CN103196800A - 结构面导水系数确定方法与试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是：针对现有原位测试试验仅能获取钻孔压水段所有结构面总体渗透参数，并未针对单一结构面，因此未曾解决单一、交叉结构面的渗流特性定量表征难题，以及现有原位测试试验对栓塞的密闭性能要求极高，使得整套设备制造工艺复杂、操作流程繁琐、成本耗资巨大，限制了栓塞试验的大范围推广应用等难题。本发明采取的技术方案是：一种结构面导水系数试验装置，包括主机系统、供电系统、供水系统和封堵系统；供电系统对主机系统、供水系统与封堵系统供电，供水系统给封堵系统供水，封堵系统伸入到地质结构面内进行测量并将测量的数据传输到主机系统。

Description

结构面导水系数确定方法与试验装置

技术领域

本发明涉及一种结构面导水系数试验装置，尤其是一种可用于岩体裂隙（单条、多条、交叉）、节理密集区、断层破碎带等众多形态地质结构面的渗透参数原位测定，同时适宜粘性土、砂性土、砾石及混凝土等领域地质材料的渗透参数测量的结构面导水系数试验装置；本发明还涉及一种结构面导水系数确定方法，尤其是一种可用于岩体裂隙（单条、多条、交叉）、节理密集区、断层破碎带等众多形态地质结构面的渗透参数原位测定，同时适宜粘性土、砂性土、砾石及混凝土等领域地质材料的渗透参数测量的地质结构面导水系数确定方法。

背景技术

岩体内地质结构面的存在导致岩体各单元间地质、力学、水文特性的泾渭分明。室内试验及工程实例均已证明岩体和岩块的渗透系数存在数量级上的差距，“岩体渗透性主要由其内部结构面的渗透性决定”已成为岩石力学与工程界的公认事实。某种程度上可认为：岩体渗透参数是其内部各类结构面渗透参数在一定评判标准下组合而生。因此各类地质结构面渗透参数的测定在岩体渗透性评价中占据重要的基础地位。

目前地质结构面渗透参数的原位测试通常有单栓塞和双栓塞压水试验。然而此类试验仅能获取钻孔压水段所有结构面总体渗透参数，并未针对单一结构面，因此未曾解决单一、交叉结构面的渗流特性定量表征难题；此外，上述试验对栓塞的密闭性能要求极高，使得整套设备制造工艺复杂、操作流程繁琐、成本耗资巨大，限制了栓塞试验的大范围推广应用。因此，研制一套旨在定量表征各类单一或交叉地质结构面渗透特性的简易量测装置，对区域岩体渗透特性定量评价和水文地质特征研究均有重要工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有原位测试试验仅能获取钻孔压水段所有结构面总体渗透参数，并未针对单一结构面，因此未曾解决单一、交叉结构面的渗流特性定量表征难题，以及现有原位测试试验对栓塞的密闭性能要求极高，使得整套设备制造工艺复杂、操作流程繁琐、成本耗资巨大，限制了栓塞试验的大范围推广应用等难题。

本发明采取的技术方案是：

一种结构面导水系数试验装置，包括主机系统、供电系统、供水系统和封堵系统；供电系统对主机系统、供水系统与封堵系统供电，供水系统给封堵系统供水，封堵系统伸入到地质结构面内进行测量并将测量的数据传输到主机系统；

其中，封堵系统包括传感器检测系统和至少四个串联设置的气囊单元；所述的气囊单元包括气囊壁、密封圈、密封尾翼、刚性环扣、供气管和供水管；密封圈装在气囊壁的外表面，刚性环扣装在气囊壁的两端，密封尾翼装在气囊壁的一端；供气管同时贯穿密封尾翼和刚性环扣并且在与密封尾翼和刚性环扣的贯穿处通过密封紧固件相连；所述传感器检测系统与主机系统相连；

主机系统包括箱体；所述箱体上设有压力调控按钮和渗透压力微调旋钮。

主机系统还包括储气罐、空气压缩机；储气罐与空气压缩机均装在箱体内；所述储气罐的底部设有排水口；所述箱体的外表面上设有插槽和端口。

为了实时观测记录传感器数据，本发明还包括设置在箱体外表面上的显示面板。

供水系统包括电磁流量计和至少一个的水汽交换室；所述水汽交换室通过供气管与主机系统内的储气罐相连，并且水汽交换室通过供水管与电磁流量计的一端相连，电磁流量计的另一端与封堵系统内的供水管相连。

水汽交换室呈中空箱体，其上端面设有进水阀门、供气阀门和气压安全阀门；水汽交换室的底部设有出水阀门和水压安全阀门；所述供气阀门通过供气管与储气罐相连，出水阀门通过供水管与电磁流量计的一端相连。

各个气囊单元之间通过连接杆相连。

传感器检测系统包括数据线连接杆、三个压力传感器和一个温度传感器；所述数据线连接杆贯穿连接杆并且同时贯穿四个气囊单元，三个压力传感器分别位于相邻的两个气囊单元之间的数据线连接杆上，温度传感器位于第二气囊单元与第三气囊单元之间的数据线连接杆上。

为了引导气囊单元能准确地沿着钻孔壁下沉，本发明还包括导向锥，所述导向锥与最末端的气囊单元相连；为了准确定位钻孔内结构面而实现特定结构面的针对性测试，特定结构面高水头作用下张开度演变过程的动态记录可用于试验结果验证，本发明还包括照明装置和摄像装置，所述照明装置和摄像装置均位于第二气囊单元与第三气囊单元之间的数据线连接杆上。

为了能及时的给气囊内部进行加压与泄压，本发明所述的供气管上设有导气孔；为了更有利封堵压水试验测试段，本发明的气囊壁为双弧形环形气囊壁。

本发明还公开了一种结构面导水系数确定方法：包括如下步骤：

a、设备安装和初步调试；本发明的各部件连接完毕后，启动供电系统，储气罐增压，待储气罐压力达1Mpa时停止增压；

b、孔内待测结构面定位；封堵系统缓慢下放到地质结构面测量孔内的待测位置；

c、封堵系统待测段渗透压调整；手控主箱上的渗透压力微调旋钮设定待测段渗透压数值；

d、试验开始，数据记录；打开水汽交换室的出水阀门，对水汽交换室加载渗透压力，保存试验数据；

e、变换封堵系统待测段渗透压，重复进行d、e步骤；

f、试验完毕，压力卸载；试验结束后，关闭水汽交换室的出水阀门，旋转主箱上的渗透压力微调旋钮卸渗透压；待渗透压力归零后，旋转主箱上的压力调控按钮，卸气囊单元内的压力；

g、关闭动力电源，卸载储气罐压力，待归零后，打开储气罐的底部的排水口排出压缩液化冷凝水，按步骤拆分各系统部件，分装入箱。

有益效果

本发明与现有技术相比：1、本装置特配动力转换设备。试验电力源可在交流发电机与直流蓄电池间自由转换，且交流发电机供电的同时可进行直流蓄电池的充电，从而实现两种电力源的高效结合利用。2、本装置结构轻巧，组装简便，大幅度减少野外作业人员工作强度。3、本装置特有的封堵气囊，其压力与温度传感器通过电脑测试软件实时监控气囊封堵密封情况，有效保障了多级高压的稳定调控。4、本装置的水汽交换室内设水压、气压和温度传感器及刻度尺，实现交换室内液面波动实时记录。5、本装置增设有固定支座，快捷固定气囊装置，标定测试段位置，方便理清管线，有效提高实验效率，缩短试验时间。6、本装置具有高压水头和高压气源的增益保护设备。野外作业时可有效保障操作人员安全，提高仪器使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构布置图。

图2是本发明封堵系统的结构剖视图。

图3是本发明的气囊单元的结构剖视图。

图4是图3的A向视图。

图5是本发明主机系统的内部结构示意图。

图6是本发明水汽交换室的结构示意图。

图7是本发明支架的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-附图7和具体实施方式做进一步的描述。

图1是本发明的结构布置图，如图1所示，本发明的结构面导水系数试验装置，包括两个水汽交换室27、主机系统38、供电系统（电源）39、封堵系统41、支座33和处理设备45。电源对主机系统38、水汽交换室27和封堵系统41进行供电，水汽交换室27给封堵系统41供水，封堵系统41伸入到地质结构面内进行测量并将测量的数据传输到主机系统38内；支座33设置在地质结构面测量孔的上方，支座33与封堵系统41相连，用于调整封堵系统41进入测量孔的深度。

本发明的供电系统39为采用下述两种供电方式中的任一一种：

方式一：发电机供电；方式二：蓄电池供电。通常情况下，由一台2000W/220V（50Hz）的发电机提供野外作业的动力和电力，紧急情况下可更换为备用蓄电池提供临时电源以保障试验顺利开展。

图2是本发明封堵系统的结构剖视图，如图2所示，本发明的封堵系统41包括四个串联设置的气囊单元、传感器检测系统、导向锥19、照明装置5和摄像装置6，其垂直布置时，按照从上到下，每个气囊单元所在位置所对应的功能依次为检测气囊E、压水气囊F、压水气囊F和检测气囊E；上述布置将裂隙岩体结构面钻孔压水试验区域分成三段，按照从上到下依次为上压水检测段B、压水试验段C和下压水检测段G。四个气囊单元之间通过连接杆9相连。每相邻两个气囊单元内的供气管8和供水管7相对应连接。

传感器检测系统包括数据线连接杆20、三个压力传感器3和一个温度传感器4；所述数据线连接杆20贯穿连接杆9并且同时贯穿四个气囊单元，三个压力传感器3分别位于相邻的两个气囊单元之间的数据线连接杆20上，温度传感器4位于第二气囊单元与第三气囊单元之间的数据线连接杆20上。

导向椎19位于下检测气囊2底部中央，重量5kg，形状倒锥体，引导气囊沿着钻孔壁下沉，导向椎19与下检测气囊2连接采用螺纹对接。

照明装置5设有LED灯装置，LED灯装置5和摄像装置6设置在压水试验段内，通过装置接口与数据线连接杆连接，装置接口在数据线连接杆上开槽铆合密封固定。

图3是本发明的气囊单元的结构剖视图，如图3所示，本发明的气囊单元包括气囊壁14、密封圈15、密封尾翼11、刚性环扣12、供气管8和供水管7。密封圈15装在气囊壁14的外表面，刚性环扣12装在气囊壁14的两端，密封尾翼11装在气囊壁14的一端；供气管8同时贯穿密封尾翼11和刚性环扣12并且在与密封尾翼11和刚性环扣12的贯穿处通过密封紧固件18相连。

气囊一端部设有密封尾翼11，压水测试时因水压作用自密封钻孔岩壁。密封尾翼11与刚性环扣12通过密封紧固件18的垫板紧固黏贴。气囊壁耳13与刚性环扣12通过机械铆合紧固。

气囊壁14采用双弧环形设计加工，压水测试时增加了与钻孔壁接触面积，能有效封堵试验段。双弧环凹处增加密封圈15，一是压水测试时增加与钻孔壁接触面积，能有效封堵试验段；二是压水测试完毕，密封圈15及时收缩环形气囊壁14，能有效保护环形气囊壁14被钻孔壁磨损。

气囊单元内的供气管8，在管壁周边均匀布设有Φ2mm导气孔16，能及时加压与泄压。

图5是本发明主机系统的内部结构示意图，如图5所示，本发明的主机系统38包括箱体21、储气罐22、空气压缩机23；储气罐22与空气压缩机23均装在箱体21内；所述储气罐22的底部设有排水口24；所述箱体21的外表面上设有插槽和端口。所述的插槽用于与外部数据排线相连，端口与外部的处理设备45相连，用来实时采集各传感器数据、调控初始压力、记录变化规律，最终计算得出渗透参数并绘制相关曲线图。

本发明所采用的处理设备45为笔记本电脑。

本发明主机系统38内采用的储气罐22为现有技术中的高压储气罐，其具体结构本发明不做详细的说明。

本发明主机系统38内采用的空气压缩机23为现有技术中的空气压缩机，其具体结构本发明不做详细的说明。

本发明主机系统38还包括压力调控、数据显示、稳温散热和漏气漏电防护等设备。其中压力调控设置与箱体面板上，包括封堵系统内的气囊单元的压力调控按钮和渗透压力微调旋钮，用于手动调控输出压力。数据显示为设置在箱体21外表面上的显示面板，所述的显示面板为荧管数显，用于实时观测记录传感器数据。为使荧管数显管屏的测读角度最佳同时尽量减少野外直射光造成的读数误差，将箱体面板制成半幅水平面顺连半幅斜面的形式，量测仪表集中安置于坡度约30～45°的斜面板上；设置在箱体21内的稳温散热和漏气漏电防护等设备包括电流逆变器、电流稳压器、微控集成电器和气压安全阀门。另配备橡胶减震垫，用于提高主机工作稳定性，减少压缩机作业时的振荡干扰。

本发明的供水系统40包括电磁流量计26和至少一个的水汽交换室27；所述水汽交换室27通过供气管8与主机系统内的储气罐22相连，并且水汽交换室27通过供水管7与电磁流量计26的一端相连，电磁流量计26的另一端与封堵系统41内的供水管7相连。

图6是本发明水汽交换室的结构示意图，如图6所示，水汽交换室27呈中空箱体，其上端面设有进水阀门28、供气阀门29和气压安全阀门32；水汽交换室27的底部设有出水阀门30和水压安全阀门31；所述供气阀门29通过供气管与储气罐22相连，出水阀门30通过供水管与电磁流量计26的一端相连。水汽交换室27采用耐高温、高压且防爆透明树脂材料制成的中空箱体，并且其箱体的两侧壁各设置一组刻度尺46，便于实时渗流量的现场观察记录，两组相互对照可减少读数误差。水汽交换室27的上箱体盖和下箱体盖采用高强度钢板制作，厚度2.5cm，上箱体盖和下箱体盖连接采用￠2cm实心刚性圆杆螺纹拧固连接，刚性实心圆杆共6根，呈60°布置于上箱体盖和下箱体盖之间。电磁流量计26采用高低两种量程的流量计并联接入方式，可根据待测结构面类型自由选取合适量程开展试验；水压安全阀门31和气压安全阀门32，用于保护操作人员和仪器安全。

为了使得在使用现场便于检测水汽交换室27的放置是否水平，本发明的水汽交换室27的上箱体盖表面上设有三组水平泡42，所述的三组水平泡两两之间呈120°夹角。

图7是本发明支座的结构示意图，如图6所示。本发明的支座33包括固定盘34和至少两个的伸缩支腿35；本发明采用三个伸缩支腿的结构；所述的固定盘34上均布设有有三个圆孔；所述的三个圆孔位于同一圆周上。所述的三个伸缩支腿35分别贯穿三个圆孔。三个伸缩支腿35与固定盘34的固定是通过设置在固定盘34外侧面上的三个固定销36来实现的。

采用本装置进行地质结构面导水系数确定方法，其具体的步骤如下所述：

a、设备安装和初步调试；本发明的各部件连接完毕，启动电源开关，储气罐22增压，待储气罐22压力达1Mpa时停止增压；封堵系统内的各气囊单元充气后用封堵帽拧紧相关管件检查是否漏气；向水汽交换室27内注满水，检查各供气管8、供水管7、水管连接件、气管连接件是否密闭；检查数显屏面板指示灯及显示数据是否异常；检查笔记本电脑与主机系统38连接是否正常；检查各安全阀与开关是否正常。

b、孔内待测结构面定位；支座33固定于测量孔口的上方，封堵系统41通过支座33缓慢下放到地质结构面测量孔内的待测位置，同时开启内置LED照明灯和微型照摄像装置，在电脑同步呈现的孔壁探测影像中仔细搜寻与钻孔交切的地质结构面，照摄像装置记录待测结构面形态及充填物特征，定位标尺测记结构面位置，定位封堵气囊单元，同时等水位稳定后水压传感器3测记孔内水头，温度传感器4记录当前水温。

c、封堵系统待测段渗透压调整；手控主箱21上的渗透压力微调旋钮设定待测段渗透压数值；此过程应注意各传感器数值变化，处理设备（笔记本电脑）内的测试软件对各传感器反馈信息采集分析，动态增益补偿手设渗透压，从而确保渗透压满足试验要求。

d、试验开始，数据记录；打开水汽交换室27的出水阀门30，在处理设备（笔记本电脑）内的测试软件中设定初始压水时间、数据采集频率，对水汽交换室27加载渗透压力，所得试验数据自动记录保存于测试软件。

e、变换封堵系统待测段渗透压，重复进行d、e步骤；

f、试验完毕，压力卸载；试验结束后，关闭水汽交换室27的出水阀门30，旋转主箱21上的渗透压力微调旋钮卸渗透压；待渗透压力归零后，旋转主箱21上的压力调控按钮，卸气囊单元内的压力；气囊压归零后，拧松支座33上的固定销36，提升供水管7、供气管8及封堵系统部件。

g、关闭动力电源，打开主机系统的气压安全阀，卸载储气罐22压力，待归零后，打开储气罐22的底部的排水口23排出压缩液化冷凝水，按步骤拆分各系统部件，分装入箱。

Claims (10)

1.一种结构面导水系数试验装置，其特征在于，包括主机系统（38）、供电系统（39）、供水系统（40）和封堵系统（41）；供电系统（39）对主机系统（38）、供水系统（40）与封堵系统（41）供电，供水系统（40）给封堵系统（41）供水，封堵系统（41）伸入到地质结构面内进行测量并将测量的数据传输到主机系统（38）；

其中，封堵系统（41）包括传感器检测系统和至少四个串联设置的气囊单元；所述的气囊单元包括气囊壁（14）、密封圈（15）、密封尾翼（11）、刚性环扣（12）、供气管（8）和供水管（7）；密封圈（15）装在气囊壁（14）的外表面，刚性环扣（12）装在气囊壁（14）的两端，密封尾翼（11）装在气囊壁（14）的一端；供气管（8）同时贯穿密封尾翼（11）和刚性环扣（12）并且在与密封尾翼（11）和刚性环扣（12）的贯穿处通过密封紧固件（18）相连；所述传感器检测系统与主机系统相连（38）；

主机系统（38）包括箱体（21）；所述箱体（21）上设有压力调控按钮和渗透压力微调旋钮；

供水系统（40）包括至少一个水汽交换室（27）；所述的水汽交换室（27）上设有出水阀门（30）。

2.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，主机系统（38）还包括储气罐（22）、空气压缩机（23）；储气罐（22）与空气压缩机（23）均装在箱体（21）内；所述储气罐（22）的底部设有排水口（24）；所述箱体（21）的外表面上设有插槽和端口。

3.如权利要求2所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，还包括设置在箱体（21）外表面上的显示面板。

4.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，供水系统（40）还包括电磁流量计（26）；所述水汽交换室（27）通过供气管（8）与主机系统内的储气罐（22）相连，并且水汽交换室（27）通过供水管（7）与电磁流量计（26）的一端相连，电磁流量计（26）的另一端与封堵系统（41）内的供水管（7）相连。

5.如权利要求4所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，所述的水汽交换室（27）呈中空箱体，其上端面设有进水阀门（28）、供气阀门（29）和气压安全阀门（32）；水汽交换室（27）的底部设有水压安全阀门（31）；所述供气阀门（29）通过供气管（8）与储气罐（22）相连，出水阀门（30）通过供水管（7）与电磁流量计（26）的一端相连。

6.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，所述的各个气囊单元之间通过连接杆（9）相连。

7.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，所述传感器检测系统包括数据线连接杆（20）、三个压力传感器（3）和一个温度传感器（4）；所述数据线连接杆（20）贯穿连接杆（9）并且同时贯穿四个气囊单元，三个压力传感器（3）分别位于相邻的两个气囊单元之间的数据线连接杆（20）上，温度传感器（4）位于第二气囊单元与第三气囊单元之间的数据线连接杆（20）上。

8.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，还包括导向锥（19）、照明装置（5）和摄像装置（6），所述导向锥（19）与最末端的气囊单元相连；所述照明装置（5）和摄像装置（6）均位于第二气囊单元与第三气囊单元之间的数据线连接杆（20）上。

9.如权利要求1所述的结构面导水系数试验装置，其特征在于，所述的供气管（8）上设有导气孔（16）；所述的气囊壁（14）为双弧形环形气囊壁。

10.采用权利要求1至9任一项所述的结构面导水系数试验装置的结构面导水系数确定方法：其特征在于：包括如下步骤：

a、设备安装和初步调试；本发明的各部件连接完毕后，启动供电系统（39），储气罐（22）增压，待储气罐（22）压力达1Mpa时停止增压；

b、孔内待测结构面定位；封堵系统（41）缓慢下放到地质结构面测量孔内的待测位置；

c、封堵系统待测段渗透压调整；手控主箱（21）上的渗透压力微调旋钮设定待测段渗透压数值；

d、试验开始，数据记录；打开水汽交换室（27）的出水阀门（30），对水汽交换室（27）加载渗透压力，保存试验数据；

e、变换封堵系统待测段渗透压，重复进行d、e步骤；

f、试验完毕，压力卸载；试验结束后，关闭水汽交换室（27）的出水阀门（30），旋转主箱（21）上的渗透压力微调旋钮卸渗透压；待渗透压力归零后，旋转主箱（21）上的压力调控按钮，卸气囊单元内的压力；

g、关闭动力电源，卸载储气罐（22）压力，待归零后，打开储气罐（22）的底部的排水口（23）排出压缩液化冷凝水，按步骤拆分各系统部件，分装入箱。

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