CN104819926A - 裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法，该装置包括计算机伺服控制系统、围压室、液压系统、控温系统、化学溶液系统，液压系统和围压室之间分别通过围压装置、轴压装置和渗流装置连接，控温系统设在围压室外，化学溶液系统和渗流装置相连。试验方法包括以下步骤：打开液压系统，加载油源；将试样放入压力室内；加载轴压、围压；加载渗流压力；加载化学场；施加温度；数据测量。本发明采用四场加载系统相互独立，可真实模拟高水压、大水力梯度、温变、水化学复杂条件下裂隙岩石的渗透特性、力学特性演变试验研究，并可进行岩石变形破坏和渗透、应力、化学、温度耦合的全过程试验研究。

Description

裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及深部岩体渗透试验领域，特别是涉及一种满足高应力、高水压、温度、水化学等复杂条件下裂隙岩石的渗透试验装置及渗透试验方法。

背景技术

水电工程、核废料深埋处置、非常规能源开采等工程都是建在复杂的深部岩石基础上，这些深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及水化学环境中，会发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学（THMC）耦合作用。目前，对岩石THMC耦合作用的研究主要处在理论研究阶段。

已有法国TOP TNDUSTRIE公司生产的三轴流变实验系统，可加载围压、轴压和孔隙水压。武汉岩土力学研究所研制一套应力-水流-化学耦合的力学试验系统，能够进行多项岩石力学细观试验，该试验系统主要用于在化学因素影响下的力学特性变化。

但是现有技术的渗透试验装置设计功能单调，设置实验条件比较少，无法进一步综合探讨多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性演化机制。而温度条件对于研究岩土体的渗透性变化是很有大的意义的；温度条件在岩土体的存在环境中作为一个场的性质存在能够影响地下水渗流场、应力场、水化学反应，使得岩土体，特别是裂隙岩体时时处于多因素构成的动态平衡体系中。而温度、应力、化学、水流同时共同作用下的岩体，其特性会受到很大的影响，其中渗透率和岩石强度会发生很大的变化，而这项研究又具有重要的工程价值。它们的研究可应用于工程体修筑在不良地质灾害（包括涌水、岩爆和岩体失稳等）、研究大型地下工程中地质灾害的预测预报和深层地下水开发等方面。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法，该试验装置精度较高，能够提供高应力、高水压、温度、化学等复杂试验环境，可用于研究流固化热多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性演化机制。

本发明采用以下技术方案：

    裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，包括计算机伺服控制系统、围压室、液压系统、控温系统、化学溶液系统，液压系统和围压室之间分别通过围压装置、轴压装置和渗流装置连接，化学溶液系统和渗流装置相连；

化学溶液系统包括蓄水箱和溶液存放器；围压装置包括承压油缸；轴压装置包括轴向油缸，液压系统和围压室之间通过轴向油缸连接；渗流装置包括高压油水转换装置、低压油水转换装置、高压传感器、低压传感器和流量传感器；高压油水转换装置上设有高压传感器，低压油水转换装置上设有低压传感器，高压油水转换装置和低压油水转换装置均通过流量传感器连接到围压室；

围压室内部从上到下依次设有轴向立柱、上传力柱和下传力柱，围压室外部连接有冷却水箱和体变测量仪；

控温系统包括加温管、冷却管、加温控制器和制冷器，加温管和冷却管设在围压室内部，加温控制器和制冷器设在围压室外部，加温管和加温控制器连接，冷却管和制冷器连接。

作为优选，围压装置还包括二位三通阀、电液比例阀、二位四通阀、围压供油阀和围压放油阀，二位三通阀、电液比例阀、二位四通阀、承压油缸、围压供油阀和围压放油阀依次连接，围压放油阀和围压室连接，二位三通阀和液压系统连接。

作为优选，轴压装置还包括轴压下腔供油阀、轴压下腔放油阀、轴压上腔供油阀和轴压上腔放油阀，四者并联连接，且设在液压系统和轴向油缸之间。

作为优选，控温系统还包括温度传感器，温度传感器设在围压室内部。

作为优选，还包括压力室上板和承力柱，压力室底座和压力室上板之间通过承力柱连接，轴向立柱固定连接在压力室上板底部，压力室底座和压力室上板相互平行，压力室底座和承力柱相互垂直，所述的承力柱设有四根。

上述裂隙岩石的多场耦合渗透试验方法，包括以下步骤：

第一步，打开液压系统，为系统加载油源；

第二步，将试样放入围压室内，在试样上设置径向应变片，且将径向应变片连接到径向应变计；

第三步，加载围压，液压系统中的液压油通过承压油缸进入围压室；

第四步，加载轴压，向轴向油缸注油，试样通过轴向立柱、上传力柱和下传力柱产生轴压；

第五步，溶液存放器内的溶液通过高压油水转换装置或低压油水转换装置，增加油压使溶液流入围压室内，高压传感器、低压传感器、流量传感器测量记录数据；

第六步，蓄水箱内的水和溶液存放器内的溶液加载化学场；

第七步，加温控制器、制冷器分别通过加温管、冷却管控制围压室内的温度处于-30℃～150℃；

第八步，渗出水体流出围压室进入冷却水箱进行数据测量，体变测量仪测量冷却水箱的水位变化值。

以上步骤中，计算机伺服控制系统分别控制围压装置、轴压装置和渗流装置的围压、轴压和渗透压。

本发明利用高精度的伺服控制台，同时输出四路压力，用以单独控制围压、轴压和渗透压，且能保证设定压力长期稳定不变，提高试验精度，可以对渗进水量及渗出水量进行准确计量，对围压的补充量、退出量进行精确计量。蓄水箱处设有升温装置，围压室外设置加温控制器和制冷器，可加热、制冷或保温，用于加载温度场，在渗水通道上并有化学溶液自配系统，用来加载化学场。本发明将渗出的高温水或蒸气经冷却水箱后变为低温水进行真实检测。

采用四柱式承力柱，增大轴向加载范围。

采用体变测量装置，对渗出水进行准确测量；采用径向应变计，对试样径向变形进行测量。

作为优选，围压室采用高强度合金钢制成。并且作了防水处理，可以扩大围压加载的上限。

作为优选，渗流装置上连接有真空泵，实现高压渗水。

作为优选，试样为Φ50*100、Φ100*200的圆柱形岩石。

本发明可以采用全自动、半自动和手动三种控制模式，对轴压、围压、渗透压和轴向位移进行精确独立控制。

为了提高控制精度及系统的长期运行稳定对轴压、围压、渗透压的控制，本发明采用双闭环控制系统（该控制系统电机泵组可停机工作的节能设备）。

计算机伺服控制系统，采用模块化设计，程序编写灵活，可随时调整而不影响当前试验状态，而且可保证试验条件保持不变长达一年。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的温度、渗流、应力、化学四场的加载系统相互独立，针对岩石（体）所赋存在的地应力条件，可真实模拟高水压、大水力梯度、温变、水化学复杂条件下裂隙岩石的渗透特性、力学特性演变试验研究。

（2）加温方式：舍弃对流动水的加温，未采用功耗极大而效果极差的管路加温方式，采用功耗较低效果极佳的对蓄水箱的水直接加温到使用温度，并对管路及压力室进行保温加温的加热方式，保证渗进水的真实温度。

（3）压力室内真实温度测量，未采用常规做法在压力壁上钻孔进行间接测量，而将传感器直接放进压力室内进行测量。

附图说明

图1为裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置的原理示意图。

图2为液压系统的结构示意图。

图3为轴压加载系统和围压加载系统示意图。

图4为化学场加载系统和渗流场加载系统示意图。

图5为压力室及渗出水测量系统示意图。

图6为裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置的结构示意图。

图中，各数字代表含义如下：1、油箱；2、电动机油泵；3、油滤；4、单向阀；5、储能器；6、压力表；7、总泄压阀；8、溢流阀；9、二位三通阀；10、阀门堵头；11、电液比例阀；12、二位四通阀；13、承压油缸；14、围压供油阀；15、围压放油阀；16、第一传感器；17、围压进油孔；18、围压室；19、轴向油缸；20、轴压下腔供油阀；21、轴压下腔放油阀；22、轴压上腔供油阀；23、轴压上腔放油阀；24、压力室体；25、上传力柱；26、加温管；27、冷却管；28、试样；29、压力室底座；30、下传力柱；31、渗流入口；32、渗流出口；33、轴向立柱；34、围压室出气孔道；35、加温控制器；36、制冷器；37、温度传感器；38、冷却水箱；39、体变测量仪；40、手动调速阀；41、加热器；42、蓄水箱；43、压力变送器；44、智能电磁调节阀；45、流量传感器；46、溶液存放器；47、高压油水转换装置；48、低压油水转换装置；49、第一高压渗透控制阀；50、第二高压渗透控制阀；51、第一低压渗透控制阀；52、第二低压渗透控制阀；53、高压传感器；54、低压传感器；55、水槽；56、承力柱；57、压力室上板；58、径向应变片；59、径向应变计；60、计算机伺服控制系统；61、控温系统；62：液压系统；63、化学溶液系统；64、压力室系统；65、测量系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的试验装置及试验方法作进一步详细说明。

实施例1

图1是裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置的原理示意图，本发明由计算机伺服控制系统60、液压系统62、控温系统61、化学溶液系统63、压力室系统64和测量系统65组成。其中，计算机伺服控制系统通过控制液压系统、控温系统和化学溶液系统向压力室系统中施加多场耦合试验条件（如加热、制冷、围压、轴压、渗压、化学场），而测量系统通过测量各系统中的相关量，将结果反馈回计算机系统，通过计算机中的软件设置做出相关操作，直到试验结束。

本发明可通过计算机伺服系统自动控制试验，亦可采用手动或半自动的试验方法，该装置的整体结构示意图如图6所示。

参照图2，液压系统包括油箱1、电动机油泵2、油滤3、单向阀4、储能器5、压力表6、总泄压阀7和溢流阀8，油箱1、电动机油泵2、油滤3、单向阀4、储能器5依次连接，储能器5和油箱1之间还设有另一管路，通过溢流阀8控制，储能器5上设有压力表6和总泄压阀7。

参照图3和图4，液压系统和围压室18之间通过围压装置、轴压装置和渗流装置连接。

围压装置包括依次连接的二位三通阀9、电液比例阀11、二位四通阀12、承压油缸13、围压供油阀14，围压室18底部设有围压进油孔17，围压供油阀14和围压进油孔17之间设有围压放油阀15，二位三通阀9上设有阀门堵头10。

轴压装置包括轴向油缸19、轴压下腔供油阀20、轴压下腔放油阀21、轴压上腔供油阀22和轴压上腔放油阀23，液压系统和围压室18之间通过轴向油缸19连接，液压系统和轴向油缸19之间设有相互并联的轴压下腔供油阀20、轴压下腔放油阀21、轴压上腔供油阀22、轴压上腔放油阀23。

渗流装置包括高压油水转换装置47、低压油水转换装置48、高压传感器53、低压传感器54和流量传感器45。高压油水转换装置47和液压系统通过第一高压渗透控制阀49和第二高压渗透控制阀50连接，低压油水转换装置48和液压系统通过第一低压渗透控制阀51和第二低压渗透控制阀52连接；高压油水转换装置47上设有高压传感器53，低压油水转换装置48上设有低压传感器54，高压油水转换装置47和低压油水转换装置48均通过流量传感器45连接到围压室18。

化学溶液系统包括蓄水箱42和溶液存放器46，溶液存放器46通过单向阀分别连接高压油水转换装置47和低压油水转换装置48，蓄水箱42上设有压力变送器43，蓄水箱42内设有加热器41，蓄水箱42的出水端设有智能电磁调节阀44。

参照图5，围压室18包括压力室体24和压力室底座29，压力室底座29上方依次设有下传力柱30、试样28、上传力柱25和轴向立柱33。轴向立柱33固定在压力室上板57底部，试样28上设有径向应变片58，径向应变片58与径向应变计59相连。压力室底座29和压力室上板57之间通过承力柱56连接，压力室底座29和压力室上板57相互平行，压力室底座29和承力柱56相互垂直，所述的承力柱56设有四根。围压进油孔17设在压力室底座29；轴向立柱33上设有渗流入口31，高压油水转换装置47和低压油水转换装置48中的溶液最终连接到渗流入口31；围压室18底部设有渗流出口32，渗流出口32上依次连接有第一传感器16、冷却水箱38、手动调速阀40、体变测量仪39和水槽55。

控温系统包括加温管26、冷却管27、温度传感器37、加温控制器35和制冷器36，围压室出气孔道34和温度传感器37设在压力室体24上。加温管26和冷却管27设在围压室18内部，加温控制器35和制冷器36设在围压室18外部，加温管26和加温控制器35连接，冷却管27和制冷器36连接。

实施例2

液压系统：如图2所示，依靠电动机油泵2将油箱1中的油液泵入储能器5中，管路中装有单向阀4，保证油液不能反相流动。当液压油充入储能器5中时，储能器5中的氮气被压缩，把压力储存起来，压力表6会显示出储能器5中的液压大小。如果储能器5中的压力大于设定值，多余的油将通过溢流阀8流回油箱。如果液压系统中需要增加液压油，则储能器5中的气体膨胀力推动液压油排出，补充液压系统。

实施例3

围压的加载和卸载：如图3、图5所示，

试验时，手动打开围压供油阀14，液压系统中的液压油将通过二位三通阀9、电液比例阀11、二位四通阀12、承压油缸13、围压供油阀14及围压进油孔17，充入到围压室18中，当围压室出气孔道34中有油冒出时，围压室18中充满围压油，立即关闭围压供油阀14，关闭围压室出气孔道34。加载围压时，打开围压供油阀14，液压油源将通过供油系统逐渐向围压室18加压，第一传感器16可监测围压大小。在加载围压时，可通过时开时关围压供油阀14的方法，进行分级加载。由于油泵供油采用脉冲方式，关闭围压供油阀14后多余的液压油将通过并联的电液控制阀和二位三通阀流回油箱，达到降压的效果。

试验结束后，关闭围压供油阀14，打开围压放油阀15，卸去压力，打开围压室出气孔道34，利用压力N₂将围压室18内的油吹回油箱1，以供循环利用。

实施例4

轴压的加载和卸载：如图3、图5所示。

加载轴压时，打开轴压下腔供油阀20，向轴向油缸19的下腔注油，上下腔产生压差，上腔开始压缩，从而给压力室底座29提供向上压力，轴向立柱33固定不动，通过上下传力柱25、30，试样28将产生轴向压力。轴向立柱33内设置有压力传感器，可实时监测轴压大小。轴压加载方式与围压加载方式相同，下腔加载系统中并有电液比例阀与二位三通阀，起到降压效果。

卸载轴向压力时，可打开轴压下腔放油阀21，利用压力室体自重及轴向油缸19上腔压力，使下腔压缩，来卸载轴压；也可以采用向轴向油缸19上腔注油的方式，慢慢将下腔压缩，达到卸载轴压的目的。如果轴向油缸19上腔的压力较大，影响轴压加载速度，可打开轴压上腔放油阀23，将上腔中的液压油放回至油箱。

实施例5

渗流场的加载：渗压系统包括高压油水转换装置（0~30MPa）和低压油水转换装置48（0~0.4MPa）。

高压渗流加载：如图4和5所示，将溶液存放器46中盛放预定的溶液，通过单向阀，流入高压油水转换装置47的上部水腔中，打开第一高压渗透控制阀49和（或）第二高压渗透控制阀50，液压油将会通过二位三通阀、电液比例阀及二位四通阀流入高压油水转换装置47的下部油腔中，油压的增加会将水腔中的水通过单向阀压及渗流入口31流入试样28内，通过高压传感器53及流量传感器45获得相关的数据，导入计算机系统中，进行反馈、调节、记录等其他操作。

低压渗流加载：加载时，打开第一低压渗透控制阀51和（或）第二低压渗透控制阀52，其余部分与高压渗透加载的步骤相同。

化学场的加载：通过改变溶液存放器46中的溶液，即将蓄水箱42中的水代替为相应的化学溶液，来加载化学场。

实施例6

如图3、图4、图5所示，控温系统包括加温和致冷两部分。

加温：通电后，在压力变送器43作用下，加热器41可对蓄水箱42中的水加热至预定温度（最高150℃），同时进行实时监测。通过智能电磁调节阀44和流量传感器45控制蓄水箱中热水的出流量，在水流管路上包有良好的保温材料，使得渗入试样的水温非常接近试验温度。

在加温控制器35设定温度后，通过加温管26对围压室18内的油进行加热，温度传感器37深入到压力室内，能够准确测出压力室内温度，达到预设温度后，加温控制器35停止工作。若是压力室内热量传出后，温度传感器37感应到温度降低后，加温控制器35开始加热。

加温系统包括两方面：压力室加温和渗进水的加温，两者相互结合保证了试验时温度的准确性。

致冷：与加热压力室同理。制冷器36通电工作后，通过冷却管27对围压室18致冷，结合温度传感器37的反馈，将围压室18内的温度控制在预定试验温度。

实施例7

数据测量：如图5所示，渗出水体经渗流出口32进入冷却水箱38将渗出的高温水或放出蒸汽变为低温水以便进行真实测量，再由体变测量仪39测得冷却水箱38中的水位变化值，计算机即可根据检测的水位变化值计算得到精确的渗出水体积量，以此渗出水变化量研究应力-渗流-温度-化学四场耦合作用下裂隙岩体的渗透特性。

实施例8

参考图6，本发明装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步，打开液压系统，为系统加载油源；

第二步，将试样（28）放入围压室（18）内，在试样（28）上设置径向应变片（58），且将径向应变片（58）连接到径向应变计（59）；

第三步，加载围压：液压系统中的液压油通过承压油缸（13）进入围压室（18）；

第四步，加载轴压：向轴向油缸（19）注油，试样（28）通过轴向立柱（33）、上传力柱（25）和下传力柱（30）产生轴压；

第五步，加载渗流压力：溶液存放器（46）内的溶液通过高压油水转换装置（47）或低压油水转换装置（48），增加油压使溶液流入围压室（18）内，高压传感器（53）、低压传感器（54）、流量传感器（45）测量记录数据；

第六步，加载化学场：蓄水箱（42）内的水和溶液存放器（46）内的溶液加载化学场；

第七步，施加温度：加温控制器（35）、制冷器（36）分别通过加温管（26）、冷却管（27）控制围压室（18）内的温度处于-30℃～150℃；

第八步，数据测量：渗出水体流出围压室（18）进入冷却水箱（38）进行数据测量，体变测量仪（39）测量冷却水箱（38）的水位变化值。

以上步骤中，计算机伺服控制系统分别控制围压装置、轴压装置和渗流装置的围压、轴压和渗透压。

设备调试时，渗透压控制系统从0~30MPa不断加压，在小于0.4MPa时控制步长为0.05MPa，在0.4到30MPa时控制步长0.5MPa，每步长稳定30分钟，压力波动小于±5%；围压从0~30MPa不断加压，加载步长为1MPa，每步长稳定30分钟，压力波动小于±5%；轴压从0~1500KNb不断加压，加载步长为30KN，每步长稳定30分钟，压力波动小于±5%。

各压力系统加载控制精确，力控制达0.5%，位移控制达0.001mm，应变控制≤3με，运行灵活，能随时调整试验工况而不影响当前试验状态。确定各控制系统精度后，选取围压2.5MPa，轴压30KN，渗压0.3MPa，温度40℃进行一年的稳态试验，实验过程中各试验条件保持不变，控制系统稳压性能良好。

本试验装置能够进行高温（室温～150℃）、低温（室温～-30℃）、高压等各种应力条件裂隙岩石渗透特性测试研究，并可进行岩石变形破坏和渗透、应力、温度、化学耦合的全过程试验研究。

Claims (6)

1.裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，其特征在于，包括计算机伺服控制系统（60）、围压室（18）、液压系统（62）、控温系统（61）、化学溶液系统（63），液压系统（62）和围压室（18）之间分别通过围压装置、轴压装置和渗流装置连接，化学溶液系统（63）和渗流装置相连；

化学溶液系统（63）包括蓄水箱（42）和溶液存放器（46）；围压装置包括承压油缸（13）；轴压装置包括轴向油缸（19），液压系统和围压室（18）之间通过轴向油缸（19）连接；渗流装置包括高压油水转换装置（47）、低压油水转换装置（48）、高压传感器（53）、低压传感器（54）和流量传感器（45）；高压油水转换装置（47）上设有高压传感器（53），低压油水转换装置（48）上设有低压传感器（54），高压油水转换装置（47）和低压油水转换装置（48）均通过流量传感器（45）连接到围压室（18）；

围压室（18）内部从上到下依次设有轴向立柱（33）、上传力柱（25）和下传力柱（30），围压室（18）外部连接有冷却水箱（38）和体变测量仪（39）；

控温系统（61）包括加温管（26）、冷却管（27）、加温控制器（35）和制冷器（36），加温管（26）和冷却管（27）设在围压室（18）内部，加温控制器（35）和制冷器（36）设在围压室（18）外部，加温管（26）和加温控制器（35）连接，冷却管（27）和制冷器（36）连接。

2.根据权利要求1所述的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，其特征在于，围压装置还包括二位三通阀（9）、电液比例阀（11）、二位四通阀（12）、围压供油阀（14）和围压放油阀（15），二位三通阀（9）、电液比例阀（11）、二位四通阀（12）、承压油缸（13）、围压供油阀（14）和围压放油阀（15）依次连接，围压放油阀（15）和围压室（18）连接，二位三通阀（9）和液压系统连接。

3.根据权利要求1所述的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，其特征在于，轴压装置还包括轴压下腔供油阀（20）、轴压下腔放油阀（21）、轴压上腔供油阀（22）和轴压上腔放油阀（23），四者并联连接，且设在液压系统和轴向油缸（19）之间。

4.根据权利要求1所述的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，其特征在于，控温系统（61）还包括温度传感器（37），温度传感器（37）设在围压室（18）内部。

5.根据权利要求1所述的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，其特征在于，还包括压力室上板（57）和承力柱（56），压力室底座（29）和压力室上板（57）之间通过承力柱（56）连接，轴向立柱（33）固定连接在压力室上板（57）底部，压力室底座（29）和压力室上板（57）相互平行，压力室底座（29）和承力柱（56）相互垂直，所述的承力柱（56）设有四根。

6.基于权利要求1所述的裂隙岩石的多场耦合渗透装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，打开液压系统，为系统加载油源；

第二步，将试样（28）放入围压室（18）内，在试样（28）上设置径向应变片（58），且将径向应变片（58）连接到径向应变计（59）；

第三步，加载围压，液压系统中的液压油通过承压油缸（13）进入围压室（18）；

第四步，加载轴压，向轴向油缸（19）注油，试样（28）通过轴向立柱（33）、上传力柱（25）和下传力柱（30）产生轴压；

第五步，溶液存放器（46）内的溶液通过高压油水转换装置（47）或低压油水转换装置（48），增加油压使溶液流入围压室（18）内，高压传感器（53）、低压传感器（54）、流量传感器（45）测量记录数据；

第六步，蓄水箱（42）内的水和溶液存放器（46）内的溶液加载化学场；

第七步，加温控制器（35）、制冷器（36）分别通过加温管（26）、冷却管（27）控制围压室（18）内的温度处于-30℃～150℃；

第八步，渗出水体流出围压室（18）进入冷却水箱（38）进行数据测量，体变测量仪（39）测量冷却水箱（38）的水位变化值；

以上步骤中，计算机伺服控制系统分别控制围压装置、轴压装置和渗流装置的围压、轴压和渗透压。