裂隙巖石的多場耦合滲透試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深部巖體滲透試驗領域，特別是涉及一種滿足高應力、高水壓、溫度、水化學等復雜條件下裂隙巖石的滲透試驗裝置及滲透試驗方法。
【背景技術】
[0002]水電工程、核廢料深埋處置、非常規能源開采等工程都是建在復雜的深部巖石基礎上，這些深部巖石處在高地應力、高地溫、高滲透水壓力以及水化學環境中，會發生極其復雜的溫度-滲流-應力-化學(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公司生產的三軸流變實驗系統，可加載圍壓、軸壓和孔隙水壓。武漢巖土力學研宄所研制一套應力-水流-化學耦合的力學試驗系統，能夠進行多項巖石力學細觀試驗，該試驗系統主要用于在化學因素影響下的力學特性變化。
[0004]但是現有技術的滲透試驗裝置設計功能單調，設置實驗條件比較少，無法進一步綜合探討多場耦合作用下裂隙巖石滲透特性演化機制。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境中作為一個場的性質存在能夠影響地下水滲流場、應力場、水化學反應，使得巖土體，特別是裂隙巖體時時處于多因素構成的動態平衡體系中。而溫度、應力、化學、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度會發生很大的變化，而這項研宄又具有重要的工程價值。它們的研宄可應用于工程體修筑在不良地質災害(包括涌水、巖爆和巖體失穩等)、研宄大型地下工程中地質災害的預測預報和深層地下水開發等方面。

【發明內容】

[0005]本發明針對現有技術的不足，提供了一種裂隙巖石的多場耦合滲透試驗裝置及試驗方法，該試驗裝置精度較高，能夠提供高應力、高水壓、溫度、化學等復雜試驗環境，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制。
[0006]本發明采用以下技術方案:
裂隙巖石的多場耦合滲透試驗裝置，包括計算機伺服控制系統、圍壓室、液壓系統、控溫系統、化學溶液系統，液壓系統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，化學溶液系統和滲流裝置相連；
化學溶液系統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換裝置、低壓油水轉換裝置、高壓傳感器、低壓傳感器和流量傳感器；高壓油水轉換裝置上設有高壓傳感器，低壓油水轉換裝置上設有低壓傳感器，高壓油水轉換裝置和低壓油水轉換裝置均通過流量傳感器連接到圍壓室；
圍壓室內部從上到下依次設有軸向立柱、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，加溫管和冷卻管設在圍壓室內部，加溫控制器和制冷器設在圍壓室外部，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連接。
[0008]作為優選，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，四者并聯連接，且設在液壓系統和軸向油缸之間。
[0009]作為優選，控溫系統還包括溫度傳感器，溫度傳感器設在圍壓室內部。
[0010]作為優選，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，所述的承力柱設有四根。
[0011]上述裂隙巖石的多場耦合滲透試驗方法，包括以下步驟:
第一步，打開液壓系統，為系統加載油源；
第二步，將試樣放入圍壓室內，在試樣上設置徑向應變片，且將徑向應變片連接到徑向應變計；
第三步，加載圍壓，液壓系統中的液壓油通過承壓油缸進入圍壓室；
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生軸壓；
第五步，溶液存放器內的溶液通過高壓油水轉換裝置或低壓油水轉換裝置，增加油壓使溶液流入圍壓室內，高壓傳感器、低壓傳感器、流量傳感器測量記錄數據；
第六步，蓄水箱內的水和溶液存放器內的溶液加載化學場；
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的溫度處于-30°c?150°C ；
第八步，滲出水體流出圍壓室進入冷卻水箱進行數據測量，體變測量儀測量冷卻水箱的水位變化值。
[0012]以上步驟中，計算機伺服控制系統分別控制圍壓裝置、軸壓裝置和滲流裝置的圍壓、軸壓和滲透壓。
[0013]本發明利用高精度的伺服控制臺，同時輸出四路壓力，用以單獨控制圍壓、軸壓和滲透壓，且能保證設定壓力長期穩定不變，提高試驗精度，可以對滲進水量及滲出水量進行準確計量，對圍壓的補充量、退出量進行精確計量。蓄水箱處設有升溫裝置，圍壓室外設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溶液自配系統，用來加載化學場。本發明將滲出的高溫水或蒸氣經冷卻水箱后變為低溫水進行真實檢測。
[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，對滲出水進行準確測量；采用徑向應變計，對試樣徑向變形進行測量。
[0016]作為優選，圍壓室采用高強度合金鋼制成。并且作了防水處理，可以擴大圍壓加載的上限。
[0017]作為優選，滲流裝置上連接有真空泵，實現高壓滲水。
[0018]作為優選，試樣為Φ50*100、Φ 100*200的圓柱形巖石。
[0019]本發明可以采用全自動、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行精確獨立控制。
[0020]為了提高控制精度及系統的長期運行穩定對軸壓、圍壓、滲透壓的控制，本發明采用雙閉環控制系統(該控制系統電機泵組可停機工作的節能設備)。
[0021]計算機伺服控制系統，采用模塊化設計，程序編寫靈活，可隨時調整而不影響當前試驗狀態，而且可保證試驗條件保持不變長達一年。
[0022]本發明具有以下有益效果:
(I)本發明的溫度、滲流、應力、化學四場的加載系統相互獨立，針對巖石(體)所賦存在的地應力條件，可真實模擬高水壓、大水力梯度、溫變、水化學復雜條件下裂隙巖石的滲透特性、力學特性演變試驗研宄。
[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行保溫加溫的加熱方式，保證滲進水的真實溫度。
[0024](3)壓力室內真實溫度測量，未采用常規做法在壓力壁上鉆孔進行間接測量，而將傳感器直接放進壓力室內進行測量。
【附圖說明】
[0025]圖1為裂隙巖石的多場耦合滲透試驗裝置的原理示意圖。
[0026]圖2為液壓系統的結構示意圖。
[0027]圖3為軸壓加載系統和圍壓加載系統不意圖。
[0028]圖4為化學場加載系統和滲流場加載系統示意圖。
[0029]圖5為壓力室及滲出水測量系統不意圖。
[0030]圖6為裂隙巖石的多場耦合滲透試驗裝置的結構示意圖。
[0031]圖中，各數字代表含義如下:1、油箱；2、電動機油泵；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、手動調速閥；41、加熱器；42、蓄水箱；43、壓力變送器；44、智能電磁調節閥；45、流量傳感器；46、溶液存放器；47、