CN105372117B - 一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，包括高压强气体增压系统、高压强气体转化高水压系统、水岩作用器。所述水岩作用器设有风干控制系统、水扰动装置。本发明一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及其方法，通过高压强气体转化系统、高强气压转化高水压系统、将风干控制水岩作用器内水压转为高压强状态下的水样，并进行高水压状态下的水岩力学试验，为水电工程中深埋长大引水隧洞岩体在长期水岩作用下的劣化机理分析提供试验平台，为水电工程稳定评价和防护提供技术支撑。

Description

一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种水电工程中水岩作用试验技术领域，更具体涉及一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及其方法。

背景技术

随着一大批水电工程的建设和大西南水电资源的开发，地质灾害监测预警以及地质灾害中长期预报、对水电工程安全稳定性评价的实际要求，关于水对岩体影响的研究提出了更高的要求，不但要求准确掌握水-岩作用下岩石的抗压、抗剪、抗拉等常规物理、力学性质的劣化规律，而且要求掌握高强水压状态下水-岩长期作用力学特性变化规律。饱水岩石在高强水压力作用下的力学性能特征变化一直是岩石力学研究难点所在，其主要原因在于：室内试验条件水压达不到实际要求，无法保证岩石试样处在高强度水压状态进行力学试验。根据发明专利（CN101789198A）模拟库水压力状态下水-岩作用机理实验仪内容所述，实现方式为向岩石溶解仪中人工加水，并通过手动控制将储气瓶中氮气通入岩石溶解仪中气囊，实现对岩石溶解仪内部水体进行加压，该设备在一定程度可以满足科学研究的需要，但是存在如下三个方面的不足：

（1）、该仪器气压控制范围在1MPa以内，气压较低，只能模拟100m水头压力差以内的水岩作用试验，试验并不能满足更高水头压力差条件。

（2）、该设备没有风干装置，不能模拟岩样的风干过程。

（3）、该设备没有温度控制系统，无法控制浸泡时的温度。

因此，开发一种既可实现高强水压状态，又能够模拟风干岩样的水岩作用试验装置是相关领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及其方法，通过高压强气体转化系统、高强气压转化高水压系统、将风干控制水岩作用器内水压转为高压强状态下的水样，并进行高水压状态下的水岩力学试验，为水电工程中深埋长大引水隧洞岩体在长期水岩作用下的劣化机理分析提供试验平台，为水电工程稳定评价和防护提供技术支撑。

本发明所采用的技术方案是：

一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，包括高压强气体增压系统、高压强气体转化高水压系统、水岩作用器。

所述高压强气体增压系统包括氮气气源、气驱气体增压器、静音空气压缩机、三级气体过滤器、冷冻干燥机。静音空气压缩机连接三级气体过滤器，三级气体过滤器连接冷冻干燥机，冷冻干燥机连接气驱气体增压器的工作压力室；静音空气压缩机压缩空气，经过三级气体过滤器、冷冻干燥机将气体导入工作压力室。

氮气气源通过第一调节阀连接气驱气体增压器的驱动活塞；氮气气源经过第一调节阀驱动气驱气体增压器的驱动活塞，实现工作压力室内的气体增压目的，并导入高压气源。

所述高压强气体转化高水压系统包括高压气源、第二调节阀、比例阀、输出压力表、导气管阀、气水压力交换器、循环增压泵、储水箱。高压气源、第二调节阀、比例阀、输出压力表、导气管阀、气水压力交换器依次连接；储水箱连接循环增压泵，循环增压泵连接三向过水管头的c向阀门，三向过水管头的b向阀门连接气水压力交换器的进水孔。

所述水岩作用器设有风干控制系统、水扰动装置，水岩作用器设有通气孔、注水孔、取水样口，注水孔连接三向过水管头的a向阀门，水岩作用器内部设有岩样搁置板。

所述高压强气体增压系统、高压强气体转化高水压系统、风干控制系统分别连接微机，分别进行自动化控制空气增压、自动化控制水压加载、以及稳压、恒温控制风干。

所述岩样搁置板为多层，岩样搁置在岩样搁置板上。

所述水扰动装置包括位于水岩作用器外部的电机,位于水岩作用器内部的风叶轮，所述电机连接所述风叶轮。

所述风干控制系统包括位于水岩作用器内部的加热元件、位于水岩作用器外部的小型鼓风机，所述水岩作用器上预留有鼓风孔。

所述水岩作用器的容器壁包括外部的不锈钢管、内部的有机玻璃管。

本发明一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置及方法，技术效果如下：

1）、气驱气体增压器通过驱动活塞往复工作,对空气进行无油压缩，含有自动保压、操作安全、性价比高等特点。自动保压：无论何种原因造成保压回路压力下降，泵将自动启动，补充泄漏压力，保持回路压力恒定。操作安全：采用气体驱动，无电弧及火花，完全用于有易燃、易爆的液体或气体的场所。性价比高：气体增压泵是一种活塞式泵。工作时，气体增压迅速往复工作，随着输出压力的增高，泵的往复速度减慢直止停止。此时，泵输出的压力恒定，能量消耗最低，各部件停止运动，由于活塞式泵结构简单，故易于维护。从而可以实现将空气转化成具有一定压强空气并通过三级气体过滤器过滤杂质气体，并通过冷冻干燥机干燥具有一定压强空气，然后导向气驱气体增压器，压缩氮气作为气驱气体增压器的驱动气源，得到高压气源。

2）、高强气压转化高水压系统通过囊式气水压力交换器可以得到5MPa水压的水样，该5MPa水压的加压过程为可控匀速加载，当加载到5MPa之后可通过稳压系统将水压控制在压力情况不改变状态。5MPa水压相当于500m水头压力差，因此可以实现500m水头压力差以内的水岩作用，并且实现相应力学性能试验研究、为实际工程应用提供可靠的实验数据。

3）、风干控制装置技术效果：一是加热元件通电实现可控恒温加热，实现在某一恒定水温状态下水岩作用试验；二是一级试验结束后，排掉水样，并通过鼓风机实现对岩样进行某一恒温热风条件下的风干。其结构简单、造价成本低、操作方便。

4）、本发明装置结构简单、操作方便、可以满足高强水压状态和恒温风干程度控制，可以模拟500m水头压力差作用下的水岩作用，以此实现高压强水压状态作用下的力学性能试验研究、为实际工程应用提供可靠的实验数据。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，包括高压强气体增压系统A、高压强气体转化高水压系统B、水岩作用器16。

所述高压强气体增压系统A包括氮气气源4、气驱气体增压器6、静音空气压缩机1、三级气体过滤器2、冷冻干燥机3。

静音空气压缩机1连接三级气体过滤器2，三级气体过滤器2连接冷冻干燥机3，冷冻干燥机3连接气驱气体增压器6的工作压力室29；静音空气压缩机1压缩空气，经过三级气体过滤器2、冷冻干燥机3将气体导入工作压力室29。

氮气气源4通过第一调节阀5连接气驱气体增压器6的驱动活塞28；氮气气源4经过第一调节阀5驱动气驱气体增压器6的驱动活塞28，实现工作压力室29内的气体增压目的，并导入高压气源7。

所述高压强气体转化高水压系统B包括高压气源7、第二调节阀8、比例阀9、输出压力表10、导气管阀11、气水压力交换器12、循环增压泵13、储水箱14。

高压气源7、第二调节阀8、比例阀9、输出压力表10、导气管阀11、气水压力交换器12依次连接；储水箱14连接循环增压泵13，循环增压泵13连接三向过水管头15的c向阀门，三向过水管头15的b向阀门连接气水压力交换器12的进水孔31。

所述水岩作用器16设有风干控制系统C、水扰动装置，水岩作用器16设有通气孔18、注水孔17、取水样口23，注水孔17连接三向过水管头15的a向阀门，水岩作用器16内部设有岩样搁置板21。

所述高压强气体增压系统A、高压强气体转化高水压系统B、风干控制系统C分别连接微机，分别进行自动化控制空气增压、自动化控制水压加载、以及稳压、恒温控制风干。

所述岩样搁置板21为多层，岩样22搁置在岩样搁置板21上。

所述水扰动装置包括位于水岩作用器16外部的电机24、位于水岩作用器16内部的风叶轮25，所述电机24连接所述风叶轮25。

所述风干控制系统C包括位于水岩作用器16内部的加热元件27、位于水岩作用器16外部的小型鼓风机26，所述水岩作用器16上预留有鼓风孔32。鼓风孔32可选择开启、关闭状态。

所述水岩作用器16的壳体包括外部的不锈钢管20、内部的有机玻璃管19。

其中：

气水压力交换器12为囊式气水压力交换器。

比例阀9为5MPa德国比例调节阀。

输出压力表10为5MPa输出压力表。

储水箱14为0.4m³储水箱。

一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用方法，包括以下步骤：

步骤一：静音空气压缩机1压缩空气，经过三级气体过滤器2、冷冻干燥机3将气体导入气驱气体增压器6的工作压力室29， 氮气气源4经过第一调节阀5驱动气驱气体增压器6的驱动活塞28，并将工作压力室29内的气体导入高压气源7。

步骤二：打开通气孔18，保持三向过水管头15的a、c向阀门开启和b向阀门关闭状态，通过循环增压泵13将储水箱14抽至水岩作用器16，水位充满即停止循环增压泵13，并关闭通气孔18、三向过水管头15的a向阀门。

步骤三：打开气水压力交换器12的通气孔30，通过循环增压泵13将储水箱14抽至气水压力交换器12，水位充满气水压力交换器12时，停止循环增压泵13工作，关闭气水压力交换器12的通气孔30，并保持三向过水管头15的a、b和c向阀门关闭状态。

步骤四：打开比例阀9、第二调节阀8，使得高压气源7进入气水压力交换器12，此5MPa气水压力交换过程可通过微机系统控制，并设有稳压操作系统，输出压力表10记录5MPa时，关闭第二调节阀8、比例阀9和导气管阀11。此刻开启三向过水管头15的a、b向阀门，水岩作用器16中水压即可达到5MPa压力。

步骤五：试验周期内，可通过由电机24、风叶轮25组成的水扰动装置对水样进行扰动，模拟动水环境；亦可通过对加热元件27通电实现可控水温恒定，实现在某一恒定水温状态下水岩试验。

步骤六：试验周期结束后，打开取水样口23，可进行水样离子浓度成分分析。待水从水岩作用器16中完全排出之后，可通过由小型鼓风机26、预留的鼓风孔32、加热元件27组成的风干控制装置，对岩样22进行一定温度热风条件下风干。

可循环实现上述试验实施步骤，以达到试验所需，为实际工程应用提供可靠试验数据，为水电工程中深埋长大引水隧洞岩体在长期水岩作用下的劣化机理分析提供试验平台，为水电工程稳定评价和防护提供技术支撑。

Claims (9)

1.一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，包括高压强气体增压系统（A）、高压强气体转化高水压系统（B）、水岩作用器（16）；其特征在于：所述高压强气体增压系统（A）包括氮气气源（4）、气驱气体增压器（6）、静音空气压缩机（1）、三级气体过滤器（2）、冷冻干燥机（3）；静音空气压缩机（1）连接三级气体过滤器（2），三级气体过滤器（2）连接冷冻干燥机（3），冷冻干燥机（3）连接气驱气体增压器（6）的工作压力室（29）；静音空气压缩机（1）压缩空气，经过三级气体过滤器（2）、冷冻干燥机（3）将气体导入工作压力室（29）；氮气气源（4）通过第一调节阀（5）连接气驱气体增压器（6）的驱动活塞（28）；氮气气源（4）经过第一调节阀（5）驱动气驱气体增压器（6）的驱动活塞（28），实现工作压力室（29）内的气体增压目的，并导入高压气源（7）；所述高压强气体转化高水压系统（B）包括高压气源（7）、第二调节阀（8）、比例阀（9）、输出压力表（10）、导气管阀（11）、气水压力交换器（12）、循环增压泵（13）、储水箱（14）；

高压气源（7）、第二调节阀（8）、比例阀（9）、输出压力表（10）、导气管阀（11）、气水压力交换器（12）依次连接；储水箱（14）连接循环增压泵（13），循环增压泵（13）连接三向过水管头（15）的c向阀门，三向过水管头（15）的b向阀门连接气水压力交换器（12）的进水孔（31）；所述水岩作用器（16）设有风干控制系统（C）、水扰动装置，水岩作用器（16）设有通气孔（18）、注水孔（17）、取水样口（23），注水孔（17）连接三向过水管头（15）的a向阀门，水岩作用器（16）内部设有岩样搁置板（21）。

2.根据权利要求1所述一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，其特征在于：所述高压强气体增压系统（A）、高压强气体转化高水压系统（B）、风干控制系统（C）分别连接微机，分别进行自动化控制空气增压、自动化控制水压加载并稳压、恒温控制风干。

3.根据权利要求1所述一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，其特征在于：所述岩样搁置板（21）为多层，岩样（22）搁置在岩样搁置板（21）上。

4.根据权利要求1所述一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，其特征在于：所述水扰动装置包括位于水岩作用器（16）外部的电机（24）、位于水岩作用器（16）内部的风叶轮（25），所述电机（24）连接所述风叶轮（25）。

5.根据权利要求1所述一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，其特征在于：所述风干控制系统（C）包括位于水岩作用器（16）内部的加热元件（27）、位于水岩作用器（16）外部的小型鼓风机（26），所述水岩作用器（16）上预留有鼓风孔（32）。

6.根据权利要求1或4或5所述一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置，其特征在于：所述水岩作用器（16）的容器壁包括外部的不锈钢管（20）、内部的有机玻璃管（19）。

7.采用如权利要求1~6所述任意一种模拟高水压力加载和风干控制的水岩作用装置的水岩作用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：静音空气压缩机（1）压缩空气，经过三级气体过滤器（2）、冷冻干燥机（3）将气体导入气驱气体增压器（6）的工作压力室（29）， 氮气气源（4）经过第一调节阀（5）驱动气驱气体增压器（6）的驱动活塞（28），并将工作压力室（29）内的气体导入高压气源（7）；

步骤二：打开通气孔（18），保持三向过水管头（15）的a、c向阀门开启和b向阀门关闭状态，通过循环增压泵（13）将储水箱（14）内的水抽至水岩作用器（16），水位充满即停止循环增压泵（13），并关闭通气孔（18）、三向过水管头（15）的a向阀门；

步骤三：打开气水压力交换器（12）的通气孔（30），通过循环增压泵（13）将储水箱（14）内的水抽至气水压力交换器（12），开启三向过水管头（15）的b向阀门，水位充满气水压力交换器（12）时，停止循环增压泵（13）工作，关闭气水压力交换器（12）的通气孔（30），并保持三向过水管头（15）的a、b和c向阀门关闭状态；

步骤四：打开比例阀（9）、第二调节阀（8），使得高压气源（7）进入气水压力交换器（12），此气水压力交换过程通过微机系统控制，所述微机系统含有稳压操作系统，输出压力表（10）记录压力值时，关闭第二调节阀（8）、比例阀（9）和导气管阀（11），此刻开启三向过水管头（15）的a、b向阀门，水岩作用器(16)中水压即达到相应的压力。

8.根据权利要求7所述水岩作用方法，其特征在于：试验周期内，通过由电机（24）、风叶轮（25）组成的水扰动装置对水样进行扰动，模拟动水环境；通过对加热元件（27）通电实现水温恒定，实现在某一恒定水温状态下水岩试验。

9.根据权利要求7所述水岩作用方法，其特征在于：试验周期结束后，打开取水样口（23），进行水样离子浓度成分分析，待水从水岩作用器（16）中完全排出之后，通过由小型鼓风机（26）、预留的鼓风孔（32）、加热元件（27）组成的风干控制装置，对岩样（22）进行一定温度热风条件下风干。