CN113418851B - 一种渗流检测试验仪 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种渗流检测试验仪，包括试验箱，试验箱内壁开设有水流通道，水流通道环绕岩石试块且连通岩石试块上的岩石节理，所述水流通道内设有用于检测流量的渗流表；下垫块；上垫块，所述上垫块用于给与岩石试块竖向应力，岩石试块位于上垫块与下垫块之间；竖向加载系统，竖向加载系统用于给与上垫块竖向应力；供水组件，供水组件用于连通水流通道给水流通道供高温高压水；排水组件，排水组件用于排出试验箱内的积水。通过采用上述技术方案，本试验仪可辅助探索高温高压水对裂隙岩体的应力腐蚀作用，揭示深部岩体在高温高压渗流水的作用下的破坏及演化规律。
Description
技术领域
本申请涉及高温高压渗流水检测的领域，尤其是涉及一种渗流检测试验仪。
背景技术
随着深部岩体的不断开发利用，受到高地应力和高渗透压的作用，地下结构往往会失稳或破坏，使得深部岩体的资源开发成为了一个重大的挑战。
对于采场顶底板发生渗透性失稳的研究，工程技术人员和以前的学者都做出了很多贡献，他们从流固-耦合、应力-渗流耦合、应力-渗流-温度耦合、颗粒迁移变质量渗流等各个角度进行研究，并且采用数值模拟，室内相似模拟试验、现场试验等角度探索发生突水灾害的内在机理和防治措施，但是绝大多数学者以研究含有节理构造的地质为背景，通过离散元等数值软件研究裂隙发育规律，而实际上，裂隙岩体在高温、高承压水和大变形的条件下也会发生突水灾害，这种突水灾害也对深部资源开发有巨大的威胁，因此在高温高压环境下裂隙岩体外力作用所产生的应力腐蚀，对研究深部裂隙岩体的破坏具有一定的意义。
应力腐蚀是裂隙岩体在应力和腐蚀介质联合作用下，由岩石内部初始裂纹逐步扩展到临界裂纹而最后导致破坏的现象。而地下水作为一种腐蚀介质，在高温高压下，可加速岩体裂隙端部的应力腐蚀过程，这对研究地震发育、前兆机理提供了依据。
目前针对裂隙岩体的应力腐蚀方面的研究相对较少，无匹配的检测试验仪可进行相关试验。
针对上述中的相关技术，发明人认为现有的试验仪存在无法匹配针对裂隙岩体的应力腐蚀方面的研究的缺陷。
发明内容
为了针对裂隙岩体的应力腐蚀方面的进行研究，
本申请提供的一种渗流检测试验仪，采用如下的技术方案：
一种渗流检测试验仪，包括
试验箱，试验箱内壁开设有水流通道，水流通道环绕岩石试块且连通岩石试块上的岩石节理，所述水流通道内设有用于检测流量的渗流表；
下垫块，下垫块放置于试验箱内，所述下垫块用于给与岩石试块竖向应力；
上垫块，上垫块位于下垫块上方，所述上垫块用于给与岩石试块竖向应力，岩石试块位于上垫块与下垫块之间；
竖向加载系统，竖向加载系统用于给与上垫块竖向应力；
供水组件，供水组件用于连通水流通道给水流通道供高温高压水；
排水组件，排水组件用于排出试验箱内的积水。
通过采用上述技术方案，在试验时，将岩石试块放置到上垫块和下垫块之间。通过竖向加载系统对上垫块施力，使岩石试块两侧均受到竖向的应力。然后供水组件供高温高压水，排水组件排水，使水流一直渗透冲刷岩石试块的岩石节理处，模拟了自然环境。直到裂隙岩体渗流破坏为止。
从而本试验仪可辅助探索高温高压水对裂隙岩体的应力腐蚀作用，揭示深部岩体在高温高压渗流水的作用下的破坏及演化规律。且本发明的结构较为简单、制造成本低，且实验成本低，部件易于更换。
同时本试验仪既可以做有无渗流水作用下的单轴压缩试验，还可做有无渗流水作用下的单轴蠕变试验，功能更全，实用性更强。
可选的，所述供水组件包括水箱和连接于水箱的供水管，所述供水管上设有抽水泵、高压泵、稳压器、加热器和流量计，所述上垫块内开设有供水腔，所述供水腔内壁开设有供水通道，所述供水通道连通水流通道，所述供水管连通供水腔。
通过采用上述技术方案，通过高压泵、稳压器和加热器可给供水腔稳定提供高温高压的水流，并通过供水通道和水流通道流向岩石试块。从而提高了试验的精度。可根据实际需求调节水流压力和温度，模拟多种环境进行试验。
可选的，所述上垫块上设有两个用于与岩石试块接触的施力块，所述下垫块上设有一个用于与岩石试块接触的施力块，三个施力块连线形成等腰三角形。
通过采用上述技术方案，采用三点弯曲试验，符合弯曲试验规律。同时施力块可使岩石试块架空于下垫块，从而防止试验箱内的积水从下至上接触岩石试块，影响试验结果。
可选的，所述供水腔包括与供水通道连通的均压腔和与供水管连通的连接通道，所述连接通道连通均压腔上端，所述供水通道位于均压腔远离连接通道一端。
通过采用上述技术方案，均压腔可对水流起到二次均压的作用，使进入到各个供水通道内的尽可能水压保持一致和稳定。
可选的，所述水流通道包括绕岩石试块周向设置且呈C型的第一流道、连通第一流道和供水通道的第二流道、第三流道，所述第一流道接触岩石试块的岩石节理一端，所述第三流道沿竖直方向设置且第三流道接触岩石试块的岩石节理另一端。
通过采用上述技术方案，从而使水流是从岩石试块的岩石节理一端流向另一端的，使水流充分的作用于岩石节理。可更高效的观测到岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展。
可选的，所述排水组件包括连通试验箱的排水管、安装于排水管上的冷凝器和安装于排水管上的降压器，所述排水管远离试验箱一端连接于水箱。
通过采用上述技术方案，通过冷凝器和降压器对水流进行降温和降压处理，再回流到水箱进行回收利用。在节约水资源的同时，也使供水组件从水箱中取用的水温保持稳定。
可选的，所述渗流表位于第一流道和第二流道的连接处。
通过采用上述技术方案，使在高温高压水的作用下渗流表能稳定的置于内含流水通道的试验箱的内壁上。
可选的，所述供水管上设有进水止水阀，所述排水管上设有出水止水阀。
通过采用上述技术方案，更好的对水流量进行控制，满足多场景的试验需求。
可选的，所述上垫块、试验箱、供水管和排水管上均设有保温层。
通过采用上述技术方案，使热量不被传递或散失，从而使试验用的水温保持在所需温度。
可选的，所述试验箱由透明材料制成。
通过采用上述技术方案，方便观测实验过程中岩石试块的裂隙演化规律。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.既可以做有无渗流水作用下的弯曲试验，又可以做有无渗流水作用下的单轴压缩试验，还可做有无渗流水作用下的单轴蠕变试验，功能更全，实用性更强；
2.结构较为简单、制造成本低，且实验成本低；
3.可用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图。
图2是实施例一的剖视图。
图3是实施例一在岩石试块处的剖视图。
图4是实施例二的结构示意图。
附图标记说明：1、试验箱；2、水流通道；3、试验台座；4、下垫块；5、岩石试块；6、上垫块；7、竖向加载系统；8、施力块；9、供水组件；10、水箱；11、供水管；12、抽水泵；13、高压泵；14、稳压器；15、加热器；16、流量计；17、岩石节理；18、进水止水阀；19、供水腔；20、均压腔；21、连接通道；22、供水通道；23、第一流道；24、第二流道；25、第三流道；26、排水组件；27、排水管；28、出水止水阀；29、冷凝器；30、降压器；31、活塞盖；32、排气阀；33、螺杆。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
实施例一：
本申请实施例一公开一种渗流检测试验仪。参照图1和图2，一种渗流检测试验仪包括开设有水流通道2的试验箱1、用于给水流通道2供水的供水组件9和用于给试验箱1排水的排水组件26。试验箱1内放置有试验台座3。试验台座3上方放置有下垫块4。下垫块4上放置岩石试块5。岩石试块5上放置后上垫块6。上垫块6上端连接有竖向加载系统7。
在试验时，将岩石试块5放置到上垫块6和下垫块4之间。通过竖向加载系统7对上垫块6施力，使岩石试块5两侧均受到竖向的应力。然后供水组件9供高温高压水，排水组件26排水，使水流一直渗透冲刷岩石试块5的岩石节理17处，模拟了自然环境。直到裂隙岩体渗流破坏为止。通过观测不同情况下岩石试块5的裂隙演化规律，探索应力腐蚀对裂隙岩体的作用。
具体的，为试验箱1采用高强度耐高压透明材料Pasmo板，用于方便观测实验过程中岩石试块5的裂隙演化规律。下垫块4上设有一个施力块8，该施力块8对应岩石试块5中心位置。施力块8呈锥形。岩石试块5被施力块8支撑与下垫块4之间呈间隔设置。上垫块6下端面设有两个用于与岩石试块5接触的施力块8。该施力块8也呈锥形。三个施力块8连线形成等腰三角形。
若需进行有渗流水作用或无渗流水作用下的弯曲试验时，可通过竖向加载系统7对上垫块6施力，使岩石试块5两侧均受到竖向的应力。此时岩石试块5收到三点竖向应力，符合弯曲试验规律。
参照图1，供水组件9包括水箱10和连接于水箱10的供水管11，供水管11上从靠近水箱10一端到远离水箱10一端依次设有抽水泵12、高压泵13、稳压器14、加热器15、流量计16和供水管11上设有进水止水阀18。参照图2和图3，上垫块6内开设有供水腔19，供水腔19包括均压腔20和与连接通道21。供水管11连通连接通道21。连通通道连通均压腔20上端。均压腔20内壁下端沿其径向开设有供水通道22，供水通道22设有两个且两个供水通道22呈对称设置。当岩石试块5位于上垫块6和下垫块4之间时，供水通道22连通水流通道2。
参照图2和图3，水流通道2包括呈C型的第一流道23、第二流道24、第三流道25。第一流道23绕岩石试块5周向设置，且第一流道23以岩石试块5的岩石节理17为对称轴呈对称设置。第一流道23接触岩石试块5的岩石节理17一端。第三流道25沿竖直方向设置且第三流道25接触岩石试块5的岩石节理17另一端。第二流道24设有两条，且一条第二流道24对应一条供水通道22。两个第二流道24分别位于第一流道23两端。第二流道24一端连通第一流道23上端面，且另一端对接供水通道22。第一流道23和第二流道24的连接处设有渗流表。
水流通过供水管11加热加压后进入到均压腔20内，经过均压腔20均压后，高温高压的水流依次流过第二流道24、第一流道23、岩石试块5的岩石节理17、第三流道25，最终排出到试验箱1内。渗流表记录岩石渗流的起始水量和终止水量
参照图1，排水组件26包括连通试验箱1的排水管27，排水管27远离试验箱1一端连接于水箱10。排水管27上从靠近试验箱1一端到远离试验箱1一端依次设有出水止水阀28、冷凝器29和降压器30。经过岩石试块5的水流积累在试验箱1内，流经排水管27，经过降温和降压处理后，排出到水箱10中，对水进行循环利用。排水可避免积水在岩石试块5底部渗流，影响渗流的测量的精确性。
参照图1，为了方便对水箱10进行加水，水箱10上端呈开口设置。水箱10上端开口设有用于密封水箱10开口的活塞盖31。活塞盖31嵌设于水箱10开口端。活塞盖31上设置有排气阀32。
本申请实施例一种渗流检测试验仪的实施原理为：
1、将下垫块4放置于试验台座3上，此时下垫块4位于试验箱1内，再将岩石试块5水平的放置于下垫块4的施力块8之上；
2、关闭进水止水阀18和出水止水阀28；
3、竖向加载系统7带动上垫块6向下运动，使上垫块6上的施力块8接触岩石试样，根据所需的水流量，打开进水止水阀18和出水止水阀28；
4、抽水泵12、高压泵13、稳压器14、加热器15、泠凝器和降压器30启动，水箱10内的水流流经供水管11后完成加热加压，然后进入到供水腔19内；
5、高温高压的水流从供水腔19流出，依次流过第二流道24、第一流道23、岩石试块5的岩石节理17、第三流道25，最终排出到试验箱1内；
6、试验箱1内的积水流经排水管27降温降压后，回到水箱10，为后续水流进行供应；
7、稳定竖向压力，保持水流渗流，直到裂隙岩体渗流破坏为止；
8、本发明将高温高压水循环技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律和裂隙演化规律相结合，可用于辅助探索高温高压水对裂隙岩体的应力腐蚀作用，揭示深部岩体在高温高压渗流水的作用下裂隙岩体的破坏及演化规律。
实施例二：
参照图4，实施例二和实施例一的区别在于，施力块8上固定设有螺杆33。上垫块6和下垫块4上均开设有与施力块8对应的螺孔。上垫块6上的施力块8通过螺杆33和螺孔的配合，固定安装于上垫块6。下垫块4上的施力块8通过螺杆33和螺孔的配合，固定安装于下垫块4。
若需进行有渗流水作用或无渗流水作用下的弯曲试验时，可在上垫块6和下垫块4上安装上施力块8，使上垫块6和下垫块4通过施力块8对岩石试块5施力。若需进行有渗流水作用或无渗流水作用下的单轴压缩试验或单轴蠕变试验，可拆卸下施力块8，使上垫块6和下垫块4直接对岩石试块5施力即可。使试验仪具有更多功能，实用性更强。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种渗流检测试验仪，其特征在于：包括
试验箱(1)，试验箱(1)内壁开设有水流通道(2)，水流通道(2)环绕岩石试块(5)且连通岩石试块(5)上的岩石节理(17)，所述水流通道(2)内设有用于检测流量的渗流表；
下垫块(4)，下垫块(4)放置于试验箱(1)内，所述下垫块(4)用于给与岩石试块(5)竖向应力；
上垫块(6)，上垫块(6)位于下垫块(4)上方，所述上垫块(6)用于给与岩石试块(5)竖向应力，岩石试块(5)位于上垫块(6)与下垫块(4)之间；
竖向加载系统(7)，竖向加载系统(7)用于给与上垫块(6)竖向应力；
供水组件(9)，供水组件(9)用于连通水流通道(2)给水流通道(2)供高温高压水；
排水组件(26)，排水组件(26)用于排出试验箱(1)内的积水；
所述供水组件(9)包括水箱(10)和连接于水箱(10)的供水管(11)，所述供水管(11)上设有抽水泵(12)、高压泵(13)、稳压器(14)、加热器(15)和流量计(16)，所述上垫块(6)内开设有供水腔(19)，所述供水腔(19)内壁开设有供水通道(22)，所述供水通道(22)连通水流通道(2)，所述供水管(11)连通供水腔(19)；
所述供水腔(19)包括与供水通道(22)连通的均压腔(20)和与供水管(11)连通的连接通道(21)，所述连接通道(21)连通均压腔(20)上端，所述供水通道(22)位于均压腔(20)远离连接通道(21)一端；
所述水流通道(2)包括绕岩石试块(5)周向设置且呈C型的第一流道(23)、连通第一流道(23)和供水通道(22)的第二流道(24)、第三流道(25)，所述第一流道(23)接触岩石试块(5)的岩石节理(17)一端，所述第三流道(25)沿竖直方向设置且第三流道(25)接触岩石试块(5)的岩石节理(17)另一端。
2.根据权利要求1所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述上垫块(6)上设有两个用于与岩石试块(5)接触的施力块(8)，所述下垫块(4)上设有一个用于与岩石试块(5)接触的施力块(8)，三个施力块(8)连线形成等腰三角形。
3.根据权利要求1所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述排水组件(26)包括连通试验箱(1)的排水管(27)、安装于排水管(27)上的冷凝器(29)和安装于排水管(27)上的降压器(30)，所述排水管(27)远离试验箱(1)一端连接于水箱(10)。
4.根据权利要求1所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述渗流表位于第一流道(23)和第二流道(24)的连接处。
5.根据权利要求3所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述供水管(11)上设有进水止水阀(18)，所述排水管(27)上设有出水止水阀(28)。
6.根据权利要求3所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述上垫块(6)、试验箱(1)、供水管(11)和排水管(27)上均设有保温层。
7.根据权利要求1所述的一种渗流检测试验仪，其特征在于：所述试验箱(1)由透明材料制成。
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| CN114002408A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-02-01 | 武汉科技大学 | 岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统及试验方法 |
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- 2021-06-17 CN CN202110671176.XA patent/CN113418851B/zh active Active
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