CN211877704U - 用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，该测试装置主要包括恒体积实验装置、渗透辅助装置、控制与量测装置、压样辅助装置四个部分。恒体积实验装置提供制样、试样组合以及变形限制等功能。渗透辅助装置提供沿界面渗流所需的定位、通道和过滤等功能。控制和量测装置提供水压/流速控制、流量/水压量测与记录、膨胀力量测与记录等功能。压样辅助装置提供制样所需的封堵等功能。本实用新型实现了高压实膨润土组合体恒体积膨胀力、组合体界面渗透性质、组合体界面水力劈裂及自愈合性质的自动化测试。本实用新型既可用于高压实膨润土组合体的膨胀‑渗透性质研究，也可用于组合体界面的水力劈裂和自愈合性质研究。

Description

用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置

技术领域

本实用新型属于土木工程(岩土)及地质工程技术领域，涉及用于高压实膨润土组合体界面渗透性质测试的装置。

背景技术

高水平放射性废物具有放射性强、半衰期长、毒性大的特点。目前，深地质处置法是一种公认可行的处置手段，将其封存在深部岩层中，并采用多重屏障阻滞核素向外部环境迁移。在深地质处置概念中，工程屏障中的缓冲回填材料应具备维持工程结构稳定、阻止地下水渗流、阻滞核素迁移等关键功能。经过多年比选研究，膨润土基材料由于具有强膨胀、低渗透和强吸附等性质，被各国优选作为深地质处置库的缓冲和回填材料。

在深地质处置概念中，工程屏障系统通常采用高压实膨润土块体砌筑而成。工程屏障系统中将会形成三类界面：高放废物罐-压实膨润土间界面、压实膨润土组合体界面、压实膨润土-围岩间界面。这些界面决定了工程屏障的物理力学完整性，并在一定程度上会影响其化学-水力-力学缓冲能力。在处置库封闭后，围岩中的地下水不断渗入工程屏障。各类界面作为优势渗流通道，决定着工程屏障系统的饱和进程。另一方面，由于高压实膨润土存在特殊的自封闭-愈合能力，渗流过程中高压实膨润土组合体界面将逐渐封闭、胶结、愈合，对增强水力学屏障能力起到积极作用。同时，界面的存在会导致饱和膨胀力降低、渗透系数增大，并且愈合后的高压实膨润土组合体界面可能仍然是水力学薄弱位置，因此需要研究高压实膨润土组合体界面的膨胀-渗透性质，进而评估工程屏障系统水力学愈合能力。

针对工程屏障系统中的界面问题，既有的研究主要为开展室内实验，探究了废物罐-压实膨润土界面、压实膨润土-围岩界面的膨胀-渗透性质，其采用的渗流介质为水或空气。然而，目前尚未针对高压实膨润土间(组合体)界面的膨胀-渗透性质开展研究工作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于高压实膨润土组合体界面渗透性质研究的测试装置，开展室内试验研究，为深地质处置库研究工作提供科学依据。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，包括恒体积实验装置、渗透辅助装置、控制与量测装置、压样辅助装置四个部分：

恒体积实验装置提供制样、试样组合以及变形限制等功能；

渗透辅助装置提供沿界面渗流所需的定位、通道和过滤等功能；

控制和量测装置提供水压/流速控制、流量/水压量测与记录、膨胀力量测与记录等功能；

压样辅助装置提供制样所需的封堵等功能。

恒体积实验装置为该测试装置的主体部分，在整个测试阶段使用；压样辅助装置仅在压样阶段使用，分别在恒体积实验装置的左、右两侧以嵌入式安装，并在压样完成后拆除；渗透辅助装置在渗透阶段使用，分别在恒体积实验装置的左右两侧以嵌入式安装；控制和量测装置在渗透阶段使用，采用管路和螺纹连接在恒体积实验装置的左侧和顶部。所述各组成部分按照需要安装使用。

进一步：

1)所述的恒体积实验装置包括底座、试样环、顶盖、螺柱、活塞、密封圈、试样。底座、试样环、顶盖、活塞、螺柱均采用不锈钢材质。试样环、顶盖分别设置四个通孔，采用四根螺栓与底座连接，其中试样环采用螺母固定在底座上、与底座紧密接触，顶盖采用螺母固定在螺栓顶端。试样位于底座内部，由上、下两部分紧密拼接而成。活塞嵌入在试样环内部，压在试样之上。试样环与活塞之间、试样环与底座之间分别设置环形密封槽，安装密封圈。

2)所述的渗透辅助装置包括管接头、薄壁管、透水块、滤纸。管接头、薄壁管为不锈钢材质，透水块为烧结铜材质。两组辅助渗透装置分别安装于底座上沿轴线对称分布的两个水平渗透孔内。自外向内分别为管接头、薄壁管、透水块、滤纸，并紧密接触。滤纸与试样直接接触。

3)所述的控制与量测装置包括计算机控制软件、水压/流量控制器、压力传感器、传感器螺钉、无纸记录仪。水压/流量控制器与管接头采用聚四氟乙烯软管连接，通过线缆接入计算机，通过控制软件控制水压/流量、自动记录渗透流量/压力。压力传感器采用四个螺钉固定在顶盖下部、活塞上部。压力传感器的探头嵌入活塞顶端的凹槽内。无纸记录仪通过线缆连接压力传感器，自动记录、存储膨胀力数据。

4)所述的压样辅助装置包括柱塞、连接片、连接片螺钉。柱塞可插入、封堵底座上的两个水平渗透孔。柱塞外端通过螺纹与连接片的上端连接。连接片下端采用连接片螺钉固定在底座上。

可选地，所述用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，能够分别在底座和试样环内压制需要进行测试的下部试样和需要进行测试的上部试样，将试样环内的所述上部试样推入底座内，完成与所述下部试样的紧密拼接，从而避免形成除拼接界面以外的优势渗流通道。

可选地，所述高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，在拼接界面两侧设置水平渗透孔，采用所述渗透辅助装置，使得试样的水化和渗透优先沿组合体界面进行。

可选地，采用计算机控制软件模块和水压/流量控制器控制水压/流速，量测和记录相应的流量/水压。采用压力传感器量测组合体的膨胀力、无纸记录仪实时显示和存储膨胀力数据。

可选地，采用所述压样辅助装置封堵水平渗透孔，在底座内压制下部试样。

本实用新型既可进行恒定压力控制的界面渗透实验，也可进行恒定流量控制的界面渗透实验。

本实用新型既可用于高压实膨润土组合体的膨胀-渗透性质研究，也可用于组合体界面的水力劈裂和自愈合性质研究。

由于采用了上述技术方案，本实用新型获得的有益效果包括：

1)本实用新型实现了恒定水压或恒定流速条件下高压实膨润土组合体界面渗透性质的自动化测试。

2)本实用新型实现了恒定水压或恒定流速条件下高压实膨润土组合体界面自愈合性质的自动化测试。

3)本实用新型实现了恒定水压或恒定流速条件下高压实膨润土组合体膨胀力演化的自动化测试。

4)本实用新型的试验装置价格低廉，自动化程度较高，总体可靠易行，在本领域具有实用性。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的恒体积实验装置、渗透辅助装置、控制与量测装置的正视图。

图2为图1所示实施例中的A-A’断面图。

图3为本实用新型提供的渗透辅助装置一种实施例的结构图。

图4为本实用新型提供的压样辅助装置一种实施例的结构图。

其中：1底座；2试样环；3顶盖；4螺栓；5活塞；6a第一密封圈；6b第二密封圈；7a上试样；7b上试样；8管接头；9薄壁管；10透水块；11滤纸；12计算机控制软件模块；13水压/流量控制器；14压力传感器；15传感器螺钉；16无纸记录仪；17柱塞；18连接片；19连接片螺钉。

具体实施方式

本实用新型针对深地质处置库中缓冲回填材料组合体界面，发明了一种高压实膨润土组合体界面渗透性质测试装置，从室内实验的角度分析地下水渗流作用下高压实膨润土组合体界面的膨胀-渗透性质，为研究工程屏障系统的水力学状态演化提供依据。本实用新型方法容易，自动化取样数据多，可靠易行，成果可为高放废物处置库工程屏障系统的设计、施工及安全评估提供基础依据，具有重要的工程意义和实践价值。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1至图4所示，本实用新型提供了一种用于高压实膨润土组合体界面渗透性质的测试装置，包括恒体积实验装置、渗透辅助装置、控制与量测装置、压样辅助装置四个部分：

1)所述的恒体积实验装置包括底座1、试样环2、顶盖3、螺栓4、活塞5、密封圈(包括第一密封圈6a、第二密封圈6b)、试样(包括上试样7a、下试样7b)。底座1、试样环2、顶盖3、螺栓4、活塞5均采用不锈钢材质。试样环2、顶盖3分别设置四个通孔，采用四根螺栓4与底座1连接，其中试样环2采用螺母固定在底座1上、与底座1紧密接触，顶盖3采用螺母固定在螺栓4顶端。试样位于底座1内部，由上试样7a、下试样7b两部分紧密拼接而成。活塞5嵌入在试样环2内部，压在试样7a之上。试样环2与活塞5之间、试样环2与底座1之间分别设置环形密封槽，并在所述环形密封槽内分别安装第一密封圈6a和第二密封圈6b。

2)所述的渗透辅助装置包括管接头8、薄壁管9、透水块10、滤纸11。管接头8、薄壁管9为不锈钢材质，透水块10采用金属材质，本实施例中为烧结铜材质。两组辅助渗透装置分别安装于底座上沿轴线(A-A’)对称分布的两个水平渗透孔内。自外向内分别为管接头8、薄壁管9、透水块10、滤纸11，并紧密接触。滤纸11与试样接触。

3)所述的控制与量测装置包括计算机控制软件模块12、水压/流量控制器13、压力传感器14、传感器螺钉15、无纸记录仪16。水压/流量控制器13与管接头8采用聚四氟乙烯软管连接，通过线缆接入计算机控制软件模块12，控制水压/流量、自动记录渗透流量/压力。压力传感器14采用四个传感器螺钉15固定在顶盖3下部、活塞5上部。压力传感器14的探头嵌入活塞5顶端的凹槽内。无纸记录仪16通过线缆连接压力传感器14，自动记录、存储膨胀力数据。

4)所述的压样辅助装置包括柱塞17、连接片18、连接片螺钉19。柱塞17可插入、封堵底座1上的两个水平渗透孔。柱塞17外端通过螺纹与连接片18的上端连接。连接片18下端采用连接片螺钉19固定在底座1上。

本实用新型高压实膨润土组合体界面渗透性质测试装置的工作方式如下：

1)下部试样准备：下部试样尺寸为直径50mm、高度10mm，干密度1.7g/cm³。根据干密度和膨润土粉末的含水率计算所需膨润土粉末的质量。将底座和试样环采用螺柱连接、螺母紧固后，采用压样辅助装置(柱塞、连接片和连接片螺钉)封堵底座两侧的渗透孔，并调整、固定柱塞的位置，恰好封堵渗透孔。将膨润土粉末倒入底座内、放入50mm直径不锈钢压样杆，采用电子万能试验机以0.5mm/min的加载速率压至预设位置；静置一小时后，以20kN/min的速率卸载压力，取出压样杆。

2)上部试样准备：上部试样尺寸为直径50mm、高度10mm，干密度1.7g/cm³。下部试样压制完成后，将试样环与底座分离。上部试样在试样环内压制。称取与下部试样相同质量的膨润土粉末，倒入试样环内，采用与压制下部试样相同的加载速率、静置时间和卸载速率，完成上部试样的压制。

3)上部试样与下部试样组合：将包含下部试样的底座与包含上部试样的试样环用螺柱连接、螺母紧固后，拆除底座两侧的压样辅助装置。放入压样杆、采用电子万能试验机以0.2mm/min的速率向下推动上部试样、与下部试样进行组合。向下推样组合过程中，记录稳定的推样阻力，并通过底座上的水平渗透孔检查界面的通气情况。等待界面接触、承压约0.2MPa，且界面不再透气时，认为上部试样已推入到底座内、与下部试样拼接形成组合体。

4)组合体界面自愈合实验：试样组合完成后，分离试样环和底座，再将各部分部件按照图1所示的结构连接。设定水压/流量控制器为恒定压力1MPa、开始实验，观察出水口A’的出水情况。若有连续水流，则说明发生界面水力劈裂；停止注水，等待约5min后，再次以1MPa水压注水，观察是否发生界面水力劈裂。调整等待时间或注水压力，如此反复，探究高压实膨润土组合体界面的水力劈裂和自愈合能力。此外，也可采用恒定流速探究组合体界面的水力劈裂和自愈合能力。

5)组合体界面渗透试验：组合体界面自愈合实验探究后，施加可以产生界面水力劈裂的水压；然后，停止水压控制、允许水压自由下降，最终至某个稳定值。选择稍低于该稳定值的水压，启动恒定水压的界面渗透实验，自动记录渗透流量。同时，压力传感器测量组合体水化膨胀产生的膨胀力，由无纸记录仪记录。最终，渗透流量与控制水压达到线性关系、膨胀力达到稳定值时，试样达到饱和状态。通过渗透流量和膨胀力演化，分析高压实膨润土组合体的膨胀-渗透性质。

上述对实施例的描述是方便该技术领域的普通技术人员理解和应用本实用新型。熟悉本领域的技术人员可以对这些实施例做出适当调整，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于在此描述的实施例。本领域的技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离实用新型范畴所作出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：包括恒体积实验装置、渗透辅助装置、控制与量测装置、压样辅助装置；

所述的恒体积实验装置提供制样、试样组合以及变形限制；

所述的渗透辅助装置提供沿界面渗流所需的定位、通道和过滤功能；

所述的控制和量测装置提供水压/流速控制、流量/水压量测与记录、膨胀力量测与记录功能；

所述的压样辅助装置提供制样所需的封堵功能；

所述压样辅助装置在压样阶段使用，分别在所述恒体积实验装置的左、右两侧以嵌入式安装，并在压样完成后拆除；所述渗透辅助装置在渗透阶段使用，分别在所述恒体积实验装置的左、右两侧以嵌入式安装；所述控制和量测装置在渗透阶段使用，采用管路和螺纹连接在所述恒体积实验装置的左侧和顶部。

2.根据权利要求1所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：

所述的恒体积实验装置包括底座(1)、试样环(2)、顶盖(3)、螺栓(4)、活塞(5)、第一密封圈(6a)和第二密封圈(6b)；试样环(2)、顶盖(3)上分别设置四个通孔，采用四根螺栓(4)与底座(1)连接，其中试样环(2)采用螺母固定在底座(1)上、与底座(1)紧密接触，顶盖(3)采用螺母固定在螺栓(4)顶端；底座(1)内部可安装需要进行测试的试样；活塞(5)嵌入在试样环(2)内部；试样环(2)与活塞(5)之间、试样环(2)与底座(1)之间分别设置环形密封槽，以安装第一密封圈(6a)和第二密封圈(6b)。

3.根据权利要求1所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：

所述的渗透辅助装置包括管接头(8)、薄壁管(9)、透水块(10)、滤纸(11)；两组辅助渗透装置分别安装于底座上沿轴线(A-A’)对称分布的两个水平渗透孔内；自外向内依次为管接头(8)、薄壁管(9)、透水块(10)、滤纸(11)，并紧密接触；滤纸(11)与需要进行测试的试样(7)接触。

4.根据权利要求3所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：管接头(8)、薄壁管(9)、透水块(10)均为金属材质；或者，管接头(8)、薄壁管(9)为不锈钢材质，透水块(10)为烧结铜材质。

5.根据权利要求1所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：所述的压样辅助装置包括柱塞(17)、连接片(18)、连接片螺钉(19)；柱塞(17)可插入、封堵底座(1)上的两个水平渗透孔；柱塞(17)外端通过螺纹与连接片(18)的上端连接；连接片(18)下端采用连接片螺钉(19)固定在底座(1)上。

6.根据权利要求2所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：能够分别在底座(1)和试样环(2)内压制需要进行测试的下部试样(7a)和需要进行测试的上部试样(7b)，将试样环(2)内的所述上部试样(7b)推入底座(1)内，完成与所述下部试样(7a)的紧密拼接，从而避免形成除拼接界面以外的优势渗流通道。

7.根据权利要求3所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：在拼接界面两侧设置水平渗透孔，采用所述渗透辅助装置，使得试样(7)的水化和渗透优先沿组合体界面进行。

8.根据权利要求5所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：采用所述压样辅助装置封堵水平渗透孔，在底座(1)内压制需要进行测试的下部试样(7a)。

9.根据权利要求1所述的用于高压实膨润土组合体界面渗透性测试的装置，其特征在于：既可进行恒定压力控制的界面渗透实验，也可进行恒定流量控制的界面渗透实验。

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