岩石渗水率自动测试系统及测试方法与流程

本发明涉及一种岩石渗水率测试技术，尤其涉及一种岩石渗水率自动测试系统及测试方法。

背景技术：

作为边坡变形破坏、滑坡、矿井坍塌等灾害的主要触发原因之一，岩土渗流会对岩土的各项力学指标及物理形态产生巨大影响，工程实践中为保证结构体安全、避免灾害事故发生，必须对工程结构的渗水状态及渗水可能带来的影响进行严格的实验和评估。

现有技术中，渗流测试大多采用钻测压孔和压水实验来进行，现有方法只能对岩体的渗透压力和渗透性能进行测试，而渗透速度、渗透方向等重要参数还没有十分经济有效的测试方案。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，一种岩石渗水率自动测试系统，其结构为：所述岩石渗水率自动测试系统由水箱、流量计、蠕动泵、注水头、液位计、控制模块和岩石试件(岩石试件由实地取样制作)组成；所述水箱的出水端与流量计的进水端连接，流量计的出水端与蠕动泵的进水端连接，蠕动泵的出水端与注水头的进水端连接，注水头的出水端朝下；所述岩石试件设置于注水头下方，岩石试件中部预制有一蓄水槽，注水头的出水端与蓄水槽相对；所述液位计的检测端悬置于蓄水槽的内腔中部；所述控制模块分别与流量计、蠕动泵和液位计电气连接；所述水箱内存储有水。

前述自动测试系统中各个装置的功能是：水箱用于盛装测试用水，流量计用于对水流量进行计量，蠕动泵用于将水箱内的水以相对恒定的速度泵给至岩石试件上，液位计通过检测液位来为控制模块提供触发信号，控制模块用于对蠕动泵的动作进行控制以及获取相关数据并进行数据处理；该自动测试系统可以自动完成对岩石试件的岩石渗水率测试操作，系统结构简单，各种装置均为工程领域中常见的产品。

基于前述岩石渗水率自动测试系统，本发明还提出了一种岩石渗水率自动测试方法，所涉及的硬件如前所述；具体的步骤为：

1)按前述方式搭建好岩石渗水率自动测试系统，将液位计、注水头和岩石试件充分干燥；

2)当水与检测端接触时，液位计输出高电平信号，当水位低于检测端时，液位计输出低电平信号；

开始测试后，控制模块控制蠕动泵启动，经过一定时间后，液位计向控制模块输出高电平信号，收到高电平信号后，控制模块控制蠕动泵停止工作，并记录下当前时刻t₀，之后，开始循环操作：收到低电平信号时，控制模块控制蠕动泵启动，并记录下对应的时刻数据，收到高电平信号时，控制模块控制蠕动泵停止工作，并记录下对应的时刻数据；

循环操作过程中，获得的多个时刻数据按时间顺序依次记为t₁、t₂、t₃……；t_n-1～t_n+1所对应的时段记为一个测量周期，n为从1开始的奇数；

3)循环操作过程中，每完成一个测量周期的数据获取操作，控制模块就根据下式实时计算出当前测量周期所对应的渗透率：

$v_k=\frac{(t_{2k}-t_{2k-1})\·V}{t_{2k}-t_{2k-2}}$

其中，v_k为对应第k测量周期的渗透率，k为从1开始的自然数；V为蠕动泵的额定流速，V的单位为：毫升/秒；

4)当测量周期的数量达到设定数量时，或循环操作的时间长度达到设定值时，循环操作结束；设测量周期的数量为N，则最后一个测量周期所对应的渗透率为v_N；循环操作结束后，控制模块根据下式计算出岩石试件的平均渗透率

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{v_1+v_2+...+v_{N-1}+v_N^{~}}{N}$

其中，为v_N的修正值；根据下式计算

$v_N^{~}=\frac{(t_{2N}-t_{2N-1})\·V-\mathrm{\Δ}V}{t_{2N}-t_{2N-2}}$

其中，ΔV为循环操作结束后，残留在流量计和注水头之间的管路和装置中的水的体积；ΔV的具体数值根据下式计算：

ΔV＝V_F-V·[(t₂+t₄+...+t_2N)-(t₁+t₃+...+t_2N-1)]

其中，则V_F为t₁～t_2N时段内由流量计所测量到的流经流量计的水的总体积。

本发明的数据处理部分所基于的原理较为简单，即根据多个测量周期的渗透率来计算岩石试件的平均渗透率；该方法中值得说明的是，循环操作结束后，流量计和注水头之间的管路和装置中不可避免会残留有一定体积的水，这部分残留水会对计算出的平均渗透率的准确性造成影响，为了消除这部分影响，本发明在平均渗透率计算公式中引入了这一修正值，通过将残留水对计算结果的影响消除。

前述的岩石渗水率自动测试系统和岩石渗水率自动测试方法结合后，可在较低成本条件下，实现岩石渗水率的自动测试。

本发明的有益技术效果是：提供了一种岩石渗水率自动测试系统及测试方法，该方案能够以较低成本实现岩石渗水率的自动测试。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：水箱1、流量计2、蠕动泵3、注水头4、液位计5、控制模块6、岩石试件7。

具体实施方式

一种岩石渗水率自动测试系统，其创新在于：所述岩石渗水率自动测试系统由水箱1、流量计2、蠕动泵3、注水头4、液位计5、控制模块6和岩石试件7组成；所述水箱1的出水端与流量计2的进水端连接，流量计2的出水端与蠕动泵3的进水端连接，蠕动泵3的出水端与注水头4的进水端连接，注水头4的出水端朝下；所述岩石试件7设置于注水头4下方，岩石试件7中部预制有一蓄水槽，注水头4的出水端与蓄水槽相对；所述液位计5的检测端悬置于蓄水槽的内腔中部；所述控制模块6分别与流量计2、蠕动泵3和液位计5电气连接；所述水箱1内存储有水。

一种岩石渗水率自动测试方法，所涉及的硬件包括岩石渗水率自动测试系统：所述岩石渗水率自动测试系统由水箱1、流量计2、蠕动泵3、注水头4、液位计5、控制模块6和岩石试件7组成；所述水箱1的出水端与流量计2的进水端连接，流量计2的出水端与蠕动泵3的进水端连接，蠕动泵3的出水端与注水头4的进水端连接，注水头4的出水端朝下；所述岩石试件7设置于注水头4下方，岩石试件7中部预制有一蓄水槽，注水头4的出水端与蓄水槽相对；所述液位计5的检测端悬置于蓄水槽的内腔中部；所述控制模块6分别与流量计2、蠕动泵3和液位计5电气连接；所述水箱1内存储有水；

其创新在于：所述方法包括：

1)按前述方式搭建好岩石渗水率自动测试系统，将液位计5、注水头4和岩石试件7充分干燥；

2)当水与检测端接触时，液位计5输出高电平信号，当水位低于检测端时，液位计5输出低电平信号；

开始测试后，控制模块6控制蠕动泵3启动，经过一定时间后，液位计5向控制模块6输出高电平信号，收到高电平信号后，控制模块6控制蠕动泵3停止工作，并记录下当前时刻t₀，之后，开始循环操作：收到低电平信号时，控制模块6控制蠕动泵3启动，并记录下对应的时刻数据，收到高电平信号时，控制模块6控制蠕动泵3停止工作，并记录下对应的时刻数据；

循环操作过程中，获得的多个时刻数据按时间顺序依次记为t₁、t₂、t₃……；t_n-1～t_n+1所对应的时段记为一个测量周期，n为从1开始的奇数；

3)循环操作过程中，每完成一个测量周期的数据获取操作，控制模块6就根据下式实时计算出当前测量周期所对应的渗透率：

$v_k=\frac{(t_{2k}-t_{2k-1})\·V}{t_{2k}-t_{2k-2}}$

其中，v_k为对应第k测量周期的渗透率，k为从1开始的自然数；V为蠕动泵3的额定流速，V的单位为：毫升/秒；

4)当测量周期的数量达到设定数量时，或循环操作的时间长度达到设定值时，循环操作结束；设测量周期的数量为N，则最后一个测量周期所对应的渗透率为v_N；循环操作结束后，控制模块6根据下式计算出岩石试件7的平均渗透率

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{v_1+v_2+...+v_{N-1}+v_N^{~}}{N}$

其中，为v_N的修正值；根据下式计算

$v_N^{~}=\frac{(t_{2N}-t_{2N-1})\·V-\mathrm{\Δ}V}{t_{2N}-t_{2N-2}}$

其中，ΔV为循环操作结束后，残留在流量计2和注水头4之间的管路和装置中的水的体积；ΔV的具体数值根据下式计算：

ΔV＝V_F-V·[(t₂+t₄+...+t_2N)-(t₁+t₃+...+t_2N-1)]

其中，则V_F为t₁～t_2N时段内由流量计2所测量到的流经流量计2的水的总体积。