不規則巖樣室內滲流加壓供水設備的製作方法

2023-05-31 17:06:01

本實用新型涉及一種不規則巖樣室內滲流加壓供水設備，是一種用於大尺寸、不規則原狀裂隙巖室內高壓滲流的加壓供水設備，適宜解決利用現有巖石滲流儀進行不規則巖樣測試時難以實現恆壓差控的技術難題。尤其適用於包含縱橫交切裂隙且地質信息豐富的非常規巖樣及滲流水流呈現紊流狀態的大尺寸原狀裂隙巖滲流測試過程中加壓供水所需。

背景技術：

裂隙巖體是十分複雜的非均勻各向異性介質，是經構造運動、風化作用、溶蝕及卸荷作用往復改造後形成的地質體。裂隙巖體滲流性與其宏觀力學特性一樣常受節理、裂隙分布狀況的影響和控制。天然巖體經構造、風化、卸荷等地質作用後常發育尺寸多樣、錯落交切的裂隙，導致巖體非連續滲流計算中需定量考察裂隙系統的影響作用。

野外採集包含多組交叉裂隙的大尺寸、不規則原狀巖樣放入滲流壓力室開展室內高壓滲流測試是巖體裂隙系統滲流特徵考察普遍採用的一種試驗手段。然而現有不規則巖樣滲流儀無法滿足等應力控制測試需求，滲流方式上存在恆壓差控此類難以突破的技術難關，尚難實現穩壓條件下多組交叉裂隙紊流狀態特徵參數室內獲取。採用步進電機驅動技術與MCS單片機控制技術集成反壓調控和體變測量功能，為不規則巖樣壓力室提供恆壓差控式滲流條件，可有效解決交叉裂隙紊態水流下水力特性客觀考察難題並順利實現大尺寸、不規則原狀裂隙巖高壓測試目標。本實用新型充分發揮設備在反壓調控和體變測量方面的集成優勢，以高精度、穩操控方式對試樣施加穩定反壓的同時記錄滲流水流體變值，實時對應的穩態數據顯著提升測試結果可信性及分析結論可靠度，有助於室內條件下實現地質工作者最為關心、地質信息豐富的多組交叉裂隙滲流屬性考察及裂隙系統滲流特徵研究。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：針對現有不規則巖樣滲流儀無法滿足等應力控制測試需求，滲流方式上存在恆壓差控此類難以突破的技術難關，尚難實現穩壓條件下多組交叉裂隙紊流狀態特徵參數室內獲取。

本實用新型提供一種集反壓調控和體變測量於一體的不規則巖樣壓力室加壓供水設備，為包含多組交叉裂隙的不規則巖樣水力特徵室內考察提供恆壓差控式滲流條件。

本實用新型採取的技術方案是：

一種不規則巖樣室內滲流加壓供水設備，包括殼體、減速器、步進電機驅動器、主線路板變壓器、主控制板、活塞缸、壓力傳感器、水位指示針、推進絲杆和導向杆；減速器、步進電機驅動器、主線路板變壓器、主控制板、活塞缸、壓力傳感器、推進絲杆和導向杆均置於殼體內部；水位指示針設置於殼體正面外壁；

殼體背面外壁設置進水管埠和出水管埠；

活塞缸內置注水壓力調節室，活塞位於注水壓力調節室內，活塞軸通過減速器連接推進絲杆；注水壓力調節室上部設置排氣閥和三通閥，三通閥進口通過導管與殼體背面外壁的進水管埠連接，出口通過導管與殼體背面外壁的出水管埠連接；

推進絲杆通過導向杆連接水位指示針；

壓力傳感器輸入埠連接注水壓力調節室用於實時感應活塞缸內部水壓值，輸出埠則與主控制板相連；

步進電機驅動器與蝸輪蝸杆減速器連接用於驅動活塞缸內作為執行機構的活塞往復運動，主控制板與步進電機驅動器連接調控所設水壓值，驅動器利用內置於殼體的電源對其供電；

殼體正面外壁設有操作面板，操作面板上設有與主控制板相連的體積顯示窗、壓力顯示窗、電源指示燈、啟動指示燈、出液指示燈、進液指示燈、啟停按鈕、出液停止按鈕、進液停止按鈕、恆壓設定按鈕、恆流量設定按鈕、壓力清零按鈕、體變清零按鈕和復位按鈕。

採用本實用新型技術方案進行不規則巖樣室內滲流測試時，殼體背面外壁進水管埠經三通閥、導管與滲流壓力室出水端相連；殼體背面外壁出水管埠經三通閥、導管與滲流壓力室進水端相連；測試時，水流在一定壓力驅使下流經巖樣內開口較小的裂隙時因粗糙起伏表面阻力影響而承受反作用力，根據測試目的調控該反作用力並記錄相應滲流水流體變值而獲取裂隙導水參數。本實用新型設備創新優勢在於利用反壓控制流經巖樣裂隙的水壓值，避免直接加壓造成水頭損失導致滲流壓力值並非施加壓力值的現象出現，有助量測客觀數據進而捕獲裂隙真實水力屬性。

本實用新型技術方案中的主控制板、壓力傳感器均為現有技術中的常規產品。

本實用新型的改進，不規則巖樣室內滲流加壓供水設備還包括滿水位限位開關和空水位限位開關；滿水位限位開關和空水位限位開關均設置在殼體內分別用於限定推進絲杆的最大行程和最小行程。本技術方案中的滿水位限位開關和空水位限位開關有效地保證了此設備的安全操作性能；同時滿水位限位開關和空水位限位開關均為現有技術中的常規限位開關。

本實用新型的改進，減速器為蝸輪蝸杆減速器。此技術方案中設置的減速器有效地提高了輸出轉矩；同時蝸輪蝸杆減速器為現有技術中的常規產品。

本實用新型的改進，驅動器通過變壓器連接活塞缸驅動缸內活塞往復運動。本技術方案中變壓器的設置使得驅動器獲得一個穩定的電壓；同時變壓器為現有技術中的常規產品。

本實用新型的改進，殼體側壁上設置排風板。

本實用新型與現有技術相比：

1、體積小、功能全。本實用新型聯合步進電機驅動技術和MCS單片機控制技術順利實現反壓調控和體變測量集成功效，以高精度、穩操控方式對試樣施加穩定反壓的同時記錄滲流水流體變值，實時對應的穩態數據顯著提升測試結果可信性及分析結論可靠度。

2、恆壓差控穩、實時測量精。本實用新型利用步進電機驅動的蝸輪蝸杆減速器實現不規則巖樣恆壓差控滲流，經高靈敏度壓力傳感器實時反饋及主線路板變壓器輔助修正達穩定調控、精確測量目標。

3、水量供給足、壓力維持穩、適用範圍廣。本實用新型採用活塞缸內置注水壓力調節室的方式提供高壓滲流水流，大容量活塞缸與高靈敏調節室的有機結合為穩壓水流的持續供給提供了充足保障，能滿足大尺寸巖樣測試時其較長滲流路徑的水量需求，有效拓寬設備適用對象與應用範圍。

4、避免水壓損失、數據客觀真實。本實用新型通過反壓控制流經巖樣交叉裂隙的水壓值，避免直接加壓造成水頭損失導致滲流壓力值並非施加壓力值的現象出現，所獲數據客觀、計算結果真實。

附圖說明

圖1是本實用新型的外觀立體圖。

圖2是本實用新型的內部結構簡圖。

圖3是本實用新型的主視圖。

圖4是本實用新型進行滲流試驗的布置圖。

其中，1、殼體，2、控制器，3、活塞缸，5、水位指示針，6、導向杆，7、驅動器，8、注水壓力室，9、減速器，10、操作面板，11、電源，12、變壓器，13、滲流壓力室，14、不規則巖樣室內滲流加壓供水設備，15、儲水容器，16、體積顯示窗，17、壓力顯示窗，18、啟動指示燈，19、出液指示燈，20、進液指示燈，21、出液停止按鈕，22、進液停止按鈕，23、恆壓設定按鈕，24、恆流量設定按鈕，25、壓力清零按鈕，26、體變清零按鈕，27、復位按鈕，28、啟停按鈕，29、1MPa按鈕。

具體實施方式

為使本實用新型的內容更加明顯易懂，以下結合附圖1-4和具體實施方式做進一步的描述。

本實用新型的不規則巖樣室內滲流加壓供水設備包括殼體1、控制器2、活塞缸3、壓力傳感器、水位指示針5、推進絲杆6、導向杆和驅動器7；控制器、活塞缸、壓力傳感器、推進絲杆和驅動器均位於殼體內；水位指示針設置在殼體側壁上；殼體側壁上設置排風板，殼體背板上設置進水管埠和出水管埠；活塞缸內設置注水壓力室8，活塞缸的活塞軸一端位於注水壓力室內、另一端通過減速器9連接推進絲杆，此減速器為蝸輪蝸杆減速器；注水壓力室的上部設置排氣閥且注水壓力室上設置三通閥，三通閥的進口通過導管連接殼體背板上的進水管埠，三通閥的出口通過導管連接殼體背板上的出水管埠；推進絲杆6通過導向杆連接水位指示針；壓力傳感器的輸入連接活塞缸內的注水壓力室用於實時的反應注水壓力室的，輸出連接控制器；驅動器連接減速器間接驅動活塞缸內活塞軸動作且驅動器連接控制器，

驅動器通過設置在殼體內的電源11和變壓器12對其進行供電；殼體面板上設置操作面板10，操作面板上設置有與控制器相連的體積顯示窗、壓力顯示窗、電源指示燈、啟動指示燈、出液指示燈、進液指示燈、出液停止按鈕、進液停止按鈕、恆壓設定按鈕、恆流量設定按鈕、壓力清零按鈕、體變清零按鈕和復位按鈕。

如圖4所示，將滲流壓力室13的入滲端通過進液管連接不規則巖樣室內滲流加壓供水設備14，出滲端通過出液管連接儲水容器15，不規則巖樣室內滲流加壓供水設備14通過導管連接儲水容器15後實現水流循環利用。待各部件連接完畢，啟動不規則巖樣室內滲流加壓供水設備，水流在預設壓力下沿巖樣內連通裂隙網絡持續滲流並飽和樣品，調節不規則巖樣室內滲流加壓供水設備的控制面板設定滲流壓力值，達穩流狀態後記錄壓力、流量等數據，進一步改變滲流壓力值，獲取一組對應不同滲流壓力的穩態測試數據。對滲流壓力室2重複上述連接設備、啟動設備、改變壓力值、記錄穩態數據等操作最終分別獲取樣品1、2多組高壓穩態滲流測試數據。對所獲數據展開計算分析，得到剪切與張拉兩種性質裂隙的定量導水特徵結果，經對比判識可得局部構造應力場作用下的控水裂隙組，有助於地質災害防治和環境汙染治理措施的有效針對實施。

本實施例中操作面板上設置的體積顯示窗16，顯示的是注水壓力室8內水的體積變化測量值，顯示單位：ml。壓力顯示窗17，顯示的是反壓力測量值與發壓力設定值交替顯示，顯示單位：MPa。啟動指示燈18，啟動指示燈燈亮表示活塞缸中活塞作為執行機構對反壓力的設定值進行控制；燈滅則表示活塞停止運動。出液指示燈19，出液指示燈燈亮表示活塞缸中活塞以4mm/min速率上升；燈滅則停止。進液指示燈20，進液指示燈燈亮表示活塞缸中活塞以4mm/min速率後退；燈滅則停止。出液停止按鈕21，出液停止按鈕在啟動、進液燈亮、標誌處於左限位或處於設定狀態時按鍵失靈。反之出液燈亮時，按下則出液燈滅；出液燈滅時，按下則亮。進液停止按鈕22，進液停止按鈕在啟動、出液燈亮、標誌處於右限位或處於設定狀態時按鍵失靈。反之進液燈亮時，按下則進液燈滅；進液燈滅時，按下則亮。恆壓設定按鈕23，恆壓設定按鈕在進液、出液或啟動燈亮時按鍵失靈。反之按此鍵，蜂鳴一聲，壓力顯示窗17顯示前一次的反壓力設定值，進入設定狀態。恆流量設定按鈕24，恆流量設定按鈕在進液、出液或啟動燈亮時按鍵失靈。反之按此鍵，蜂鳴一聲，體積變化顯示窗顯示前一次的設定的恆流量，進入設定狀態。壓力清零按鈕25，在啟動、出液、進液燈滅或設定完畢時，按此鍵對顯示的反壓力清零，在反壓力設定狀態下按此鍵對0.1MPa位進行加1。體變清零按鈕26，體變清零按鈕在啟動、出液、進液燈滅或設定完畢時，按此鍵對顯示的體積變化清零；在反壓力設定狀態下，按此鍵對0.01MPa位進行加1。復位按鈕27，復位按鈕按下此鍵，回到初始狀態。實時顯示體變量000.0ml和反壓力值或反壓力設定值0.1MPa。啟停按鈕28，啟停按鈕在進液指示燈、出液指示燈亮或設定狀態時按鍵失靈。反之啟動燈亮時，按下則滅；啟動燈滅時，按下則亮。

本實施例中操作面板上還設置1MPa按鈕29，1MPa按鈕21在啟動、出液、進液燈滅或設定狀態下，按此鍵對反壓力的MPa位進行加1。

本實施例設備的工作說明如下：

1、試驗前準備

a.將此控制器安放平穩，將主機放置在牢固的工作檯上，用隨機帶的尼龍管將壓力室反壓力的兩通閥與控制器後端的接頭相連接。

b.接通電源，預熱20分鐘，用壓力清零按鈕25和體變清零按鈕26對反壓力顯示值和體積變化顯示值清零。

c.選擇反壓力設定值：按下恆壓設定按鈕23，反壓力顯示窗顯示上次反壓力設定值，按下1MPa、0.1MPa、0.01MPa鍵設定所需的反壓力，再按一次恆壓設定按鈕23，即完成反壓力設定。

d.此時可以從反壓力顯示窗直接讀出反壓力值讀數。

2、試驗

a.當土樣需要施加反壓力時，先將注水壓力室8內注水，待注水壓力室8中的水注滿後，將注水壓力室8上部的排氣螺釘擰緊，然後，使用「孔壓測量與軸向應變控制器」施加周圍壓力，使注水壓力室8內保持設定的周圍壓力值。打開反壓力三通閥，按啟停按鈕28，啟動燈亮，此時活塞缸中的活塞作為執行機構對土樣施以反壓力，使土樣內部保持設定的反壓力。試驗過程中，可以通過體積變化、反壓力顯示窗直接讀出體變量和反壓力值。

b.試驗過程中，標誌處於右位蜂鳴時，表示活塞缸中的水已全部排出，應該給活塞缸補水。方法如下：先轉動反壓力閥，使控制器與儲水瓶相通(儲水瓶中必須有水)，按進液停止按鈕22，此時進液燈亮，活塞缸中的活塞向左移動，儲水瓶中的水注向活塞缸，直至控制器中標誌處於左位，蜂鳴不已，可按出液停止按鈕21，使標誌左移，當聽不到蜂鳴聲後，即按出液停止按鈕21，停止出液，活塞缸中已注滿水。轉動周圍壓力閥，使控制器與土樣相通，按啟停按鈕28，對土樣施以反壓力，使土樣內保持設定的反壓力值。

3、試驗結束

a.當試驗完畢，可按下啟停按鈕28，啟動燈滅，按下進液停止按鈕22，將反壓力退回大氣狀態。再按下進液停止按鈕22，進液燈滅。

b.活塞缸補水.

轉動反壓力閥，使控制器2與儲水容器15相通(儲水瓶中必須有水)，按下進液停止按鈕22，活塞以4mm/min的速度後退，直至控制器中標誌處於左位，蜂鳴不已，可按出液停止按鈕21，使標誌左移，當聽不到蜂鳴聲後，即按出液停止按鈕21，停止出液。

c.試驗結束，立即關掉控制器電源。

本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或採用現有技術加以實現。