巖石高壓滲透試驗系統的製作方法

2023-05-06 03:42:36 1

專利名稱：巖石高壓滲透試驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型與巖石(體)滲透性測試、高滲壓下巖石(體)的力學特性測試及其 破壞機制研究有關。
技術背景-
在水利、礦業、石油、鐵路、公路和國防等工程建設中，經常會遇到各種各樣 的巖石滲透問題。在西部地區300m級高壩的大型水電站建設，以及高等公路、鐵 路深埋長隧道工程建設中，一類重大地質災害問題就是異常地下水流的"高壓突水" 問題。對這類問題的評價與預測，就要求我們必須了解高水頭壓力作用下巖體的滲 透特性、破壞機理和力學特性，而目前，人們在這方面所積累的知識和經驗都很少。
要完成上述研究課題，需配備相應的試驗儀器設備。高壓下巖石滲流耦合試驗 的試件密封、各向壓力控制以及應力、應變測量的難度很大，對設備要求很高，國 內、外能做此類試驗的設備並不多。試驗儀器首要性能是進行滲透性測定。按照實 驗原理，室內滲透性測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，通過測量滲透流量來計算試件的滲透係數，傳統的定水位和變水位法即 屬於此類；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衝，通過測 量試件兩端間壓力差隨時間的變化來計算試件的滲透係數。20世紀60年代，Olsen H W Darcy's law in saturated kaolinite[J]. Water Resources 1966， 2(6): 287一295[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 文中先後提議的定流量法以及壓力脈衝法即屬於此類。
滲透性測試，主要存在兩大技術難點， 一是'滲流量的測定，二是穩定滲透水壓 差的建立。滲流量的測試方式， 一般採用高靈敏度流量傳感器，但其測試精度有限， 一般大於180ml/min，主要用於高滲透巖性及鬆散顆粒土等的測試。Zhang M, Takahashi M, Esaki T. Japan Patent No. 3041417 [P];韓小妹.低滲透巖石非 Darcy滲流實驗研究[碩士學位論文][D].北京清華大學2004中分別採用高性能 流泵和雙缸Quizix柱塞泵進行流量測定。前者可在定流量控制條件下可以每分鐘
0.01ul到50ml間任意設定的流量速度注水或抽水，控制誤差為3%;後者的驅替泵 的控制測試流量範圍為0. 0012ml 15. Oml/min。這兩種方法雖然可以精確測到微 小的滲流量，但儀器精度要求太高，流速不易長時間精確控制，難能普遍推廣使用。
而滲透測試穩定水壓差一般在試樣進出端分別採用伺服控制，使試樣進、出端 分別保持一定的水壓值不變。例如張銘在他的《低滲透巖石實驗理論及裝置》(巖 石力學與工程學報，2003 22(6): 919-925)中定流量測定在試樣進出端分別採用 流泵控制，其中一流泵設為定流量工作狀態，另一流泵採用定壓工作狀態來實現穩 定滲透水壓差的建立。此法往往需要較長的測量時間，而且同樣存在上述對流量測 定的技術問題，難能長時間穩定控制，不易推廣使用。
近年來，隨著對低滲透巖的深入研究，瞬時壓力脈衝法被廣泛採用和認可。該 技術是通過測量試樣兩端容器水壓力差隨時間的變化來測定巖石的滲透性，不需要 測量流量，從而避免用常規方法測量流體通過緻密巖石時微小流量計量的困難。該 實驗壓力可實時測量，而流量則需要時間積分，這一特性使得測試時間大大減少， 但在測試低滲透試件時仍然需要較長時間。根據試件的滲透性、儲水性、試件尺寸 及實驗裝置本身的壓縮儲水性能的大小，實驗時間可短至幾分鐘，幾小時，長則幾 天乃至幾十天。該方法是根據水壓力的平衡與時間的關係來測試試樣的滲透性，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洩漏，而且 壓差傳感器的精度相對較低，試驗持續時間長必然影響測試結果。滲流出水口端水 壓力是一個變量，這與試樣實際所受的孔隙水壓力情況不符
實用新型內容
本實用新型的目的是了為了提供一種可根據試樣在高滲透壓力下，變形破壞過 程和滲透壓力耦合作用機理研究的需要.能夠開展高滲透壓力下，巖石變形破壞和
滲透壓力耦合的全過程試驗研究，圍壓、滲透壓最大均可加到30MPa，軸向最大刀 可加到4000KN,且可對軸壓、圍壓、滲透壓力、軸向位移進行精確控制的巖石高壓 滲透試驗系統。
本實用新型的另一個目的是為了提供一種還可進行各種加、卸載路徑下的力學 及滲透性測試研究，出水端水流量可0 10L/min任意調節，流量測定採用出水端 水體積的精確變化來計量巖石的滲流量，要求除了對常規試樣尺寸外，還能開展大 尺寸巖樣的測試，可針對0300X6OOmm、 0200X4OOmm、 015OX3OOmiru 0100X2OOmm、 050X1OO誦的標準試樣及高度低於相應規格尺寸的非標準試樣進行力學、滲透性試 驗研究的巖石高壓滲透性試驗系統。
本實用新型的目的是這樣來實現的
本實用新型巖石高壓滲透試驗系統，包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中 有承力架，位於承力架中的液壓千斤頂，置於液壓千斤頂頂部的移動小車，固定於 移動小車上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進口和與圍壓腔體 相通的圍壓水進口的壓力室底座、位於壓力室底座上的與滲透水進口和試樣上的滲 透水通道連通的傳力柱系統、位於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，所述的試驗系統中有分別與液壓千斤頂、滲透水進口、圍 壓水進口連接的油水轉換動力控制系統。
上述的油水轉換動力控制系統中有油箱，與油箱連通的油泵，通過單向閥與油 泵出油口連接的儲能油罐，分別通過第一、第二靜態伺服閥及與第一、第二靜態伺 服閥連接的第一、第二電磁換向閥與儲能油罐連接的滲透水儲能器、圍壓水儲能器， 滲透水儲能器、圍壓水儲能器分別與三軸壓力室的滲透水進口和圍壓水進口連通， 儲能油罐分別通過第三靜態伺服閥及第三電磁換向閥向液壓千斤頂提供液壓油。
上述的儲能油罐包括帶進油口和出油口的第三密封罐體、第三密封罐體上部裝 有預先加有壓力的氮氣密封膠囊，滲透水儲能器包括帶進油口的第一罐體、位於第 一罐體中的帶滲透水出口的裝滲透水的滲透水膠囊，圍壓水儲能器包括帶進油口的 第二罐體、位於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管道分別與之連通的出水端水流控制系統， 體變測量儀。
上述的出水端水流控制系統中有管路過濾器、與管路過濾器連接的手動調速閥。 上述的體變測量儀中有帶滲流水進口的圓柱體鋼桶，位於圓柱體鋼桶中的磁致 性位移傳感器。
上述的承力架上梁固定有軸向壓力傳感器，承力架側面與液壓千斤頂相對應的 沿壓力室軸向位置裝有帶豎直滑道的光纖位移傳感器，可對測試試樣軸向位移進行 精確測量，靈敏度高。
上述的承力架由立柱、裝於立柱上的下梁、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、出口處分別裝有水壓力傳感器，在三軸壓力室滲 透水進、出水管路上裝有對水壓力傳感器測試差值進行校核的差壓傳感器。
上述的傳力柱系統中與試樣接觸端面上有保證滲流在試樣整個端面進行的環形 水槽。
本實用新型中試樣圍壓採用自來水，以熱縮管將圍壓水與試樣隔離。可同時輸 出三路相同或不相同的壓力，其中圍壓、軸壓可通過計算機控制以不同的速率加、 卸載，圍壓最小可以0. IMPa/min的速率加、卸載，軸向荷重則最小可以6KN/min 速率加、卸載；滲透水壓可採用手動加壓或採用計算機調控將壓力預加到某一壓力 值，滲透水壓在脫機計算機控制條件下，靠自身的伺服控制系統，水壓的波動幅度 可控制在0.02MPa範圍以內。出水端水流速採用管路過濾器、手動調速閥進行流速 精確控制進而在試樣兩端建立穩定的水壓差；流量測定採用體變量法對微小流量進 行準確測量。因此，該套系統可進行高圍壓、高孔隙水壓力下的滲透性能、各種加、 卸載路徑的常規和非常規三軸力學特性、高滲壓下水一巖相互作用等試驗研究；儀 器穩壓效果好，計算機控制靈活，易於操作。


圖1為本實用新型系統示意圖。
圖2為試樣組合安裝示意圖。
圖3為靜態伺服岡工作原理圖。
圖4為油水轉換原理圖。
圖5為出水端水流控制系統示意圖。
圖6為體變測量儀結構示意圖。
圖7為磁致伸縮性位移傳感器結構示意圖。
圖8為體變測量儀的實測精度圖。
圖9為滲透壓波動幅度實測結果圖。
圖10為軸向荷重波動幅度實測結果圖。
圖H為圍壓波動幅度實測結果圖。
圖12為滲流應力耦合試驗示意圖。
圖13為傳力柱系統端面上的環形水槽位置圖。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型巖石高壓滲透試驗系統，包括試樣壓力室裝置1,油水轉
換動力控制系統2、出水端水流控制系統3，體變測量儀4。
參見圖2，試樣壓力室裝置中有承力架5，位於承力架中的液壓千斤頂6，置於 液壓千斤頂頂部的移動小車7，固定於移動小車上的三軸壓力室8。三軸壓力室包 括圍壓腔體9，帶滲透水進口 10'和與圍壓腔體相通的圍壓水進口〗1的壓力室底座 12，位於壓力室底座上的與滲透水進口和試樣13上的滲透水通道相通的下傳力柱 系統14，位於壓力室頂部含與試樣上的滲透水通道相通的滲透水出口 16的上傳力 柱系統17，承力架由立柱18、裝於立柱上的下梁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。在立柱上相對小車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滾輪配合的水平導軌24。軸向壓 力傳感器25裝在上梁上。採用螺帽聯接承力架上、下梁組裝、拆卸試件方便快捷 並安全可靠。試樣採用熱縮管26與圍壓水隔離，根據不同的傳力柱組合，可針對 不同直徑尺寸的試樣進行測試分析。如圖13所示，在傳力柱系統中與試樣接觸端 面上有保證滲流在試樣整個端面進行的環形水槽71。圖2是針對直徑200mm試樣的 組合安裝。壓力室體坐落在可滑動小車上，沿定位導軌，壓力室體可推出進行試樣 組合安裝。試驗時，小車、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行計算機數據採集；軸向位移採用光纖位移傳感器進行精確測 量，測試精度可達O.OOl隱。可計算機控制加、卸載速率，力最小控制精度可達 6KN/min。
參見圖l，油水轉換動力控制系統中有油箱27，與油箱連通的油泵28，通過單 向閥29與油泵出油口連接的儲能油罐30，分別通過第一、第二靜態伺服闠31、 32 及與第一、第二靜態伺服閥連接的第一、第二電磁換向閥33、 34與儲能油罐連接 的滲透水儲能器35，圍壓水儲能器36。滲透水儲能器，圍壓水儲能器分別與三軸 壓力室的滲透水進口和圍壓水進口連通。儲能油罐分別通過第三靜態伺服閥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、出口處分 別裝有水壓力傳感器60，在三軸壓力室滲透水進、出水管路上裝有對水壓力傳感器 測試差值進行校核的差壓傳感器15。圖1中的序號39、 61分別為真空泵、圍壓表。
本系統以成都伺服公司生產的靜態伺服閥-一---平衡閥為主要控制元件，結合電 磁閥、調速閥、換向閥等相關領域成熟機械設備進行電、氣、液調控。對軸壓、滲 透壓、圍壓分別進行單獨伺服控制，系統壓力一旦設定後，試件發生變形，無需任 何控制，靜態伺服閥通過自身的內反饋控制後，便能保證設定壓力長期穩定。
靜態伺服閥工作原理如圖3所示，圖中.
P4:閥標準壓力(可調值)
P5:工作壓力(可調值)
P:泵源壓力
Fl:活塞大端面積
F2:活塞小端面積
P4 X Fl =N1
P5 XF2=N2
當N1=N2時處於平衡位置，為靜態穩壓狀態當N1〉N2 (工作壓力低於設定壓 力)時，頂杆70下移，P進入"A"腔，P5壓力上升，當達到N1:N2時，處幹平衡..
在此過程中滯後或衝擊P5過高，當NKN2 (工作壓力高於設定壓力)時，頂杆70 上端開啟多餘壓力從溢油口溢出，達到N1-N2時，此過程為動態穩壓過程。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)為執行機構，以荷載傳感器、位移傳感器，作信號反饋，在計算機指令控制下 實現對控制目標的真實模擬，若保持在某一壓力不變時，在脫離計算機控制條件下， 單純依靠該系統的自控功能，對試樣進水端水壓可控制在0.02MPa範圍之內。該伺 服液壓控制臺具有長期穩定壓力功能，保證實現相關試驗項目的測試功能。
參見圖4，儲能油罐30包括帶進油口 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先加有壓力的氮氣密封膠囊43。滲透水儲能器34包括帶進油 口 44的第一罐體45，位於罐體中的帶滲透水出口 46的裝滲透水的滲透水膠囊47。 圍壓水儲能器35包括帶進油口 48的第二罐體49，位於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。儲能器儲能壓力為31.5MPa，水壓試驗壓 力為48MPa。各膠囊與罐體組成的腔室充滿液壓油。試驗首先依靠電動機油泵將油 液注入儲能油罐，管路中裝有單向閥52，保證了油液不能反向流動。通過上述電、 氣、液轉化轉換系統，將油壓力轉換成供水壓力及油壓千斤頂所需的油壓，分別針 對滲透水儲能器、圍壓水儲能器進行水壓及軸向荷載進行精確控制(如圖l所示)。 試驗首先將總壓表設置壓力變化區間，當壓力低於所設置的最低壓力時電動機自動 啟動，壓力高於設置的最高壓力電動機則自動停止。儲能油罐內有預先加有一定壓 力(5 MPa左右)密封的氮氣膠囊，加壓時膠囊被壓縮，供油時總油壓降低膠囊膨 脹，使總油壓緩慢降低，避免了電動機頻繁啟動。儲能器中水壓依靠電、氣、液控 制系統，以靜態伺服閥為主要控制元件，在脫離計算機控制條件下可保持壓力波動 幅度在0.02MPa範圍之內；而圍壓和軸向荷載，需靠計算機控制，當壓力低於預定 值時，控制系統發出信號使儲能油罐進行供油，當壓力高於預定值時，油液則通過 回油管路將多餘的油液流入動力源油箱中。以此種方式完成對進水端水壓、圍壓、 軸壓的精確控制，可進行滲透性及各種加、卸載路徑的力學特性測試。
儲能器壓力指標0 30MPa，切換流量60L。滲透水儲能器有兩個，最大容水量 80L，試驗過程可交替使用，同時可對非工作狀態的進行補充滲透液體，做到對高 滲透試樣長時間不間斷的滲透性'測試；圍壓水儲能器最大容水量為20L。
參見圖5，出水端水流控制系統3中有管路過濾器53、與管路過濾器連接的手 動調速閥54，管路過濾器(過濾精度3ym)對滲流出水流量進行調控，使在出水 端保持某一穩定的流量長期不變(出水流量0 10L/min可任意調節)。只要保證試 樣進口端水壓力不變，當試樣的滲流量與調節的流量達到平衡時，則可在滲出端產生一個穩定的水壓值，進而在試樣兩端形成穩定的水壓差。當滲透水壓差與滲流量 均保持不變時，則該時段滲透性測試符合達西定律，進而可以獲得相應條件下試樣 的滲透性指標。
參見圖6，體變量儀中有帶滲流水進口 55的圓柱體鋼桶56，位於圓柱體鋼桶中 的磁致性位移傳感器57。滲流量採用精確測量滲出水體積的變化量進行流量測定， 採用特製圓柱體鋼桶，結合康宇公司生產的KYCM-丄系列磁致伸縮性位移傳感器(簡 稱"磁尺")對位移變化進行準確測量，通過位移變化(滲出水的上升高度)與鋼 桶的橫截面積(其數值預先輸入計算機)的乘積即可精確得出水體積的變化量。為 測定不同大小的流量，本套試驗系統採用五種不同直徑尺寸的圓柱形鋼桶，其直徑 分別為30. 692mm、 40. 386mm、 81. 079mm、 102. t09mm、 292. 209mm，相應水體積變化 有效測試精度分別可達O. 03ml、 0. 05ml、 0. 19!tlL、 0. 25ml、 2. 18ml。
參見圖7，磁致伸縮性位移傳感器主要由測杆58、電子倉和套在測杆上的非接 觸的磁環59等組成。具有非接觸測量、測量精度高，輸出真正絕對位置、不需定 期重標等優點。測杆內裝有磁致伸縮線(波導線)69，工作時(水進入時)，由電 子倉內的電子電路產生一起脈衝，此起始脈衝在波導線中傳輸時，同時產生了一沿 波導線方向前進的旋轉磁場，當這個磁場與磁環中的永久磁場相遇時，產生磁致收 縮效應，使波導線發生扭動，這一扭動被安裝在電子倉內的拾能機構所感知並轉換 成相應的電流脈衝，通過電子電路計算出兩脈衝之間的時間差，即可進行精確位移 測量，進而由計算機換算出相應的水體積的精確變化量。磁致伸縮性位移傳感器通 過了康宇測控儀器儀表工程有限公司質量檢測:.其測試精度可達O.OOlmni,線性度 0.0505%，最大誤差0.0025。而各種規格的特製鋼桶內直徑大小，是釆用通過中國 測試技術研究院所標定的量具進行量測，其測試精度可達0.01mm。通過試驗鑑定. 按不同規格體變測量儀滿量程進行實時校對，即加入的水量與量測的結果相對比， 測試結果在允許誤差範圍之內。
因為進水管路為密封系統，鋼桶內浮標(非接觸磁環)以下處於半真空狀態， 而且每種狀態下測試時間只需十幾分鐘甚至幾分鐘，滲出水分蒸發的問題可以忽略 不計。採用這種方法，本試驗系統最小可精確測量出水端水體積0.03ml的變化量， 當水體積變化與時間關係曲線呈直線關係時，說明該時間段達到穩定的滲流速度。 因此可對微小滲流量進行準確計量，大大縮短了滲透性測試時間，提高了測試精度。
本實用新型可採用計算機系統進行控制
數據採集以DELPHI為開發工具，具有根據試驗的需要自行設置試驗加載路徑； 在線標定傳感器、選擇多量程傳感器；控制系統保護設置；多通道試驗數據實時曲
線顯示；多通道試驗數據歷史曲線顯示；以及各通道試驗數據相關顯示；根據試驗 的需要設定試驗數據保存格式等功能。試驗首先進行傳感器選擇，並設置系統保護 措施，當測定指標超過預定值時，試驗會自動停止，防止對儀器產生損害及對試樣 產生保護作用。
根據試驗設計需要，可事先編寫任意多個試樣步驟，根據歷史曲線，可以直觀 整個試驗各參數的變化情況，並可對曲線局部無限放大。可隨時修改當前及尚未運 行的所有試驗步驟。試驗分別按圍壓、軸壓、滲透壓三個通道獨立進行控制操作， 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。每一試驗步驟均有六種結束控制方式，分別以圍壓、軸壓、滲透壓、 軸向位移大小、時間長短及軸向位移變化速率作為當前步驟的結束條件。另外，在 上述四種控制類型中，均有手動控制選項，即脫離計算機控制方式。試驗運行步驟 編寫靈活，可以進行各種複雜的試驗設計，試驗過程可隨時進行調整而不影響當前 試樣狀態。計算機自動採集數據，根據需要可以按時間、圍壓、軸壓、軸向荷載及 軸向位移等五種不同方式保存相應條件下各試驗數據。
本實用新型系統具有如下獨創之處
1、 大尺寸試件。可以針對不同規格大尺寸的試樣進行滲透性及力學特性測試， 試樣直徑尺寸分別為50， 100, 150, 200， 300mm;而且可對相應規格下的方柱體試 樣進行滲透性測試。
2、 滲流量的測試方法。採用滲出液體體積的變化量進行流量測試，其最小水 體積的變化量的測試精度可達0.03ml (圖8為體變測量儀的測試精度，可測出 0.05ml的體積變化量)，針對特低滲透性巖石(滲透係數小於10—9cmZs)在某一條 件下滲透性測試時間只需十幾分鐘，測試精度高；
3、 滲透出水端水壓力的建立。出水端水壓力的控制'採用管路過濾器f過濾 精度3pm)、調速閥系統，可使出水端保持某一穩定的流速，出水流量0 10L/min 任意調節。因為可保證試樣進入端水壓力穩定，當試樣的滲流速度與該流速達到平 衡-，則可在滲出端產生一個穩定的水壓值，進而在試樣兩端形成穩定的水壓差，當 滲透壓差、滲流量均穩定不變時，則該時段滲流滿足達西公式，進而得到相應條件 下所測試樣滲透性指標。
4、 高精度的控制系統。具有可視化..隨時調整試驗流程的計算機控制系統； 滲透水壓的穩壓系統，依靠成都伺服公司設計的核心元件"靜態伺服閥"(國家專 利產品)，在脫離計算機控制條件下，進水口滲透壓力可控制在波動幅度0.02MPa 範圍以內(如圖9所示)；壓差測試採用兩種方式， 一是直接利用試樣進、出口水 壓表的實測結果，二是採用差壓傳感器對試樣兩端壓差直接進行測定，可對測試水
壓數據進行校對；軸向荷載、圍壓靠計算機伺服控制，力控制加、卸載速率最小 6KN/min，穩壓波動幅度4KN、圍壓穩定波動幅度0. 02MPa (如圖10、圖11所示)； 試件軸向應變採用光柵位移傳感器測量，測試精度0. OOlmm。
滲透係數的測定根據達西公式，用流體通過巖樣的流量Q及其兩端的滲透水壓 差AP等參數的測量計算滲透係數。考慮到試驗儀器水壓表的安放位置(如圖12所
示)，巖樣實際所受水壓差分兩種情況當滲流出水口水壓不為零時，壓差為 Pl/r+Hl - (P2/r—H2)，其中當出水口壓力表讀數為零時(即調速閥完全打開)， 則壓差為Pl/r+Hl。若採用差壓傳感器計量，兩種情況滲透壓差均為P3/r—L。 Pl、 P2、 P3分別為進水端水壓、出水端水壓、差壓傳感器測試水壓。 其中Hl+H2 = 35+70=105cm，則計算公式為
formula see original document page 12
式中，K為滲透係數，cm/s; v為滲透速度，cm/s; J為壓力梯度，無綱量；Q 為流體通過巖樣的流量，ml/s; A為巖樣的截面積，cm2; AP為巖樣兩端的壓力降. MPa; r為測試液體的重度，這裡按r二l(fkg/mMOKN/mH十算；L為巖樣的長度，cm。
當出口端壓力P2為零時，則計算公式變為 g丄
若採用差壓傳感器進行滲透性測試，則計算公式變為
formula see original document page 12
採用熱縮管隔水，將試樣安裝就位後，首先打開接自來水的閥門62並關閉閥 門63 (如圖13所示)，往三軸壓力室注水。待注滿水後關閉閥門62並打開接圍壓 水的閥門64，通過計算機調控，以軸向位移保持為零加圍壓至某一預定壓力值，然 後調整使圍壓、軸壓均為該壓力值時軸向位移清零。打開閥門65、接真空泵的閥門 66及調速閥閥門，對管路進行抽真空處理，然後打開閥門66,打開閥門67加滲透 水壓，使試樣兩端水壓達到某一數值後關閉閥門65、 t;7使試樣兩端水體及與儲能 器中水體分離。若試樣兩端水壓力數值不變，說明管路沒有滲漏，圍壓水與試樣隔 離成功，可以進行下一步試驗。
打開閥門67，採用平衡闊的自控系統，可保持滲透壓為某一預定值不變。然後
將調速閥調到某一預定流速，並打開閥門68，連接相應體變儀進行流量測定。這期
間，圍壓、軸壓靠計算機控制，當出水口壓力達到某一穩定值時，根據相應時間段 內流量及滲透壓差值，結合上述滲透係數的計算公式即可算得相應條件下的滲透系 數值。
改變軸壓、圍壓及滲透壓條件，可得到相應預定條件下的滲透性指標。試驗可 進行不同壓力梯度、不同圍壓條件及巖石的全應力、應變過程的滲透性測試，也可 進行各種加載路徑的相關力學、滲透性測試研究。
根據巖石在高滲透壓力下，變形破壞過程和滲透壓力耦合作用機理研究的需 要，本申請人開發了本巖石高壓滲透試驗系統。包括動力控制系統、壓力穩定系統、 計算機控制系統、滲出體積流量測試系統組成，是一套機-電-液一體化的高技術系 統設備。系統三軸壓力室試樣安裝採用配套組合的方式，可以針對不同規格尺寸的 試樣進行滲透性及力學特性測試，而且還可對相應規格下的方柱體試樣進行滲透性
測試。圍壓、滲透壓最大均可加到30MPa,軸向最大力可加到4000認。可迸行高圍 壓、高孔隙水壓力下的滲透性能、各種加、卸載路徑的常規和非常規三軸力學特性、 高滲壓下水一巖相互作用等試驗研究；儀器穩壓效果好，計算機控制靈活，易於操 作。本實用新型系統相比目前國內外同類裝置而言，具有以下顯著特徵-
(1) 試樣尺寸範圍大，可做試樣直徑尺寸分別為50, 100， 150， 200, 300mm 的常規到大尺寸試樣，可以在一定程度上考慮巖體的結構。
(2) 解決了滲流出口端水壓力的控制問題，並採用滲出水體積的微小變化來 精確計量滲流量的大小，大大縮短了滲透測試的時間，提高了測試精度。為真實模 擬實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力學試驗提供了條 件。
(3) 可採用具有功能強大的計算機調控系統，可實時跟蹤各數據曲線的變化 趨勢，隨時修改當前或下幾步試驗流程，試驗運行語句可以任意加長，試驗程序設 有保護措施。程序操作靈活，控制精度高，可實現不同加載路徑的三軸力學特性測 試、滲透性測試研究。
(4) 本實用新型解決了高孔隙水壓力、小水力梯度條件下的各種力學、滲透 性試驗研究技術難關，這將為水龜工程、石油、核電等領域相關滲透性試驗研究提 供新的測試手段，具有重要意義。
上述實施例是對本實用新型的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本 實用新型上述主題的範圍僅限於上述實施例。凡基於上述內容所實現的技術均屬於 本實用新型的範圍。
權利要求1、巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中有承力架，位於承力架中的液壓千斤頂，置於液壓千斤頂頂部的移動小車，固定於移動小車上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進口和與圍壓腔體相通的圍壓水進口的壓力室底座、位於壓力室底座上的與滲透水進口和試樣上的滲透水通道連通的傳力柱系統、位於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，所述的試驗系統中有分別與液壓千斤頂、滲透水進口、圍壓水進口連接的油水轉換動力控制系統。
2、 如權利要求1所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於油水轉換動力控 制系統中有油箱，與油箱連通的油泵，通過單向閥與油泵出油口連接的儲能油罐， 分別通過第一、第二靜態伺服閥及與第一、第二靜態伺服閥連接的第一、第二電磁 換向闊與儲能油罐連接的滲透水儲能器、圍壓水儲能器，滲透水儲能器、圍壓水儲 能器分別與三軸壓力室的滲透水進口和圍壓水進口連通，儲能油罐分別通過第三靜 態伺服閥及第三電磁換向閥向液壓千斤頂提供液壓油。
3、 如權利要求2所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於儲能油罐包括帶進 油口和出油口的第三密封罐體、第三密封罐體上部裝有預先加有壓力的氮氣密封膠 囊，滲透水儲能器包括帶進油口的第一罐體、位於第一罐體中的帶滲透水出口的裝 滲透水的滲透水膠囊，圍壓水儲能器包括帶進油口的第二罐體、位於第二罐體中的 帶圍壓水出口的裝圍壓水的圍壓水膠囊。
4、 如權利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於壓力室滲 透水出口處有通過管道分別與之連通的出水端水流控制系統、體變測量系統。
5、 如權利要求4所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於出水端水流控制系 統中有管路過濾器、與管路過濾器連接的手動調速閥。
6、 如權利要求4所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於體變測量儀中有帶 、滲流水進口的圓柱體鋼桶，位於圓柱體鋼桶中的磁致性位移傳感器。
7、 如權利要求
3之一^f述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於承力架上 梁固定有軸向壓力傳感器，承力架側面與液壓千斤頂相對應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、 如權利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於承力架由 立柱、裝於立柱上的下梁、上梁，與立柱螺紋配合且將上梁固定的螺帽組成。
9、 如權利要求1 3之一所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於在三軸壓 力室滲透水進、出口處分別裝有水壓力傳感器，在三軸壓力室滲透水進、出水管路 上裝有對水壓力傳感器測試差值進行校核的差壓傳感器。
10、 如權利要求1所述的巖石高壓滲透試驗系統，其特徵在於傳力柱系統中與 試樣接觸端面上有保證滲流在試樣整個端面進行的環形水槽。
專利摘要本實用新型提供了一種巖石高壓滲透試驗系統，包括試樣壓力室裝置，試樣壓力室裝置中有承力架，位於承力架中的液壓千斤頂，置於液壓千斤頂頂部的移動小車，固定於移動小車上的三軸壓力室，三軸壓力室包括圍壓腔體、帶滲透水進口和圍壓水進口的壓力室底座、位於壓力室底座上的與滲透水進口和試樣上的滲透水通道連通的下傳力柱系統、位於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，所述的試驗系統中有分別與液壓千斤頂、滲透水進口、圍壓水進口連接的油水轉換動力控制系統。本實用新型可進行試樣在各種條件下的滲透性測試，各種加載路徑的常規三軸力學特性測試、高滲透壓力下滲流、應力耦合全過程試驗研究，可對軸壓、圍壓、滲透壓力、軸向位移進行精確控制。
文檔編號G01N15/08GK201188081SQ20082006204
公開日2009年1月28日 申請日期2008年1月29日 優先權日2008年1月29日
發明者明 嚴, 付小敏, 徐德敏, 峰 林, 蔡國軍, 虞修競, 鄧英爾, 黃潤秋 申請人:成都理工大學