CN107421869A - 一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置及试验方法，包括岩芯夹持器以及设置于岩芯夹持器上方的注水箱、设置于岩芯夹持器下方的储水箱，所述岩芯夹持器中部具有置放夹持岩芯式样的置物腔，所述注水箱下部具有与置物腔联通的进水口，所述储水箱上部具有与置物腔联通的入水口，所述储水箱的下方设置有伸入储水箱的加压杆，所述加压杆由驱动装置驱动上下运行以施压作用于岩芯试样，所述岩芯夹持器置物腔内表面还具有加压垫层，所述加压垫层内设置有加压空腔，所述加压空腔与用于输入液压油的液压管路联通，所述液压管路上设置有油泵。本发明结构利用该仪器测试单裂隙岩体在剪切‑渗流耦合作用下变形破坏演变过程中渗透系数变化特征，获取其全过程变化特征。并且，在试验仪器的维护方面能够做到反复使用，零部件能够方便安装拆卸、更新替换等。

Description

一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置及试验方法。

背景技术

裂隙岩体赋存于地质环境之中，经常会受到应力与渗流的耦合作用，其作用结果可能导致裂隙岩体沿原有裂隙滑动破坏，或者产生新的裂隙、形成新的地下水流场，使得裂隙岩体发生整体性破坏，从而产生岩体灾害。边坡工程、地下工程等经常由裂隙岩体构成，房屋、大坝等建构筑物经常以裂隙岩体作为持力层。这些工程建设成败的关键往往在于准确认识剪切-渗流耦合作用下裂隙岩体变形破坏过程及机理。其中，裂隙岩体渗透系数的演化过程是其变形破坏过程的一个关键表征量。因此，测定裂隙岩体渗透系数的试验装置是尤为重要的。

目前，剪切-渗流耦合作用下裂隙岩体渗透系数的测试装置主要基于剪切盒开展，该装置能测试单裂隙岩体在剪切-渗流耦合作用下的裂隙渗透系数随剪切位移的变化。但是，大量的试验案例已经表明，基于剪切盒的测试装置有以下弊端：（1）能承受的剪切位移较小，一般不超过20mm，若剪切位移超过此值，极易导致剪切盒两侧错断漏水。（2）能承受的水压力值较小，一般不超过1MPa，若剪切位移超过此值，也极易使剪切盒两侧漏水和毁坏。（3）由于剪切盒限制了水流只能在既有裂隙中流动，故无法测试剪切过程新生裂隙对裂隙岩体渗透系数的影响，即无法测试剪切-渗流耦合作用下裂隙岩体变形破坏全过程中的渗透系数。（4）无法测试孔隙水-裂隙水协同作用下裂隙岩体受剪切时的渗透特征及变形破坏特征。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有的剪切-渗流耦合作用下裂隙岩体渗透系数的测试装置主要基于剪切盒开展，该装置存在承受的剪切位移及压力值较小且无法测试孔隙水-裂隙水协同作用下裂隙岩体受剪切时的渗透特征及变形破坏特征。

本发明的具体实施方案是：一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，包括岩芯夹持器以及设置于岩芯夹持器上方的注水箱、设置于岩芯夹持器下方的储水箱，所述岩芯夹持器中部具有置放夹持岩芯式样的置物腔，所述注水箱下部具有与置物腔联通的进水口，所述储水箱上部具有与置物腔联通的入水口，所述储水箱的下方设置有伸入储水箱的加压杆，所述加压杆由驱动装置驱动上下运行以施压作用于岩芯试样，所述岩芯夹持器置物腔内表面还具有加压垫层，所述加压垫层内设置有加压空腔，所述加压空腔与用于输入液压油的液压管路联通，所述液压管路上设置有油泵。

进一步的，所述岩芯夹持器与注水箱之间还设置有上堵头，所述上堵头中部具有联通置物腔与注水腔内部的液体流动通道，所述液体流动通道的下部位于液体流动通道旁侧具有弓形槽口以给剪切作用下局部岩芯试样位移预留一定的空间。

进一步的，所述岩芯夹持器与储水箱之间还设置有下堵头，所述下堵头中具有两条联通置物腔与储水腔的联通通道，其中一条联通通道截面面积大于加压杆截面积，以保证加压杆穿过下堵头伸入置物腔下部，另一条联通通道截面面积较小，用于传导渗过岩芯试样的液体至储水箱中。

进一步的，所述上堵头下端面、下堵头上端面及加压杆顶部固定有高渗透性垫块。

进一步的，所述注水箱侧部设置有注水口及排水口，所述储水箱侧部设置有泄水口，所述储水腔旁侧具有液位计。

进一步的，岩芯夹持器两侧设置有轴承，所述轴承固定于支架上，所述固定支架下方设有滚轮。

进一步的，所述驱动装置为气缸、液压缸或丝杠螺母机构。

进一步的，支架旁侧具有控制柜，所述注水箱内设置有压力传感器，注水箱连接有注水管路，所述注水管路上设置有液体流量计，所述控制柜内设置有电源，所述控制柜上设置有背压阀、环压阀、注水箱压力表、显示器、环腔压力表，所述控制箱下部设置有向加压垫层充入油液的围压手摇泵和向注水箱注入具有压力的水的电动注入泵，所述电动注入泵与注水管路联通，控制箱上还设有用于显示岩芯试样的剪切速度的加载调速表、用于显示注水箱内液体的流量液体流量表、液体泵电源开关、总电源开关。

本发明还包括一种裂隙岩体渗透系数演化测试试验方法，利用上述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置：

（1）制作规格为直径Φ=100mm，高度h=200mm的圆柱形岩体试样，岩体试样在中轴线处含有裂隙，将其装入岩芯三轴夹持器，并固定装置；

（2）内部加压垫层充入油液，实现对岩体试样施加围压，直至预定的围压值并稳定该量值；

（3）将水源通过连接管路经注水口注入注水箱中，所述连接管路上设置有电动注入泵，通过电动注入泵施加水压力并确保水压力均小于试验时的围压，直至达到预定的水压值后，通过注水箱背压阀稳定水压；

（4）利用加压电机推动加压杆对岩体试样逐级加载剪应力，在这一过程中，每隔一段时间，记录一次剪应力和剪切作用下岩体试样发生的剪切位移量，同时，记录相应时刻的岩体裂隙渗水量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的试验装置利用上部注水箱、下部储水箱封闭岩体试样两端面，以形成良好封闭体系，并利用该仪器测试单裂隙岩体在剪切-渗流耦合作用下变形破坏演变过程中渗透系数变化特征。本试验装置可在5MPa的水压力条件下，对单裂隙岩体在围压作用下、剪切位移-围压联合作用下的渗透系数进行试验，获取其全过程变化特征。并且，在试验仪器的维护方面能够做到反复使用，零部件能够方便安装拆卸、更新替换等。

附图说明

附图1为本发明仪器的主视结构图。

附图2为本发明仪器的侧视结构图。

附图3为本发明仪器的上堵头端面图。

附图4为本发明仪器的下堵头端面图。

附图5为本发明仪器的加压杆端面图。

附图中，1、注水箱，2、稳压排水口，3、上堵头，4、加压垫层，5、岩芯夹持器，6、岩芯试样，7、高渗透性渗水垫块，8、下堵头，9、支架、轴承，10、加压杆，11、液位计，12、储水箱，13、加压电机，14、注水口，15、排水口，16、接口法兰，17、液体流量表，18、剪切加载调速表，19、注水箱压力表，20、环腔压力表，21、注水箱背压阀，22、环压阀，23、总电源，24、加压电源、液体泵电源，25、围压手摇阀，26、电动注入泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

参考图1所示，本发明的试验装置包括岩芯夹持器5及位于岩芯夹持器5上方的注水箱1，岩芯夹持器5下方的储水箱12，本实施例中，注水箱1与岩芯夹持器5通过上堵头3和渗水垫块7（高渗透性垫块）连接，储水箱12与岩芯夹持器5通过下堵头8和渗水垫块7（高渗透性垫块）连接；岩芯夹持器5通过侧部设置的支撑旋转杆组件与钢支架8连接，起支撑作用。

支撑旋转杆组件包括轴承及固定于钢支架8上的轴承座，通过固定以岩芯夹持器为核心的仪器主体部位，防止其在实验过程中发生过大的振动，影响实验的准确性。同时，由于仪器总体较大，故在仪器底部设置滚轮，方便仪器的移动。

所述的试验装置，本实施例中，其上部注水箱内腔部分尺寸为直径Φ=270mm，高度h=80mm，其底部左右两侧连接口分别为注水口14和稳压排水口15，注水口14连接电动泵以提供预设恒压水流，稳压排水口连接背压阀以控制、稳定箱内水压。

使用时，岩芯夹持器5内放置Φ=100mm，h=200mm的岩芯试样，并且在岩芯试样周围设置加压垫层4，加压垫层4的材质可以是橡胶，加压垫层4联通有具有向内加入液压油的注油管，岩芯夹持器5下方连接口与围压手摇泵相连，通过摇动手摇泵对岩芯夹持器内部加压垫层4注液压油，从而达到对试样施加围压的效果。

试验装置位于岩芯夹持器5下部的储水箱部分内腔尺寸为Φ=270mm，h=160mm。储水箱中设置有3个连接口，其中一侧的两个连接口接到液位计中，用以测量试验时储水箱内水位；另一侧的连接口为排水口，用于排出实验过程中多余的水，当然也可以通过利用液位感应装置实现对储水箱内的液位进行测算。

该储水箱内部还嵌有加压杆10，加压杆10通过加压螺杆连接储水箱外侧的加载电机。在实施剪切力作用时，加载电机通过丝杠螺母配合实现带动加压杆使得岩芯试样受剪部分发生匀速位移。实际设计中，所述驱动加压杆10的装置还可以换是气缸、液压缸机构，加压杆10与储水箱配合面密封。

所述的试验装置，利用上、下堵头连接注水箱、储水箱和岩芯夹持器。上、下堵头分别用堵头法兰固定在夹持器的两端面，用箱体法兰连接注水箱、储水箱，防止岩体试样在试验时发生上下位移，并且保持实验过程中仪器的密闭性。同时上堵头设置有圆柱状液体流动通道，引导注水箱中的水能够顺利地流入试样裂隙。在岩芯试样与上堵头的连接部位设置一个高度为30-40mm的弓形空槽即圆柱状液体流动通道下部外周具有弓形区域形成弓形空槽，给剪切作用下局部岩芯试样位移预留一定的空间。而下堵头除了长为90mm、宽为12mm的液体流动通道，还包括为加压杆预留的加压杆放空通道，其放空通道的横截面大小与加压杆横截面大小基本一致，本实施例中加压杆10的截面为弓形，从而本实施例中下堵头的联通通道为圆形，加压杆10从圆形截面的一侧上升进入置物腔的底部，本实施例中，加压杆10与上堵头的弓形空槽对应设置。

试验装置在上堵头、下堵头与岩芯试样的连接部位设置有三块高渗透性垫块。其中，上堵头部分设有一个垫块，直接覆盖除弓形空槽和液体流量通道外与上堵头接触的面积；下堵头同样设置一个垫块，其截面为一弓形截面；加压杆顶部直接连接一个垫块，其形状与加压杆顶部一致。高渗透性垫块的设置是为了在实验过程中能够保证水流能够通过岩芯试样全截面，使得岩芯试样能够处于全饱和状态，同时能够保证试验时可测得在外力作用下由单一裂隙发展到多裂隙时岩芯试样的渗透性变化。

本试验装置中，位于支架旁侧具有控制柜，所述注水箱内设置有压力传感器，注水箱连接有注水管路，所述注水管路上设置有液体流量计，所述控制柜内设置有电源，所述注控制柜上设置有背压阀、环压阀、注水箱压力表、显示器、环腔压力表，所述控制箱下部设置有向加压垫层充入油液的围压手摇泵和向注水箱注入具有压力的水的电动注入泵，所述电动注入泵与注水管路联通，控制箱上还设有用于显示岩芯试样的剪切速度的加载调速表、用于显示注水箱内液体的流量液体流量表、液体泵电源开关、总电源开关。

利用上部注水箱、下部储水箱封闭岩体试样两端面，以形成良好封闭体系，并利用该仪器测试单裂隙岩体在剪切-渗流耦合作用下变形破坏演变过程中渗透系数变化特征。本试验装置可在5MPa的水压力条件下，对单裂隙岩体在围压作用下、剪切位移-围压联合作用下的渗透系数进行试验，获取其全过程变化特征。并且，在试验仪器的维护方面能够做到反复使用，零部件能够方便安装拆卸、更新替换等。

使用时

（1）制作规格为直径Φ=100mm，高度h=200mm的圆柱形岩体试样，岩体试样在中轴线处含有裂隙，将其装入岩芯三轴夹持器，并固定装置；

（2）内部加压垫层充入油液，实现对岩体试样施加围压，直至预定的围压值并稳定该量值；

（3）将水源连接至电动注入泵，利用电动注入泵施加水压力，确保水压力均小于试验时的围压，通过注水口将水注入水箱中，直至预定的水压值后，通过注水箱背压阀稳定水压；

（4）利用加压电机推动加压杆对岩体试样逐级加载剪应力，在这一过程中，每隔一段时间，记录一次剪应力和剪切作用下岩体试样发生的剪切位移量，同时，记录相应时刻的岩体裂隙渗水量。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，包括岩芯夹持器以及设置于岩芯夹持器上方的注水箱、设置于岩芯夹持器下方的储水箱，所述岩芯夹持器中部具有置放夹持岩芯式样的置物腔，所述注水箱下部具有与置物腔联通的进水口，所述储水箱上部具有与置物腔联通的入水口，所述储水箱的下方设置有伸入储水箱的加压杆，所述加压杆由驱动装置驱动上下运行以施压作用于岩芯试样，所述岩芯夹持器置物腔内表面还具有加压垫层，所述加压垫层内设置有加压空腔，所述加压空腔与用于输入液压油的液压管路联通，所述液压管路上设置有油泵。

2.根据权利要求1所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，所述岩芯夹持器与注水箱之间还设置有上堵头，所述上堵头中部具有联通置物腔与注水腔内部的液体流动通道，所述液体流动通道的下部位于液体流动通道旁侧具有弓形槽口以给剪切作用下局部岩芯试样位移预留一定的空间。

3.根据权利要求2所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，所述岩芯夹持器与储水箱之间还设置有下堵头，所述下堵头中具有两条联通置物腔与储水腔的联通通道，其中一条联通通道截面面积大于加压杆截面积，以保证加压杆穿过下堵头伸入置物腔下部，另一条联通通道截面面积较小，用于传导渗过岩芯试样的液体至储水箱中。

4.根据权利要求3所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，所述上堵头下端面、下堵头上端面及加压杆顶部固定有高渗透性垫块。

5.根据权利要求4所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，所述注水箱侧部设置有注水口及排水口，所述储水箱侧部设置有泄水口，所述储水腔旁侧具有液位计。

6.根据权利要求1所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，岩芯夹持器两侧设置有轴承，所述轴承固定于支架上，所述固定支架下方设有滚轮。

7.根据权利要求1所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，所述驱动装置为气缸、液压缸或丝杠螺母机构。

8.根据权利要求1所述一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，其特征在于，支架旁侧具有控制柜，所述注水箱内设置有压力传感器，注水箱连接有注水管路，所述注水管路上设置有液体流量计，所述控制柜内设置有电源，所述控制柜上设置有背压阀、环压阀、注水箱压力表、显示器、环腔压力表，所述控制箱下部设置有向加压垫层充入油液的围压手摇泵和向注水箱注入具有压力的水的电动注入泵，所述电动注入泵与注水管路联通，控制箱上还设有用于显示岩芯试样的剪切速度的加载调速表、用于显示注水箱内液体的流量液体流量表、液体泵电源开关、总电源开关。

9.一种裂隙岩体渗透系数演化测试试验方法，其特征在于，利用如权利要求5所述的一种裂隙岩体渗透系数演化测试装置，具体步骤如下:

（1）制作规格为直径Φ=100mm，高度h=200mm的圆柱形岩体试样，岩体试样在中轴线处含有裂隙，将其装入岩芯三轴夹持器，并固定装置；

（2）内部加压垫层充入油液，实现对岩体试样施加围压，直至预定的围压值并稳定该量值；

（3）将水源通过连接管路经注水口注入注水箱中，所述连接管路上设置有电动注入泵，通过电动注入泵施加水压力并确保水压力均小于试验时的围压，直至达到预定的水压值后，通过注水箱背压阀稳定水压；

（4）利用加压电机推动加压杆对岩体试样逐级加载剪应力，在这一过程中，每隔一段时间，记录一次剪应力和剪切作用下岩体试样发生的剪切位移量，同时，记录相应时刻的岩体裂隙渗水量。