CN106644889B - 一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，包括用下盒体、上盒体、两块侧板以及提拉单元，下盒体呈凵型，安装时，下盒体和两块侧板围成一个用于放置岩石试样的腔体，两块侧板的中部均向内设有与下盒体顶部齐平的直线导轨，上盒体水平放置在直线导轨上，上盒体的中部设有一个与岩石试样顶面尺寸相同的通孔，提拉单元穿过上盒体的通孔与岩石试样的顶部连接，下盒体中设有连通腔体的入水通道和出水通道。与现有技术相比，本发明能提供在岩石节理试样渗流试验过程中恒定的高渗透压力值，并且能够实现岩石节理试样出入水恒定压力差，且本装置具有能承受高渗透水压力、可控节理隙宽、试验精度更高并能够模拟真实节理几何特征等优点。

Description

一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置

技术领域

本发明涉及岩石节理渗流试验，具体涉及一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置。

背景技术

在地下水丰富的深部岩体中，作为地下岩体的主要导水通道，岩石节理中的高渗透压力、高水力梯度的往往引发高速渗流问题，容易导致出现污染下渗、水库渗漏、隧道渗水等深部地下工程水灾害问题。现有的研究成果主要侧重于研究岩石节理的低渗透压力下的渗流特性，在高渗透压力下，由于岩石节理复杂的几何特征以及渗流过程中出现高速紊流现象，采用数值方法计算量过大或难以收敛，室内渗流试验仍是研究节理渗流特性研究的直接有效的手段。

研制岩石节理渗流试验系统最核心的技术难点在于渗流试验装置的设计。国内外已出现不少关于岩石节理渗流特性的试验设备，由于密封条件的限制，节理渗流大多在低水力梯度下进行，此外大多未考虑到真实岩石节理的粗糙度，如采用相互平行的有机玻璃来模拟为岩石节理，或采用粘结有砂粒的平行板来模拟岩石节理，均不能真实地反映出岩石节理的几何特性。作为影响节理渗流特性最重要两个因素节理粗糙度和隙宽，以往的研究成果中未能进行单因素控制下岩石节理的渗流特性研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能承受高渗透水压力、可控节理隙宽、试验精度更高并能够模拟真实节理几何特征的高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，所述装置包括下盒体、上盒体、两块侧板以及提拉单元，所述下盒体呈凵型，安装时，所述下盒体和两块侧板围成一盒用于放置岩石试样的腔体，所述两块侧板的中部均向内设有与下盒体顶部齐平的直线导轨，所述上盒体水平放置在直线导轨上，所述上盒体的中部设有一个与岩石试样顶面尺寸相同的通孔，所述提拉单元穿过上盒体的通孔与所述岩石试样的顶部连接，所述下盒体中设有连通腔体的入水通道和出水通道。

所述的下盒体包括底板、设置在底板两端的固定垫块和挡块以及移动垫块，所述底板、固定垫块和挡块一体成型且呈凵型，安装时，所述移动垫块放置在挡块和岩石试样之间，移动垫块的一端抵住水平放置的螺栓，移动垫块的另一端与岩石试样的一侧贴紧，所述岩石试样的相对另一侧与固定垫块贴紧，所述螺栓穿过挡块与移动垫块抵接，下盒体都是由不锈钢材料机械加工而成。

所述的固定垫块与岩石试样接触的一端的中心设有凹槽，所述固定垫块中设有水平布置的入水通道，所述入水通道包括主入水通道、与主入水通道的末端连通的3条副入水通道以及1条与主入水通道平行的一号过水通道，所述3条副入水通道的一端与主入水通道的末端连通，另一端分别与凹槽的两侧和中部连通，所述一号过水通道与凹槽连通。在副过水通道中连接有精密水压传感器，在主入水通道中连接有能提供高渗透压力的柱塞式计量泵。

所述的固定垫块与岩石试样之间设有回字形密封圈，所述回字形密封圈的内圈与凹槽的内壁齐平。由于固定垫块的中央开设凹槽，该凹槽为入水提供了一个缓冲的流动空间，避免了在高渗透压力节理中水发生射流现象，更真实地反应节理中真实的渗流情况，所以采用回字形密封圈可以保证入水不会从凹槽中渗出，保证了渗流过程中岩石试样与固定垫块间的密封性。

所述的移动垫块与岩石试样接触的一端的中心设有凹槽，所述移动垫块中设有水平布置的出水通道，所述出水通道包括主出水通道、与主出水通道的末端连通的3条副出水通道以及1条与主出水通道平行的二号过水通道，所述3条副出水通道的一端与主出水通道的末端连通，另一端分别与凹槽的两侧和中部连通，所述二号过水通道与凹槽连通。在主出水通道和3条副出水通道交汇之处设有压力传感器和微型渗流伺服控制系统，并在微型渗流伺服控制系统与出水通道中间安装微型针阀，微型针阀与流量计装置相连接。

所述的移动垫块与岩石试样之间设有回字形密封圈，所述回字形密封圈的内圈与凹槽的内壁齐平。由于移动垫块的中央开设凹槽，该凹槽为出水提供了一个缓冲的流动空间，避免了在高渗透压力节理中水发生射流现象，更真实地反应节理中真实的渗流情况，所以采用回字形密封圈可以保证出水不会从凹槽中渗出，保证了渗流过程中岩石试样与固定垫块间的密封性。

所述侧板的底部通过垂直螺钉与底板固定，侧板的中部开设通孔，通孔的外侧固定有侧面挡板，该通孔中放置密封胶囊，所述密封胶囊的一端通过水平螺钉与侧面挡板固定连接，密封胶囊的另一端与岩石试样紧贴。

所述提拉单元包括与岩石试样顶部粘结的粘结底板、固定在侧板顶部的水平挡板、连接粘结底板和水平挡板的连接螺钉以及套设在连接螺钉顶部的一号螺母和二号螺母。其中粘结底板上表面中间开设有螺纹孔与连接螺钉相连接，水平挡板中开设有稍大于连接螺钉直径的通孔，要保证连接螺钉与水平挡板通孔的中心线在一条直线上，通过连接螺钉上部的两个螺母与水平挡板的相互作用将节理岩石试样提升，连接螺钉顶部一段距离未开设螺纹，顶端水平；在挡板上通孔的四周开设有四个对称的小通孔。

所述侧板上端的内壁开设U型槽，两块侧板的U型槽中架设压辊轴，所述压辊轴的中部套设两个深沟球轴承，所述深沟球轴承的底部抵住上盒体的顶部，在U型槽中压辊轴的上方设有压辊块，所述压辊块通过六角螺钉与侧板的上沿紧固。通过六角螺钉将压辊块和侧板的上沿固定，且随着六角螺钉拧入的深度加大，压辊块受到的向下的力就越大，从而传递给压辊轴的压力也越大，所以施加给深沟球轴承向下的力也越大，深沟球轴承向下挤压上盒体的力也就越大，上盒体和下盒体之间接触就越紧密。

所述装置设有导轨以及滑动连接在导轨上的底座平台，所述下盒体固定放置在底座平台上。

该套岩石节理渗流装置试验方法：首先选取规定尺寸的岩石节理试样(200×100×100mm，加工精度0.02mm)，通过高强度粘结剂将提拉装置中的粘结底板与岩石试样顶面相胶结，注意保证平整度，并在移动垫块和下盒体固定垫块中分别放置“回”字型密封圈，解决岩石节理两端的密封问题，待岩石试样在渗流盒中安装完成后，务必对连接螺钉施加一定的法向力，以消除上下节理面之间的空隙(假设加载后两偶合节理面的隙宽为零)，然后将差压位移计放置在粘结底板上，并进行清零来显示岩石上节理面的法向位移，通过拧转一号螺母将岩石上节理拉升至指定隙宽，再将一号螺母和二号螺母拧紧。

然后将渗流盒移到安装平台上，利用螺栓将移动垫块与岩石试样拧紧，再将密封胶囊安装在两侧板上，从而解决岩石节理两侧密封问题；最后将安装完毕的渗流盒放入预定的试验工位，法向加载连接螺钉施加一定初始法向力后，采用位移控制并保持位移不变，这样就可以保证要是节理试样的隙宽为恒量，检查各系统是否正常工作，之后进行岩石节理渗流试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)本发明能提供在岩石节理试样渗流试验过程中恒定的高渗透压力值，并且能够实现岩石节理试样出入水恒定压力差；

(2)在可水平移动垫块、下盒体的固定垫块端分别开设有一定深度和长度横向扁平槽，为节理试样入水和出水通道提供一个缓冲流动空间，避免了在高渗透压力节理中水发生射流现象，更真实地反应节理中真实的渗流情况；

(3)采用“回”字型密封圈用于节理试验两端的密封以及用于密封胶囊用于渗流盒侧面密封，能够很好地解决岩石节理渗流盒的高压密封问题；

(4)采用渗流盒的提拉装置对岩石节理试样进行提升，并利用高精度的位移传感器来测定提升的距离，可以实现岩石节理试样在不同隙宽下的渗流试验。

附图说明

图1为本发明的侧视剖面示意图；

图2为本发明的正视剖面示意图；

图3为图1中A-A剖面示意图；

图4为本发明结构的俯视图。

其中，1为下盒体，2为垂直螺钉，3为侧板，4为上盒体，5为岩石试样，6为移动垫块，7为螺栓，8为回字形密封圈，9为主入水通道，10为副入水通道，11为一号过水通道，12为主出水通道，13为副出水通道，14为二号过水通道，15为密封胶囊，16为侧面挡板，17为水平螺钉，18为六角螺钉，19为外挡圈，20为内挡圈，21为深沟球轴承，22为压辊轴，23为水平挡板，24为直线导轨，25为粘结底板，26为连接螺钉，27a为一号螺母，27b为二号螺母，28为通孔，29为底座平台，30为导轨。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其装置结构如图1和图2所示，包括下盒体1，设置在下盒体1两侧的通过垂直螺钉2与下盒体1垂直固定的两块侧板3以及上盒体4，下盒体1、侧板3以及上盒体4均由不锈钢制成。下盒体1、侧板3及上盒体4组成一个用于放置岩石试样5的空腔，空腔一端放置有用于固定岩石试样5的移动垫块6；通过四个螺栓7实现岩石节理试样5的水平方向的紧固，还能将移动垫块6与岩石节理试样5之间的“回”型密封圈8发生挤压而保证了岩石节理试样水平向两端的密封问题。

本发明中渗流盒的渗流密封系统由横向密封圈和侧向密封胶囊组件组成，如图3所示。横向密封圈主要包括在移动垫块6中的回字形密封圈8和下盒体固定垫块中的回字形密封圈8组成，回字形密封圈8由聚氨酯材料制成。在回字形密封圈8包围的移动垫块和固定垫块中分别开设有一定长度和深度的扁平凹槽，这样来保证岩石节理渗流过程中，水流在扁平凹槽中形成均匀的稳定流，后向节理中进行渗流，使节理的渗流更符合自然状态。在下盒体1固定垫块开设有一条主入水通道9，该通道连接有能提供高渗透水压力的柱塞式计量泵，作为渗流盒的入水口；在主入水通道与下盒体固定垫块端中的扁平槽口之间开设了三条相交的副入水通道10，同时在与主入水通道9相平行的下盒体1固定垫块开设一条一号过水通道11，该一号过水通道11连接有精密的水压传感器，用于量测岩石节理入水口处的渗透水压力。同样的，在移动垫块6和下盒体1挡块的中开设有一条主出水通道12，作为渗流盒的主出水通道，要保证可水平移动垫块中的通孔与下盒体中的通孔的中心线在同一条直线上，其中在移动垫块6的通孔开设有内螺纹，在该螺纹孔与可水平移动垫块中的横向扁平槽之间开设有三条相交的副出水通道13，另外在中间出水通道相平行的下盒体1和移动垫块6中开设有一条二号出水通道14。主出水通道12和副出水通道13交汇处连接着流量计装置和微型渗流伺服控制系统，在微型渗流伺服控制系统与主出水通道11间安装有微型针阀，二号出水通道14连接有水压传感器，通过将岩石节理出水口的实时的水压力值反馈给控制系统，控制系统发出指令对微型伺服控制系统进行调整，这样就可以精确地控制出水口的水压力值，从而实现控制岩石节理在恒定的压力差下渗流试验。

密封胶囊15由弹性及硬度适中的聚氨酯材料制成，密封胶囊15与两侧板中的侧面挡板16通过水平螺钉17进行紧密接触，其内部充有液压油，通过液体伺服加载系统对密封胶囊15进行加压，将密封胶囊15与岩石试样5侧面及岩石节理两端的回字形密封圈8紧密相贴发生变形，从而达到试样侧面的密封。这样在岩石节理周边的侧向封水囊和横向密封圈将形成节理试样四周的水密封边界。

本发明中利用轴承组件将渗流盒的两个侧板进行水平紧固，并使得上下盒体发生紧密接触。其中轴承组件包括六角螺钉18，外挡圈19，内挡圈20，深沟球轴承21，压辊轴22组成。而通过六角螺钉18作用在两侧板上的水平挡板23将深沟球轴承21直接作用在上盒体4上施加法向作用力。两块侧板3的中部均向内设有与下盒体1顶部齐平的直线导轨24，直线导轨24表面设有小滚轮，上盒体4水平放置在直线导轨24上，以方便上盒体的放置。

岩石节理隙宽的调整是通过提拉装置来实现的，岩石试样5的上表面通过高强度粘结胶与提拉装置相连，该提拉装置由水平挡板23、粘结底板25、连接螺钉26和一号螺母27a和二号螺母27b组成。其中在粘结底板25与连接螺钉26螺纹连接，在水平挡板23中开设有直径稍大于连接螺钉26的通孔，要保证连接粘结底板后的连接螺钉26与水平挡板23通孔的中心线在一条直线上；两个螺母放置在水平挡板23上，使用勾头扳手将一号螺母27a进行拧转从而将岩石试样5提升，然后将二号螺母27b拧转锁死，用来消除一号螺母27a和连接螺钉26之间的反向间隙。连接螺钉26顶部一段距离未开设螺纹，且顶端加工成平面；在水平挡板23上通孔的四周开设有四个对称的通孔28，如图4所示，将四个差压位移计通过通孔28放置到粘结底板25上表面，保证差压位移计与粘结底板25接触良好，差压位移计用于量测该套提拉装置提升上岩石试样5的法向位移。

整体渗流放置在底座平台29上，平台嵌在大型的导轨30上，导轨30在水平方向近似无阻尼运动确保了试样与压头的同心度。

使用岩石节理渗流盒试验的具体步骤如下：

(1)岩石节理试样尺寸为：水渗流方向200mm，渗流宽度100mm，高100mm。试样采用劈裂获得的人工节理试样。一般良好露头的野外现场采集块状的完整岩体，通过人工切割和磨平可得到200×100×100mm的试样(加工精度0.02mm)，再由劈裂试验获得人工节理进行试验；

(2)通过垂直螺钉将下盒体与两侧板紧密连接，要保证两侧板的垂直度和平行度；用高强度粘结剂将提拉装置中的粘结底板与岩石上节理顶面胶结后，将岩石试样放置在下盒体的底板上，并在移动垫块和下盒体固定垫块中分别放置“回”字型密封圈；将移动垫块放置在下盒体底板上，然后将上盒体放置在两侧板上的直线导轨上，调整紧定螺钉，通过压辊块及其轴承组件将上、下盒体紧密的接触；

(3)将渗流盒放在研制的岩石节理全剪切-渗流耦合试验仪器的加载框架中平台上，通过法向加载油缸对提拉装置中的螺钉施加一定的初始法向力，以消除上下节理面之间的空隙(认为加载后两偶合节理面的隙宽为零)，后将差压位移计放置在粘结底板上，并进行清零来显示岩石上节理面的法向位移，通过拧转下螺母将岩石上节理拉升至指定隙宽，再将上螺母与下螺母拧紧；

(4)将渗流盒移到安装平台上，利用内六角螺钉将可水平移动垫块与岩石试样拧紧，使得“回”字型密封圈发生一定程度的变形来实现岩石节理两端的密封问题，再将密封胶囊安装在两侧板上，解决岩石节理两侧面的密封问题；

(5)最后将安装完毕的渗流盒放入预定的试验工位，法向加载螺钉施加指定初始法向力后，采用位移控制并保持位移不变；用不锈钢管将渗流盒的出入水口与水压伺服加载系统相连接，并将出水口与流量计连接好，检查各系统是否正常工作，之后进行岩石节理渗流试验。

Claims (10)

1.一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述装置包括下盒体(1)、上盒体(4)、两块侧板(3)以及提拉单元，所述下盒体呈凵型，安装时，所述下盒体(1)和两块侧板(3)围成一个用于放置岩石试样(5)的腔体，所述两块侧板(3)的中部均向内设有与下盒体(1)顶部齐平的直线导轨(24)，所述上盒体(4)水平放置在直线导轨(24)上，所述上盒体(4)的中部设有一个与岩石试样(5)顶面尺寸相同的通孔，所述提拉单元穿过上盒体(4)的通孔与所述岩石试样(5)的顶部连接，所述下盒体(1)中设有连通腔体的入水通道和出水通道。

2.根据权利要求1所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述的下盒体(1)包括底板、设置在底板两端的固定垫块和挡块以及移动垫块(6)，所述底板、固定垫块和挡块一体成型且呈凵型，安装时，所述移动垫块(6)放置在挡块和岩石试样(5)之间，移动垫块(6)的一端抵住水平放置的螺栓(7)，移动垫块(6)的另一端与岩石试样(5)的一侧贴紧，所述岩石试样(5)的相对另一侧与固定垫块贴紧，所述螺栓(7)穿过挡块与移动垫块(6)顶接。

3.根据权利要求2所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述的固定垫块与岩石试样(5)接触的一端的中心设有凹槽，所述固定垫块中设有水平布置的入水通道，所述入水通道包括主入水通道(9)、与主入水通道(9)的末端连通的3条副入水通道(10)以及1条与主入水通道(9)平行的一号过水通道(11)，所述3条副入水通道(10)的一端与主入水通道(9)的末端连通，另一端分别与凹槽的两侧和中部连通，所述一号过水通道(11)与凹槽连通。

4.根据权利要求3所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述的固定垫块与岩石试样(5)之间设有回字形密封圈(8)，所述回字形密封圈(8)的内圈与凹槽的内壁齐平。

5.根据权利要求2所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述的移动垫块(6)与岩石试样(5)接触的一端的中心设有凹槽，所述移动垫块(6)中设有水平布置的出水通道，所述出水通道包括主出水通道(12)、与主出水通道(12)的末端连通的3条副出水通道(13)以及1条与主出水通道(12)平行的二号过水通道(14)，所述3条副出水通道(13)的一端与主出水通道(12)的末端连通，另一端分别与凹槽的两侧和中部连通，所述二号过水通道(14)与凹槽连通。

6.根据权利要求5所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述的移动垫块(6)与岩石试样(5)之间设有回字形密封圈(8)，所述回字形密封圈(8)的内圈与凹槽的内壁齐平。

7.根据权利要求2所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述侧板(3)的底部通过垂直螺钉(2)与底板固定，侧板(3)的中部开设通孔，通孔的外侧固定有侧面挡板(16)，该通孔中放置密封胶囊(15)，所述密封胶囊(15)的一端通过水平螺钉(17)与侧面挡板(16)固定连接，密封胶囊(15)的另一端与岩石试样(5)紧贴。

8.根据权利要求1所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述提拉单元包括与岩石试样(5)顶部粘结的粘结底板(25)、固定在侧板(3)顶部的水平挡板(23)、连接粘结底板(25)和水平挡板(23)的连接螺钉(26)以及套设在连接螺钉(26)上部的一号螺母(27a)和二号螺母(27b)。

9.根据权利要求8所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述侧板(3)上端的内壁开设U型槽，两块侧板(3)的U型槽中架设压辊轴(22)，所述压辊轴的中部套设两个深沟球轴承(21)，所述深沟球轴承(21)的底部抵住上盒体(4)的顶部，在U型槽中压辊轴(22)的上方设有压辊块，所述压辊块通过六角螺钉(18)与侧板(3)的上沿紧固。

10.根据权利要求1所述的一种高渗透压力下可控隙宽的岩石节理渗流装置，其特征在于，所述装置设有导轨(30)以及滑动连接在导轨(30)上的底座平台(29)，所述下盒体(1)固定放置在底座平台(29)上。