CN101858848A - 基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置 - Google Patents

基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置，其通过一压水试验孔向岩体内注入高压水，同时在该压水试验孔的一侧布置多个渗压孔，另一侧与渗压孔对称位置布置多个变形观测孔，每一渗压孔内安装渗压计，每一变形观测孔内安装多点位移计，并使渗压孔孔底高程、压水试验孔孔底高程及变形观测孔孔底高程一致，同时使渗压孔、压水试验孔及变形观测孔互相平行；再对压水试验孔流量和压力、渗压孔渗压以及变形观测孔位移同时记录，且记录时间间隔不大于5分钟；最后根据岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线，再结合压水试验孔的流量和压力与时间关系，应用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数。

Description

基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置
技术领域
本发明涉及用于水利水电工程、供水工程、石油工程等领域进行岩体原位高压压水试验的方法及装置，尤其是基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置。
背景技术
现有技术条件下，岩体高压压水试验系统一般只布置压水试验孔或同时布置少量渗压孔量测岩体渗透性。其工艺的不足之处在于不能获取压水试验孔附近岩体的变形变化过程，且只能根据压水试验孔流量压力关系曲线推求岩体的渗透性，其试验成果有较大的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有高压压水试验系统存在的不足，提供一种设计更加合理，且操作方便的基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法，其包括下列步骤：
①在岩体上开设一压水试验孔，同时通过高压水提供装置向该压水试验孔提供压力至少为3MPa的高压水，同时对提供的高压水的流量及压力进行监控，并用止水栓塞堵住该压水试验孔，使高压水向岩体中渗透；
②在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个渗压孔，且各个渗压孔之间也相距3～5米，每一渗压孔内安装渗压计，并使渗压孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；
③在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个与上述渗压孔一一对应的变形观测孔，每一变形观测孔内安装多点位移计，并使变形观测孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；
④对压水试验孔的流量和压力、渗压孔的渗压以及变形观测孔的位移数据同时进行记录，且数据记录时间间隔不能大于5分钟；
⑤根据上述数据作出压水试验孔内的流量和压力与时间的关系曲线及岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线；
⑥根据岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线，再结合压水试验孔内的流量和压力与时间的关系，应用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数。
上述方法的进一步改进为，所述渗压孔布置在与压水试验孔相距3～5米处的一直线上，所述变形观测孔布置于所述渗压孔所在直线相对压水试验孔的对称部位的岩体内。
上述方法的又一进一步改进为，所述变形观测孔与压水试验孔夹角呈45～90度。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验装置，包括一与外部水源连通的高压水提供装置，该高压水提供装置串接流量计及压力表后与开设在岩体上的压水试验孔连通，同时用止水栓塞封堵该压水试验孔；该压水试验孔相隔3～5米处布置多个渗压孔，且各个渗压孔之间也相距3～5米，每一渗压孔内安装渗压计，渗压计通过渗压计电缆与量测单元连接，并使渗压孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个与上述渗压孔一一对应的变形观测孔，每一变形观测孔内安装多点位移计，并使变形观测孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致。
上述装置的进一步改进为，所述渗压孔布置在与压水试验孔相距3～5米处的一直线上，所述变形观测孔布置于所述渗压孔所在直线相对压水试验孔的对称部位的岩体内。
上述装置的又一进一步改进为，所述变形观测孔与压水试验孔夹角呈45～90度。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过渗压孔记录岩体中的渗透压力，通过同步测量岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线，再结合压水试验孔内的流量和压力与时间的关系，应用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数，该压水试验工艺布置设计合理，结构简单，操作方便，且进一步完善了岩体高压压水试验工艺，拓展了高压压水试验成果的应用范围。
附图说明
图1为本发明基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法流程图。
图2为本发明一具体实施例的高压压水试验系统工艺布置图。
图3为本发明一具体实施例的压水试验孔、变形观测孔及渗压孔布置位置示意图。
图4为岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线图。
图5为压水试验孔内的流量和压力与时间的关系曲线图。
图6为反分析建立的数学模型。
图7为位移计算值与实测值比较图。
图8为渗压计算值与实测值比较图。
具体实施方式
如图1-图8所示，在对某一岩体进行压水试验时，本发明基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法包括下列步骤：
①在岩体上开设一压水试验孔4，同时通过高压水提供装置1向该压水试验孔4提供压力至少为3MPa的高压水，同时在高压水提供装置1向压水试验孔4提供高压水的回路上设置流量计11及压力计12，以对提供的高压水的流量及压力进行监控，并用由高压油泵装置2控制的止水栓塞21堵住该压水试验孔4，使高压水向岩体中渗透。
②在与压水试验孔4相隔3～5米处布置多个渗压孔5，且各个渗压孔5之间也相距3-5米，每一渗压孔5内安装渗压计52，该些渗压计52通过渗压计电缆521与量测单元6连接，同时使渗压孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致。为方便钻孔和减少钻孔工作量，可将所有渗压孔5设置在与压水试验孔4相隔3～5米的一直线上。
③在与压水试验孔4相隔3～5米处布置多个与上述渗压孔5一一对应的变形观测孔，布置时最好使变形观测孔3与压水试验孔4的夹角呈45～90度，每一变形观测孔3内安装多点位移计32，并使变形观测孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致，且多点位移计32通过多点位移计电缆321与量测单元6连接。为方便钻孔和减少钻孔工作量，可将所有变形观测孔3布置于上述渗压孔所在直线相对压水试验孔的对称部位的岩体内；为最大程度捕捉因压水引起的岩体位移，为渗透系数反分析提供有效的原始数据，可将该变形观测孔3与压水试验孔4的夹角设置为呈45～90度。
④如下表1所示，对压水试验孔4的流量和压力、渗压孔5的渗压以及变形观测孔3的位移数据同时进行记录，且数据记录时间间隔不能大于5分钟。在表1中，数据记录时间间隔为1分钟。
表1：
Figure GSA00000101450900031
Figure GSA00000101450900041
Figure GSA00000101450900051
Figure GSA00000101450900061
Figure GSA00000101450900071
Figure GSA00000101450900081
Figure GSA00000101450900091
⑤如图4、图5所示，根据上述数据作出压水试验孔内的流量和压力与时间的关系曲线及岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线。
⑥根据岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线，再结合压水试验孔内的流量和压力与时间的关系，应用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数。
本发明运用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数的方法具体包括下列步骤：
6-1.如图6所示，全面分析岩体高压压水试验过程，建立压水试验过程的数值分析模型；
6-2.拟定岩体流固耦合数值分析的初始力学参数和渗透系数值，确定模型计算边界；
6-3.根据压水试验孔流量与压力和时间的关系曲线，将压水试验孔设置为水头边界或流量边界；
6-4.将渗压孔和变形观测孔相对应的位置设置为数值计算的位移和孔隙压力(该孔隙压力相当于实测的渗压)监测点，记录计算过程中相应监测点的位移和孔隙压力的变化；
6-5.根据该岩体分布情况，选用如下表2所示的渗透系数，采用流固耦合分析软件(FLAC3D和ABAQUS等软件，这些软件都是本领域技术人员公知的)按照如下所示的计算步骤进行正分析，获取反分析所需的孔隙压力、位移与渗透系数相对应的原始样本数据；
表2渗透系数取值表(cm/s)
Figure GSA00000101450900092
为尽可能真实地反映计算模型的实际状况，计算过程按以下5个步骤进行(各步骤施加相应的荷载条件)：
第1步：时间t＝0，初始应力和孔隙压力场的模拟；
第2步：时间t＝0，压水钻孔开挖过程计算(HM耦合分析)；
第3步：时间t＝0～60min，快速法压水升压过程模拟(HM耦合分析)；
第4步：时间t＝60～120min，压水稳压状态模拟(HM耦合分析)；
第5步：时间t＝120～180min，压水孔压力降压过程模拟(HM耦合分析)。
6-6.结合上述步骤④-⑤所获得的高压压水试验获得的渗压和位移与时间的关系数据，应用最小二乘法或人工神经网络法等方法，即可反演计算岩体渗透系数。即将计算过程中所得的孔隙压力和位移作为输入值，渗透系数作为输出值，利用人工神经网络进行模型识别和反演计算，得到如表3所示的渗透系数计算结果。
表3渗透系数反演成果表(cm/s)
Figure GSA00000101450900101
将上述计算成果与实测成果进行比较分析：
通过将表3中的渗透系数作为步骤6-5数值计算的输入值，采用流固耦合分析软件进行正分析得到的监测点计算成果(孔隙压力、位移)与实测结果(渗压及位移)对比，所得结果如图7和图8所示。由图7、图8可看出：计算值与实测值相互吻合，表明基于渗压和位移实测结果进行反分析得到的渗透系数是正确的。

Claims (6)

1.一种基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法，其特征在于包括下列步骤：
①在岩体上开设一压水试验孔，同时通过高压水提供装置向该压水试验孔提供压力至少为3MPa的高压水，同时对提供的高压水的流量及压力进行监控，并用止水栓塞堵住该压水试验孔，使高压水向岩体中渗透；
②在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个渗压孔，且各个渗压孔之间也相距3～5米，每一渗压孔内安装渗压计，并使渗压孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；
③在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个与上述渗压孔一一对应的变形观测孔，每一变形观测孔内安装多点位移计，并使变形观测孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；
④对压水试验孔的流量和压力、渗压孔的渗压以及变形观测孔的位移数据同时进行记录，且数据记录时间间隔不能大于5分钟；
⑤根据上述数据作出压水试验孔内的流量和压力与时间的关系曲线及岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线；
⑥根据岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线，再结合压水试验孔内的流量和压力与时间的关系，应用流固耦合理论，采用渗压和位移双变量反分析方法求解岩体高压渗透系数。
2.根据权利要求1所述的基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法，其特征在于，所述渗压孔布置在与压水试验孔相距3～5米处的一直线上，所述变形观测孔布置于所述渗压孔所在直线相对压水试验孔的对称部位的岩体内。
3.根据权利要求1所述的基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法，其特征在于，所述变形观测孔与压水试验孔夹角呈45～90度。
4.一种基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验装置，包括一与外部水源连通的高压水提供装置，该高压水提供装置串接流量计及压力表后与开设在岩体上的压水试验孔连通，同时用止水栓塞封堵该压水试验孔，其特征在于：该压水试验孔相隔3～5米处布置多个渗压孔，且各个渗压孔之间也相距3～5米，每一渗压孔内安装渗压计，渗压计通过渗压计电缆与量测单元连接，并使渗压孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致；在与压水试验孔相隔3～5米处布置多个与上述渗压孔一一对应的变形观测孔，每一变形观测孔内安装多点位移计，并使变形观测孔孔底高程与压水试验孔孔底高程一致。
5.根据权利要求4所述的基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法，其特征在于，所述渗压孔布置在与压水试验孔相距3～5米处的一直线上，所述变形观测孔布置于所述渗压孔所在直线相对压水试验孔的对称部位的岩体内。
6.根据权利要求4所述的基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验装置，其特征在于，所述变形观测孔与压水试验孔夹角呈45～90度。
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