量出水端水体积0.03ml的变化量, 当水体积变化与时间关系曲线呈直线关系时,说明该时间段达到稳定的渗流速度。 因此可对微小渗流量进行准确计量,大大縮短了渗透性测试时间,提高了测试精度。本发明可采用计算机系统进行控制数据采集以DELPHI为开发工具,具有根据试验的需要自行设置试验加载路径; 在线标定传感器、选择多量程传感器;控制系统保护设置;多通道试验数据实时曲线显示;多通道试验数据历史曲线显示;以及各通道试验数据相关显示;根据试验 的需要设定试验数据保存格式等功能。试验首先进行传感器选择,并设置系统保护 措施,当测定指标超过预定值时,试验会自动停止,防止对仪器产生损害及对试样 产生保护作用。根据试验设计需要,可事先编写任意多个试样步骤,根据历史曲线,可以直观 整个试验各参数的变化情况,并可对曲线局部无限放大。可随时修改当前及尚未运 行的所有试验步骤。试验分别按围压、轴压、渗透压三个通道独立进行控制操作, 围压控制分围压保持、围压等速加、减三种方式;轴压控制则分轴压荷重保持,轴 压荷重等速加、减,位移保持,位移等速加、减六种方式;渗透压只有压力保持一 种控制方式。每一试验步骤均有六种结束控制方式,分别以围压、轴压、渗透压、 轴向位移大小、时间长短及轴向位移变化速率作为当前步骤的结束条件。另外,在 上述四种控制类型中,均有手动控制选项,即脱离计算机控制方式。试验运行步骤 编写灵活,可以进行各种复杂的试验设计,试验过程可随时进行调整而不影响当前 试样状态。计算机自动采集数据,根据需要可以按时间、围压,轴压、轴向荷载及 轴向位移等五种不同方式保存相应条件下各试验数据。本发明系统具有如下独创之处:1、 大尺寸试件。可以针对不同规格大尺寸的试样进行渗透性及力学特性测试,试样直径尺寸分别为50, 100, 150, 200, 300mm;而且可对相应规格下的方柱体试 样进行渗透性测试。2、 渗流量的测试方法。采用渗出液体体积的变化量进行流量测试,其最小水 体积的变化量的测试精度可达0.03ml (图8为体变测量仪的测试精度,可测出 0.05ml的体积变化量),针对特低渗透性岩石(渗透系数小于10—9cm/s)在某一条 件下渗透性测试时间只需卞几分钟,测试精度高;3、 渗透出水端水压力的建立。出水端水压力的控制,采用管路过滤器(过滤 精度:3um)、调速阀系统,可使出水端保持某一稳定的流速,出水流量0〜10L/min 任意调节。因为可保证试样进入端水压力稳定,当试样的渗流速度与该流速达到平 衡,则可在渗出端产生一个稳定的水压值,进而在试样两端形成稳定的水压差,当 渗透压差、渗流量均稳定不变时,则该时段渗流满足达西公式,进而得到相应条件 下所测试样渗透性指标。4、 高精度的控制系统。具有可视化、随时调整试验流程的计算机控制系统: 渗透水压的稳压系统,依靠成都伺服公司设计的核心元件"静态伺服阀"(国家专 利产品),在脱离计算机控制条件下,进水口渗透压力可控制在波动幅度0.02MPa说明书第9/10页范围以内(如图9所示V压差测试采用两种方式, 一是直接利用试样进、出口水 压表的实测结果,二是采用差压传感器对试样两端压差直接进行测定,可对测试水 压数据进行校对:轴向荷载、围压靠计算机伺服控制,力控制加、卸载速率最小 6KN/mim稳压波动幅度4KN、围压稳定波动幅度0. 02MPa (如图10、图ll所示); 试件轴向应变采用光栅位移传感器测量,测试精度0. OOlmm。渗透系数的测定根据达西公式,用流体通过岩样的流量Q及其两端的渗透水压 差AP等参数的测量计算渗透系数。考虑到试验仪器水压表的安放位置(如图12所示),岩样实际所受水压差分两种情况:当渗流出水口水压不为零时,压差为:Pl/r+Hl - (P2/r—H2),其中当出水口压力表读数为零时(即调速阀完全打开), 则压差为Pl/r+Hl。若采用差压传感器计量,两种情况渗透压差均为:P3/r—L。 其中Hl+H2二35+70二105cm,则计算公式为:<formula>formula see original document page 12</formula>式中,K为渗透系数,cm/s; v为渗透速度,cni/s; J为压力梯度,无纲量;Q为流体通过岩样的流量,A为岩样的截面积,CHI2; AP为岩样两端的压力降,MPa; r为测试液体的重度,这里按r二10'kg/m^l0KN/mH十算;L为岩样的长度,cm。 当出口端压力P2为零时,则计算公式变为:<formula>formula see original document page 12</formula>若采用差压传感器进行渗透性测试,则计算公式变为:<formula>formula see original document page 12</formula>采用热缩管隔水,将试样安装就位后,首先打开接自来水的阀门62并关闭阀 门63 (如图13所示),往三轴压力室注水。待注满水后打开接围压水的阀门64, 通过计算机调控,以轴向位移保持为零加围压至某一预定压力值,然后调整使围压、 轴压均为该压力值时轴向位移清零。打开阀门65接真空泵的阀门66及调速阀阀门, 对管路进行抽真空处理,然后打开阀门6加渗透水压,使试样两端水压达到某一数 值后关闭阀门65、 66使试样两端水体及与储能器中水体分离。若试样两端水压力 数值不变,说明管路没有渗漏,围压水与试样隔离成功,可以进行下一步试验。打开阀门67,采用平衡阀的自控系统,可保持渗透压为某一预定值不变。然后 将调速阀调到某一预定流速,并打开阀门68,连接相应体变仪进行流量测定。这期 间,围压、轴压靠计算机控制,当出水口压力达到某一稳定值时,根据相应时间段内流量及渗透压差值,结合上述渗透系数的计算公式即可算得相应条件下的渗透系 数值。改变轴压、围压及渗透压条件,可得到相应预定条件下的渗透性指标。试验可 进行不同压力梯度、不同围压条件及岩石的全应力、应变过程的渗透性测试,也可 进行各种加载路径的相关力学、渗透性测试研究。根据岩石在高渗透压力下,变形破坏过程和渗透压力耦合作用机理研究的需 要,本申请人开发了本岩石高压渗透试验系统。包括动力控制系统、压力稳定系统、 计算机控制系统、渗出体积流量测试系统组成,是一套机-电-液一体化的高技术系 统设备。系统三轴压力室试样安装采用配套组合的方式,可以针对不同规格尺寸的 试样进行渗透性及力学特性测试,而且还可对相应规格下的方柱体试样进行渗透性 测试。围压、渗透压最大均可加到30MPa,轴向最大力可加到4000KN。可进行高围 压、高孔隙水压力下的渗透性能、各种加、卸载路径的常规和非常规三轴力学特性、 高渗压下水一岩相互作用等试验研究;仪器稳压效果好,计算机控制灵活,易于操 作。本发明系统相比目前国内外同类装置而言,具有以下显著特征:(1) 试样尺寸范围大.,可做试样直径尺寸分别为50, 100, 150, 200, 300咖 的常规到大尺寸试样,可以在一定程度上考虑岩体的结构。(2) 解决了渗流出口端水压力的控制问题,并采用渗出水体积的微小变化来 精确计量渗流量的大小,大大縮短了渗透测试的时间,提高了测试精度。为真实模 拟实际岩体所受的高孔隙水压力、小水力梯度下的渗透性及相关力学试验提供了条 件。(3) 可采用具有功能强大的计算机调控系统,可实时跟踪各数据曲线的变化 趋势,.随时修改当前或下几歩试验流程,试验运行语句可以任意加长,试验程序设 有保护措施。程序操作灵活,控制精度高,玎实现不同加载路径的三轴力学特性测 试、渗透性测试研究。(4) 本发明解决了高孔隙水压力、小水力梯度条件下的各种力学、渗透性试 验研究技术难关,这将为水电工程、石油、核电等领域相关渗透性试验研究提供新 的测试手段,具有重要意义。上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明,但不应将此理解为本发明 上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的 范围。

Claims (10)

1、岩石高压渗透试验系统,其特征在于包括试样压力室装置,试样压力室装置中有承力架,位于承力架中的液压千斤顶,置于液压千斤顶顶部的移动小车,固定于移动小车上的三轴压力室,三轴压力室包括围压腔体、带渗透水进口和与围压腔体相通的围压水进口的压力室底座、位于压力室底座上的与渗透水进口和试样上的渗透水通道连通的传力柱系统、位于压力室顶部含与试样上的渗透水通道相通的渗透水出口的上传力柱系统,所述的试验系统中有分别与液压千斤顶、渗透水进口、围压水进口连接的油水转换动力控制系统。
2、 如权利要求1所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于油水转换动力控制系统中有油箱,与油箱连通的油泵,通过单向阀与油泵出油口连接的储能油罐, 分别通过第一、第二静态伺服阀及与第一、第二静态伺服阀连接的第一、第二电磁 换向阀与储能油罐连接的渗透水储能器、围压水储能器,渗透水储能器、围压水储 能器分别与三轴压力室的渗透水进口和围压水进口连通,储能油罐分别通过第三静 态伺服阀及第三电磁换向阀向液压千斤顶提供液压油。
3、 如权利要求2所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于储能油罐包括带进 油口和出油口的第三密封罐体、第三密封罐体上部装有预先加有压力的氮气密封胶 囊,渗透水储能器包括带进油口的第一罐体、位于第一罐体中的带渗透水出口的装 渗透水的渗透水胶囊,围压水储能器包括带进油口的第二罐体、位于第二罐体中的 带围压水'出口的装围压水的围压水胶囊。
4、 如权利要求1〜3之一所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于压力室渗 透水出口处有通过管道分别与之连通的出水端水流控制系统、体变测量系统。
5、 如权利要求4所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于出水端水流控制系 统中有管路过滤器、与管路过滤器连接的手动调速阀。
6、 如权利要求4所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于体变测量仪中有带 渗流水进口的圆柱体钢桶,位于圆柱体钢桶中的磁致性位移传感器。
7、 如权利要求J〜3之一所'述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于承力架上 梁固定有轴向压力传感器,承力架侧面与液压千斤顶相对应的沿压力室轴向位置装 有带竖直滑道的光纤位移传感器。
8、 如权利要求1〜3之一所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于承力架由 立柱、装于立柱上的下梁、上梁,与立柱螺纹配合且将上梁固定的螺帽组成。
9、 如权利要求1〜3之一所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于在三轴压 力室渗透水进、出口处分别装有水压力传感器,在三轴压力室渗透水进、出水管路 上装有对水压力传感器测试差值进行校核的差压传感器。
10、 如权利要求l所述的岩石高压渗透试验系统,其特征在于传力柱系统中与 试样接触端面上有保证渗流在试样整个端面进行的环形水槽
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