CN106290113A - 基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，包括放置在第一电子天平上的马氏瓶，马氏瓶通过进水管连接有第一端帽，第一端帽的相对侧设置有第二端帽，第一端帽和第二端帽之间连接有裂隙试件、毛细障碍栅和进气管，进气管上连接有气压控制器，裂隙与气压控制器相通，第二端帽通过出水管连接有有机玻璃杯，有机玻璃杯放置在第二电子天平上，第一端帽、第二端帽与裂隙接触面处均埋设有微型水压传感器。本发明结构简单，操作简便，解决了传统水－气、水－油二相流试验装置和拟稳态驱替试验装置的不足以及较难直接测量毛细压力的问题，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，而且试验精度高。
Description
技术领域
本发明属于岩体非饱和渗流和多相流试验的技术领域，尤其是涉及一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，可用于测量岩体裂隙非饱和水力参数。
背景技术
自然界中存在着大量的诸如降雨（或雾化雨）入渗引起的裂隙岩体非饱和渗流问题有待深入研究。裂隙是岩体渗流的主要通道，它对裂隙岩体的水力行为起控制作用，故单裂隙非饱和渗流的研究是裂隙岩体非饱和渗流研究的基本问题和理论基础。由于在模拟裂隙岩体非饱和渗流时一般多借鉴多孔介质非饱和渗流的分析方法，其控制方程相同（或类似）于多孔介质非饱和渗流的控制方程—Richards方程。因此在进行裂隙岩体非饱和渗流数值分析时，最为关键的是单裂隙毛细压力～饱和度、非饱和渗透系数～毛细压力关系的建立。目前在测定上述两个单裂隙非饱和水力参数时，主要还是借助于水－油拟稳态驱替试验和水－油（或水－气）二相流试验，而非饱和渗流指的是只有水相流动，气相只占据流动空间并不流动，因此运用前述试验装置所测出的单裂隙非饱和水力参数不能直接用于裂隙岩体非饱和渗流的分析。发明人曾借鉴多孔介质非饱和渗流的试验方法，基于动力法原理，研制出一套可用于测定单裂隙非饱和水力参数的非饱和渗流试验装置；但由于未采用轴平移技术，需要直接测量裂隙内的毛细压力值（负水压力值），而目前还没有可靠的直接测量裂隙内毛细压力的传感器，因此无法确保试验精度。
为了达到真正意义上的非饱和渗流状态，同时提高试验测量精度，鉴于裂隙内正水压传感器较成熟的现状，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，通过提升气相压力来使水相压力达到正值，以便准确测量水相压力，从而提供一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置及非饱和水力参数测量方法。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，包括放置在第一电子天平上的马氏瓶，所述的马氏瓶通过进水管连接有第一端帽，所述第一端帽的相对侧设置有第二端帽，所述第一端帽和第二端帽之间连接有裂隙试件、毛细障碍栅和进气管，所述的进气管上连接有气压控制器，裂隙与气压控制器相通，方便调节裂隙内的气相压力，所述的第二端帽通过出水管连接有有机玻璃杯，所述的有机玻璃杯放置在第二电子天平上，所述的第一端帽、第二端帽与裂隙接触面处均埋设有微型水压传感器，用于测量裂隙两端的正水压力。
作为优选的，还包括试验台，所述的第一端帽、第二端帽和裂隙试件均放置在试验台上。
所述的毛细障碍栅为透水砂浆块。
作为优选的，所述的透水砂浆块由水 : 水泥 : 砂 : 透水混凝土增强剂=150 :100 : 400 : 3混合浇筑而成，所述的砂的粒径为0.315～0.63mm。
本发明的有益效果如下：
本发明基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其结构简单，操作简便，解决了传统水－气、水－油二相流试验装置或拟稳态驱替试验装置的不足以及较难直接测量毛细压力（负水压力）的问题，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，而且试验精度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1为马氏瓶、2为第一电子天平、3为进水管、4为第一端帽、5为裂隙试件、6为进气管、7为气压控制器、8为第二端帽、9为出水管、10为有机玻璃杯、11为第二电子天平、12为试验台、13为微型水压传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置具有马氏瓶1，马氏瓶放置在第一电子天平2上，马氏瓶经进水管3与第一端帽4相接，在端帽内设有毛细障碍栅和进气管6，通过进气管6使裂隙与气压控制器7相通，方便调节裂隙内的气相压力，第一端帽4和裂隙试件5放置在试验台12上，在试验台12上与第一端帽4相对应处放置有第二端帽8，第二端帽8上连接有出水管9，出水管9另一端与有机玻璃杯10相接，有机玻璃杯10放置在第二电子天平11上，在第一端帽4、第二端帽8与裂隙接触面处分别埋设有微型水压传感器13，用于测量裂隙两端的正水压力。
使用时，按端帽尺寸切割好裂隙试件5，将裂隙试件5置于第一端帽4和第二端帽8之间并夹紧，裂隙试件5平行于水流向的两侧边涂环氧树脂以防漏水漏气。先让裂隙和毛细障碍栅等饱水；再通过气压控制器7增大气相压力，记下该值作为裂隙内的气相压力值，使之大于水相压力（裂隙内水相压力取进水侧和出水侧微型水压传感器测值的平均值），根据轴平移理论，相当于在裂隙内形成了毛细压力，由毛细吸持理论可知，裂隙将开始排水。从气相压力增大到某个值开始，测算相邻的若干个相同时段内供水水量、集水水量（根据第一天平、第二天平读数变化值获得），直至稳定流动状态（当某个时段内供水水量等于集水水量时即认为流动已达稳定状态）。由水量平衡原理可知，供水水量与集水水量的累计差值即为裂隙在该级毛细压力作用下所排出的水量，根据裂隙的饱和含水量，可求得该级毛细压力所对应的裂隙饱和度。流动稳定后测得给定时段内通过裂隙的水量，再根据达西定律和裂隙的平均开度、长度以及宽度，可求得裂隙在该级毛细压力下的非饱和渗透系数。逐级加大气相压力，重复上述步骤，可测求得一系列裂隙排水时的毛细压力～饱和度以及非饱和渗透系数～毛细压力的关系数据点。同理，从最大毛细压力值开始，利用气压控制器逐级降低裂隙内气相压力（裂隙将开始吸水），可测求得一系列裂隙吸水时的毛细压力～饱和度以及非饱和渗透系数～毛细压力的关系数据点。
某个气相压力所对应的裂隙内毛细压力值取裂隙进水侧毛细压力和出水侧毛细压力的平均值。要求得每级毛细压力所对应的饱和度，还需知道裂隙的饱和含水量。对岩体裂隙而言，由于岩块的含水量较之裂隙的含水量要大的多，故传统的用于测定多孔介质含水量的方法（如中子水分仪法，X射线衰减法等）不能用于测量裂隙的饱和含水量。本发明的做法是：累计各级毛细压力下的排水量，再乘以1.05（天然裂隙的束缚水饱和度一般为5％左右，故乘以1.05）作为裂隙的饱和含水量。根据饱和含水量和各级毛细压力下裂隙的排水量（或吸水量），就可求得某级毛细压力对应的裂隙饱和度。
综上所述，本发明结构简单，操作简便，解决了传统水－气、水－油二相流试验装置和拟稳态驱替试验装置的不足以及较难直接测量毛细压力的问题，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，而且试验精度高。
Claims (4)
1.一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：包括放置在第一电子天平上的马氏瓶，所述的马氏瓶通过进水管连接有第一端帽，所述第一端帽的相对侧设置有第二端帽，所述第一端帽和第二端帽之间连接有裂隙试件、毛细障碍栅和进气管，所述的进气管上连接有气压控制器，裂隙与气压控制器相通，所述的第二端帽通过出水管连接有有机玻璃杯，所述的有机玻璃杯放置在第二电子天平上，所述的第一端帽、第二端帽与裂隙接触面处均埋设有微型水压传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：还包括试验台，所述的第一端帽、第二端帽和裂隙试件均放置在试验台上。
3.根据权利要求1所述的一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：所述的毛细障碍栅为透水砂浆块。
4.根据权利要求3所述的一种基于轴平移技术的岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：所述的透水砂浆块由水 : 水泥 : 砂 : 透水混凝土增强剂=150 : 100 : 400 :3混合浇筑而成，所述的砂的粒径为0.315～0.63mm。
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