CN101504271B - 一种能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置 - Google Patents

Abstract

一种能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置，属于地质力学模型试验技术领域。其特征在于，含有：内部位移的曲线传递部分和滑动密封部分；把不锈钢杆的刚性位移传递改变为钢丝索柔性位移传递，把直线形状的不锈钢护管改变为曲线型弯曲护管，从原有的开放性传递改变为密封滑动传递；使柔性钢丝索穿过灌注了高粘度锂基脂的护管，并在试验台侧壁用止水垫片压紧，实现密封滑动位移传递。本发明省却了防水传感器，实现了测点的绝对位移传递，并解决了试验台侧壁渗流问题。

Description

一种能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置

技术领域

本发明属于试验仪器技术领域，特别是提供了一种用于高渗压下模型试验内部位移量测的位移传递和密封装置。适用于在同时模拟高渗透水压和地应力条件下的地质力学模型试验中，采用普通位移传感器对模型内部变形和位移场的量测。

技术背景

地质力学模型试验，是一种从力学理论出发，根据一定的相似原理，采用试验的手段研究特定工程地质条件对工程的影响的方法。它与普通结构模型试验的区别在于，这种试验不仅需要模拟建筑物，还需要在模型中模拟建筑物基岩或围岩的重力以及地质构造，包括岩体中的断层、破碎带、软弱夹层、节理和裂隙等，尽可能体现出岩体非均匀等向、非弹性及非连续、多裂隙体的岩石力学特征；同时在模型的几何尺寸、边界条件及作用荷载、模型材料的容重、强度和变形特性等方面满足相似理论的前提下，尽可能使模型符合实际情况，从而研究围岩或基岩的稳定条件、变形状态及其对建筑物的影响。

地质力学物理模型试验在水利工程尤其是岩土和地下工程科学研究中占有重要地位。但是，由于试验技术的难度极大，地下洞室群三维地质力学模型试验在国内外几乎空白，近几年才有所进展。水利水电工程结构，尤其是地下结构受力复杂。高地应力、高渗透压力条件下的地下厂房和隧道开挖，成为水电工程施工难题，也是岩石力学领域研究的热点问题。采用地质力学模型试验方法对这类问题进行研究的过程中，也遇到了高渗透水压作用条件下进行模型内部位移场量测的难题。在没有水压作用时，模型内部位移可以采用位移传递杆穿过护管和试验台上的孔洞传递到模型外部，再利用普通位移传感器进行测量。但在模型内具有高渗透水压时，这种方法就不行了，渗流会沿护管和孔洞外泄，破坏渗流场分布，使试验无法进行。如果采用耐渗压的位移传感器，则不但成本大为增加，还增加了安装和维护的困难。本发明就是在这个背景下提出的。

发明内容

本发明的目的在于不破坏渗流场分布，利用普通的位移传感器在有高渗透水压的条件下进行位移测量。

通常情况下，普通的位移传感器在进行测量的时候是用刚性的位移传递杆将测点与传感器连接起来，传感器一般固定在试验台外侧的某个不动点上，这样测出来的位移就是测点的绝对位移。采集器将传感器所测到的位移数据定时采集并存在电脑里面。在测量过程中，位移传递杆是需要能自由移动的，否则位移的测量值为零。但是，在试验台内部充满高渗透水压的时候，位移传递杆穿过试验台的侧壁而且能自由移动就要求侧壁的开孔足够大，而这就不可避免地会引起渗水，破坏渗流场的分布，导致试验结果出现严重偏差。而防水的位移传感器相对于普通位移传感器来说，最大的差别就在于传感器本身能够防水。在利用防水传感器进行位移测量的时候，就需要将传感器本身也放进试验台内部，仅仅其数据线穿过试验台侧壁。但是，即使不考虑成本，这样做仍然还存在着两个较大的问题：1、传感器是固定在试验台的内部的，所测得的位移数据并不是测点的绝对位移，而是测点相对于试验台内部固定传感器的点的位移，而该固定点本身可能存在着位移；2、传感器在试验台内部，其安装和维护的困难将大大增加。

这两个问题存在的原因就是传感器安装在试验台内部，因此要解决这两个问题就只能将位移传感器安装在试验台的外部，因此就需要解决位移传递杆必须穿出试验台侧壁钢钣且能够自由移动，而试验台内部的渗流场则需要试验台绝对保证密封之间的矛盾。本发明就是为了解决这个矛盾而设计的。

本发明的特征在于：

所述的能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置，有内部位移曲线传递部分和滑动密封部分，其中：

内部位移曲线传递部分，位于所述高渗压模型内部，含有测点、不锈钢弯曲护管、弹簧钢丝索，其中：该不锈钢弯曲护管包含：一个倾斜段、上端水平段、下端水平段以及用于所述两个水平段与倾斜段连接的两个曲线段，所述弹簧钢丝索穿过该不锈钢弯曲护管，在伸出所述上端水平段的一侧与测点相连，在所述弹簧钢丝索外涂抹有减摩剂硅胶；

滑动密封部分，从所述高渗压模型内部伸出到试验台侧壁外，该滑动密封部分含有：两片止水垫片、内部充填有锂基脂的密封管、两个止油环、密封帽A、密封帽B和一个螺母，由穿出试验台侧壁外的子部分和伸入所述高渗压模型内部子部分共同构成，其中：

穿出试验台侧壁外的子部分，所述密封帽A通过内罗纹孔把第一个所述止油环压在所述密封管在所述试验台侧壁外的那一端，该止油环的外径要小于该密封帽A的内径，所述螺母把第一个所述止水垫片压在所述试验台侧壁的外侧面上，

伸入所述高渗压模型内的子部分，用所述密封帽B把第二个所述的止水垫片压在所述试验台侧壁的内侧面上，该所述密封帽B也通过内螺纹孔把第二个所述的止油环压在所述密封管伸入该试验台侧壁内的一端上，第二个所述的止油环的外径小于该密封帽B的内径，该所述密封帽B内螺纹的另一侧有一个与所述不锈钢弯曲护管直接相连的连接孔，

所述不锈钢弯曲护管与在表面涂抹了所述锂基脂后的弹簧钢丝索从置入所述高渗压模型内的密封帽B的连接孔中插入，所述弹簧钢丝索穿过止油环后，进入密封管，再从密封管的另一端伸出，连接到置于测量刚架上的位移传感器上。

所述在穿出高渗压模型外的密封管上有补油孔。

所述弹簧钢丝索伸出试验台的那一端和所述位移传感器固定端之间有一个张力弹簧，所述位移传感器位移输入端之间有一个连接钣。

附图说明

图1为位移曲线传递及密封装置的结构示意图，其中0为滑动密封装置、8为试验台侧壁钢钣、9为涂有减摩剂硅脂的不锈钢钢丝索、10为不锈钢护管、11为张力弹簧、12为刚性连接钣、13为位移传感器、14为固定位移传感器的测量刚架

图2、图3为发明1滑动密封装置0的结构示意图(剖面图)。其中，止水垫片1、密封管2、密封帽3(A、B)、止油环(聚四氟乙烯)4、密封管内的锂基脂5、补油孔6、螺母7、试验台侧壁8，图2为试验台外靠近位移传感器一侧，图3为试验台内一侧。

图4为密封管的构造示意图。

图5、图6为密封帽B和密封帽A的构造示意图。

图7为止油环的构造示意图。

图8为锂基脂流出长度(mm)与时间(D)关系曲线图，试验条件为25cm长水平放置的密封管(无密封帽)，作用压力为10m水头，流出的锂基脂柱的横截面直径与密封管内径相同。

图9为发明第一部分曲线传递误差分析原理图。

具体实施方式

本发明主要包括两个部分：1、在高渗压模型试验中将原来的内部位移传递方式由刚性直线传递改变为柔性曲线传递，这样可以防止内部监测仪器的互相干扰；即将不锈钢位移传递杆改变为柔性钢丝索9，直线形状的不锈钢护管改变为曲线型弯曲护管10，再加张力弹簧11和连接钣12组成，如图1所示。2、将原来的开放性传递(不具密封性)改变为滑动密封传递。由止水垫片1、密封管2、密封帽3及其内部的止油环4，以及灌注在密封系统里面的高粘度液体(锂基脂)5组成。其组件构成的剖面图如图2、图3所示。

第一部分实施方式

第一部分的基本构造，包括外径为5mm，内径3mm的不锈钢弯曲护管，和穿过其中的直径2mm的钢丝索，钢丝索上涂有减摩剂硅脂。从护管起点到终点共分为上平段(AB)、上弯段(BC)、倾斜段(CD)、下弯段(DE)和下平段(EF)，护管和钢丝索的长度根据测点位置到试验台外侧传感器固定台架的距离而定。

内部位移的传递路径，由三段直线及两段曲线(其中曲线是1/8圆弧)构成。全部护管(10)采用整根的不锈钢管经特殊方法弯曲而成，内置可以弯曲的弹簧钢丝(9)，二者之间采用涂抹硅胶的方式减少摩擦。这样，从测点的固定端到位移传感器的整个传递路径，就只有一根连续的钢丝，不需要任何接头。由于钢丝较柔软，所以这时整个传递系统只可以传拉，不可以传压，因而也就只能量测单方向的位移。为了解决这一问题，在测头传感器连接钣(12)与测量钢架之间，增加了一根张力弹簧(11)。在传感器的正负量测范围内，无论测点正向还是反向变形，均可以使钢丝中保持一定张力而拉紧，并带动传感器连接钣的移动。

第二部分实施方式

第二部分为滑动密封装置，为了便于装卸，该装置各组件之间主要采用螺纹连接。在靠近试验台一侧，通过密封帽与密封管的螺纹连接以及安装在密封管上的螺母，将分别位于试验台侧壁两侧的止水垫片夹紧，以防止水从试验台侧壁流出；在密封系统里面(主要是密封管)充满高粘度液体；密封帽内部的止油环也通过密封帽与密封管的螺纹连接固定在密封管的两端；密封管上的补油孔平时密封。

滑动密封装置的工作原理及效果如下：

利用锂基脂的高粘滞性同时实现水的密封和位移的传递。

1)高粘度的锂基脂在水压作用下向外流动，在不考虑表面张力的条件下，当粘滞力与水的压力平衡的时候，锂基脂进行稳定的流动。由于密封帽内的止油环的作用，锂基脂的流速很小(粘滞力是与速度梯度成正比的，对于相同的速度梯度，出流的宽度越小，出流的速度也就越小)，再加上流出的面积也很小(出流面积就是止油环与位移传递杆之间的缝隙的横截面面积)，这样锂基脂在水压作用下流出的流量就相当小，通过试验证明，在0.1MPa的水压作用下，72h时间内锂基脂的流出量基本可以忽略(利用照片对比，试验前后密封帽处用肉眼看不出变化)。再加上补油孔的补充就可以维持密封管内的锂基脂的量，这样就保证了水的密封和不破坏试验台内渗流场的分布。

2)由于在试验过程中，位移传递杆随着测量点的变形产生位移，其速度几乎可以忽略不计，因此锂基脂对于位移传递杆的粘滞力也非常小。通过试验证明，在粘滞力再加上摩擦力等阻力的作用下，让位移传递杆保持1cm/s的移动速度，所需的动力不超过7N。

滑动密封装置基本构造如图2、图3所示，两图相互连接，每个部件尺寸构造如图4(密封管2)、图5(密封帽3B)、图6(密封帽3A)和图7(止油环4)所示。

其中密封管由一根外径为8mm，内径6mm的铜管(2)做成，长度为25cm，两端车上螺纹便于密封帽的安装，且靠近试验台一端螺纹较长。密封管的尺寸是综合考虑原材料、填充锂基脂的方便、对位移传递杆的阻力以及止水效果来考虑的。

一套密封系统内有两个密封帽(3A与3B)，分别安装在密封管的两端。密封帽是一个中空的圆柱体，内部分为3～4段，分别为螺纹段、止油环腔、固定段和连接段，其中连接段只有试验台内侧的一端才有，内径为5mm，与护管的外径相同，长度为1cm，其主要作用是与护管直接相连以防止砂石滚进位移传递杆和保护筒之间的缝隙。螺纹段长度为1cm，螺纹规格与密封管螺纹相匹配，均为M8×1，同时为了使密封管能安装到底部以固定止油环，在螺纹端部设置退刀槽。止油环腔长度为5mm，内径6.5mm，其尺寸与止油环相符。固定段内径为4mm，长度5mm，其主要作用是固定止油环，防止脱出。

止油环(4)是一个由聚四氟乙烯制成的空心圆柱，采用聚四氟乙烯的主要原因是聚四氟乙烯所具有的高润滑性、耐腐蚀和粘附性小等特点。止油环长度为5mm，外径为6.5mm，与止油环腔内径相符，内径与位移传递杆外径相符，为2.7mm。安装时止油环放置在密封帽的止油环腔内。

第一部分张力附加变形误差分析

采用柔性钢丝进行位移传递时，为了保证测点在产生正、负位移时，均能引起位移传感器的相应位移，就必须保持钢丝中具有一定张力。此张力在位移测量过程中是一个变化值，随测点到位移传感器的距离增大而增大，反之则减小。在张力最小时，要保证该最小值大于整个传递系统中的摩擦力；最大时不能超过弹簧的线性范围。由于钢丝中的张力的存在，而且发生变化，因而会引起传递系统附加变形，产生传递误差。对该误差进行分析如下：

假定钢丝与护管之间只有两个点接触，每个接触点的摩擦力均为f，而且该摩擦力f不随张力改变而改变。设由弹簧张力增加所产生的张力附加位移为ΔU，传感器测量的位移值是U′，实际位移值U可近似由下式(1)进行修正计算：

$U=U^{\′}+\mathrm{\ΔU}=U^{\′}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_i,---\left(1\right)$

式中的Δu_i，i＝1，3可由下式(2)计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{u}_1=\frac{\mathrm{\ΔT}+2f}{\mathrm{\π}{r}^2\·E}(l_1+\frac{\mathrm{\π}{R}_1}{4}+U^{\′})\\ \mathrm{\Δ}{u}_2=\frac{\mathrm{\ΔT}+f}{\mathrm{\π}{r}^2\·E}(l_2+\frac{\mathrm{\π}(R_1+R_2)}{4})\\ \mathrm{\Δ}{u}_3=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\π}{r}^2\·E}(l_3+\frac{\mathrm{\π}{R}_2}{4}-U^{\′})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ΔT＝U′·C，C为弹簧的弹性系数；ΔT为由于位移U’所产生的张力增量，由于弹簧与传感器直接连接，所以U’就是弹簧产生的真实伸长；Δu_i为每一直线段传递钢丝产生的附加张力位移；f为钢丝与护管接触摩擦力；r为钢丝半径；E为钢丝材料弹性模量；l₁、l₂、l₃、R₁、R₂分别为AB、CD、EF直线段的长度以及两弧段的曲率半径，如图9所示。

为了减少位移计作反复运动时产生的迟滞误差，可以结合试验前进行的数值计算分析结果，对不同测点在试验过程中可能的变形趋势做出预测，在不同测点布置不同传递模式的位移计，使位移计尽可能保持单向变形，提高位移量测的可靠度和精度。

相关实验

1)水压作用下密封管内锂基脂的流动试验

无密封帽的条件下进行的试验：试验安装如下：25cm的密封管内充满锂基脂，然后插入位移传递杆，在插入过程中在位移传递杆上也抹上锂基脂，以保证插入位移传递杆后密封管内锂基脂仍然充满；将密封管一端用胶管与压力气瓶相连，其中胶管内充满水，压力气瓶内气压为0.1MPa；将位移传递杆和密封管固定以保持它们之间的相对位移为零。在压力作用下，密封管远离胶管一端锂基脂流出的量与时间的关系如图8所示。

增加密封帽的密封装置试验：如照片附1所示，其中试验水压为0.2MPa，试验时间为10d，位移传递杆直径为2.7mm，流出的锂基脂长度约为3mm，外径为4mm，而该试验用密封管的长度为25cm，内径为6mm，能满足试验要求。

2)密封管阻力试验

进行密封管阻力的试验目的在于，测定密封管内锂基脂对位移传递的阻力大小，分析是否会因阻力过大影响位移传感器的精度。试验结果如表1所示。结构表明密封管内锂基脂对位移传递的阻力很小，不足以影响传感器的反映时间和精度。

表1 不同长度密封管的阻力对比(位移传递杆移动速度约为0.2mm/s)

3)新型位移传递模式的测试和结果

按照照片附2、附3所示，将曲线位移传递系统机构与位移传感器、通道选择器、KTG-C数据采集器、电源稳压器、微机系统相联，并固定在试验台上。测点端部用螺旋测微计作为标准位移给定，另一端与传感器测量杆平行并接。

标准位移以0～9mm等间隔的10个值给定，分别对测杆进行推、拉两个方向的测试，每推拉一次得出一组数据，取三组的平均值作为一个给定值的对比分析数据。测试结果表明，曲线位移传递模式的仪器重复误差为0.09％、迟滞误差为0.08％、非线形误差为0.07％；除传递模式2-1迟滞误差外，均小于0.10％。

位移曲线传递模式的灵敏度测试结果分别见表2。

表2 曲线位移传递模式微型多点位移计测试结果(单位μ)

附件参考图说明

附1为发明1滑动密封装置实际工作时的照片，在30m水头压力作用10天之后，锂基脂只有极少量流出。

附2为发明1曲线传递试验装置图。

附3为发明1曲线传递传感器和柔性钢丝索图。

注：这三张参考图，不作为本发明的实质性部分。

Claims (2)

1.一种能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置，其特征在于，有内部位移曲线传递部分和滑动密封部分，其中：

内部位移曲线传递部分，位于所述高渗压模型内部，含有测点、不锈钢弯曲护管、弹簧钢丝索，其中：该不锈钢弯曲护管包含：一个倾斜段、上端水平段、下端水平段以及用于所述两个水平段与倾斜段连接的两个曲线段，所述弹簧钢丝索穿过该不锈钢弯曲护管，在伸出所述上端水平段的一侧与测点相连，在所述弹簧钢丝索外涂抹有锂基脂，在所述弹簧钢丝索伸出试验台的那一端和所述位移传感器固定端之间有一个张力弹簧，和所述位移传感器位移输入端之间有一个连接钣；

滑动密封部分，从所述高渗压模型内部伸出到试验台侧壁外，该滑动密封部分含有：两片止水垫片、内部充填有锂基脂的密封管、两个止油环、密封帽A、密封帽B和一个螺母，由穿出试验台侧壁外的子部分和伸入所述高渗压模型内部子部分共同构成，其中：

穿出试验台侧壁外的子部分，所述密封帽A通过内螺纹孔把第一个所述止油环压在所述密封管在所述试验台侧壁外的那一端，该止油环的外径要小于该密封帽A的内径，所述螺母把第一个所述止水垫片压在所述试验台侧壁的外侧面上，

伸入所述高渗压模型内的子部分，用所述密封帽B把第二个所述的止水垫片压在所述试验台侧壁的内侧面上，该所述密封帽B也通过内螺纹孔把第二个所述的止油环压在所述密封管伸入该试验台侧壁内的一端上，第二个所述的止油环的外径小于该密封帽B的内径，该所述密封帽B内螺纹的另一侧有一个与所述不锈钢弯曲护管直接相连的连接孔，

所述不锈钢弯曲护管与在表面涂抹了所述锂基脂后的弹簧钢丝索从置入所述高渗压模型内的密封帽B的连接孔中插入，所述弹簧钢丝索穿过止油环后，进入密封管，再从密封管的另一端伸出，连接到置于测量刚架上的位移传感器上。

2.根据权利要求1所述的一种能实现高渗压模型试验内部位移传递和密封的装置，其特征在于，在穿出所述高渗压模型外的密封管上有补油孔。

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