CN102621002A - 裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂隙岩体渗流、应力变形耦合特性现场试验系统，通过钻孔对穿越钻孔的给定裂隙进行不同压力条件下的渗透性试验，可同步测量采集试验水力压力、渗透流量及裂隙应力变形，并进行数据存储的高压水力试验系统。裂隙处岩体钻孔，孔内上下填充封隔胶囊，裂隙处留测试段，高压水泵管上设有压力传感器接入封隔胶囊，并对封隔胶囊进行加压，使封隔胶囊与孔壁紧密结合，高压水泵管上设有流量传感器、压力传感器，高压水泵通过钻杆对钻孔中的测试段进行流量高压水力试验；岩体钻观察孔，孔内设多点位移锚头及应变计，锚头接位移传感器，位移传感器、流量传感器、压力传感器分别接入数据采集存储仪及计算机控制。

Description

裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统

技术领域

本发明属于岩体力学中的岩体渗流特性研究领域，涉及裂隙岩体的水力学特性、渗流、应力变形耦合机理研究，具体地说，涉及裂隙岩体进行高压水力试验及相关的应力应变、流量和位移等观测手段，现场裂隙岩体渗流-应力-变形的试验系统。

背景技术

岩石水力学的主要参数是单一裂隙的水力特性和岩体的等效水力特性，二者关系密切。裂隙及裂隙间的岩块的渗透特性是构成岩体渗透张量的基本参数。裂隙渗透性(或水力传导系数)取决于裂隙面的几何特征(起伏差、粗糙度、隙宽等)，后者仅在试验室可以比较准确地测量，并且对裂隙的水力传导系数的影响关系极其复杂，所以，一般通过典型裂隙的试样进行渗流试验，以测量其水力传导系数。

而平板裂隙的立方定理、粗糙裂隙立方定理的修正都是通过室内试验得以实现。由于试样尺寸的限制和制样过程中的扰动，不能完全反映裂隙的粗糙度、初始隙宽及可能的充填物。

以往的岩体裂隙水力学试验研究中，单裂隙小尺度试件的室内试验居多，法向应力条件下的渗流、应力试验居多，裂隙面的几何代表性不足，缺乏现场裂隙岩体在一定初始应力和考虑裂隙渗流变形条件下的渗流、应力耦合试验。

发明内容

本发明的目的在于克服已有背景技术的不足之处，提供一种现场裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，通过钻孔对穿越钻孔的给定裂隙进行不同压力条件下的渗透性试验，可同步测量、采集试验水力压力、渗透流量及裂隙变形，并进行数据存储的高压水力试验系统。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，主要是包括裂隙岩体渗透性高压水力试验的渗透压力、渗流流量、应力应变及位移的同步测量及数据采集存储；

裂隙处，岩体钻孔，孔内上下填充封隔胶囊，裂隙处留测试段，钻杆穿入钻孔的封隔胶囊插入测试段，高压水泵管上设有压力传感器接入封隔胶囊，高压水泵对封隔胶囊进行加压，使封隔胶囊与孔壁紧密结合，高压水泵管上设有流量传感器、压力传感器并接入钻杆，高压水泵通过钻杆对钻孔中的测试段进行高压水力试验；

裂隙处，岩体钻观察孔，孔内设多点位移锚头及应变计，锚头接位移传感器；位移传感器、流量传感器、压力传感器分别接入数据采集存储仪。

水箱接入高压水泵，高压水泵管上接有调压阀、压力表。

所述岩体观察孔为1个或1个以上。

所述数据采集存储仪接入计算机。

本发明与现有技术相比还具有以下的主要优点：

1、由于本发明裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，改进了传统的通过典型裂隙的试样进行渗流试验，在试验室测量获取裂隙渗透性的裂隙面的几何特征，测量水力传导系数，本发明现场试验系统，渗透压力、渗流流量、应力变形位移的同步测量完成，克服了室内试验由于试样尺寸的限制和制样过程中的扰动，不能完全反映裂隙的粗糙度、初始隙宽及可能的充填物，以及单裂隙小尺度试件的室内试验居多，裂隙面的几何代表性不足的问题。

2、由于本发明裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，通过钻孔对穿越钻孔的给定裂隙进行不同压力条件下的渗透性试验，并通过钻观察孔对穿越孔的给定裂隙，可同步测量、采集试验水力压力、渗透流量及裂隙变形，并进行数据存储的高压水力试验。

3、由于本发明采用在现场裂隙处钻孔，且在孔内上下填充封隔胶囊，在裂隙处留测试段，当高压水泵管对封隔胶囊进行加压时，使封隔胶囊与孔壁紧密结合，高压水泵通过钻杆对钻孔中的测试段进行流量高压水力试验，高压水泵管上设置有流量传感器、压力传感器，可同步测量渗透流量、压力。

4、由于本发明在现场裂隙处钻孔加压水力试验，同时在钻孔附近钻观察孔，在观察孔内裂隙处设应计，并设多点位移锚头，并接位移传感器，在钻孔进行加压水力试验时，既可测量裂隙应力应变量，也可以测量裂隙变形位移，耦合特性测量。

5、由于本发明将位移传感器、流量传感器、压力传感器同时接入数据采集存储仪，并通过计算机控制操作，构成测量裂隙渗透性研究的现场试验系统。

附图说明

图1本发明裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统示意图。

钻孔1、观察孔2、位移锚头3、应变计4、位移锚头5、封隔胶囊6、测试段7、岩体裂隙8、、钻杆9、位移传感器10、流量传感器11、压力传感器12、压力表13、调压阀14、调压数据采集存储仪15、计算机16、高压水泵17、17′、水箱18。

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。

本发明一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，包括裂隙岩体渗透性高压水力试验的渗透压力、渗流流量、应力变形位移的同步测量及数据采集存储。

见图1、一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统。现场勘探平洞中，通过裂隙描述、测量和统计分析，研究岩体裂隙的分布特征。根据裂隙产状分组，选取特定裂隙进行试验研究，选定的区域，裂隙不易太发育。在有单裂隙或平行裂隙组8处，布置压水孔，岩心钻机造孔，基于地质编录及岩心描述和钻孔录像，选定钻孔中试验裂隙对象，并对该裂隙出露位置及产状进行精细测量。

岩体钻孔1，在钻孔1内填充封隔胶囊6，裂隙8处留测试段7，再填充封隔胶囊6，高压水泵17管上设有流量传感器11、压力传感器12，并接入钻杆9，钻杆9穿入钻孔1的封隔胶囊6插入测试段7，高压水泵17′管上设有压力传感器，并接入封隔胶囊6，高压水泵17′对封隔胶囊6进行加压，使封隔胶囊6与孔壁1紧密结合；水箱18接入高压水泵17，高压水泵17管上接有调压阀14、压力表，高压水泵17管接入钻杆9，高压水泵17通过钻杆9对钻孔1中的测试段7进行高压水力试验。

现场试验系统可进行初始应力测量，以了解试验段初始应力条件及可能的裂隙渗透最小劈裂压力。据此初步确定高压水力试验的分级标准，一般压力级数为7～10级，正式在测试段7进行大流量高压水力试验：分级加压，每级压力下达到稳定的流态。另外高压水泵17管上还接有调压阀14、压力表13，压力加载是通过调压阀14控制。裂隙岩体中的钻孔测试深度可达100m，裂隙岩体中高压渗透压力最大可达40MPa。

在钻孔1处，岩体钻观察孔2，观察孔2为1个或1个以上，安装观测孔中的相关试验观测设施，在裂隙8处，孔2内埋设多点位移锚头3、5及应变计4，锚头3、5接位移传感器10。另外高压水泵17管上还接有调压阀14、压力表13。

位移传感器10、流量传感器11、压力传感器12接入数据采集存储仪15，数据采集存储仪15接入计算机16，记录显示压力传感器12的实时压力、流量传感器11的实时流量与位移传感器10的裂隙相对位移即裂隙机械隙宽。通过该系统对深部裂隙岩体进行高压水力试验时能实时同步进行压力、流量与位移数据采集并存储，配套设备能够完成相关试验动作，获得测试资料，实现裂隙岩体现场渗流-应力-变形耦合机制试验。

Claims (4)

1.一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，其特征在于：包括裂隙岩体渗透性高压水力试验的渗透压力、渗流流量、应力应变及位移的同步测量及数据采集存储；

裂隙8处，岩体钻孔1，孔1内上下填充封隔胶囊6，裂隙8处留测试段7，钻杆9穿入钻孔1的封隔胶囊6插入测试段7，高压水泵17′管上设有压力传感器12接入封隔胶囊6，高压水泵17′对封隔胶囊6进行加压，使封隔胶囊6与孔壁1紧密结合，高压水泵17管上设有流量传感器11、压力传感器12并接入钻杆9，高压水泵17通过钻杆9对钻孔1中的测试段7进行高压水力试验；

裂隙8处，岩体钻观察孔2，孔2内设多点位移锚头3、5及应变计4，锚头3、5接位移传感器10；位移传感器10、流量传感器11、压力传感器12分别接入数据采集存储仪15。

2.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，其特征在于：水箱18接入高压水泵17，高压水泵17管上接有调压阀14、压力表13。

3.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，其特征在于：所述岩体观察孔2为1个或1个以上。

4.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体渗流、应力、变形耦合特性现场试验系统，其特征在于：所述数据采集存储仪15接入计算机16。