專利名稱：巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與巖石(體)滲透性測(cè)試、高滲壓下巖石(體)的力學(xué)特性測(cè)試及其破壞 機(jī)制研究有關(guān)。
技術(shù)背景-在水利、礦業(yè)、石油、鐵路、公路和國(guó)防等工程建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣 的巖石滲透問(wèn)題。在西部地區(qū)300m級(jí)高壩的大型水電站建設(shè)，以及高等公路、'鐵 路深埋長(zhǎng)隧道工程建設(shè)中， 一類重大地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題就是異常地下水流的"高壓突水" 問(wèn)題。對(duì)這類問(wèn)題的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，就要求我們必須了解高水頭壓力作用下巖體的滲 透特性、破壞機(jī)理和力學(xué)特性，而目前，人們?cè)谶@方面所積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)都很少。要完成上述研究課題，需配備相應(yīng)的試驗(yàn)儀器設(shè)備。高壓下巖石漆流幫，合試驗(yàn) 的試件密封、各向壓力控制以及應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量的難度很大，對(duì)設(shè)備要求很高.國(guó) 內(nèi)、外能做此類試驗(yàn)的設(shè)備并不多。試驗(yàn)儀器首要性能是進(jìn)行滲透性測(cè)定。按照實(shí)驗(yàn)原理，室內(nèi)滲透性測(cè)試方法可分為兩大類 一類是在試件的兩端施加一定或變化的水壓差，通過(guò)測(cè)量滲透流量來(lái)計(jì)算試件的滲透系數(shù)，傳統(tǒng)的定水位和變水位法即屬于此類；另一類是向試件的一端以一定的流量注水或直接施加壓力脈沖，通過(guò)測(cè)量試件兩端間壓力差隨時(shí)間的變化來(lái)計(jì)算試件的滲透系數(shù)。20世紀(jì)60年代，Olsen H W Darcy's law in saturated kaolinite[J]. Water Resources 1966, 2(6): 287-295[3〗；Brace W F， Walsh J B. Fangos W T. Permeability of granite under high pressure[J]. Journal of Geophysical Research. 1968. 73(6): 2 225-2 236 文中先后提議的定流量法以及壓力脈沖法即屬于此類。-滲透性測(cè)試，主要存在兩大技術(shù)難點(diǎn)， 一是滲流量的測(cè)定，二是穩(wěn)定滲透水壓 差的建立。滲流量的測(cè)試方式，二般釆用高靈敏度流量傳感器，但其測(cè)試精度有限， 一般大不180ml/min，主要用于高滲透巖性及松散顆粒土等的測(cè)試。Zhang M. Takahashi M, Esaki T. Japan Patent No. 3041417 [P];韓小妹.低滲透巖石非 Darcy滲流實(shí)驗(yàn)研究[碩士學(xué)位論文][D].北京清華大學(xué)2004中分別采用高性能 流泵和雙缸Quizix柱塞泵進(jìn)行流量測(cè)定。前者可在定流量控制條件下可以每分鐘O.Olul到50ml間任意設(shè)定的流量速度注水或抽水，控制誤差為3%;后者的驅(qū)替泵
的控制測(cè)試流量范圍為0. 0012ml 15. Oml/min。這兩種方法雖然可以精確測(cè)到微 小的滲流量，但儀器精度要求太高，流速不易長(zhǎng)時(shí)間精確控制，難能普遍推廣使用。
而滲透測(cè)試穩(wěn)定水壓差一般在試樣進(jìn)出端分別采用伺服控制，使試樣進(jìn)、出端 分別保持一定的水壓值不變。例如張銘在他的《低滲透巖石實(shí)驗(yàn)理論及裝置》(巖 石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003 22(6): 919-925)中定流量測(cè)定在試樣進(jìn)出端分別采用 流泵控制，其中一流泵設(shè)為定流量工作狀態(tài)，另一流泵采用定壓工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定滲透水壓差的建立。此法往往需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，而且同樣存在上述對(duì)流量測(cè) 定的技術(shù)問(wèn)題，難能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定控制，不易推廣使用。
近年來(lái)，隨著對(duì)低滲透巖的深入研究，瞬時(shí)壓力脈沖法被廣泛采用和認(rèn)可。該 技術(shù)是通過(guò)測(cè)量試樣兩端容器水壓力差隨時(shí)間的變化來(lái)測(cè)定巖石的滲透性，不需要 測(cè)量流量，從而避免用常規(guī)方法測(cè)量流體通過(guò)致密巖石時(shí)微小流量計(jì)量的困難。該 實(shí)驗(yàn)壓力可實(shí)時(shí)測(cè)量，而流量則需要時(shí)間積分，這一特性使得測(cè)試時(shí)間大大減少， 但在測(cè)試低滲透試件時(shí)仍然需要較長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)試件的滲透性、睹水性、試件尺寸 及實(shí)驗(yàn)裝置本身的壓縮儲(chǔ)水性能的大小，實(shí)驗(yàn)時(shí)間可短至幾分鐘，幾小時(shí)，長(zhǎng)則幾 天乃至幾十天。該方法是根據(jù)水壓力的平衡與時(shí)間的關(guān)系來(lái)測(cè)試試樣的滲透性，它 忽略了試樣中流體的壓縮性和巖石的孔隙壓縮性，管路的變形及管路的泄漏，而且 壓差傳感器的精度相對(duì)較低，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)必然影響測(cè)試結(jié)果。滲流出水口端水 壓力是一個(gè)變量，這與試樣實(shí)際所受的孔隙水壓力情況不符。 發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)'明的目的是了為了提供一種可根據(jù)試樣在高滲透壓力下，變形破壞過(guò)程和 滲透壓力耦合作用機(jī)理研究的需要，能夠開(kāi)展高滲透壓力下，巖石變形破壞和滲透 壓力耦合的全過(guò)程試驗(yàn)研究，圍壓、滲透壓最大均可加到30MPa，軸向最大力可加 到4000KN,且可對(duì)軸壓、圍壓、滲透壓力、軸向位移進(jìn)行精確控制的巖石高壓滲透 試驗(yàn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了提供一種還可進(jìn)行各種加、卸載路徑下的力學(xué)及滲 透性測(cè)試研究，出水端水流量可0 10L/min任意調(diào)節(jié)，流量測(cè)定采用出水端水體 積的精確變化來(lái)計(jì)量巖石的滲流量，要求除了對(duì)常規(guī)試樣尺寸外，還能開(kāi)展大尺寸 巖樣的測(cè)試，可針對(duì)0300X6OOram、 0200X4OOmm、 0150X300ran、 0100X2OOmm、 050XlOOmm的標(biāo)準(zhǔn)試樣及高度低于相應(yīng)規(guī)格尺寸的非標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行力學(xué)、滲透性試 驗(yàn)研究的巖石高壓滲透性試驗(yàn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的.-本發(fā)明巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中有承 力架，位于承力架中的液壓千斤頂，置于液壓千斤頂頂部的移動(dòng)小車(chē)，固定于移動(dòng) 小車(chē)上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進(jìn)口和與圍壓腔體相通 的圍壓水進(jìn)口的壓力室底座、位于壓力室底座上的與滲透水進(jìn)口和試樣上的滲透水 通道連通的傳力柱系統(tǒng)、位于壓力室頂部含與試樣上的滲透水通道相通的滲透水出 口的上傳力柱系統(tǒng)，所述的試驗(yàn)系統(tǒng)中有分別與液壓千斤頂、滲透水進(jìn)口、圍壓水 進(jìn)口連接的油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)。上述的油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)中有油箱，與油箱連通的油泵，通過(guò)單向閥與油 泵出油口連接的儲(chǔ)能油罐，分別通過(guò)第一、第二靜態(tài)伺服閥及與第一、第二靜態(tài)伺 服閥連接的第一、第二電磁換向閥與儲(chǔ)能油罐連接的滲透水儲(chǔ)能器、圍壓水儲(chǔ)能器， 滲透水儲(chǔ)能器、圍壓水儲(chǔ)能器分別與三軸壓力室的滲透水進(jìn)口和圍壓水進(jìn)口連通， 儲(chǔ)能油罐分別通過(guò)第三靜態(tài)伺服閥及第三電磁換向閥向液壓千斤頂提供液壓油。上述的儲(chǔ)能油罐包括帶進(jìn)油口和出油口的第三密封罐體、第三密封罐體上部裝 有預(yù)先加有壓力的氮?dú)饷芊饽z囊，滲透水儲(chǔ)能器包括帶進(jìn)油口的第一罐體、位-丁第 一罐體中的帶滲透水出口的裝滲透水的滲透水膠囊，圍壓水儲(chǔ)能器包括帶進(jìn)油口的 第二罐體、位于第二罐體中的帶圍壓水的出口的裝圍壓水的圍壓水膠囊。上述的壓力室滲透水出口處有通過(guò)管道分別與之連通的出水端水流控制系統(tǒng)， 體變測(cè)量?jī)x。上述的出水端水流控制系統(tǒng)中有管路過(guò)濾器、與管路過(guò)濾器連接的手動(dòng)調(diào)速閥。 上述的體變測(cè)量?jī)x中有帶滲流水進(jìn)口的圓柱體鋼桶，位于圓柱體鋼桶中。磁致 性位移傳感器。上述的承力架上梁固定有軸向壓力傳感器，承力架側(cè)面與液壓千斤頂相對(duì)應(yīng)的 沿壓力室軸向位置裝有帶豎直滑道的光纖位移傳感器,可對(duì)測(cè)試試樣軸向位移進(jìn)行 精確測(cè)量，靈敏度高。上述的承力架由立柱、裝于立柱上的下梁、上梁，與立柱螺紋配合且將上梁固 定的螺帽組成。.上述的三軸壓力室滲透水進(jìn)、出口處分別裝有水壓力傳感器，在三軸壓力室滲 透水進(jìn)、出水管路上裝有對(duì)水壓'力傳感器測(cè)試差值進(jìn)行校核的差壓傳感器。上述的傳力柱系統(tǒng)中與試樣接觸端面上有保證滲流在試樣整個(gè)端面進(jìn)行的環(huán)形 水槽。本發(fā)明中試樣圍壓采用自來(lái)水，以熱縮管將圍壓水與試樣隔離?？赏瑫r(shí)輸出三 路相同或不相同的壓力，其中圍壓、軸壓可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制以不同的速率加、卸載，圍壓最小可以0. lMPa/min的速率加、卸載，軸向荷重則最小可以6KN/min速率加、 卸載；滲透水壓可采用手動(dòng)加壓或采用計(jì)算機(jī)調(diào)控將壓力預(yù)加到某一壓力值，滲透 水壓在脫機(jī)計(jì)算機(jī)控制條件下，靠自身的伺服控制系統(tǒng)，水壓的波動(dòng)幅度可控制在 0.02MPa范圍以內(nèi)。出水端水流速采用管路過(guò)濾器、手動(dòng)調(diào)速閥進(jìn)行流速精確控制 進(jìn)而在試樣兩端建立穩(wěn)定的水壓差；流量測(cè)定采用體變量法對(duì)微小流量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè) 量。因此，該套系統(tǒng)可進(jìn)行高圍壓、高孔隙水壓力下的滲透性能、各種加、卸載路 徑的常規(guī)和非常規(guī)三軸力學(xué)特性、高滲壓下水一巖相互作用等試驗(yàn)研究；儀器穩(wěn)壓 效果好，計(jì)算機(jī)控制靈活，易于操作。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。
圖2為試樣組合安裝示意圖。
圖3為靜態(tài)伺服閥工作原理圖。
圖4為油水轉(zhuǎn)換原:理圖。
圖5為出水端水流控制系統(tǒng)示意圖。 圖6為體變測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為磁致伸縮性位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8為體變測(cè)量?jī)x的實(shí)測(cè)精度圖。 圖9為滲透壓波動(dòng)幅度實(shí)測(cè)結(jié)果圖。 圖10為軸向荷重波動(dòng)幅度實(shí)測(cè)結(jié)果圖。 圖11為圍壓波動(dòng)幅度實(shí)測(cè)結(jié)果圖。 圖12為滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)示意圖。 圖13為傳力柱系統(tǒng)端面上的環(huán)形水槽位置圖。
具體實(shí)施方式
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參見(jiàn)圖1，本發(fā)明巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試樣壓力室裝置1，油水轉(zhuǎn)換動(dòng) 力控制系統(tǒng)2、出水端水流控制系統(tǒng)3，體變測(cè)量?jī)x4。
參見(jiàn)圖2，'試樣壓力室裝置中有承力架5，位于承力架中的液壓千斤頂6，置于 液壓千斤頂頂部的移動(dòng)小車(chē)7，固定于移動(dòng)小車(chē)上的三軸壓力室8。三軸壓力室包 括圍壓腔體9，帶滲透水進(jìn)口 l'O和與圍壓腔體相通的圍壓水進(jìn)口 11的壓力室底座 12，位于壓力室底座上的與滲透水進(jìn)口和試樣13上的滲透水通道相通的下傳力^ 系統(tǒng)14，位于壓力室頂部含與試樣上的滲透水通道相通的滲透水出PI 16的上傳力 柱系統(tǒng)17，承力架由立柱18、裝于立柱上的下梁19、上梁20組成，立柱上、下端 裝有螺帽21,將上、下梁固定在立柱上。在立柱上相對(duì)小車(chē)位置裝有帶豎直滑道22的光纖位移傳感器23。'在水平方向上有與小車(chē)滾輪配合的水平導(dǎo)軌24。軸向壓 力傳感器25裝在上梁上。采用螺帽聯(lián)接承力架上、下梁組裝、拆卸試件方便快捷 并安全可靠。試樣采用熱縮管26與圍壓水隔離，根據(jù)不同的傳力柱組合，可針對(duì) 不同直徑尺寸的試樣進(jìn)行測(cè)試分析。如圖13所示，在傳力柱系統(tǒng)中與試樣接觸端 面上有保證滲流在試樣整個(gè)端面進(jìn)行的環(huán)形水槽71。圖2是針對(duì)直徑200鵬試樣的 組合安裝。壓力室體坐落在可滑動(dòng)小車(chē)上，沿定位導(dǎo)軌，壓力室體可推出進(jìn)行試樣 組合安裝。試驗(yàn)時(shí)，小車(chē)、壓力室體定位在液壓千斤頂上方，可依靠壓力室體上方 的軸向壓力傳感器進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集；軸向位移采用光纖位移傳感器進(jìn)行精確測(cè) 量，測(cè)試精度可達(dá)O.OOlmm?？捎?jì)算機(jī)控制加、卸載速率，力最小控制精度可達(dá) 6KN/min。
參見(jiàn)圖l，油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)中有油箱27，與油箱連通的油泵28，通過(guò)單 向閥29與油泵出油口連接的儲(chǔ)能油罐30，分別通過(guò)第一、第二靜態(tài)伺服閥31、 32 及與第一、第二靜態(tài)伺服閥連接的第一、第二電磁換向閥33、 34與儲(chǔ)能油罐連接 的滲透水儲(chǔ)能器35,圍壓水儲(chǔ)能器36。滲透水儲(chǔ)能器，圍壓水儲(chǔ)能器分別與三軸 壓力室的滲透水進(jìn)口和圍壓水進(jìn)口連通。儲(chǔ)能油罐分別通過(guò)第三靜態(tài)伺服閥37及 第三電磁換向閥38向液壓千斤頂提供液壓油。在三軸壓力室滲透水進(jìn)、出口處分 別裝有水壓力傳感器60，在三軸壓力室滲透水進(jìn)、出水管路上裝有對(duì)水壓力傳感器 測(cè)試差值進(jìn)行校核的差壓傳感器15。圖1中的序號(hào)39、 61分別為真空泵、圍壓表。
本系統(tǒng)以成都伺服公司生產(chǎn)的靜態(tài)伺服閥——平衡閥為主要控制元件，結(jié)合電 磁閥、調(diào)速竭、換向閥等相關(guān)領(lǐng)域成熟機(jī)械設(shè)備進(jìn)行電、氣、液調(diào)控。對(duì)軸壓、滲 透壓、圍壓分別進(jìn)行單獨(dú)伺服控制，系統(tǒng)壓力一旦設(shè)定后，試件發(fā)生變形，無(wú)需任 何控制，靜態(tài)伺服閥通過(guò)自身的內(nèi)反饋控制后，便能保證設(shè)定壓力長(zhǎng)期穩(wěn)定。
靜態(tài)伺服閥工作原理如圖3所示，圖中
Pl:閥標(biāo)準(zhǔn)壓力(可調(diào)值)
P2:工作壓力(可調(diào)值) P:泵源壓力 ,Fl:活塞大端面積 F2:活塞小端面積
PI X Fl =N1 P2 XF2=N2
當(dāng)N1=N2時(shí)處于平衡位置，為靜態(tài)穩(wěn)壓狀態(tài)；當(dāng)N1〉N2 (工作壓力低于設(shè)定壓 力)時(shí)，頂桿70下移，P進(jìn)入"A"腔，P2壓力上升，當(dāng)達(dá)到N1:N2時(shí)，處于平衡，在此過(guò)程中滯后或沖擊P2過(guò)高，當(dāng)N1〈N2 (工作壓力高于設(shè)定壓力)時(shí)，頂桿70 上端開(kāi)啟多余壓力從溢油口溢出，達(dá)到NPN2時(shí)，此過(guò)程為動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓過(guò)程。以該閥 為核心元件，以高精度的推力千斤頂(作垂壓)，高精度的拉壓千斤頂(作水平加 載)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以荷載傳感器、位移傳感器，作信號(hào)反饋，在計(jì)算機(jī)指令控制下 實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的真實(shí)模擬，若保持在某一壓力不變時(shí)，在脫離計(jì)算機(jī)控制條件下， 單純依靠該系統(tǒng)的自控功能，對(duì)試樣進(jìn)水端水壓可控制在O. 02MPa范圍之內(nèi)。該伺 服液壓控制臺(tái)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定壓力功能，保證實(shí)現(xiàn)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試功能。參見(jiàn)圖4，儲(chǔ)能油罐30包括帶進(jìn)油口 40和出油口 41的第三密封罐體42，第三 密封罐體上部裝有預(yù)先加有壓力的氮?dú)饷芊饽z囊43。滲透水儲(chǔ)能器34包括帶進(jìn)油 口 44的第一罐體45，位于罐體中的帶滲透水出口 46的裝滲透水的滲透水膠囊47。 圍壓水儲(chǔ)能器35包括帶進(jìn)油口 48的第二罐體49，位于罐體中的帶圍壓水的圍壓水 膠囊50，圍壓水膠囊上有圍壓水出口 51。儲(chǔ)能器儲(chǔ)能壓力為31.5MPa，水壓試驗(yàn)壓 力為48MPa。各膠囊與罐體組成的腔室充滿液壓油。試驗(yàn)首先依靠電動(dòng)機(jī)油泵將油 液注入儲(chǔ)能油罐，管路中裝有單向閥52，保證了油液不能反向流動(dòng)。通過(guò)上述電、 氣、液轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將油壓力轉(zhuǎn)換成供水壓力及油壓千斤頂所需的油壓，分別針 對(duì)滲透水儲(chǔ)能器、圍壓水儲(chǔ)能器進(jìn)行水壓及軸向荷載進(jìn)行精確控制(如圖l所示)。 試驗(yàn)首先將總壓表設(shè)置壓力變化區(qū)間，當(dāng)壓力低于所設(shè)置的最低壓力時(shí)電動(dòng)機(jī)自動(dòng) 啟動(dòng)，壓力高于設(shè)置的最高壓力電動(dòng)機(jī)則自動(dòng)停止。儲(chǔ)能油罐內(nèi)有預(yù)先加有一定壓 力(5 MPa左右)密封的氮?dú)饽z囊，加壓時(shí)膠囊被壓縮，供油時(shí)總油壓降低膠囊膨 脹，使總油壓緩慢降低，避免了電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)。儲(chǔ)能器中水壓依靠氣、液控制系 統(tǒng)，以靜態(tài)伺服閥為主要控制元件，在脫離計(jì)算機(jī)控制條件下可保持壓力波動(dòng)幅度 在0.02MPa范圍之內(nèi)；而圍壓和軸向荷載，需靠計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)壓力低于預(yù)定值時(shí)， 控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使儲(chǔ)能油罐進(jìn)行供油，當(dāng)壓力高于預(yù)定值時(shí)，油液則通過(guò)回油管 路將多余的油液流入動(dòng)力源油箱中。以此種方式完成對(duì)進(jìn)水端水壓、圍壓、軸壓的 精確控制，可進(jìn)行各種加、卸載路徑的力學(xué)特性測(cè)試，儲(chǔ)能器壓力指標(biāo)0 30MPa，切換流量60L。滲透水儲(chǔ)能器有兩個(gè)，最大容水量 80L，試驗(yàn)過(guò)程可交替使用，同時(shí)可對(duì)非工作狀態(tài)的進(jìn)行補(bǔ)充滲透液體，做到對(duì)高 滲透試樣長(zhǎng)時(shí)間不間斷的滲透性測(cè)試；圍壓水儲(chǔ)能器最大容水量為20L。參見(jiàn)圖5，出水端水流控制系統(tǒng)3中有管路過(guò)濾器53、與管路過(guò)濾器連接的手 動(dòng)調(diào)速閥54,管路過(guò)濾器(過(guò)濾精度3um)對(duì)滲流出水流量進(jìn)行調(diào)控，使在出水 端保持某一穩(wěn)定的流量長(zhǎng)期不變(出水流量0 10LAiin可任意調(diào)節(jié))。只要保證試 樣進(jìn)口端水壓力不變，當(dāng)試樣的滲流量與調(diào)節(jié)的流量達(dá)到平衡時(shí)，則可在滲出端產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的水壓值，進(jìn)而在試樣兩端形成穩(wěn)定的水壓差。當(dāng)滲透水壓差與滲流量 均保持不變時(shí)，則該時(shí)段滲透性測(cè)試符合達(dá)西定律，進(jìn)而可以獲得相應(yīng)條件下試樣 的滲透性指標(biāo)。參見(jiàn)圖6，體變量?jī)x中有帶滲流水進(jìn)口 55的圓柱體鋼桶56，位于圓柱體鋼桶中 的磁致性位移傳感器57。滲流量采用精確測(cè)量滲出水體積的變化量進(jìn)行流量測(cè)定， 采用特制圓柱體鋼桶，結(jié)合康宇公司生產(chǎn)的KYCM-L系列磁致伸縮性位移傳感器(簡(jiǎn) 稱"磁尺")對(duì)位移變化進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)位移變化(滲出水的上升高度)與鋼 桶的橫截面積(其數(shù)值預(yù)先輸入計(jì)算機(jī))的乘積即可精確得出水體積的變化量。為 測(cè)定不同大小的流量，本套試驗(yàn)系統(tǒng)采用五種不同直徑尺寸的圓柱形鋼桶，其直徑 分別為30. 692mm、 40. 386ram、 81.079mm、 102. 109誦、292. 209mm，相應(yīng)水體積變化 有效測(cè)試精度分別可達(dá)0. 03ml、 0. 05m]、 0. 19ml、 0. 25ml、 2. 18ml。參見(jiàn)圖7，磁致伸縮性位移傳感器主要由測(cè)桿58、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接 觸的磁環(huán)59等組成。具有非接觸測(cè)量、測(cè)量精度高，輸出真正絕對(duì)位置、不需定 期重標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)線)69，工作時(shí)(水進(jìn)入時(shí))，由電 子倉(cāng)內(nèi)的電子電路產(chǎn)生一起脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)線中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿 波導(dǎo)線方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致收 縮效應(yīng)，使波導(dǎo)線發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的電流脈沖，通過(guò)電子電路計(jì)算出兩脈沖之間的時(shí)間差，即可進(jìn)行精確位移 測(cè)量，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)換算出相應(yīng)的水體積的精確變化量。磁致伸縮性位移傳感器通 過(guò)了康宇測(cè)控儀器儀表工程有限公司質(zhì)量檢測(cè)，其測(cè)試精度可達(dá)O.OOlmm，線性度 0.0505%,最大誤差0.0025。而各種規(guī)格的特制鋼桶內(nèi)直徑大小，是采用通過(guò)中國(guó) 測(cè)試技術(shù)研究院所標(biāo)定的量具進(jìn)行量測(cè)，其測(cè)試精度可達(dá)0. Olrr.m。通過(guò)試驗(yàn)鑒定， 按不同規(guī)格體變測(cè)量?jī)x滿量程進(jìn)行實(shí)時(shí)校對(duì)，即加入的水量與量測(cè)的結(jié)果相對(duì)比， 測(cè)試結(jié)果在允許誤差范圍之內(nèi)。因?yàn)檫M(jìn)水管路為密封系統(tǒng)，鋼桶內(nèi)浮標(biāo)(非接觸磁環(huán))以下處于半真空狀態(tài)， 而且每種狀態(tài)下測(cè)試時(shí)間只需十幾分鐘甚至幾分鐘，滲出水分蒸發(fā)的問(wèn)題可以忽略 不計(jì)。采用這種方法，本試驗(yàn)系統(tǒng)最小可精確測(cè)量出水端水體積0.03ml的變化量， 當(dāng)水體積變化與時(shí)間關(guān)系曲線呈直線關(guān)系時(shí)，說(shuō)明該時(shí)間段達(dá)到穩(wěn)定的滲流速度。 因此可對(duì)微小滲流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，大大縮短了滲透性測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試精度。本發(fā)明可采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)采集以DELPHI為開(kāi)發(fā)工具，具有根據(jù)試驗(yàn)的需要自行設(shè)置試驗(yàn)加載路徑； 在線標(biāo)定傳感器、選擇多量程傳感器；控制系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置；多通道試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示；多通道試驗(yàn)數(shù)據(jù)歷史曲線顯示；以及各通道試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)顯示；根據(jù)試驗(yàn) 的需要設(shè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存格式等功能。試驗(yàn)首先進(jìn)行傳感器選擇，并設(shè)置系統(tǒng)保護(hù) 措施，當(dāng)測(cè)定指標(biāo)超過(guò)預(yù)定值時(shí)，試驗(yàn)會(huì)自動(dòng)停止，防止對(duì)儀器產(chǎn)生損害及對(duì)試樣 產(chǎn)生保護(hù)作用。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要，可事先編寫(xiě)任意多個(gè)試樣步驟，根據(jù)歷史曲線，可以直觀 整個(gè)試驗(yàn)各參數(shù)的變化情況，并可對(duì)曲線局部無(wú)限放大。可隨時(shí)修改當(dāng)前及尚未運(yùn) 行的所有試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)分別按圍壓、軸壓、滲透壓三個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行控制操作， 圍壓控制分圍壓保持、圍壓等速加、減三種方式；軸壓控制則分軸壓荷重保持，軸 壓荷重等速加、減，位移保持，位移等速加、減六種方式；滲透壓只有壓力保持一 種控制方式。每一試驗(yàn)步驟均有六種結(jié)束控制方式，分別以圍壓、軸壓、滲透壓、 軸向位移大小、時(shí)間長(zhǎng)短及軸向位移變化速率作為當(dāng)前步驟的結(jié)束條件。另外，在 上述四種控制類型中，均有手動(dòng)控制選項(xiàng)，即脫離計(jì)算機(jī)控制方式。試驗(yàn)運(yùn)行步驟 編寫(xiě)靈活，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)過(guò)程可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整而不影響當(dāng)前 試樣狀態(tài)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以按時(shí)間、圍壓，軸壓、軸向荷載及 軸向位移等五種不同方式保存相應(yīng)條件下各試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明系統(tǒng)具有如下獨(dú)創(chuàng)之處1、 大尺寸試件。可以針對(duì)不同規(guī)格大尺寸的試樣進(jìn)行滲透性及力學(xué)特性測(cè)試，試樣直徑尺寸分別為50， 100， 150， 200， 300mm;而且可對(duì)相應(yīng)規(guī)格下的方柱體試 樣進(jìn)行滲透性測(cè)試。2、 滲流量的測(cè)試方法。采用滲出液體體積的變化量進(jìn)行流量測(cè)試，其最小水 體積的變化量的測(cè)試精度可達(dá)0.03ml (圖8為體變測(cè)量?jī)x的測(cè)試精度，可測(cè)出 0.05ml的體積變化量)，針對(duì)特低滲透性巖石(滲透系數(shù)小于10—9cm/s)在某一條 件下滲透性測(cè)試時(shí)間只需卞幾分鐘，測(cè)試精度高；3、 滲透出水端水壓力的建立。出水端水壓力的控制，采用管路過(guò)濾器(過(guò)濾 精度3um)、調(diào)速閥系統(tǒng)，可使出水端保持某一穩(wěn)定的流速，出水流量0 10L/min 任意調(diào)節(jié)。因?yàn)榭杀ＷC試樣進(jìn)入端水壓力穩(wěn)定，當(dāng)試樣的滲流速度與該流速達(dá)到平 衡，則可在滲出端產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的水壓值，進(jìn)而在試樣兩端形成穩(wěn)定的水壓差，當(dāng) 滲透壓差、滲流量均穩(wěn)定不變時(shí)，則該時(shí)段滲流滿足達(dá)西公式，進(jìn)而得到相應(yīng)條件 下所測(cè)試樣滲透性指標(biāo)。4、 高精度的控制系統(tǒng)。具有可視化、隨時(shí)調(diào)整試驗(yàn)流程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 滲透水壓的穩(wěn)壓系統(tǒng)，依靠成都伺服公司設(shè)計(jì)的核心元件"靜態(tài)伺服閥"(國(guó)家專 利產(chǎn)品)，在脫離計(jì)算機(jī)控制條件下，進(jìn)水口滲透壓力可控制在波動(dòng)幅度0.02MPa說(shuō)明書(shū)第9/10頁(yè)范圍以內(nèi)(如圖9所示V壓差測(cè)試采用兩種方式， 一是直接利用試樣進(jìn)、出口水 壓表的實(shí)測(cè)結(jié)果，二是采用差壓傳感器對(duì)試樣兩端壓差直接進(jìn)行測(cè)定，可對(duì)測(cè)試水 壓數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)軸向荷載、圍壓靠計(jì)算機(jī)伺服控制，力控制加、卸載速率最小 6KN/mim穩(wěn)壓波動(dòng)幅度4KN、圍壓穩(wěn)定波動(dòng)幅度0. 02MPa (如圖10、圖ll所示)； 試件軸向應(yīng)變采用光柵位移傳感器測(cè)量，測(cè)試精度0. OOlmm。滲透系數(shù)的測(cè)定根據(jù)達(dá)西公式，用流體通過(guò)巖樣的流量Q及其兩端的滲透水壓 差A(yù)P等參數(shù)的測(cè)量計(jì)算滲透系數(shù)?？紤]到試驗(yàn)儀器水壓表的安放位置(如圖12所示)，巖樣實(shí)際所受水壓差分兩種情況當(dāng)滲流出水口水壓不為零時(shí)，壓差為Pl/r+Hl - (P2/r—H2)，其中當(dāng)出水口壓力表讀數(shù)為零時(shí)(即調(diào)速閥完全打開(kāi))， 則壓差為Pl/r+Hl。若采用差壓傳感器計(jì)量，兩種情況滲透壓差均為P3/r—L。 其中Hl+H2二35+70二105cm,則計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 12</formula>式中，K為滲透系數(shù)，cm/s; v為滲透速度，cni/s; J為壓力梯度，無(wú)綱量；Q為流體通過(guò)巖樣的流量，A為巖樣的截面積，CHI2; AP為巖樣兩端的壓力降，MPa; r為測(cè)試液體的重度，這里按r二10'kg/m^l0KN/mH十算；L為巖樣的長(zhǎng)度，cm。 當(dāng)出口端壓力P2為零時(shí)，則計(jì)算公式變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 12</formula>若采用差壓傳感器進(jìn)行滲透性測(cè)試，則計(jì)算公式變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 12</formula>采用熱縮管隔水，將試樣安裝就位后，首先打開(kāi)接自來(lái)水的閥門(mén)62并關(guān)閉閥 門(mén)63 (如圖13所示)，往三軸壓力室注水。待注滿水后打開(kāi)接圍壓水的閥門(mén)64, 通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)控，以軸向位移保持為零加圍壓至某一預(yù)定壓力值，然后調(diào)整使圍壓、 軸壓均為該壓力值時(shí)軸向位移清零。打開(kāi)閥門(mén)65接真空泵的閥門(mén)66及調(diào)速閥閥門(mén)， 對(duì)管路進(jìn)行抽真空處理，然后打開(kāi)閥門(mén)6加滲透水壓，使試樣兩端水壓達(dá)到某一數(shù) 值后關(guān)閉閥門(mén)65、 66使試樣兩端水體及與儲(chǔ)能器中水體分離。若試樣兩端水壓力 數(shù)值不變，說(shuō)明管路沒(méi)有滲漏，圍壓水與試樣隔離成功，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。打開(kāi)閥門(mén)67，采用平衡閥的自控系統(tǒng)，可保持滲透壓為某一預(yù)定值不變。然后 將調(diào)速閥調(diào)到某一預(yù)定流速，并打開(kāi)閥門(mén)68，連接相應(yīng)體變儀進(jìn)行流量測(cè)定。這期 間，圍壓、軸壓靠計(jì)算機(jī)控制，當(dāng)出水口壓力達(dá)到某一穩(wěn)定值時(shí)，根據(jù)相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)流量及滲透壓差值，結(jié)合上述滲透系數(shù)的計(jì)算公式即可算得相應(yīng)條件下的滲透系 數(shù)值。改變軸壓、圍壓及滲透壓條件，可得到相應(yīng)預(yù)定條件下的滲透性指標(biāo)。試驗(yàn)可 進(jìn)行不同壓力梯度、不同圍壓條件及巖石的全應(yīng)力、應(yīng)變過(guò)程的滲透性測(cè)試，也可 進(jìn)行各種加載路徑的相關(guān)力學(xué)、滲透性測(cè)試研究。根據(jù)巖石在高滲透壓力下，變形破壞過(guò)程和滲透壓力耦合作用機(jī)理研究的需 要，本申請(qǐng)人開(kāi)發(fā)了本巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)。包括動(dòng)力控制系統(tǒng)、壓力穩(wěn)定系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、滲出體積流量測(cè)試系統(tǒng)組成，是一套機(jī)-電-液一體化的高技術(shù)系 統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)三軸壓力室試樣安裝采用配套組合的方式，可以針對(duì)不同規(guī)格尺寸的 試樣進(jìn)行滲透性及力學(xué)特性測(cè)試，而且還可對(duì)相應(yīng)規(guī)格下的方柱體試樣進(jìn)行滲透性 測(cè)試。圍壓、滲透壓最大均可加到30MPa，軸向最大力可加到4000KN?？蛇M(jìn)行高圍 壓、高孔隙水壓力下的滲透性能、各種加、卸載路徑的常規(guī)和非常規(guī)三軸力學(xué)特性、 高滲壓下水一巖相互作用等試驗(yàn)研究；儀器穩(wěn)壓效果好，計(jì)算機(jī)控制靈活，易于操 作。本發(fā)明系統(tǒng)相比目前國(guó)內(nèi)外同類裝置而言，具有以下顯著特征(1) 試樣尺寸范圍大.，可做試樣直徑尺寸分別為50， 100， 150， 200, 300咖 的常規(guī)到大尺寸試樣，可以在一定程度上考慮巖體的結(jié)構(gòu)。(2) 解決了滲流出口端水壓力的控制問(wèn)題，并采用滲出水體積的微小變化來(lái) 精確計(jì)量滲流量的大小，大大縮短了滲透測(cè)試的時(shí)間，提高了測(cè)試精度。為真實(shí)模 擬實(shí)際巖體所受的高孔隙水壓力、小水力梯度下的滲透性及相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)提供了條 件。(3) 可采用具有功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)調(diào)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)跟蹤各數(shù)據(jù)曲線的變化 趨勢(shì)，.隨時(shí)修改當(dāng)前或下幾歩試驗(yàn)流程，試驗(yàn)運(yùn)行語(yǔ)句可以任意加長(zhǎng)，試驗(yàn)程序設(shè) 有保護(hù)措施。程序操作靈活，控制精度高，玎實(shí)現(xiàn)不同加載路徑的三軸力學(xué)特性測(cè) 試、滲透性測(cè)試研究。(4) 本發(fā)明解決了高孔隙水壓力、小水力梯度條件下的各種力學(xué)、滲透性試 驗(yàn)研究技術(shù)難關(guān)，這將為水電工程、石油、核電等領(lǐng)域相關(guān)滲透性試驗(yàn)研究提供新 的測(cè)試手段，具有重要意義。上述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明 上述主題的范圍僅限于上述實(shí)施例。凡基于上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的 范圍。
權(quán)利要求
1、巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中有承力架，位于承力架中的液壓千斤頂，置于液壓千斤頂頂部的移動(dòng)小車(chē)，固定于移動(dòng)小車(chē)上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進(jìn)口和與圍壓腔體相通的圍壓水進(jìn)口的壓力室底座、位于壓力室底座上的與滲透水進(jìn)口和試樣上的滲透水通道連通的傳力柱系統(tǒng)、位于壓力室頂部含與試樣上的滲透水通道相通的滲透水出口的上傳力柱系統(tǒng)，所述的試驗(yàn)系統(tǒng)中有分別與液壓千斤頂、滲透水進(jìn)口、圍壓水進(jìn)口連接的油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)。
2、 如權(quán)利要求1所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)中有油箱，與油箱連通的油泵，通過(guò)單向閥與油泵出油口連接的儲(chǔ)能油罐， 分別通過(guò)第一、第二靜態(tài)伺服閥及與第一、第二靜態(tài)伺服閥連接的第一、第二電磁 換向閥與儲(chǔ)能油罐連接的滲透水儲(chǔ)能器、圍壓水儲(chǔ)能器，滲透水儲(chǔ)能器、圍壓水儲(chǔ) 能器分別與三軸壓力室的滲透水進(jìn)口和圍壓水進(jìn)口連通，儲(chǔ)能油罐分別通過(guò)第三靜 態(tài)伺服閥及第三電磁換向閥向液壓千斤頂提供液壓油。
3、 如權(quán)利要求2所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于儲(chǔ)能油罐包括帶進(jìn) 油口和出油口的第三密封罐體、第三密封罐體上部裝有預(yù)先加有壓力的氮?dú)饷芊饽z 囊，滲透水儲(chǔ)能器包括帶進(jìn)油口的第一罐體、位于第一罐體中的帶滲透水出口的裝 滲透水的滲透水膠囊，圍壓水儲(chǔ)能器包括帶進(jìn)油口的第二罐體、位于第二罐體中的 帶圍壓水'出口的裝圍壓水的圍壓水膠囊。
4、 如權(quán)利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于壓力室滲 透水出口處有通過(guò)管道分別與之連通的出水端水流控制系統(tǒng)、體變測(cè)量系統(tǒng)。
5、 如權(quán)利要求4所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于出水端水流控制系 統(tǒng)中有管路過(guò)濾器、與管路過(guò)濾器連接的手動(dòng)調(diào)速閥。
6、 如權(quán)利要求4所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于體變測(cè)量?jī)x中有帶 滲流水進(jìn)口的圓柱體鋼桶，位于圓柱體鋼桶中的磁致性位移傳感器。
7、 如權(quán)利要求J 3之一所'述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于承力架上 梁固定有軸向壓力傳感器，承力架側(cè)面與液壓千斤頂相對(duì)應(yīng)的沿壓力室軸向位置裝 有帶豎直滑道的光纖位移傳感器。
8、 如權(quán)利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于承力架由 立柱、裝于立柱上的下梁、上梁，與立柱螺紋配合且將上梁固定的螺帽組成。
9、 如權(quán)利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于在三軸壓 力室滲透水進(jìn)、出口處分別裝有水壓力傳感器，在三軸壓力室滲透水進(jìn)、出水管路 上裝有對(duì)水壓力傳感器測(cè)試差值進(jìn)行校核的差壓傳感器。
10、 如權(quán)利要求l所述的巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于傳力柱系統(tǒng)中與 試樣接觸端面上有保證滲流在試樣整個(gè)端面進(jìn)行的環(huán)形水槽
全文摘要
本發(fā)明提供了一種巖石高壓滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中有承力架，位于承力架中的液壓千斤頂，置于液壓千斤頂頂部的移動(dòng)小車(chē)，固定于移動(dòng)小車(chē)上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進(jìn)口和圍壓水進(jìn)口的壓力室底座、位于壓力室底座上的與滲透水進(jìn)口和試樣上的滲透水通道連通的下傳力柱系統(tǒng)、位于壓力室頂部含與試樣上的滲透水通道相通的滲透水出口的上傳力柱系統(tǒng)，所述的試驗(yàn)系統(tǒng)中有分別與液壓千斤頂、滲透水進(jìn)口、圍壓水進(jìn)口連接的油水轉(zhuǎn)換動(dòng)力控制系統(tǒng)。本發(fā)明可進(jìn)行試樣在各種條件下的滲透性測(cè)試，各種加載路徑的常規(guī)三軸力學(xué)特性測(cè)試、高滲透壓力下滲流、應(yīng)力耦合全過(guò)程試驗(yàn)研究，可對(duì)軸壓、圍壓、滲透壓力、軸向位移進(jìn)行精確控制。
文檔編號(hào)G01N33/24GK101231226SQ20081004530
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者明 嚴(yán), 付小敏, 徐德敏, 峰 林, 蔡國(guó)軍, 虞修競(jìng), 鄧英爾, 黃潤(rùn)秋 申請(qǐng)人:成都理工大學(xué)