專利名稱：裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法
裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法技術(shù)領域
本發(fā)明屬于巖體力學試驗技術(shù)領域，涉及深部高應力條件下裂隙巖體的水力學特 性和多場耦合的機理研究，具體地說，涉及裂隙巖體高壓水力試驗及采用相關的應力應變、 流量和位移等測試方法，裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
巖石水力學的主要參數(shù)是單一裂隙的水力特性和巖體的等效水力特性，二者關系 密切。裂隙及裂隙間的巖塊的滲透特性是構(gòu)成巖體滲透張量的基本參數(shù)。裂隙滲透性或水 力傳導系數(shù)取決于裂隙面的幾何特征如起伏差、粗糙度、隙寬等，后者僅在試驗室可以比較 準確地測量，并且對裂隙的水力傳導系數(shù)的影響關系極其復雜，所以，一般通過典型裂隙的 試樣進行滲流試驗，以測量其水力傳導系數(shù)。
現(xiàn)有的巖石水力學研究中，滲流參數(shù)都是從小尺度巖體試件測試而來，由于試樣 尺寸的限制和制樣過程中的擾動，不能完全反映裂隙性能，而且耦合試驗也以法向應力條 件下的滲流 應力試驗居多，這對裂隙巖體而言，缺乏裂隙巖體在高應力下的滲流 應力 耦合試驗。另一方面，現(xiàn)場呂榮試驗或c. Louis提出的三段式壓水試驗主要是利用地質(zhì)鉆 孔測試巖體在較低壓力下的滲透率，一般缺乏巖體裂隙網(wǎng)絡的詳細描述。三向壓水試驗可 以考慮巖體裂隙滲透張量的各向異性，但還缺乏研究滲流 變形 應力耦合問題的壓水試 驗。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有背景技術(shù)的不足之處，提供一種室內(nèi)裂隙巖體結(jié)構(gòu)面 傾角可調(diào)，在高壓水力條件下的裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)，可實時同步顯示、采集試 驗壓力、流量和位移，并進行數(shù)據(jù)存儲。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可對大尺度裂隙巖體試件進行高應力條件下的 裂隙巖體的應力場、滲流場及位移場等多場耦合的室內(nèi)高壓水力試驗方法，通過試驗方法 所獲得巖體裂隙網(wǎng)絡的詳細描述，研究裂隙水力傳導系數(shù)、機械隙寬與有效水力隙寬之間 的關系。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系 統(tǒng)，其特征在于裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)包括裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置、裂 隙巖體滲透性能同步采集及數(shù)據(jù)存儲顯示裝置；
其中，裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置
水箱內(nèi)放置模具，模具置于水中，模具內(nèi)放置有裂隙面的巖塊，模具上有出水孔；
所述巖塊的裂隙面處安裝注水管，注水管接入高壓水泵，注水管上接有壓力傳感 器和流量傳感器；
所述巖塊的裂隙面上、下兩盤分別安裝有壓力盒，壓力盒接埋設儀器數(shù)據(jù)線；裂隙 面上、下兩側(cè)分別設有錨固點，計錨固點接入位移計；
裂隙巖體滲透性能同步采集及數(shù)據(jù)存儲顯示裝置
壓力傳感器、流量傳感器、位移計、埋設儀器數(shù)據(jù)線分別接入數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀接入計算機(13)。
進一步的技術(shù)方案是
所述錨固點通過接入測桿，再接入位移計。
所述水箱外固裝有支座，支座上設有橫梁，位移計安裝在橫梁上。
所述注水管上接有壓力表。
一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，其特征在于在室內(nèi)，將有裂隙面的巖塊試件放入模具中，模具置于水箱，調(diào)整巖塊的裂隙面傾角，高壓泵通過注水管對裂隙面進行大流量高壓水力試驗，裂隙面承受壓力產(chǎn)生應變、位移，注水管上的壓力傳感器、流量傳感器以及壓力盒、位移計分別將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，計算機連續(xù)記錄顯示實時壓力、流量與裂隙相對位移及耦合關系。
進一步的技術(shù)方案是
所述巖塊試件尺寸為Φ 20mm_ Φ 50mm。
所述巖塊裂隙面傾角為0-60度。
所述巖塊試件法向應力可調(diào)為0_16MPa。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比還具有以下的主要優(yōu)點
1、由于本發(fā)明采用裂隙巖·體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法，改進了現(xiàn)場通過鉆孔對穿越鉆孔的給定裂隙試樣進行不同壓力條件的滲流性試驗，可以實現(xiàn)在試驗室內(nèi)對裂隙巖體大尺度試件，進行高壓水力滲流特試驗，測量獲取裂隙滲透性的裂隙網(wǎng)絡的詳細描述， 通過室內(nèi)滲流 變形 應力耦合壓水試驗裝置，滲透壓力、滲流流量、應力變形位移的同步測量完成，克服了現(xiàn)場試樣尺寸的限制和制樣過程中的擾動，不能完全反映裂隙的粗糙度、 初始隙寬及可能的充填物，以及單裂隙小尺度試件的室內(nèi)試驗居多，裂隙面的幾何代表性不足的問題。
2、由于本發(fā)明裂隙巖體滲流特性試驗方法是室內(nèi)完成滲流特性試驗，裂隙巖體結(jié)構(gòu)面按實驗要求可調(diào)傾角，在不同裂隙巖體結(jié)構(gòu)面角度，獲取在高壓水力條件下的滲流、變形、應力耦合的滲透性能數(shù)據(jù)，可實時同步顯示、采集試驗壓力、流量和位移，并進行數(shù)據(jù)存儲。
3、由于本發(fā)明采用的模具內(nèi)放置有裂隙面的巖塊，并在模具上設有出水孔，由高壓水泵對裂隙面通過注水管壓力注水，可進行裂隙巖體高壓力滲流特性試驗，注水管上接有壓力表、壓力傳感器和流量傳感器，且注水壓力可調(diào)，實現(xiàn)不同高壓力條件下的裂隙巖體滲流特性試驗，并由壓力傳感器和流量傳感器輸出實驗數(shù)據(jù)。
4、由于本發(fā)明在室內(nèi)進行巖體滲流特性加壓水力試驗，裂隙面上、下兩側(cè)設有位移計錨固點，位移計錨固點接入位移計；同時在裂隙面兩盤安裝有壓力盒，用埋設儀器數(shù)據(jù)線輸出，在進行加壓水力試驗時，同步測量裂隙應力應變量、裂隙變形位移，完成耦合特性測量，將位移計、壓力傳感器接入數(shù)據(jù)采集存儲儀。
5、通過數(shù)據(jù)采集儀與計算機連續(xù)記錄顯示壓力傳感器的實時壓力、流量傳感器的實時流量與位移計的裂隙相對位移(即裂隙機械隙寬)，通過計算機控制操作，構(gòu)成裂隙滲透性研究的室內(nèi)試驗系統(tǒng)；裂隙巖體滲流特室內(nèi)性試驗方法得到數(shù)據(jù)，研究裂隙滲流 應力、滲流 變形耦合關系，裂隙水力傳導系數(shù)、機械隙寬與有效水力隙寬之間的關系，通過反分析，研究滲流-變形耦合關系、裂隙滲流量與立方定理的偏差等問題。


圖1本發(fā)明裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
模具⑴、錨固點⑵、壓力盒⑶、裂隙面⑷、巖塊(5)、注水管(6)、位移計(7)、 埋設儀器數(shù)據(jù)線(8)、橫梁(9)、數(shù)據(jù)采集儀(10)、壓力表(11)、壓力傳感器(12)、計算機(13)、高壓泵(14)、流量傳感器(15)、水箱(16)、支座(17)、測桿(18)、出水孔(19)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
見圖1、一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法。在實驗室內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場裂隙情況采用材料相似進行人工模擬裂隙，通過裂隙描述、測量和分析，研究巖體裂隙的分布特征。選取特定裂隙進行試驗研究，根據(jù)裂隙巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)節(jié)傾角分組。
根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的高壓壓水資料確定裂隙區(qū)域的最小劈裂壓力。從而確定高壓水力試驗的分級標準，一般壓力級數(shù)為7 10級。
裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置，有模具(I)，模具(I)內(nèi)放置巖塊(5)，巖塊(5) 呈有裂隙面(4)，模具(I)上設有出水口(19)，模具(I)為容器狀設有蓋，形成裂隙巖體滲流特性實驗空間。
試驗裝置有水箱(16)，水箱(16)內(nèi)放置模具(I)，模具⑴置于水中。
巖塊(5)的裂隙面⑷處，安裝有注水管(6)，注水管(6)接入高壓水泵(14)，注水管(6)上接有壓力傳感器(12)、流量傳感器(15)和壓力表(11)，壓力傳感器(12)和流量傳感器(15)分別接入數(shù)據(jù)采集儀(10)。
采用高壓水泵(14)通過注水管(6)對裂隙面(4)進行大流量高壓水力試驗分級加壓，每級壓力下達到穩(wěn)定的流態(tài)。壓力加載是通過高壓水泵(14)上的調(diào)壓閥控制，裂隙巖體法向應力可調(diào),最大可達16MPa。
巖塊(5)的裂隙面⑷上、下兩盤，分別安裝有壓力盒(3)，壓力盒(3)接埋設儀器數(shù)據(jù)線(8)，埋設儀器數(shù)據(jù)線(8)接入數(shù)據(jù)采集儀(10)。
裂隙面(4)上、下兩側(cè)，分別設有錨固點(2)，通過接入測桿(18)，再接入位移計(7)，位移計(7)分別接入數(shù)據(jù)采集儀(10);水箱(16)外固裝有支座(17)，支座(17)上設有橫梁(9)，位移計(7)安裝在橫梁(9)上。
裂隙巖體滲透性能同步采集及數(shù)據(jù)存儲顯示裝置，埋設儀器數(shù)據(jù)線(8)將壓力盒(3)應變壓力數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集儀(10)，注水管(6)上壓力傳感器(12)、流量傳感器(15) 將數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集儀，(10)位移計(7)將數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集儀(10)。數(shù)據(jù)采集儀(10) 接入計算機(13)，連續(xù)記錄顯示壓力傳感器(12)的實時壓力、流量傳感器(15)的實時流量與位移傳感器7的裂隙相對位移即裂隙機械隙寬。
裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，在實驗室內(nèi)，將有裂隙面(4)的巖塊(5)試件放入模具(I)中，裂隙巖體尺寸為Φ50πιπι，模具(I)置于水箱(16)，調(diào)整巖塊(5)的裂隙面 ⑷傾角，裂隙面⑷傾角可調(diào)，與水平成60度角，高壓泵(14)通過注水管(6)對裂隙面(4)進行大流量高壓水力試驗，注水管(6)上的壓力傳感器(12)、流量傳感器(15)及壓力盒(3)、位移計(7)分別將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀(10)，計算機(13)連續(xù)記錄顯示實時壓力、流量與裂隙相對位移及耦合關系。
本發(fā)明 的權(quán)利要求保護范圍不限于上述實施例。
權(quán)利要求
1.一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)，其特征在于裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)包括裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置、裂隙巖體滲透性能同步采集及數(shù)據(jù)存儲顯示裝置； 其中，裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置 水箱(16)內(nèi)放置模具(1)，模具(I)置于水中，模具(I)內(nèi)放置有裂隙面(4)的巖塊(5)，模具上設有出水孔(19)； 所述巖塊(5)的裂隙面(4)處安裝注水管(6)，注水管(6)接入高壓水泵(14)，注水管(6)上接有壓力傳感器(12)和流量傳感器(15)； 所述巖塊(5)的裂隙面(4)上、下兩盤分別安裝有壓力盒(3)，壓力盒(3)接埋設儀器數(shù)據(jù)線⑶；裂隙面⑷上、下兩側(cè)分別設有錨固點⑵，錨固點(2)接入位移計(7)；裂隙巖體滲透性能同步采集及數(shù)據(jù)存儲顯示裝置 壓力傳感器(12)、流量傳感器(15)、位移計(7)、埋設儀器數(shù)據(jù)線(8)分別接入數(shù)據(jù)采集儀(10)，數(shù)據(jù)采集儀(10)接入計算機(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)，其特征在于所述錨固點(2)通過接入測桿(18)，再接入位移計(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置，其特征在于所述水箱(16)外固裝有支座(17)，支座(17)上設有橫梁(9)，位移計(7)安裝在橫梁(9)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗裝置，其特征在于所述注水管(6)上接有壓力表(11)。
5.一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，其特征在于在室內(nèi)，將有裂隙面(4)的巖塊(5)試件放入模具(I)中，模具(I)置于水箱(16)，調(diào)整巖塊(5)的裂隙面(4)傾角，高壓泵(14)通過注水管(6)對裂隙面(4)進行大流量高壓水力試驗，裂隙面(4)承受壓力產(chǎn)生應變、位移，注水管(6)上的壓力傳感器(12)、流量傳感器(15)以及壓力盒(3)、位移計(7)分別將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀(10)，計算機(13)連續(xù)記錄顯示實時壓力、流量與裂隙相對位移及耦合關系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，其特征在于所述巖塊(5)試件尺寸為Φ 20mm_ Φ 50mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，其特征在于所述巖塊裂隙面⑷傾角為0-60度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗方法，其特征在于所述巖塊(5)試件法向應力可調(diào)為0-16MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種裂隙巖體滲流特性室內(nèi)試驗系統(tǒng)及方法，通過對給定的裂隙巖體進行高壓水力條件下大尺度裂隙巖體測試件的滲透性能的滲流、變形、應力耦合試驗，可實時同步顯示、采集試驗壓力、流量和位移，并存儲試驗數(shù)據(jù)。將有裂隙面的巖塊試件放入模具中，模具置于水箱，調(diào)整巖塊的裂隙面傾角；巖塊的裂隙面處安裝注水管，注水管接入高壓水泵，巖塊的裂隙面上、下兩盤安裝有壓力盒；裂隙面上、下兩側(cè)設有錨固點，錨固點接入位移計；高壓泵通過注水管對裂隙面進行大流量高壓水力試驗，注水管上的壓力傳感器、流量傳感器及壓力盒、位移計分別將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀并接入計算機，連續(xù)記錄顯示實時壓力、流量與裂隙相對位移及耦合關系。
文檔編號G01N15/08GK103033458SQ201210562580
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者鄔愛清, 劉元坤, 尹健民, 艾凱, 韓曉玉, 李永松, 周春華, 汪洋, 汪斌, 陳錦, 許靜, 汪潔, 呂國湘 申請人:長江水利委員會長江科學院