CN111122416A - 测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于岩土工程、地质工程技术领域,提供测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统。本系统包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置。试验过程中,首先对岩土体试样施加温度和三轴应力控制;利用气体注入装置向岩土体试样注入高压气体,高压气体经过渗透后进入出口缓冲容器和超低渗流量监测装置,获得气体渗透流量;变形监测装置可在试验过程中测量岩土体试样的局部绝对变形量。本申请提供的方案,其有益效果在于:实现了多场多相耦合条件下超低渗介质的气体渗透的全过程监测,能够获得气体渗透特性和宏观变形特性。
Description
技术领域
本申请涉及一种在土木工程(岩土)及地质工程技术领域,用于测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统。
背景技术
高放射性核废物深地质处置是通过设置各种屏障,将废弃物封存在距地表以下500~1000m的合适岩体中,以阻止核素的泄漏与迁移。根据围岩的不同,处置库可分为单屏障库与双屏障库。其中,双屏障库选用坚硬岩层作为围岩,如美国尤卡山、日本的处置库,以及中国北山预选处置库等。双屏障库中,以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土是最适合的人工屏障缓冲/回填材料,它具备水力屏障、化学屏障和机械屏障等多重功能。
处置库建设与长期运营过程中,受围岩的约束与地下水的入侵影响,膨润土自身吸水膨胀,库内核废料产生衰变热,以及围岩内地下水化学成分与库内混凝土结构部分衰解产生高碱溶液等,都将影响高压实膨润土的缓冲/回填性能的发挥。此外,研究还发现,因废物罐金属壳体腐蚀、微生物降解、水辐解等作用将产生大量气体(氢气、甲烷、二氧化碳等),并将在罐体周围压实膨润土及相关低渗屏障体中不断积聚,从而产生极高的气体压力。因此,在处置库的长期运营过程中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土将经历热(T)-水(H)-力(M)-化(C)-气(G)极其复杂的多场多相耦合作用过程。
针对多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗流试验,既有的试验装置主要包括三大类:恒体积渗透装置、恒定体积径向渗流试验仪、等向应力渗透装置。其中恒体积渗透装置和恒定体积径向渗流试验仪均是通过对出口端的流量进行监控,只能得到材料的宏观表征参数(渗透率)。对于等向应力渗透装置,借助柔性边界和围压控制系统,通过监测气体压力、流量等数据,可以定性分析渗透过程中气体渗流路径分布以及应力水平(等向应力状态)对气体渗透过程的影响。然而,这三类既有渗透装置都无法模拟试验中温度场、应力场等复杂条件对气体渗透的影响。因此,适用于研究热(T)-水(H)-力(M)耦合作用对多相渗流过程影响的试验装置亟待开发。
发明内容
本申请的目的在于:克服现有技术的不足,提供测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,可广泛应用于核废料深地质处置、垃圾填埋、矿山尾矿处理、CO2捕获与地质封存、空气压缩储能、页岩气开采等领域的气体渗透试验研究,快速、准确获得热(T)-水(H)-力(M)耦合条件下超低渗介质气体渗透参数,具有重要工程意义和实践价值。
为实现上述目标,本申请提供了如下技术方案:
测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于,该试验系统包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置。
所述的三轴渗流室是试验系统的主体部分,包括外壳、内腔;所述的三轴渗流室外壳由底座、顶盖和侧环组成,均由不锈钢制成;所述的底座和侧环之间通过若干个水平向螺栓紧密连接在一起;所述的底座与侧环、顶盖与侧环的接缝处采用若干条O形圈密封;所述的底座内设有进气孔、出气孔和供水孔;所述的顶盖顶部设有排气孔、热探针孔、承重轴孔;所述的三轴渗流室内腔设置有若干根三轴室支柱、岩土体试样、上方金属圆柱体、下方金属圆柱体;所述的三轴渗流室内腔可充填液体;所述的若干根三轴室支柱垂直连接于底座与顶盖之间,沿底座圆周方向等距设置,起底座与顶盖之间支撑固定作用;所述的岩土体试样为被测试验材料,安装于上方金属圆柱体和下方金属圆柱体之间;所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体的横截面尺寸与岩土体试样的横截面尺寸相同,试验中使用高强度乳胶膜包裹在上方金属圆柱体、下方金属圆柱体、岩土体试样外侧,使三者之间紧密接触,不发生脱离;所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体内设有通气孔,上方金属圆柱体通气孔底端、下方金属圆柱体通气孔顶端与岩土体试样直接连通;上方金属圆柱体通气孔顶端通过导管与底座出气孔顶端连接,下方金属圆柱体通气孔底端与底座进气孔顶端连接;
所述的变形监测装置安装在三轴渗流室内腔内,由若干个电涡流传感器、若干个变形监测架、若干个金属贴片组成;所述的若干个电涡流传感器固定在变形监测架上,并分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距布设在岩土体试样周围;所述的若干个变形监测架沿岩土体试样圆周方向等距布设;所述的金属贴片分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距粘附在岩土体试样外高强度乳胶膜外表面,与电涡流传感器探头正对并保持一定距离;所述的电涡流传感器可精确测量金属贴片与探头端面之间静态和动态的相对位移变化,通过实时监测金属贴片相对位移来间接获得渗透过程中岩土体试样的局部绝对变形量。
所述的温度感控装置安装在三轴渗流室外壳外,包括加热器、温度控制器、热探针;所述的加热器包裹在三轴渗流室侧环外侧,通过对不锈钢材料制成的侧环加热,间接将热量传导给三轴渗透室内腔充填的液体;所述的温度控制器通过导线与加热器连接,可根据温度设定值和热探针测量的三轴渗流室内腔液体温度自动控制加热器电源的通断;所述的热探针通过热探针孔将探头伸入三轴渗流室内腔液体中,可用于测量的三轴渗流室内腔液体的温度,再通过导线将实时测量温度数据传输给温度控制器;所述的加热器、温度控制器、热探针三者共同构成闭环控制装置,可精确控制被测岩土体试样在渗透试验过程中的温度。
所述的体积/压力控制器通过导管与三轴渗透室供水孔相连;对于组装好的三轴渗透室,当排气孔打开时体积/压力控制器可向三轴渗透室内腔注入或排出液体,当排气孔关闭时可向三轴渗透室内腔液体施加压力,从而对岩土体试样施加围压。
所述的偏应力加载装置由横梁、称重传感器、承重轴、轴承、操作平台、载荷速度控制器、竖轴、立柱组成;所述的两根立柱垂直固定于操作平台上,起固定和支撑作用;所述的横梁固定在立柱上;所述的竖轴固定在横梁中间;所述的称重传感器固定于竖轴底端,用于测量轴向荷载的大小;所述的承重轴穿过三轴渗流室顶盖承重轴孔,其顶端与称重传感器相连,底端与上方金属圆柱体顶端相连,用于传递自下而上的轴向荷载;所述的轴承设置在顶盖承重轴孔内壁上,与承重轴侧壁接触,可以在保持承重轴绝对位置固定的条件下,三轴渗流室整体上升或下降;所述的载荷速度控制器主体部分安装于操作平台内部,顶部伸出操作平台并与三轴渗流室的底座接触,用于抬升或降低三轴渗流室底座,从而使三轴渗流室整体上升或下降;由于顶部的承重轴绝对位置固定,三轴渗流室整体上升或下降可以实现对岩土体试样施加或卸除轴压荷载。
所述的气体注入装置由无限体积控制器、增压泵、气体缓冲容器、气/液压转换装置组成;所述的无限体积控制器与气/液压转换装置液压端之间通过导管相连,无限体积控制器内液体可以以恒定体积、压力以及速率的方式输入到气/液压转换装置液压端;所述的增压泵以压缩空气作为动力源,可以对氦气增压并通过导管送入气体缓冲容器;所述的气体缓冲容器通过导管一端与增压泵相连,另一端通过导管与气/液压转换装置气压端相连,可将增压泵送来的高压气体在此缓冲后再送入气/液压转换装置气压端;所述的气/液压转换装置由高强度不锈钢制成,气/液压转换装置液压端与无限体积控制器通过导管连接,气压端与气体缓冲容器通过导管连接,内部使用活塞将气压端与液压端隔离;通过无限体积控制器向气/液压转换装置内输入液压,在气/液压转换装置内部通过活塞将液压转换为恒定体积、压力以及速率的气压,再通过导管将气/液压转换装置气压端内高压气体输入到三轴渗流室进气孔,从而使高压气体注入到岩土体试样中。
所述的出口缓冲容器一端通过导管与三轴渗流室出气孔相连,另一端通过导管与超低渗流量监测装置相连;从三轴渗流室出气孔出来的气体在此缓冲以后,通过超低渗流量监测装置测量流量;出口缓冲容器底部还设有安全阀和排气阀,当出口缓冲容器内的压力超过安全阀上限压力时能自动泄压,保障安全;所述的排气阀用于试验结束后手动排空出口缓冲容器内的气体。
所述的超低渗流量监测装置包括四个气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀;从出口缓冲容器出口端出来的气体将会流入四条分支管道;所述的四个气体流量计分别安装于四条分支管道上,用于测量该管道气体流量,四个气体流量计量程不同;四个气体流量计与单片机之间通过导线连接,可向单片机输出流量数字信号;所述的四个电磁阀分别安装于四条分支管道上,可控制该分支管道上气体的通断;所述的四个继电器一端分别通过导线与四个电磁阀连接,另一端通过导线与单片机连接,单片机可分别控制四个继电器电源的通断,从而控制四个电磁阀的通断;所述的单片机可完成四个气体流量计数据读取,并根据实测流量自动选择最优量程流量计所在分支管路,自动控制四个继电器电源的通断,从而控制四条管路上四个电磁阀的通断,实现最优量程流量计所在分支管路上气体的流通和其他分支管路气体的阻断;所述的气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀协同工作,可以实现各分支管道自动切换,连续自动监测三轴渗流室出气孔的气体流量。
与现有技术相比,本申请具有如下优势:
(1)气/液压转换装置的一端与无限体积控制器相连,另一端与气体预增压装置相连;在该装置内部,通过无限体积控制器液压驱动预增压系统送来的高压气体,可将气体介质以体积控制、压力控制以及速率控制的方式送入三轴渗流室内岩土体式样中。
(2)变形监测装置可精确测量金属贴片与探头端面之间静态和动态的相对位移变化,进而间接获取渗透过程中试样的局部绝对变形量。此外,电涡流传感器为非接触式测量,长期工作可靠性好、测量范围宽。
(3)偏应力加载装置通过载荷速度控制器推动底座向上位移实现轴压加载;加载方式可满足应力控制和位移控制两种;可连续加、卸载。
(4)超低渗流量监测装置采用若干个流量计并联工作方式可以实现不同量程自动切换,精确测量三轴渗流室出口端的气体流量。
附图说明
图1为本申请实施例提供的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统的整体结构示意图;
图2为本申请实施例提供的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统中三轴渗流室、变形监测装置和温度感控装置的结构示意图;
图3为本申请实施例提供的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统中偏应力加载装置及三轴渗流室的结构示意图。
附图标记说明:
1为三轴渗流室、2为变形监测装置、3为温度感控装置、4为体积/压力控制器、5为偏应力加载装置、6为气体注入装置、7为出口缓冲容器、8为超低渗流量监测装置;
11为底座、12为顶盖、13为侧环、14为O型圈、15为三轴室支柱、16为岩土体试样、17为螺栓、18为上方圆柱体、19为下方圆柱体;
111为进气孔、112为出气孔、113为供水孔;
121为排气孔、122为热探针孔、123为承重轴孔;
21为电涡流传感器、22为变形监测架、23为金属贴片;
31为加热器、32为温度控制器、33为热探针;
51为横梁、52为称重传感器、53为承重轴、54为轴承、55为操作平台、56为载荷速度控制器、57为竖轴、58为立柱;
61为无限体积控制器、62为增压泵、63为气体缓冲容器、64为气/液压转换装置;
71为安全阀、72为排气阀;
81为气体流量计、82为单片机、83为继电器、84为电磁阀。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明,结合下面说明,本申请的优点和特征将更加清楚。
如图1所示,本申请所述的试验装置,包括三轴渗流室1、温度感控装置3、体积/压力控制器4、气体注入装置6、出口缓冲容器7、超低渗流量监测装置8。
所述的三轴渗流室1是试验系统的主体部分;
所述的温度感控装置3位于三轴渗流室1外侧,可通过间接加热方式精确控制被测岩土体试样在渗透试验过程中的温度。
所述的体积/压力控制器4采用ADVDPC型控制器,通过导管与三轴渗透室1供水孔113相连;对于组装好的三轴渗透室1,当排气孔121打开时体积/压力控制器4可向三轴渗透室1内腔注入或排出液体,当排气孔121关闭时可向三轴渗透室1内腔液体施加压力,从而对岩土体试样16施加围压,围压范围为0~20MPa。
所述的气体注入装置6由无限体积控制器61、增压泵62、气体缓冲容器63、气/液压转换装置64组成;所述的无限体积控制器61采用GDSIVC型控制器,通过导管与气/液压转换装置64液压端相连,无限体积控制器61内液体可以以恒定体积、压力以及速率的方式输入到气/液压转换装置64液压端,工作压力范围为0~20MPa,压力控制精度为±0.1kPa;容量无体积限制,体积控制精度为±1mm3,工作速率最低可设置在0.0001mL/min,而快速填充/排水速度高达72mL/min;所述的增压泵62以压缩空气作为动力源,可以把氦气增压到20MPa以下并通过导管送入气体缓冲容器63;所述的气体缓冲容器63通过导管一端与增压泵62相连,另一端通过导管与气/液压转换装置64气压端相连,可将增压泵62送来的高压气体在此缓冲后再送入气/液压转换装置64气压端;所述的气/液压转换装置64液压端与无限体积控制器61通过导管连接,气压端与气体缓冲容器63通过导管连接,内部使用活塞将气压端与液压端隔离,气/液压转换装置64的容积为2L,由高强度不锈钢制成,能够承受不小于20MPa的压力;通过无限体积控制器61向气/液压转换装置64内输入液压,在气/液压转换装置64内部通过活塞将液压转换为恒定体积、压力以及速率的气压,再通过导管将气/液压转换装置64气压端内高压气体输入到三轴渗流室1进气孔111,从而使高压气体注入到岩土体试样16中。
所述的出口缓冲容器7的容积为100mL,能够承受不小于20MPa的压力,一端通过导管与三轴渗流室1出气孔112相连,另一端通过导管与超低渗流量监测装置8相连;从三轴渗流室1出气孔112出来的气体在此缓冲以后,通过超低渗流量监测装置8测量流量;出口缓冲容器7底部还设有安全阀71和排气阀72,当出口缓冲容器7内的压力超过安全阀71上限10MPa时能自动泄压,保障安全;所述的排气阀72用于试验结束后手动排空出口缓冲容器7内的气体。
所述的超低渗流量监测装置8包括四个气体流量计81、单片机82、四个继电器83、四个电磁阀84;从出口缓冲容器7出口端出来的气体将会流入四条分支管道;所述的四个气体流量计81采用不同量程的MFM型气体质量流量计,分别安装于四条分支管道上,用于测量该管道气体流量,四个气体流量计量程分别为0~5mL/min、0~100mL/min、0~1000mL/min和0~2000mL/min;四个气体流量计81与单片机82之间通过导线连接,可向单片机82输出流量数字信号;所述的四个电磁阀84采用2W-025-06型电磁阀,分别安装于四条分支管道上,可控制该分支管道上气体的通断;所述的四个继电器83采用SRD-05VDC-SL-C型继电器,一端分别通过导线与四个电磁阀84连接,另一端通过导线与单片机82连接,单片机82可分别控制四个继电器83电源的通断,从而控制四个电磁阀84的通断;所述的单片机82采用STM32F103VE型单片机,可完成四个气体流量计81数据读取,并根据实测流量自动选择最优量程流量计所在分支管路,自动控制四个继电器83电源的通断,从而控制四条管路上四个电磁阀84的通断,实现最优量程流量计所在分支管路上气体的流通和其他分支管路气体的阻断;所述的气体流量计81、单片机82、四个继电器83、四个电磁阀84协同工作,可以实现各分支管道自动切换,连续自动监测三轴渗流室1出气孔112的气体流量。
如图2所示,所述的三轴渗流室1包括外壳、内腔,外壳外安装有温度感控装置3,内腔内安装有变形监测装置2;
所述的三轴渗流室1外壳由底座11、顶盖12和侧环13组成,均由不锈钢制成;所述的底座11和侧环13之间通过四个水平向螺栓17紧密连接在一起;所述的底座11与侧环13、顶盖12与侧环13的接缝处通过两条O形圈14密封;所述的底座11内设有进气孔111、出气孔112和供水孔113;所述的顶盖12顶部设有排气孔121、热探针孔122、承重轴孔123;
所述的三轴渗流室1内腔设置有四根三轴室支柱15、岩土体试样16、上方金属圆柱体18、下方金属圆柱体19;所述的三轴渗流室1内腔可充填液体;所述的四根三轴室支柱15垂直连接于底座11与顶盖12之间,沿底座11圆周方向等距设置,起底座11与顶盖12之间支撑固定作用;所述的岩土体试样16为被测试验材料,安装于上方金属圆柱体18和下方金属圆柱体19之间;所述的上方金属圆柱体18、下方金属圆柱体19的横截面尺寸与岩土体试样16的横截面尺寸相同,试验中使用高强度乳胶膜包裹在上方金属圆柱体18、下方金属圆柱体19、岩土体试样16外侧,使三者之间紧密接触,不发生脱离;所述的上方金属圆柱体18、下方金属圆柱体19内设有通气孔,上方金属圆柱体18通气孔底端、下方金属圆柱体19通气孔顶端与岩土体试样16直接连通;上方金属圆柱体18通气孔顶端通过导管与底座11出气孔112顶端连接,下方金属圆柱体19通气孔底端与底座11进气孔111顶端连接;
所述的变形监测装置2安装在三轴渗流室1内腔内,由十二个电涡流传感器21、四个变形监测架22、十二个金属贴片23组成;所述的电涡流传感器21采用AEC-55MS-Z-52型变换器,十二个电涡流传感器21分为四组,每组三个沿岩土体试样16高度等距固定在变形监测架22上;所述的四个变形监测架22沿岩土体试样16圆周方向等距布设,其底部固定在三轴渗流室1底座11上;所述的十二个金属贴片23分为四组,每组三个沿岩土体试样16高度等距粘附在岩土体试样16外高强度乳胶膜外表面,四组金属贴片23沿岩土体试样16圆周方向等距布设,金属贴片23位置与电涡流传感器21探头正对,两者之间保持2~4mm距离;所述的电涡流传感器21可精确测量金属贴片23与探头端面之间静态和动态的相对位移变化,通过实时监测金属贴片23相对位移来间接获得渗透过程中岩土体试样17的局部绝对变形量(量程为±4mm,其精度可达到0.3~0.5μm)。
所述的温度感控装置3安装在三轴渗流室1外壳外,包括加热器31、温度控制器32、热探针33;所述的加热器31采用SAQ300型恒温加热器,包裹在三轴渗流室1侧环13外侧,通过对不锈钢材料制成的侧环13加热,间接将热量传导给三轴渗透室1内腔充填的液体;所述的温度控制器32采用CHB000B型温控器,通过导线与加热器31连接,可根据温度设定值和热探针33测量的三轴渗流室1内腔液体温度自动控制加热器31电源的通断;所述的热探针33采用WRP-130型热电偶,通过热探针孔122将探头伸入三轴渗流室1内腔液体中,可用于测量的三轴渗流室1内腔液体的温度,再通过导线将实时测量温度数据传输给温度控制器32;所述的加热器31、温度控制器32、热探针33三者共同构成闭环控制装置,可精确控制被测岩土体试样在渗透试验过程中的温度,温控范围为20~100℃。
如图3所示,所述的偏应力加载装置5由横梁51、称重传感器52、承重轴53、轴承54、操作平台55、载荷速度控制器56、竖轴57、立柱58组成;所述的两根立柱58垂直固定于操作平台上55,起固定和支撑作用;所述的横梁51固定在立柱58上;所述的竖轴57固定在横梁中间;所述的称重传感器52采用RCD-100kN型荷重变换器,固定于竖轴57底端,用于测量轴向荷载的大小,传感器量程为0~100kN;所述的承重轴53穿过三轴渗流室1顶盖12承重轴孔123,其顶端与称重传感器52相连,底端与上方金属圆柱体18顶端相连,用于传递自下而上的轴向荷载;所述的轴承54设置在顶盖12承重轴孔123内壁上,与承重轴53侧壁接触,可以在保持承重轴53绝对位置固定的条件下,三轴渗流室1整体上升或下降;所述的载荷速度控制器56采用EM SERVO CONTROLLER KO-470型控制器,主体部分安装于操作平台55内部,顶部伸出操作平台55并与三轴渗流室1的底座11接触,用于抬升或降低三轴渗流室1底座11,从而使三轴渗流室1整体上升或下降;由于顶部的承重轴53绝对位置固定,三轴渗流室1整体上升或下降可以实现对岩土体试样17施加或卸除轴压荷载,轴向荷载范围为0~100kN,载荷速度范围为0.01~100kN/min。
本申请提供的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其工作流程如下:
试验前,三轴渗流室1底座11、顶盖12、侧环13、三轴室支柱15分离,变形监测装置2未安装,体积/压力控制器4、气体注入装置6、出口缓冲容器7、超低渗流量监测装置8管路连接完整、处于关闭状态;
1)首先将岩土体试样16、上方金属圆柱体18依次放置在下方金属圆柱体19上,外侧用高强度乳胶膜包裹好,使三者之间紧密接触,不发生脱离;再将该组合体安装到三轴渗流室1内,下方金属圆柱体19底部固定在底座上11,并保证下方金属圆柱体19通气孔底端与进气孔111顶端连接;利用导管将上方金属圆柱体18通气孔顶端与出气孔112顶端连接;
2)将四个变形监测架22沿岩土体试样16圆周方向等距固定在三轴渗流室1底座11上;再将十二个电涡流传感器21分为四组,每组三个沿岩土体试样16高度等距固定在变形监测架22上;再将十二个金属贴片按照电涡流传感器21对应位置附在岩土体试样16外高强度乳胶膜外表面,并保证与电涡流传感器21探头之间保持2~4mm距离;
3)利用三轴室支柱15将底座11、顶盖12固定连接;将承重轴53从顶盖12的承重轴孔123内穿入三轴渗流室1内腔,使其底端与上方金属圆柱体18顶端相连;再将三轴渗流室1的侧环13安装到底座11与顶盖12外侧,并拧紧底座11和侧环13位置处的四个螺栓17;
4)三轴渗流室1组装完成后,利用滑轮将其放置到操作平台55上,调整偏应力加载装置5载荷速度控制器56使其顶部伸出操作平台55的部分与三轴渗流室1底座11接触;将称重传感器52安装到承重轴53顶端,调整偏应力加载装置5竖轴57位置,使竖轴57、称重传感器52、承重轴53三者之间紧密接触;
5)打开排气孔121,利用体积/压力控制器4向三轴渗透室1内腔注入液体;关闭排气孔121,利用体积/压力控制器4向三轴渗透室1内腔液体施加目标压力(需大于气/液压转换装置64气体注入压力),从而对岩土体试样16施加围压;同时,通过设置载荷速度控制器56对岩土体试样17施加轴向荷载;
6)待岩土体试样17轴向、径向压力到达目标值且变形稳定后,对温度感控装置3通电使加热器31加热,利用温度控制器32设置三轴渗流室1内液体的温度,通过热探针33实时测量三轴渗流室1内液体的温度,温度控制器32将根据热探针33实时采集数据自动控制加热器31电源的通断;
7)待三轴渗流室1内液体温度到达目标值并稳定后,启动增压泵62将氦气增压至目标压力,并把目标压力气体通过气体缓冲容器63输入到气/液压转换装置64气压端;
8)启动无限体积控制器61将液体输入到气/液压转换装置64液压端,以液压驱动气压的方式,使气/液压转换装置64气压端内高压气体以恒定体积、压力或者速率的方式稳定输入到三轴渗流室1进气孔111,从而使高压气体注入到岩土体试样16中。
9)高压气体在经过岩土体试样17渗透后,由出气孔112进入出口缓冲容器7,在此缓冲之后通过超低渗流量监测装置8测量气体的渗透速率,从而计算气体在岩土体试样17中的渗透系数。
10)收集气体渗透过程中电涡流传感器21监测得到岩土体试样17径向变形数据,综合评估气体渗透性能,体渗透率的计算公式为:
式中,Keff为气体渗透率,用于评价气体渗透性能;μ为气体的动力粘度,为固定常数;Qg为超低渗流量监测装置8所量测的气体流量;A为岩土体试样17的横截面积;h为岩土体试样17的高度;Pg为气体注入装置6注入岩土体试样17的压力;P0为大气压力。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述,并非是对本申请范围的任何限定,任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例,均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (9)
1.测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置。试验过程中,首先对岩土体试样施加温度和三轴应力控制;利用气体注入装置向岩土体试样注入高压气体,高压气体经过渗透后进入出口缓冲容器和超低渗流量监测装置,获得气体渗透流量;变形监测装置可在试验过程中测量岩土体试样的局部绝对变形量。本申请提供的方案,其有益效果在于:实现了多场多相耦合条件下超低渗介质的气体渗透的全过程监测,能够获得气体渗透特性和宏观变形特性。
2.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的三轴渗流室是试验系统的主体部分,包括外壳、内腔;
所述的三轴渗流室外壳由底座、顶盖和侧环组成,均由不锈钢制成;所述的底座和侧环之间通过若干个水平向螺栓紧密连接在一起;所述的底座与侧环、顶盖与侧环的接缝处采用若干条O形圈密封;所述的底座内设有进气孔、出气孔和供水孔;所述的顶盖顶部设有排气孔、热探针孔、承重轴孔;
所述的三轴渗流室内腔设置有若干根三轴室支柱、岩土体试样、上方金属圆柱体、下方金属圆柱体;所述的三轴渗流室内腔可充填液体;所述的若干根三轴室支柱垂直连接于底座与顶盖之间,沿底座圆周方向等距设置,起底座与顶盖之间支撑固定作用;所述的岩土体试样为被测试验材料,安装于上方金属圆柱体和下方金属圆柱体之间;所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体的横截面尺寸与岩土体试样的横截面尺寸相同;所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体内设有通气孔,上方金属圆柱体通气孔底端、下方金属圆柱体通气孔顶端与岩土体试样直接连通;上方金属圆柱体通气孔顶端通过导管与底座出气孔顶端连接,下方金属圆柱体通气孔底端与底座进气孔顶端连接。
3.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的变形监测装置安装在三轴渗流室内腔内,由若干个电涡流传感器、若干个变形监测架、若干个金属贴片组成;
所述的若干个电涡流传感器固定在变形监测架上,并分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距布设在岩土体试样周围;所述的若干个变形监测架沿岩土体试样圆周方向等距布设;所述的金属贴片分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距粘附在岩土体试样外高强度乳胶膜外表面,与电涡流传感器探头正对并保持一定距离;所述的电涡流传感器可精确测量金属贴片与探头端面之间静态和动态的相对位移变化,通过实时监测金属贴片相对位移来间接获得渗透过程中岩土体试样的局部绝对变形量。
4.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的温度感控装置安装在三轴渗流室外壳外,包括加热器、温度控制器、热探针;
所述的加热器包裹在三轴渗流室侧环外侧,通过对不锈钢材料制成的侧环加热,间接将热量传导给三轴渗透室内腔充填的液体;所述的温度控制器通过导线与加热器连接,可根据温度设定值和热探针测量的三轴渗流室内腔液体温度自动控制加热器电源的通断;所述的热探针通过热探针孔将探头伸入三轴渗流室内腔液体中,可用于测量的三轴渗流室内腔液体的温度,再通过导线将实时测量温度数据传输给温度控制器;所述的加热器、温度控制器、热探针三者共同构成闭环控制装置,可精确控制被测岩土体试样在渗透试验过程中的温度。
5.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的体积/压力控制器通过导管与三轴渗透室供水孔相连;对于组装好的三轴渗透室,当排气孔打开时体积/压力控制器可向三轴渗透室内腔注入或排出液体,当排气孔关闭时可向三轴渗透室内腔液体施加压力,从而对岩土体试样施加围压。
6.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的偏应力加载装置由横梁、称重传感器、承重轴、轴承、操作平台、载荷速度控制器、竖轴、立柱组成;
所述的两根立柱垂直固定于操作平台上,起固定和支撑作用;所述的横梁固定在立柱上;所述的竖轴固定在横梁中间;所述的称重传感器固定于竖轴底端,用于测量轴向荷载的大小;所述的承重轴穿过三轴渗流室顶盖承重轴孔,其顶端与称重传感器相连,底端与上方金属圆柱体顶端相连,用于传递自下而上的轴向荷载;所述的轴承设置在顶盖承重轴孔内壁上,与承重轴侧壁接触,可以在保持承重轴绝对位置固定的条件下,三轴渗流室整体上升或下降;所述的载荷速度控制器主体部分安装于操作平台内部,顶部伸出操作平台并与三轴渗流室的底座接触,用于抬升或降低三轴渗流室底座,从而使三轴渗流室整体上升或下降;由于顶部的承重轴绝对位置固定,三轴渗流室整体上升或下降可以实现对岩土体试样施加或卸除轴压荷载。
7.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的气体注入装置由无限体积控制器、增压泵、气体缓冲容器、气/液压转换装置组成;
所述的无限体积控制器与气/液压转换装置液压端之间通过导管相连,无限体积控制器内液体可以以恒定体积、压力以及速率的方式输入到气/液压转换装置液压端;所述的增压泵以压缩空气作为动力源,可以对氦气增压并通过导管送入气体缓冲容器;所述的气体缓冲容器通过导管一端与增压泵相连,另一端通过导管与气/液压转换装置气压端相连,可将增压泵送来的高压气体在此缓冲后再送入气/液压转换装置气压端;所述的气/液压转换装置由高强度不锈钢制成,气/液压转换装置液压端与无限体积控制器通过导管连接,气压端与气体缓冲容器通过导管连接,内部使用活塞将气压端与液压端隔离;通过无限体积控制器向气/液压转换装置内输入液压,在气/液压转换装置内部通过活塞将液压转换为恒定体积、压力以及速率的气压,再通过导管将气/液压转换装置气压端内高压气体输入到三轴渗流室进气孔,从而使高压气体注入到岩土体试样中。
8.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的出口缓冲容器一端通过导管与三轴渗流室出气孔相连,另一端通过导管与超低渗流量监测装置相连;从三轴渗流室出气孔出来的气体在此缓冲以后,通过超低渗流量监测装置测量流量;出口缓冲容器底部还设有安全阀和排气阀,当出口缓冲容器内的压力超过安全阀上限压力时能自动泄压,保障安全;所述的排气阀用于试验结束后手动排空出口缓冲容器内的气体。
9.根据权利要求1所述的测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统,其特征在于:所述的超低渗流量监测装置包括四个气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀;
从出口缓冲容器出口端出来的气体将会流入四条分支管道;所述的四个气体流量计分别安装于四条分支管道上,用于测量该管道气体流量,四个气体流量计量程不同;四个气体流量计与单片机之间通过导线连接,可向单片机输出流量数字信号;所述的四个电磁阀分别安装于四条分支管道上,可控制该分支管道上气体的通断;所述的四个继电器一端分别通过导线与四个电磁阀连接,另一端通过导线与单片机连接,单片机可分别控制四个继电器电源的通断,从而控制四个电磁阀的通断;所述的单片机可完成四个气体流量计数据读取,并根据实测流量自动选择最优量程流量计所在分支管路,自动控制四个继电器电源的通断,从而控制四条管路上四个电磁阀的通断,实现最优量程流量计所在分支管路上气体的流通和其他分支管路气体的阻断;所述的气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀协同工作,可以实现各分支管道自动切换,连续自动监测三轴渗流室出气孔的气体流量。
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