CN101354334B - 基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，属岩石类材料渗透系数测量技术。本发明的结构包括，数据采集控制系统、压力脉冲施加系统和测杆系统；数据采集控制系统包括，压力传感器、数据采集卡、直流稳压稳流电源和计算机；压力脉冲施加系统包括，试压泵、压力表、进水阀门、储水蓄能器和出水阀门；测杆系统包括，封堵段、挡板、测试花管和封堵板。数据采集系统连接压力脉冲系统，压力脉冲系统连接测杆系统。本发明适用于测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量，并且该测量系统试验的重演性好，测试结果可靠，测量速度快，成本低廉，结构简单，操作简便，便于携带。

Description

基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统

技术领域

本发明涉及一种岩石类材料渗透系数原位测量系统，尤其涉及一种基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，水利水电工程、交通工程等大量展开，在这些工程中隧道开挖越来越深越来越长，其工程的安全性、稳定性要求越来越高。隧道的开挖活动使隧道周围岩体的应力状态发生改变，从而导致岩体的力学性质和渗透性质发生改变，形成隧道周围的松动圈。确定松动圈的范围，掌握松动圈岩体渗透性的变化对其工程安全性评价和施工设计尤为重要。在放射性物质的地下处置中，同样需要掌握放射性物质埋藏室开挖过程中对周围岩体扰动形成的松动圈的范围及其岩体渗透性的变化，这对防止放置放射性物质泄漏至关重要。

测定岩体类材料的渗透系数可以通过室内试验和现场原位试验。由于室内试验中不仅取样容易扰动原样结构，试验工作量大，而且测量结果离散性也将会很大，使试验结果不能准确的反应岩体松动圈的渗透性变化。现场原位试验特别是基于瞬态压力脉冲法原位试验，因其结果具有良好的代表性、准确性以及测量速度快而被优先采用。实际工程上常用的现场原位瞬态压力脉冲法主要用来测量地下深部范围内的岩体渗透性，其测井钻孔的直径一般在几十厘米以上，长一般为几十米到几百米，这就使得原位瞬态压力脉冲测试系统不仅系统庞大，测杆直径为几十厘米、长为几米到十几米而且结构复杂，如工程中用到的双路加压及测试系统。由于隧道或洞室开挖扰动形成的松动圈深度范围较小，一般为几十厘米到几米，并且隧道或洞室内活动空间小，系统庞大的测试设备不易应用，因此这种测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量就对原位渗透系数测量系统提出了新的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，该测量系统适用于测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量，并且该测量系统试验的重演性好，测试结果可靠，测量速度快，成本低廉，结构简单，操作简便，便于携带。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，其包括，数据采集控制系统、压力脉冲施加系统和测杆系统，数据采集控制系统包括，压力传感器、数据采集卡和计算机，数据采集卡与压力传感器相连；计算机与数据采集卡相连；压力脉冲施加系统包括，试压泵，开设有进、出口的储水蓄能器，试压泵通过阀门连通储水蓄能器的进口，储水蓄能器的出口设置阀门；测杆系统包括，测试花管，测试花管下部为侧壁开设出水孔的测试段，测试花管上部为封堵段，封堵段与测试段之间设置挡板、测试花管下端垂直于测试化管设置封堵板；数据采集控制系统的压力传感器连接在压力脉冲施加系统的阀门和阀门之间；测杆系统的测试花管通过阀门连通压力脉冲系统。

本发明上述技术方案的进一步改进在于：试压泵与阀门之间设置压力表。

本发明的进一步改进还在于数据采集卡连接一直流稳压稳流电源。

本发明的进一步改进还在于挡板包括，第一钢板，第一钢板底部设置第一密封圈；封堵板包括，端板、端板上方设置第二钢板，端板和第二钢板之间设置第二密封圈，端板以及第一钢板与测试花管焊接，隔离出测试花管的试验段。

本发明采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的压力表分别与试压泵和进水阀门相连，储水蓄能器分别与进水阀门和出水阀门相连，可获得设计所需要的压力脉冲；

本发明的压力传感器连接在进水阀门和出水阀门之间，可准确测量被测岩体测孔范围内压力时程衰减曲线；

本发明的数据采集卡与压力传感器相连，可及时采集压力传感器信号，记录到的压力时程衰减曲线；

本发明的直流稳压稳流电源与数据采集卡相连，可给数据采集卡提供所需的稳态电源；

本发明的计算机与数据采集卡相连，其目的是保存并显示数据采集卡采集到的信号；

本发明的测杆系统通过出水阀门与压力脉冲系统相连，其目的是给测孔范围内被测岩体施加脉冲压力。

本发明的挡板及封堵板设置密封圈，可提高实验段的密封性，提高测试精度。

本发明测量系统可以适用于测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量；

本发明测量系统结构简单，操作简便，便于携带；

本发明测量系统试验的重演性好，测试结果可靠，测量速度快，成本低廉；

本发明测杆系统结构简单，可根据实际需要单独制作，满足不同情况下岩体类材料渗透系数测试要求。

附图说明

图1为基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统结构示意图；

图2为测杆系统结构剖面示意图。

其中：1、数据采集控制系统，11、压力传感器，12、数据采集卡，13、直流稳压稳流电源，14、计算机，2、压力脉冲施加系统，21、试压泵，22、压力表，23、进水阀门，24、储水蓄能器，25、出水阀门，3、测杆系统，31、封堵段，32、挡板，321、第一钢板，322、第一密封圈，33、测试花管，331、出水孔，34、封堵板，341、端板，342、第二密封圈，343、第二钢板，4、试验测孔，5、被测岩体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1所示，本发明测量系统由核心装置数据采集控制系统1、压力脉冲施加系统2、测杆系统3三部分组成：

数据采集控制系统1包括压力传感器11、数据采集卡12、直流稳压稳流电源13和计算机14，压力传感器11和数据采集卡12采用高频高性能设备，并且要相互匹配，以便能在短时间内记录压力时程曲线的大量信号，直流稳压稳流电源13需和数据采集卡12相互匹配，为数据采集卡12提供稳定的电源需求；

压力脉冲施加系统2包括试压泵21、压力表22、进水阀门23、储水蓄能器24和出水阀门25，压力表22量程以及储水蓄能器24容量需满足试验需要，进水阀门23和出水阀门25需具有良好的密封性；

测杆系统3包括封堵段31、挡板32、测试花管33和封堵板34，测杆系统3可根据实际需要单独制作，满足不同情况下岩体类材料渗透系数测试要求。

该测量系统各部分的连接关系是：压力表22分别与试压泵21和进水阀门23相连；储水蓄能器24分别与进水阀门23和出水阀门25相连；压力传感器11在进水阀门23和出水阀门25范围内与压力脉冲施加系统2相连；数据采集卡12与压力传感器11相连；直流稳压稳流电源13与数据采集卡12相连；计算机14与数据采集卡12相连；测杆系统3与压力脉冲系统2相连。

压力传感器11、数据采集卡12、直流稳压稳流电源13、计算机14、试压泵21、压力表22、进水阀门23、储水蓄能器24以及出水阀门25为标准件，均可从市场采购。

如图2，测杆系统中分别设置了封堵段31、挡板32和封堵板34以防止脉冲压力泄漏：封堵段31采用与岩体类材料结合好、强度高、凝固时间快的封堵材料浇注在挡板32上形成，封堵段31的长度依据测孔直径而定；挡板32由第一密封圈322与一定厚度钢板制作成的环形第一钢板321组成；封堵板由第二钢板343、第二密封圈342与一定厚度钢板制作成的端板341组成，第一钢板321以及端板341尺寸根据测孔及测试花管33尺寸确定并与测试花管33焊接，隔离出测试花管33的试验段。测试花管33由具有一定承压强度的钢管制作，在测试段设置开设出水孔331作为压力脉冲输出孔，如出水孔331间隔范围1cm～10cm、孔径范围2mm～8mm。根据被测岩体类材料实际情况的不同，其测杆系统尺寸大小根据实际需求确定。

现场原位渗透系数测量过程如下：

1、把测试花管安装到试验测孔4中，并充满水排出测孔中的空气，封堵材料密封测试花管上部形成封堵段31；

2、待封堵段31凝固后，数据采集系统1连接压力脉冲系统2，通过出水阀门25初步连接测杆系统3和压力脉冲系统，系统中的气体全部排出后再牢固连接；

3、测量系统安装好后，首先打开进水阀门23关闭出水阀门25，用试压泵21向储水蓄能器24内压水，根据压力表22和压力传感器11获取储水蓄能器内的压力，待储水蓄能器内压力达到需要的值时，关闭进水阀门23，检查测试系统是否渗漏和各仪器是否正常工作；

4、随后迅速打开出水阀门25，使被测岩体5测试段获得瞬时压力脉冲，通过压力传感器11、数据采集卡12和计算机14测量并记录被测岩体测试段内压力时程衰减曲线，通过压力时程衰减曲线得到被测岩体5的渗透系数。每个试验段测孔进行3～5次测试试验，改变每次初始脉冲压力，求得被测试验段渗透系数平均值。

以上技术方案实现了测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量，该测量系统试验的重演性好，测试结果可靠，测量速度快，成本低廉，结构简单，操作简便，便于携带，具有广泛的工程应用前景。

实施例1：预制水泥砂浆试块，测试孔深1m，孔径2.5cm，脉冲压力P＝1.24MPa，渗透系数K＝4.4×10-22m²；

实施例2：预制混凝土试块，测试孔深80cm，孔径3cm，脉冲压力P＝0.9MPa，渗透系数K＝8.3×10-22m²。

测试花管33由钢管制作，在测试段开设出水孔作为压力脉冲输出孔，如出水孔间隔范围1cm～10cm、孔径范围2mm～8mm。

根据被测岩体类材料实际情况的不同，其测杆系统尺寸大小根据实际需求确定。

Claims (4)

1.一种基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，其包括，数据采集控制系统(1)、压力脉冲施加系统(2)和测杆系统(3)，其特征在于：数据采集控制系统(1)包括，压力传感器(11)、数据采集卡(12)和计算机(14)，数据采集卡(12)与压力传感器(11)相连；计算机(14)与数据采集卡(12)相连；压力脉冲施加系统(2)包括，试压泵(21)，开设有进口和出口的储水蓄能器(24)，试压泵(21)通过进水阀门(23)连通储水蓄能器(24)的进口，储水蓄能器(24)的出口设置出水阀门(25)；测杆系统(3)包括，测试花管(33)，测试花管(33)下部为侧壁开设出水孔(331)的测试段，测试花管(33)上部为封堵段(31)，封堵段(31)与测试段之间设置挡板(32)，测试花管下端垂直于测试花管设置封堵板(34)；数据采集控制系统(1)的压力传感器(11)连接在压力脉冲施加系统(2)的进水阀门(23)和出水阀门(25)之间；测杆系统(3)的测试花管(33)通过出水阀门(25)连通压力脉冲系统(2)。

2.根据权利要求1所述的基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，其特征在于：所述试压泵(21)与进水阀门(23)之间设置压力表(22)。

3.根据权利要求1所述的基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，其特征在于：所述数据采集卡(12)连接一直流稳压稳流电源(13)。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于瞬态压力脉冲法的原位小型渗透系数测量系统，其特征在于：所述挡板(32)包括，第一钢板(321)，第一钢板(321)底部设置第一密封圈(322)；所述封堵板(34)包括，端板(341)、端板上方设置第二钢板(343)，端板和钢板之间设置第二密封圈(342)，端板(341)以及第一钢板(321)与测试花管(33)焊接，隔离出测试花管(33)的试验段。

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