CN107290501B - 裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法，装置包括试验台架、渗透实验系统、轴压加载系统、水压加载系统、信息监测系统、颗粒采集系统和流量监测系统，本发明中渗透室的设计可有效体现裂隙、断层等地质构造的空间特征，试验样本不再采用圆柱形，从而可准确揭示此类地质构造内充填介质渗透失稳突水的演化特征与致灾机制；渗透实验系统可自由旋转，可开展不同渗流方向下的充填介质渗透失稳突水实验；渗透室采用半透明或透明的侧壁，具有可视化，实验中可观测试验样本的变化特征。

Description

裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与 方法

技术领域

本发明涉及裂隙断层型地质构造，具体涉及裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法。

背景技术

隧道涉及交通工程(铁路、公路隧道)、水利水电工程(输水隧洞、地下厂房)等重要工程领域，逐渐成为国家重大基础设施工程建设的重要组成部分，而随着国家“十二五”等战略科技发展的规划，重大工程建设的重心正逐渐向地形地质条件极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，将出现一批具有“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等显著特点的高风险隧道工程。由于地质环境的隐蔽性与多变性、施工技术的复杂性等特点，隧道施工过程中极易遭遇突水突泥等重大地质灾害，严重影响隧道工程建设安全。

隧道突水突泥重大灾害难以遏制的根本原因在于地质条件与灾变过程极为复杂，缺乏防治基础理论的深入研究。诱发突水突泥重大灾害的地质构造(如宽大裂隙、断层、溶洞、岩溶管道等)内部可能充填有粘土、细砂、砂砾、断层泥等多种介质，而突水突泥演化特征与致灾机制与充填介质的水力学特性密切相关。

尽管已有学者对上述充填介质的水力学特性进行过研究，然而以往的研究主要是针对于大坝、路堤等工程，并没有针对裂隙、断层等地质构造内充填介质的渗透失稳机制进行过相应研究，而且大坝、路堤试验工程中试验样本的均为圆柱形；对于裂隙、断层等地质构造内充填介质的渗透失稳机制，继续采用圆柱形样本无法体现此类地质构造的空间特征；此外，以往的研究主要是针对垂直向上或垂直向下渗流条件下的充填介质渗透失稳机制，而对于其它渗流方向下的充填介质渗透失稳机制开展的研究颇少。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种轴压可控、水压可调的，特别是可实现渗流方向独立控制的实验装置，用于开展不同渗流方向、应力条件下的充填介质渗透失稳突水实验研究，从而揭示裂隙、断层等地质构造内部充填介质渗透失稳突水的灾变演化机制。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置，包括：

渗透实验系统：包括设于渗透室内的试验样本，渗透室设有水流通道，水流通道与颗粒采集系统连接以采集水溢流过程中试验样本流失的颗粒；试验样本为充填物，充填物包括断层泥、粘土、细砂、砂砾等，根据颗粒级配曲线确定充填物各组成的组分的含量；渗透室和试验样本具有两个方向上延伸较长、另一个方向上延伸较短的特征，这样试验样本和裂隙、断层的空间形态较为吻合。

用于固定渗透实验系统的试验台架；

轴压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定强度荷载的荷载动力源；

水压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定压力水源的压力水箱，且该水源的压力可调；

信息监测系统：包括用于监测上述所述水源或上述荷载的压力传感器以及试样样本在试验过程中位移变化的位移传感器，以上所述的传感器与数据采集系统连接。

整个实验装置通过轴压加载系统向试验样本提供荷载，水压加载系统向试验样本提供可调水压，更加符合裂隙、断层的环境，并通过信息监测系统辅助实现对荷载压力的调节，并监测试验样本在渗流过程中的位移变化情况，得出的实验数据用于指导实践。

进一步地，所述的颗粒采集系统包括与所述水流通道连通的分离器，分离器的一端与颗粒采集器连接，由分离器实现颗粒固体与液体水的有效分离。

进一步地，所述流量监测系统包括与所述分离器连通的溢流器，溢流器设于收集器内，收集器放置于称重装置上，溢流器不仅可以用于收集溢流的水，而且可以在实验开始前，将颗粒采集系统和流量监测系统注满水后，缓慢抬升流量监测系统，水流入渗透室中使得试验样本自下往上逐渐处于饱和状态；将溢流器补满水后缓慢降至初始位置，使得溢流器水面与试验样本的底面位于同一水平面。这样设置的原因在于当水源从上往下流动时存在两个弊端：水流在重力作用下向下流动，会携带一部分细砂粒流出实验系统；水流自上向下流动，难以将试验样本空隙内的空气完全替换，无法达到完全饱和状态，因此水源要求从下往上流动。

进一步地，所述称重装置与所述的数据采集系统相连，对溢流水的称重，通过对溢流水的称重，可以得到单位时间内的流量，进而计算得到试验样本的渗透性、渗透系数以及流速等物理量的变化。

进一步地，所述溢流器和收集器中分别放置一个浊度计，通过实时测定水的浑浊程度，来计算试验样本中粘土的流失量。

进一步地，所述水压加载系统包括压力水箱，压力水箱通过导水管与水量观测器连接，水量观测器通过进水管连接到所述的渗透室，水量观测器侧壁为透明侧壁，便于对水量的直观观测。

进一步地，所述轴压加载系统的荷载动力源与荷载传递梁连接，荷载传递梁通过荷载传递柱与所述的渗透室连接，由水平设置的荷载传递梁接受荷载动力源的荷载，再通过何在传递柱传递至渗透室，由于荷载动力源的端部仅为一圆柱杆件，需要通过荷载传递梁、荷载传递柱、以及其它部件，将荷载均匀施加到试验样本上。

进一步地，一个所述压力传感器设于所述的进水管，一个所述的压力传感器设于荷载动力源上，所述的位移传感器设于荷载传递梁上。

进一步地，为了便于观测渗透室内试验样本的变化情况，所述渗透室至少一侧壁安装有透明或半透明的玻璃板。

进一步地，所述试验台架包括用于固定所述渗透室的夹具，在渗透室内部进水管与水流通道所在面各自设有滤网，通过滤网的设置可以有效避免杂质进入到渗透室内，影响试验样本，水流通道处滤网的设置可以目的是允许细小颗粒流出，阻止骨架颗粒流出。

进一步地，所述夹具可旋转固定于试验台架的基架上，这样的设置使得渗透室相对于基架可旋转，实现多方向渗流条件下渗透实验的研究，更加贴近实际环境。

所述的渗透失稳突水实验装置的实验方法，具体步骤如下：

1)向渗透室内注入水源，使试验样本逐渐处于饱和状态；

2)通过轴压加载系统向试验样本提供稳定的设定的压力值；

3)通过水压加载系统向试验样本提供稳定的设定的初始水压P₀，此时，试验样本因进水与水流通道处产生水压差，试验样本内部发生渗流，水通过水流通道流出；

4)步骤3)运行设定时间后，将水压加载系统提供的初始水压P₀调整至第二指定值P₁，更换颗粒采集系统中的颗粒采集器并重新安装新的颗粒采集器；通过颗粒采集，可以得到颗粒流失量的变化规律；通过浊度计监测，可以得到水的浑浊程度，来分析粘土的流失情况；通过水量收集，可以得到渗透性的变化规律；基于颗粒流失量和渗透性变化规律，结合理论分析与推导，对渗透演化过程进行探讨；

5)装置在第二指定值P₁下运行设定时间，将水压加载系统提供的水压按照P₂、……，P_n的方式进行调整并分别运行，P_n为实验指定最大值，收集每次流失的颗粒并结合浊度计监测数据进行分析。

以上的方法中，逐步调整水压加载系统施加的水压大小，通过收集每次设定水压力下颗粒采集器采集的颗粒变化情况，以及溢流器和收集器中浊度计的监测数据，来得出充填介质渗透失稳突水的演化特征与致灾机制，以更好地指导实践。

本发明的有益效果是：

1.渗透室的设计可有效体现裂隙、断层等地质构造的空间特征，试验样本不再采用圆柱形，从而可准确揭示此类地质构造内充填介质渗透失稳突水的演化特征与致灾机制。

2.渗透实验系统可自由旋转，可开展不同渗流方向下的充填介质渗透失稳突水实验。

3.渗透室采用半透明或透明的侧壁，具有可视化，实验中可观测试验样本的变化特征。

附图说明

图1为试验台架示意图；

图2为渗透实验系统示意图；

图3为渗透室示意图；

图4(a)为1^#铝框示意图；

图4(b)为有机玻璃板示意图；

图4(c)为2^#铝框示意图；

图4(d)为1^#铝框示意图；

图4(e)为顶板示意图；

图4(f)为防渗环示意图；

图5为轴压加载系统示意图；

图6为本发明结构示意图。

图中1a.基架；1b.夹具；1c.旋转螺栓；1d.螺栓孔；2a.1^#铝框；2b.2^#铝框；2c.有机玻璃板；2d.顶板；2e.防渗环；2f.水流通道；2g.1^#球形阀；2h.渗透室；2i.1^#穿孔板；2j.1^#滤网；2k.试验样本；2l.2^#滤网；2m.底座；2n.2^#穿孔板；2o.承力柱；2p.基座；2q.PDMS塑胶膜；3a.反力架；3b.气缸；3c.荷载传递梁；3d.荷载传递柱；3e.荷载传递杆；3f.垫块；3g.螺栓孔；3h.1^#进气管；3i.1^#气压调节阀；3j.2^#球形阀；4a.压力水箱；4b.补给管；4c.导水管；4d.水量观测器；4e.进水管；4f.2^#进气管；4g.2^#气压调节器；4h.3^#球形阀；4i.4^#球形阀；4j.5^#球形阀；4k.6^#球形阀；4l.7^#球形阀；5a.1^#压力传感器；5b.2^#压力传感器；5c.LVDT位移传感器；5d.信号转换器；5e.数据采集PC；6a.T型分离器；6b.颗粒采集器；6c.出水管；6d.8^#球形阀；6e.9^#球形阀；6f.3^#滤网；7a.溢流器；7b.收集器；7c.称重装置；7d.1^#浊度计；7f.2^#浊度计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置，包括试验台架1、渗透实验系统2、轴压加载系统3、水压加载系统4、信息监测系统5、颗粒采集系统6和流量监测系统7。

试验台架1由基架1a、夹具1b和旋转螺栓1c组成。夹具1b通过旋转螺栓1c连接到基架1a上，夹具1b可绕旋转螺栓1c轴线360°自由旋转；夹具1b上对称设有四个螺栓孔1d，用于将渗透实验系统2固定到试验台架1上。

渗透实验系统2由1^#铝框2a、2^#铝框2b、有机玻璃板2c、顶板2d和防渗环2e组成。1^#铝框2a与2^#铝框2b、顶板2d通过螺栓固定连接，有机玻璃板2c嵌在1^#铝框2a和2^#铝框2b之间，顶板2d与防渗环2e通过螺栓固定连接；1^#铝框2a底端设有一水流通道2f，顶板2d中间设有1^#球形阀2g。

1^#铝框2a顶端设有一凹槽2a₁，用于放置密封圈以避免1^#铝框2a和顶板2d之间发生渗漏；1^#铝框2a前面设有一凹槽2a₂，用于放置密封圈以避免1^#铝框2a与2^#铝框2b之间发生渗漏；有机玻璃板2c前面设有一凹槽2c₁，用于放置密封圈以避免2^#铝框2b与有机玻璃板2c之间发生渗漏；防渗环2e底端设有一凹槽2e₁，用于放置密封圈以防止顶板2d和防渗环2e之间发生渗漏；防渗环2e内环中间处设有一环形凹槽2e₂，用于放置密封圈以防止防渗环2e和荷载传递杆3e之间发生渗漏。

1^#铝框2a、2^#铝框2b、有机玻璃板2c和顶板2d之间形成的内部空间为渗透室2h，渗透室2h由1^#穿孔板2i、1^#滤网2j、试验样本2k、2^#滤网2l、底座2m组成，底座由2^#穿孔板2n、承力柱2o和基座2p组成。1^#穿孔板2i放置于1^#滤网2j上，主要用于荷载传递；1^#滤网2j的主要目的是防止细小颗粒进入水体；2^#滤网2l的主要目的是允许细小颗粒流出，阻止骨架颗粒流出；试验样本2k前、后、左、右四面与1^#铝框2a、有机玻璃板2c之间分别铺设一层PDMS塑胶膜2q，以避免水从试验样本2k与1^#铝框2a、有机玻璃板2c之间的边壁处流走。

轴压加载系统3由反力架3a、气缸3b、荷载传递梁3c、荷载传递柱3d、荷载传递杆3e和垫块3f组成，本方案不仅可提供垂直向上的渗流压力，也可以通过旋转渗透实验系统的夹具1b来改变渗透实验系统所在平面与水平面的夹角，从而改变渗流的方向。反力架3a底端设有四个螺栓孔3g，用于将轴压加载系统3固定到渗透实验系统2上；反力架3a与气缸3b通过螺栓固定连接，气缸3b与荷载传递梁3c通过螺栓铰接，荷载传递梁3c与荷载传递柱3d通过螺栓固定连接，荷载传递杆3e的顶端嵌入到荷载传递柱3d内，荷载传递杆3e的底端嵌入到垫块3f内；气缸3b与1^#进气管3h相连，1^#进气管3h上设有1^#气压调节阀3i和2^#球形阀3j。

水压加载系统4由压力水箱4a、补给管4b、导水管4c、水量观测器4d和进水管4e组成。压力水箱4a与2^#进气管4f相连，2^#进气管4f上设有2^#气压调节器4g和3^#球形阀4h；补给管4b上设有4^#球形阀4i，导水管4c上设有5^#球形阀4j，进水管4e上有6^#球形阀4k和7^#球形阀4l；进水管4e与渗透实验系统2的顶板2d上的1^#球形阀2g相连。

信息监测系统5由1^#压力传感器5a、2^#压力传感器5b、LVDT位移传感器5c、信号转换器5d和数据采集PC5e组成。1^#压力传感器5a安装在1^#进气管3h上，用于监测气缸3b内部压力以计算施加于试验样本2k上的轴向压力；2^#压力传感器5b安装在进水管4e上，用于监测渗透室2h的上部水压力；LVDT位移传感器5c安装在荷载传递梁3c上，用于监测试验样本2k的轴向位移；1^#压力传感器5a、2^#压力传感器5b和LVDT位移传感器5c获得的电压信号经信号转换器5d处理后，由数据采集PC5e自动采集与记录。

颗粒采集系统6由T型分离器6a、颗粒采集器6b和出水管6c组成。T型分离器6a与渗透试验系统2底部的水流通道2f通过螺栓固定连接，T型分离器6a和颗粒采集器6b之间设有8^#球形阀6d，颗粒采集器6b是一个玻璃收集器皿，T型分离器6a和出水管6c之间设有9^#球形阀6e；出水管6c与流量监测系统7的溢流器7a相连；T型分离器6a与9^#球形阀6e的接口处设有3^#滤网6f，以防止细颗粒流入溢流器7a中。

流量监测系统7由溢流器7a、收集器7b和称重装置7c组成。溢流器7a放置在收集器7b内，收集器7b放置在称重装置7c上；溢流器7a内放有1^#浊度计7d；收集器7b内放有2^#浊度计7f；称重装置7c与数据采集PC5e相连，可实现数据的自动采集与记录。

应用上述装置开展裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验的方法，主要包括以下步骤：

A.首先，按设计将试验台架1组装在一起；其次，将1^#铝框2a、2^#铝框2b和有机玻璃板2c组装在一起；然后，将构成底座2m的基座2p、承力柱2o和2^#穿孔板2n依次放置在渗透室2h底部；最后，将渗透实验系统2通过螺栓孔1d固定到试验台架1上。

B.首先，将2^#滤网2l放置在底座2m上，2^#滤网2l的孔径应略小于粗骨料的最小粒径；其次，将试验样本2k分层均匀铺设到2^#滤网2l上，并逐层夯实；然后，将1^#滤网2j、1^#穿孔板2i、垫块3f和荷载传递杆3e依次放置在试验样本2k上，1^#滤网2j的孔径应小于试验样本2k的最小粒径；最后，将顶板2d用螺栓固定到渗透实验系统2上。

C.首先，调节旋转螺栓1c，将渗透试验系统2旋转至实验指定角度后固定；其次，按设计将轴压加载系统3组装在一起，通过螺栓孔3g将其固定到渗透实验系统2上；然后，按设计将水压加载系统4组装在一起，关闭3^#球形阀4h，打开4^#球形阀4i、5^#球形阀4j、6^#球形阀4k和7^#球形阀4l，通过补给管4b将水压加载系统4注满水后，关闭4^#球形阀4i和7^#球形阀4l；最后，按设计将信息监测系统5组装在一起，并将1^#压力传感器5a、2^#压力传感器5b和LVDT位移传感器5c分别安装到1^#进气管3h、进水管4e和荷载传递梁3c上；

D.首先，按设计将颗粒采集系统6组装在一起，并将T型分离器6a固定连接到渗透实验系统2底部；其次，按设计将流量监测系统7组装在一起，并将溢流器7a连接到出水管6c上；然后，打开8^#球形阀6d和9^#球形阀6e，将颗粒采集系统6和流量监测系统7注满水后，缓慢抬升流量监测系统7，水流入渗透室2h中使得试验样本2k自下往上逐渐处于饱和状态；最后，当渗透室2h内水位上升至最顶端时，关闭1^#球形阀2g、8^#球形阀6d和9^#球形阀6e，同时将溢流器7a补满水后缓慢降至初始位置，使得溢流器7a水面与试验样本2k的底面位于同一水平面。

E.首先，将水压加载系统4的进水管4e连接到渗透实验系统2的1^#球形阀2g上，同时打开1^#球形阀2g和7^#球形阀4l；其次，打开2^#球形阀3j，调节1^#气压调节阀3i，使得1^#压力传感器5a读数稳定至实验指定压力值；然后，打开3^#球形阀4h，调节2^#气压调节阀4g，使得2^#压力传感器5b读数稳定至初始水压P₀；最后，打开8^#球形阀6d和9^#球形阀6e，由于试验样本2k上下两端存在水压差，试验样本2k内部发生渗流，水随出水管6c流入溢流器7a中；

F.运行一定时间t后，关闭8^#球形阀6d，将水压力调整至下一指定值P₁，同时取下颗粒采集器6b，并迅速将另一个装满水的颗粒采集器6b连接到T型分离器6a上，再次打开8^#球形阀6d；

重复步骤F，依次将水压力调整至P₁、P₂、……，P_n；水压力达到实验指定最大值后，关闭8^#球形阀6d和9^#球形阀6e，缓慢调节1^#气压调节阀3i和2^#气压调节阀4g，使其降低至大气压，关闭2^#球形阀3j和3^#球形阀4h，至此实验结束。此外，试验过程中溢流器7a和收集器7b内的1^#浊度计7d、2^#浊度计7f可对水的浑浊程度实时监测，进而计算粘土的流失量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置，其特征在于，包括：

渗透实验系统：包括设于渗透室内的试验样本，渗透室设有水流通道，水流通道与颗粒采集系统连接以采集水溢流过程中试验样本流失的颗粒；所述渗透室由穿孔板、第一滤网、试验样本、第二滤网和底座组成，所述第二滤网放置在底座上，所述试验样本分层均匀铺设在第二滤网上，所述第一滤网放置在试验样本上，所述穿孔板放置于第一滤网上；所述试验样本前、后、左、右四面分别铺设一层塑胶膜；

用于固定渗透实验系统的试验台架；所述试验台架包括用于固定所述渗透室的夹具，所述夹具可旋转固定于试验台架的基架上；

轴压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定强度荷载的荷载动力源；所述轴压加载系统的荷载动力源与荷载传递梁连接，荷载传递梁通过荷载传递柱与所述的渗透室连接；

水压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定压力水源的压力水箱，且该水源的压力可调；

信息监测系统：包括用于监测上述所述水源或上述荷载的压力传感器以及试样样本在试验过程中位移变化的位移传感器，以上所述的传感器与数据采集系统连接；

所述的数据采集系统包括与所述水流通道连通的分离器，分离器的一端与颗粒采集器连接；所述的信息监测系统包括与所述分离器连通的溢流器，溢流器设于收集器内，收集器放置于称重装置上，溢流器和收集器内分别放有一个浊度计。

2.如权利要求1所述的渗透失稳突水实验装置，其特征在于，所述称重装置与所述的数据采集系统相连。

3.如权利要求1所述的渗透失稳突水实验装置，其特征在于，所述水压加载系统包括压力水箱，压力水箱通过导水管与水量观测器连接，水量观测器通过进水管连接到所述的渗透室。

4.如权利要求3所述的渗透失稳突水实验装置，其特征在于，一个所述压力传感器设于所述的进水管，一个所述的压力传感器设于荷载动力源上，所述的位移传感器设于荷载传递梁上。

5.如权利要求4所述的渗透失稳突水实验装置，其特征在于，所述渗透室至少一侧壁安装有透明或半透明的玻璃板。

6.如权利要求3所述的渗透失稳突水实验装置，其特征在于，在渗透室内部进水管与水流通道所在面各自设有滤网。

7.如权利要求1-6中任一项所述的渗透失稳突水实验装置的实验方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)向渗透室内注入水源，使试验样本逐渐处于饱和状态；

2)通过轴压加载系统向试验样本提供稳定的设定的压力值；

3)通过水压加载系统向试验样本提供稳定的设定的初始水压P₀，此时，试验样本因进水与水流通道处产生水压差，试验样本内部发生渗流，水通过水流通道流出；

4)步骤3)运行设定时间后，将水压加载系统提供的初始水压P₀调整至第二指定值P₁，更换数据采集系统中的颗粒采集器并重新安装新的颗粒采集器；

5)装置在第二指定值P₁下运行设定时间，将水压加载系统提供的水压按照P₂、……，P_n的方式进行调整并分别运行，P_n为实验指定最大值，收集每次流失的颗粒并结合浊度计监测数据进行分析。

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