CN109765160A - 一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，包括用于夹持裂隙试件的夹持器、高精度柱塞泵、气瓶一、回压控制装置、水气分离装置、储水容器、电子天平，所述气瓶一通过压力调节阀一与裂隙试件的入口端相连，所述高精度柱塞泵与裂隙试件的入口端相连，所述裂隙试件的出口端、回压控制装置、水气分离装置、储水容器依次相连，储水容器置于电子天平上。本发明结构简单，操作简便，解决了传统二相流试验装置和拟稳态驱替试验装置的不足，能实现真正意义上的非饱和渗流状态，且对现有的岩体裂隙非饱和渗流试验装置进行了改进，解决了已有装置较难直接测量毛细压力、供水量测量不准确等问题，在试验精度控制方面具有突出的优点。

Description

一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置

技术领域

本发明涉及岩体非饱和渗流和多相流试验技术领域，具体为一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置。

背景技术

岩体是由完整的岩块和随机分布的裂隙组成的不连续介质，不同于土体的孔隙介质，岩体的主要渗流通道是岩块之间的裂隙网络，岩体的渗流主要受裂隙的影响。根据渗流时的物理特征不同，裂隙岩体的渗流通常被分为饱和渗流和非饱和渗流。在众多能源、环境和工程应用领域中，如降雨导致的岩坡滑坡、核废料深埋、油气二次开采等问题，都涉及裂隙岩体非饱和渗流和多相渗流的研究。

单裂隙是构成裂隙网络的基本组成单元，因此，单裂隙非饱和渗流是裂隙岩体非饱和渗流的基本问题和理论基础。目前单裂隙非饱和渗流的研究主要包括非饱和水力参数的确定和非饱和渗流机理的研究，对单裂隙非饱和水力参数大多通过室内物模试验来测定，其中最为关键的是单裂隙毛细压力-饱和度和相对渗透系数-饱和度(或毛细压力)关系的确定。目前大多数物模试验是通过水-油拟稳态驱替试验和二相流试验来测定单裂隙非饱和水力参数。但由于油、气物理特性的差异和试验过程中气相压力不恒定等问题的存在，通过上述试验所得出的单裂隙水力参数的关系式并不适用于非饱和渗流。此外，试验过程中裂隙内饱和度和毛细压力的量测技术要求较高，目前已有的裂隙非饱和渗流试验装置主要通过读取测压管水位与裂隙面的高差来计算各级毛细压力值，通过供水水量、集水水量和测压管水位变化量来计算各级毛细压力下的裂隙饱和度，试验精度无法得到保证。综上所述，目前还缺乏可靠的真正意义上的岩体裂隙非饱和渗流试验装置。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明以岩体裂隙非饱和渗透特性研究为出发点，研发了一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，在此试验装置上可以实现真正意义上的岩体裂隙非饱和渗流，所选用的压力传感器和集水量测电子天平均为高精度，可满足试验中各项技术指标及精度指标的要求，装置采用高精度柱塞泵进行注水，可对供水量进行实时准确测量。基于上述试验装置系统，研究提出了一种测定岩体裂隙非饱和水力参数的物模试验法。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，包括用于夹持裂隙试件的夹持器、高精度柱塞泵、气瓶一、回压控制装置、水气分离装置、储水容器、电子天平，所述气瓶一通过压力调节阀一和管路与裂隙试件的入口端相连，所述高精度柱塞泵通过管路与裂隙试件的入口端相连，高精度柱塞泵、气瓶一分别用于恒压注水和注气，注水压力精度可达0.1kPa、水量精度可达0.01ml，注气压力精度可达0.1kPa。所述裂隙试件的出口端、回压控制装置、水气分离装置、储水容器依次相连，储水容器置于电子天平上，回压控制装置用于调节模型出口压力。所述的电子天平计量精度可达0.01g。

优选的，所述回压控制装置包括回压阀、回压容器、压力调节阀二、气瓶二，所述气瓶二、压力调节阀二、回压容器、回压阀依次相连，所述裂隙试件的出口端、回压阀、水气分离装置、储水容器依次相连。

优选的，还包括储气容器，所述气瓶一、压力调节阀一、储气容器、裂隙试件的入口端依次相连。

优选的，所述储气容器、高精度柱塞泵与裂隙试件入口端相连的管道上均设置有高精度压力传感器，所述回压阀与裂隙试件出口端相连的管道上设置有高精度压力传感器。高精度压力传感器用于精确测量裂隙进出口端的水、气压力。所述高精度压力传感器测量精度可达0.1kPa。

（三）有益效果

本发明提供了一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置。具备以下有益效果：

1、该岩体裂隙非饱和渗流试验装置，结构简单，操作简便，解决了传统水、油拟稳态驱替试验和二相流试验的不足以及现有裂隙非饱和渗流试验装置较难准确测量毛细压力和饱和度的问题，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，而且在试验精度控制方面具有突出的优点。

附图说明

图1为本发明的岩体裂隙非饱和渗流试验装置示意图。

图中：1高精度柱塞泵、2气瓶一、3压力调节阀一、4储气容器、5裂隙试件、6夹持器、7回压控制装置、8水气分离装置、9储水容器、10电子天平、11高精度压力传感器、12管路、71回压阀、72回压容器、73压力调节阀二、74气瓶二。

具体实施方式

本发明实施例提供一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，如图1所示，包括用于夹持裂隙试件5的夹持器6、高精度柱塞泵1、气瓶一2、回压控制装置7、水气分离装置8、储水容器9、电子天平10，气瓶一2通过压力调节阀一3和管路12与裂隙试件5的入口端相连，高精度柱塞泵1通过管路12与裂隙试件5的入口端相连，高精度柱塞泵1、气瓶一2分别用于恒压注水和注气，注水压力精度可达0.1kPa、水量精度可达0.01ml，注气压力精度可达0.1kPa。裂隙试件5的出口端、回压控制装置7、水气分离装置8、储水容器9依次相连，储水容器9置于电子天平10上，储水容器9为有机玻璃杯。回压控制装置7用于调节模型出口压力。的电子天平10计量精度可达0.01g。

回压控制装置7包括回压阀71、回压容器72、压力调节阀二73、气瓶二74，气瓶二74、压力调节阀二73、回压容器72、回压阀71依次相连，裂隙试件5的出口端、回压阀71、水气分离装置8、储水容器9依次相连。

本装置还包括储气容器4，气瓶一2、压力调节阀一3、储气容器4、裂隙试件5的入口端依次相连。

储气容器4、高精度柱塞泵1与裂隙试件5入口端相连的管道12上均设置有高精度压力传感器11，回压阀71与裂隙试件5出口端相连的管道12上设置有高精度压力传感器11。高精度压力传感器11用于精确测量裂隙进出口端的水、气压力。高精度压力传感器11测量精度可达0.1kPa。

夹持器6为TY-2C型。

水气分离装置8的型号为FY-QYFL-I，为现有技术。包括上端为一正伞形器，下端为一倒伞形器。当气液混合液从入口端进入分离装置时，液体经伞形器外表流到分离装置的下端，气体经伞形器内表进入大气，使得水气分离更彻底。

高精度柱塞泵的型号为TeledyneISCOD系列的D500高精度双缸柱塞泵。

高精度压力传感器11的型号为Keller33X系列。

工作原理：本发明的实施过程是：按夹持器6尺寸切割好裂隙试件5，并使用夹持器6将裂隙试件5固定，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。先让裂隙试件5与过水管路饱水，通过调节高精度柱塞泵1，对裂隙施加初始恒定水压力，水流经裂隙后从排水管排出，利用回压控制装置7控制出口水压，使裂隙出水口水压维持一个恒定出口压力值不变（略小于进口水压），水流在水头差作用下经裂隙后从排水管排出，发生渗流运动，测得给定时间段内通过裂隙的水量（根据电子天平10读数变化获得），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饱和渗透系数。再通过调节压力调节阀一3向裂隙内施加不小于恒定水压力的气压力，使裂隙内水相压力变为某个负值，利用回压控制装置7控制裂隙出口水压与气压，使裂隙出口水压和气压同时保持之前的恒定出口压力不变，由于裂隙中毛细压力的增加，根据毛细吸持理论可知，试样内多余的水分将被排出，出水水量大于供水水量，其差值即为裂隙中排出的水量。维持气相压力至某个数值恒定，测算相邻若干时间段内的供水水量和集水水量，当单位时间内供水水量等于集水水量时，即认为流动已达稳定状态，裂隙内饱和度也已稳定，由水量平衡原理可知，供水水量和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，再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。通过调节压力调节阀一3逐级增大气相压力，并利用回压控制装置7控制裂隙出口压力保持恒定，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，利用压力调节阀一3和回压控制装置7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。

试验过程中除了需要计算出每级毛细压力所对应的饱和度之外，还需得到裂隙饱 和含水量。而对于岩体裂隙来说，岩块的含水量比大大高于裂隙的含水量，所以传统用于测 定多孔介质中含水量的方法（例如射线衰减法、中子水分仪法等）无法用来测定裂隙间饱 和含水量。基于此原因，本试验采用的方法是：将各级毛细压力下的排水量相加，再乘以固 定系数1.05（5％为天然裂隙中束缚水饱和度的经验值），将得到的结果视为裂隙饱和含水 量。再根据各级毛细压力下裂隙的排水量（或吸水量）与饱和含水量，从而计算出各级毛细 压力对应的裂隙饱和度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：包括用于夹持裂隙试件（5）的夹持器（6）、高精度柱塞泵（1）、气瓶一（2）、回压控制装置（7）、水气分离装置（8）、储水容器（9）、电子天平（10），所述气瓶一（2）通过压力调节阀一（3）与裂隙试件（5）的入口端相连，所述高精度柱塞泵（1）与裂隙试件（5）的入口端相连，所述裂隙试件（5）的出口端、回压控制装置（7）、水气分离装置（8）、储水容器（9）依次相连，储水容器（9）置于电子天平（10）上。

2.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：所述回压控制装置包括回压阀（71）、回压容器（72）、压力调节阀二（73）、气瓶二（74），所述气瓶二（74）、压力调节阀二（73）、回压容器（72）、回压阀（71）依次相连，所述裂隙试件（5）的出口端、回压阀（71）、水气分离装置（8）、储水容器（9）依次相连。

3.根据权利要求2所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：还包括储气容器（4），所述气瓶一（2）、压力调节阀一（3）、储气容器（4）、裂隙试件（5）的入口端依次相连。

4.根据权利要求3所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于：所述储气容器（4）、高精度柱塞泵（1）与裂隙试件（5）入口端相连的管道上均设置有高精度压力传感器（11），所述回压阀（71）与裂隙试件（5）出口端相连的管道上设置有高精度压力传感器（11）。