裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深部巖體滲透試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是涉及一種滿足高應(yīng)力、高水壓、溫度、水化學(xué)等復(fù)雜條件下裂隙巖石的滲透試驗(yàn)裝置及滲透試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水電工程、核廢料深埋處置、非常規(guī)能源開采等工程都是建在復(fù)雜的深部巖石基礎(chǔ)上，這些深部巖石處在高地應(yīng)力、高地溫、高滲透水壓力以及水化學(xué)環(huán)境中，會發(fā)生極其復(fù)雜的溫度-滲流-應(yīng)力-化學(xué)(THMC)耦合作用。目前，對巖石THMC耦合作用的研宄主要處在理論研宄階段。
[0003]已有法國TOP TNDUSTRIE公司生產(chǎn)的三軸流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可加載圍壓、軸壓和孔隙水壓。武漢巖土力學(xué)研宄所研制一套應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行多項(xiàng)巖石力學(xué)細(xì)觀試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于在化學(xué)因素影響下的力學(xué)特性變化。
[0004]但是現(xiàn)有技術(shù)的滲透試驗(yàn)裝置設(shè)計功能單調(diào)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件比較少，無法進(jìn)一步綜合探討多場耦合作用下裂隙巖石滲透特性演化機(jī)制。而溫度條件對于研宄巖土體的滲透性變化是很有大的意義的；溫度條件在巖土體的存在環(huán)境中作為一個場的性質(zhì)存在能夠影響地下水滲流場、應(yīng)力場、水化學(xué)反應(yīng)，使得巖土體，特別是裂隙巖體時時處于多因素構(gòu)成的動態(tài)平衡體系中。而溫度、應(yīng)力、化學(xué)、水流同時共同作用下的巖體，其特性會受到很大的影響，其中滲透率和巖石強(qiáng)度會發(fā)生很大的變化，而這項(xiàng)研宄又具有重要的工程價值。它們的研宄可應(yīng)用于工程體修筑在不良地質(zhì)災(zāi)害(包括涌水、巖爆和巖體失穩(wěn)等)、研宄大型地下工程中地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報和深層地下水開發(fā)等方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)裝置精度較高，能夠提供高應(yīng)力、高水壓、溫度、化學(xué)等復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境，可用于研宄流固化熱多場耦合作用下裂隙巖石滲透特性演化機(jī)制。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)裝置，包括計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)、圍壓室、液壓系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、化學(xué)溶液系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)和圍壓室之間分別通過圍壓裝置、軸壓裝置和滲流裝置連接，化學(xué)溶液系統(tǒng)和滲流裝置相連；
化學(xué)溶液系統(tǒng)包括蓄水箱和溶液存放器；圍壓裝置包括承壓油缸；軸壓裝置包括軸向油缸，液壓系統(tǒng)和圍壓室之間通過軸向油缸連接；滲流裝置包括高壓油水轉(zhuǎn)換裝置、低壓油水轉(zhuǎn)換裝置、高壓傳感器、低壓傳感器和流量傳感器；高壓油水轉(zhuǎn)換裝置上設(shè)有高壓傳感器，低壓油水轉(zhuǎn)換裝置上設(shè)有低壓傳感器，高壓油水轉(zhuǎn)換裝置和低壓油水轉(zhuǎn)換裝置均通過流量傳感器連接到圍壓室；
圍壓室內(nèi)部從上到下依次設(shè)有軸向立柱、上傳力柱和下傳力柱，圍壓室外部連接有冷卻水箱和體變測量儀； 控溫系統(tǒng)包括加溫管、冷卻管、加溫控制器和制冷器，加溫管和冷卻管設(shè)在圍壓室內(nèi)部，加溫控制器和制冷器設(shè)在圍壓室外部，加溫管和加溫控制器連接，冷卻管和制冷器連接。
[0007]作為優(yōu)選，圍壓裝置還包括二位三通閥、電液比例閥、二位四通閥、圍壓供油閥和圍壓放油閥，二位三通閥、電液比例閥、二位四通閥、承壓油缸、圍壓供油閥和圍壓放油閥依次連接，圍壓放油閥和圍壓室連接，二位三通閥和液壓系統(tǒng)連接。
[0008]作為優(yōu)選，軸壓裝置還包括軸壓下腔供油閥、軸壓下腔放油閥、軸壓上腔供油閥和軸壓上腔放油閥，四者并聯(lián)連接，且設(shè)在液壓系統(tǒng)和軸向油缸之間。
[0009]作為優(yōu)選，控溫系統(tǒng)還包括溫度傳感器，溫度傳感器設(shè)在圍壓室內(nèi)部。
[0010]作為優(yōu)選，還包括壓力室上板和承力柱，壓力室底座和壓力室上板之間通過承力柱連接，軸向立柱固定連接在壓力室上板底部，壓力室底座和壓力室上板相互平行，壓力室底座和承力柱相互垂直，所述的承力柱設(shè)有四根。
[0011]上述裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
第一步，打開液壓系統(tǒng)，為系統(tǒng)加載油源；
第二步，將試樣放入圍壓室內(nèi)，在試樣上設(shè)置徑向應(yīng)變片，且將徑向應(yīng)變片連接到徑向應(yīng)變計；
第三步，加載圍壓，液壓系統(tǒng)中的液壓油通過承壓油缸進(jìn)入圍壓室；
第四步，加載軸壓，向軸向油缸注油，試樣通過軸向立柱、上傳力柱和下傳力柱產(chǎn)生軸壓；
第五步，溶液存放器內(nèi)的溶液通過高壓油水轉(zhuǎn)換裝置或低壓油水轉(zhuǎn)換裝置，增加油壓使溶液流入圍壓室內(nèi)，高壓傳感器、低壓傳感器、流量傳感器測量記錄數(shù)據(jù)；
第六步，蓄水箱內(nèi)的水和溶液存放器內(nèi)的溶液加載化學(xué)場；
第七步，加溫控制器、制冷器分別通過加溫管、冷卻管控制圍壓室內(nèi)的溫度處于-30°c?150°C ；
第八步，滲出水體流出圍壓室進(jìn)入冷卻水箱進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，體變測量儀測量冷卻水箱的水位變化值。
[0012]以上步驟中，計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)分別控制圍壓裝置、軸壓裝置和滲流裝置的圍壓、軸壓和滲透壓。
[0013]本發(fā)明利用高精度的伺服控制臺，同時輸出四路壓力，用以單獨(dú)控制圍壓、軸壓和滲透壓，且能保證設(shè)定壓力長期穩(wěn)定不變，提高試驗(yàn)精度，可以對滲進(jìn)水量及滲出水量進(jìn)行準(zhǔn)確計量，對圍壓的補(bǔ)充量、退出量進(jìn)行精確計量。蓄水箱處設(shè)有升溫裝置，圍壓室外設(shè)置加溫控制器和制冷器，可加熱、制冷或保溫，用于加載溫度場，在滲水通道上并有化學(xué)溶液自配系統(tǒng)，用來加載化學(xué)場。本發(fā)明將滲出的高溫水或蒸氣經(jīng)冷卻水箱后變?yōu)榈蜏厮M(jìn)行真實(shí)檢測。
[0014]采用四柱式承力柱，增大軸向加載范圍。
[0015]采用體變測量裝置，對滲出水進(jìn)行準(zhǔn)確測量；采用徑向應(yīng)變計，對試樣徑向變形進(jìn)行測量。
[0016]作為優(yōu)選，圍壓室采用高強(qiáng)度合金鋼制成。并且作了防水處理，可以擴(kuò)大圍壓加載的上限。
[0017]作為優(yōu)選，滲流裝置上連接有真空泵，實(shí)現(xiàn)高壓滲水。
[0018]作為優(yōu)選，試樣為Φ50*100、Φ 100*200的圓柱形巖石。
[0019]本發(fā)明可以采用全自動、半自動和手動三種控制模式，對軸壓、圍壓、滲透壓和軸向位移進(jìn)行精確獨(dú)立控制。
[0020]為了提高控制精度及系統(tǒng)的長期運(yùn)行穩(wěn)定對軸壓、圍壓、滲透壓的控制，本發(fā)明采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)(該控制系統(tǒng)電機(jī)泵組可停機(jī)工作的節(jié)能設(shè)備)。
[0021]計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，程序編寫靈活，可隨時調(diào)整而不影響當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)，而且可保證試驗(yàn)條件保持不變長達(dá)一年。
[0022]本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明的溫度、滲流、應(yīng)力、化學(xué)四場的加載系統(tǒng)相互獨(dú)立，針對巖石(體)所賦存在的地應(yīng)力條件，可真實(shí)模擬高水壓、大水力梯度、溫變、水化學(xué)復(fù)雜條件下裂隙巖石的滲透特性、力學(xué)特性演變試驗(yàn)研宄。
[0023](2)加溫方式:舍棄對流動水的加溫，未采用功耗極大而效果極差的管路加溫方式，采用功耗較低效果極佳的對蓄水箱的水直接加溫到使用溫度，并對管路及壓力室進(jìn)行保溫加溫的加熱方式，保證滲進(jìn)水的真實(shí)溫度。
[0024](3)壓力室內(nèi)真實(shí)溫度測量，未采用常規(guī)做法在壓力壁上鉆孔進(jìn)行間接測量，而將傳感器直接放進(jìn)壓力室內(nèi)進(jìn)行測量。
【附圖說明】
[0025]圖1為裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)裝置的原理示意圖。
[0026]圖2為液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3為軸壓加載系統(tǒng)和圍壓加載系統(tǒng)不意圖。
[0028]圖4為化學(xué)場加載系統(tǒng)和滲流場加載系統(tǒng)示意圖。
[0029]圖5為壓力室及滲出水測量系統(tǒng)不意圖。
[0030]圖6為裂隙巖石的多場耦合滲透試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖中，各數(shù)字代表含義如下:1、油箱；2、電動機(jī)油泵；3、油濾；4、單向閥；5、儲能器；6、壓力表；7、總泄壓閥；8、溢流閥；9、二位三通閥；10、閥門堵頭；11、電液比例閥；12、二位四通閥；13、承壓油缸；14、圍壓供油閥；15、圍壓放油閥；16、第一傳感器；17、圍壓進(jìn)油孔；18、圍壓室；19、軸向油缸；20、軸壓下腔供油閥；21、軸壓下腔放油閥；22、軸壓上腔供油閥；23、軸壓上腔放油閥；24、壓力室體；25、上傳力柱；26、加溫管；27、冷卻管；28、試樣；29、壓力室底座；30、下傳力柱；31、滲流入口 ；32、滲流出口 ；33、軸向立柱；34、圍壓室出氣孔道；35、加溫控制器；36、制冷器；37、溫度傳感器；38、冷卻水箱；39、體變測量儀；40、手動調(diào)速閥；41、加熱器；42、蓄水箱；43、壓力變送器；44、智能電磁調(diào)節(jié)閥；45、流量傳感器；46、溶液存放器；47、