CN108375533A - 一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，包括依次循环连接的水箱、用于调节进水压力的进水压调节单元、待试验的节理试样剪切渗流盒、用于调节节理试样剪切渗流盒出口水压的出水压调节单元及流量计，所述系统包括一个控制单元，所述进水压调节单元和出水压调节单元均与控制单元连接；试验时，通过控制单元控制进水压调节单元和出水压调节单元，使得节理试样剪切渗流盒的进水压力、出水压力及压差可精确调控。与现有技术相比，本发明水口采用高压柱塞泵，可以给岩石节理剪切渗流试验提供高的渗透压力，并利用发明的入水口稳压系统，解决了高压柱塞泵入口压力的脉冲波导致入口压力的不稳定，使得设备运行效率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及岩体工程试验设备，具体涉及一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统。
背景技术
深部岩体节理中的渗流与应力耦合特性已成为了大型深部地下工程稳定性分析中的迫切需要解决的关键性科学问题。岩石节理全剪切渗流耦合试验是研究岩石节理水力特性最有效最直接的手段。“高渗透水压的调节和量测”作为研制基础试验平台“岩石节理全剪切-渗流耦合试验系统”的关键技术难点亟待解决。由于岩石节理在剪切过程中隙宽会不断改变，这给岩石节理剪切过程中渗流压力控制带来问题，尤其是在高渗透压力作者用下，无法提供稳定的水压。以往的研究中岩石节理剪切渗流测试系统的渗透水压靠水箱上、下游水头差作用来提供稳定水流，仅能进行低渗透水压条件下的渗流试验。而后渗流系统采用高压氮气施加水压，也只能达到1.5MPa。因此需开发适用高渗透压力作用岩石节理剪切渗流耦合试验的稳压系统及实现岩石节理出入水口的压力差精确控制。
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提供稳定水压、试验精度高的岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，该系统包括依次循环连接的水箱、用于调节进水压力的进水压调节单元、待试验的节理试样剪切渗流盒、用于调节节理试样剪切渗流盒出口水压的出水压调节单元及流量计，所述系统包括一个控制单元，所述进水压调节单元和出水压调节单元均与控制单元连接；试验时，通过控制单元控制进水压调节单元和出水压调节单元，使得节理试样剪切渗流盒的进水压力、出水压力及压差可精确调控。
所述的控制单元包括进水压控制单元和出水压控制单元，所述进水压控制单元包括进水压传感器及控制器，所述出水压控制单元出水压传感器及控制器，所述进水压控制单元中的控制器与出水压控制单元中的控制器为不同控制器。
所述的进水压控制单元中的控制器为变频控制器，所述出水压控制单元中的控制器为全数字伺服控制器。
所述的进水压调节单元包括依次连接的高压柱塞泵、蓄能器、储水罐和单向阀，所述高压柱塞泵与水箱的出口连接，所述单向阀与节理试样剪切渗流盒进水口连接，并在单向阀和节理试样剪切渗流盒进水口之间设有一号三通阀，所述高压柱塞泵与控制器连接，所述一号三通阀与进水压传感器连接。
所述的蓄能器为囊式蓄能器。由于高压柱塞泵的出水是脉冲式的，所以水压也呈脉冲式，所以为了稳定进水压，设置囊式蓄能器，使进水压稳定在可控的范围内。
所述的出水压调节单元包括依次连接的回压阀、二号三通阀和渗透压力伺服器，所述回压阀的入口与节理试样剪切渗流盒出水口连接，所述回压阀的一个出口与流量计连接，另一个出口与二号三通阀连接，所述渗透压力伺服器与控制器连接，所述二号三通阀与出水压传感器连接。
所述的渗透压力伺服器包括储水压力室、设置在储水压力室内部的滚珠丝杆、设置在滚珠丝杆上并在储水压力室内往复运动的活塞以及用于驱动滚珠丝杆转动的伺服交流电机，所述伺服交流电机与控制器连接。在出水压加载或卸载过程中，伺服交流电机驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动活塞在储水压力室中往复运动，进而可以精确的实现增压和减压的功能。
所述的水箱中部设有隔板并通过该隔板将水箱分成蓄水腔体和供水腔体，所述隔板中设有多个通孔，并在所述通孔中连接卡套式铜管接头，所述卡套式铜管接头的后端连接滤网过滤器，所述供水腔体中与隔板平行的一个侧面中设有两个出水孔，所述出水孔与高压柱塞泵的进水口和溢流口连接；所述蓄水腔体终于隔板平行的一个侧面中设有一个进水孔，所述进水孔与流量计连接，所述水箱的底部设有排水孔。在隔板的通孔处设置卡套式铜管接头及滤网过滤器，使得蓄水腔体流向供水腔体中的水是干净的，从而保证从水箱流向水泵的水源的洁净。设置排水孔，可以定期更换水箱中的水，保证水质的洁净。
所述的节理试样剪切渗流盒的出口处设有过滤器。
所述的过滤器包括筒体以及设置在筒体内部的滤网，所述筒体的两端均通过卡套式不锈钢接头与管路连接，且所述滤网包裹连接在筒体后端的卡套式不锈钢接头的进水端。待过滤器使用一定时间后，只要将可拆卸的筒体取出，处理后重新装入即可，这样可以过滤在岩石节理剪切渗流过程中产生的岩石碎屑颗粒等杂质，避免流量计因杂质导致测量的不准确或损坏。
本发明的工作原理如下：
高压柱塞泵从水箱里取水，通过脉冲的方式向后输水，通过囊式蓄能器以及储水罐的调节，使水压稳定并送入节理试样剪切渗流盒中，在节理试样剪切渗流盒的入水口设置进水压传感器，将进水压反馈给变频控制器，变频控制器和设定进水压进行比较之后，控制高压柱塞泵的主轴转速，从而提高或减小进水压。在节理试样渗流盒出水口设置回压阀，并设置出水压传感器，将出水压力反馈给全数字伺服控制器，全数字伺服控制器和设定出水压进行比较，控制伺服交流电机的转速，从而通过滚珠丝杆驱动活塞在储水压力室内前进或后退，从而达到增大出水压或减小出水压的目的。通过控制进水压和出水压，达到控制节理试样剪切渗流盒压差的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)入水口采用高压柱塞泵，可以给岩石节理剪切渗流试验提供高的渗透压力，并利用发明的入水口稳压系统，解决了高压柱塞泵入口压力的脉冲波导致入口压力的不稳定，使得设备运行效率大大提高；
(2)出水口处采用回压阀进行岩石节理剪切渗流耦合试验出水口压力的控制，可以实现任意不同压力差下岩石节理剪切渗流试验；
(3)在水箱及出水口处安装有过滤装置，保证了岩石节理剪切渗流耦合试验水质的洁净，避免因岩石节理剪切渗流过程中产生的岩石碎屑颗粒等杂质，导致流量计测量的不准确或损坏；
(4)该系统实现循环供水，方便快捷，节约水资源。
附图说明
图1为本发明的连接示意图。
图2为本发明水箱的俯视结构示意图；
图3为本发明过滤器的剖视结构示意图。
其中，1为水箱，2为高压柱塞泵，3为蓄能器，4为储水罐，5为单向阀，6a为一号三通阀，6b为二号三通阀，7a为进水压传感器，7b为出水压传感器，8为节理试样剪切渗流盒，9为过滤器，91为卡套式不锈钢管接头，92为筒体，93为滤网，10为回压阀，11为渗透压力伺服器，12为流量计，13为隔板，14a为通孔，14b为出水孔，14c为进水孔，14d为排水孔，15为卡套式铜管接头，16为滤网过滤器，17为蓄水腔体，18为供水腔体，19为控制器。
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
一种新型岩石节理剪切渗流试验压差控制装置及稳压系统，其结构如图1所示，包括水箱1、高压柱塞泵2、蓄能器3、储水罐4、单向阀5、节理剪切渗流盒体8、过滤器9、回压阀10、渗透压力伺服器11、流量计12。
水箱1采用不锈钢材料制成，采用四角焊接，焊缝且修光。在水箱1的中间加设有隔板13，在隔板13的中间高度处沿着水箱1宽度开设3个相同大小的通孔14a，通过卡套式铜管接头15将隔板13与滤网过滤器16螺纹连接，水箱的结构如图2所示。该隔板13加强了水箱的强度，避免在加水后水箱承受太大的压力而变形，同时还将水箱1分隔为蓄水腔体17和供水腔体18，在与隔板13平行的供水腔体的侧板下部开均匀设有出水孔14b，出水孔14b同样通过卡套式铜管接头分别与高压柱塞泵2的进水口、溢流阀端口相连，在与隔板13平行的蓄水腔体18的侧板上部中间位置开设有进水孔14c，用于连接从流量计12中流出的管道。最后的在供水腔体18的底面开设排水孔14d，并安装有开关，用于定期排放水箱的水源。进水孔14b与高压柱塞泵2的进水口有一定的水位差，这样能正常向高压柱塞泵2提供水源，在入水压力调节过程中从溢流阀端口流出的水也能重新流入水箱1中，滤网过滤的使用同时保证了从水箱流向水泵的水源的洁净。
在高压柱塞泵2后方安装大容量高压力囊式蓄能器3，并在高压柱塞泵2的出水管路上连接储水罐4，里面充满液体，起到水流缓冲的作用。单向阀5保证水流的流动方向，通过一号三通阀6a将进水压传感器7a与岩石节理剪切渗流盒8的入水口连通，控制器19进水压传感器7a的信号并控制入口压力值。
在岩石节理剪切渗流盒的出水口安装有回压阀10，用来控制出水口的渗透压力，该回压阀10通过二号三通阀6b分别与出水压传感器7b、渗透水压伺服器11相连接，该渗透水压伺服器11主要由伺服电机、减速器滚珠丝杠、储水压力室、行程开关等组成，在水压加载或卸载过程中，伺服交流电机带动减速机通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动活塞在储水压力室中往复运动，进而可以精确的实现增压和减压的功能。
在回压阀10与岩石节理剪切渗流盒8的出水口之间设置有过滤器9，如图3所示，该过滤器主要由筒体92、不锈钢的滤网93组成。过滤器两端通过卡套式不锈钢接头91与岩石节理剪切渗流盒出水管道相连通，待过滤器9使用一定时间后，只要将可拆卸的筒体91取出，处理后重新装入即可，这样可以过滤在岩石节理剪切渗流过程中产生的岩石碎屑颗粒等杂质，避免流量计12因杂质导致测量的不准确或损坏。从流量计12流出的水通过管道流向水箱1，从而实现了岩石节理剪切渗流过程中水流的循环使用功能。
使用该系统的具体步骤如下：
(1)将选用的天然节理试样、水泥砂浆复制天然节理试样或劈裂获得的岩石节理试样装入自行设计的岩石节理剪切渗流盒，待法向及水平位移传感器(LVDT)安装后，施加初始的法向力并加载至预定的法向力；
(2)检查岩石节理剪切渗流盒出入水口管路以及高压柱塞泵、渗透压力伺服加载器的连接情况，将流量计连接好并清零。按照试验设定的入水口渗透压力将囊式蓄能器的压力值调整到工作压力状态，待入水口渗透压力控制稳定后，通过渗透压力伺服控制系统将出水口压力保持恒定，最后按照指定的岩石节理剪切速率进行岩石节理剪切渗流耦合试验。
Claims (10)
1.一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，该系统包括循环连接的水箱、用于调节进水压力的进水压调节单元、待试验的节理试样剪切渗流盒、用于调节节理试样剪切渗流盒出口水压的出水压调节单元及流量计，所述系统包括一个控制单元，所述进水压调节单元和出水压调节单元均与控制单元连接；试验时，通过控制单元控制进水压调节单元和出水压调节单元，使得节理试样剪切渗流盒的进水压力、出水压力及压差可精确调控。
2.根据权利要求1所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的控制单元包括进水压控制单元和出水压控制单元，所述进水压控制单元包括进水压传感器及控制器，所述出水压控制单元包括出水压传感器及控制器，所述进水压控制单元中的控制器与出水压控制单元中的控制器为不同控制器。
3.根据权利要求2所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的进水压控制单元中的控制器为变频控制器，所述出水压控制单元中的控制器为全数字伺服控制器。
4.根据权利要求2所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的进水压调节单元包括依次连接的高压柱塞泵、蓄能器、储水罐和单向阀，所述高压柱塞泵与水箱的出口连接，所述单向阀与节理试样剪切渗流盒进水口连接，并在单向阀和节理试样剪切渗流盒进水口之间设有一号三通阀，所述高压柱塞泵与控制器连接，所述一号三通阀与进水压传感器连接。
5.根据权利要求4所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的蓄能器为囊式蓄能器。
6.根据权利要求2所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的出水压调节单元包括依次连接的回压阀、二号三通阀和渗透压力伺服器，所述回压阀的入口与节理试样剪切渗流盒出水口连接，所述回压阀的一个出口与流量计连接，另一个出口与二号三通阀连接，所述渗透压力伺服器与控制器连接，所述二号三通阀与出水压传感器连接。
7.根据权利要求6所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的渗透压力伺服器包括储水压力室、设置在储水压力室内部的滚珠丝杆、设置在滚珠丝杆上并在储水压力室内往复运动的活塞以及用于驱动滚珠丝杆转动的伺服交流电机，所述伺服交流电机与控制器连接。
8.根据权利要求4所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的水箱中部设有隔板并通过该隔板将水箱分成蓄水腔体和供水腔体，所述隔板中设有多个通孔，并在所述通孔中连接卡套式铜管接头，所述卡套式铜管接头的后端连接滤网过滤器，所述供水腔体中与隔板平行的一个侧面中设有两个出水孔，所述出水孔与高压柱塞泵的进水口和溢流口连接；所述蓄水腔体终于隔板平行的一个侧面中设有一个进水孔，所述进水孔与流量计连接，所述水箱的底部设有排水孔。
9.根据权利要求1所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的节理试样剪切渗流盒的出口处设有过滤器。
10.根据权利要求9所述的一种岩石节理全剪切渗流耦合试验的稳压及压差控制系统，其特征在于，所述的过滤器包括筒体以及设置在筒体内部的滤网，所述筒体的两端均通过卡套式不锈钢接头与管路连接，且所述滤网包裹连接在筒体后端的卡套式不锈钢接头的进水端。
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