模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机

1.本实用新型属于岩体结构面各向异性下的渗流测试技术领域，涉及岩体结构面各向异性状态对渗流的影响，尤其涉及一种模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机。


背景技术：

2.岩体中包含大量天然裂隙面，这些裂隙面不仅导致岩体力学性能降低，而且也是潜在输水通道，造成岩体渗透性增加，从而会使岩体力学性能进一步降低。但是，由于岩体是天然地质体，其结构面在各个方向的粗糙状态和起伏程度具有显著差异，导致沿不同方向的输水能力和状态不同。
3.应力耦合下的渗流测试传统的方法，是将水从加载端头的一端中心孔注入，再从加载端头另一端的中心孔流出，这种测量结果不能反映结构面不同方向起伏状态的影响。另外一种渗流测试方法是采用沿界面的平板渗流方法进行试验，试件性状为方形，水沿水平界面的预定端段进入，从对应的另一端流出，测试结果仅仅是单一方向流动，不能反映水在各向异性不同粗糙界面上相同距离的自由流动状态，并且该方法无法实现应力及温度耦合作用下的界面渗流效应，更无法在渗流过程中模拟深地工程建设应力路径的影响。
4.目前，也有研究人员采用圆柱形试件，在试验一端预制中心孔，在另一端预制周边孔，每次渗流试验时，水沿中心孔注入，当需要测量沿某一周边孔渗流时，将其他孔先封堵上，待测完沿这一孔的渗流后，再逐一按该方法测量其他孔渗流。该方法的问题是，若有n个周边孔，则需要将试验停止n次，待停止试验重新封堵n次后才能测量，若对于一个孔需要测量m级加载应力，为保障每级下的结构面受力的一致性，又需要将试验再停止m次，这样对一个样品需要重复m乘以n次，不仅费时费力，而且因其他孔被封堵，水被迫只能沿预留的一个孔流动，导致测试结果不可靠。
5.此外，为了实施应力耦合下的岩体结构面相同距离的渗流差异性测试，还需要解决各个周边孔与下部渗流端头渗流孔之间的有效密封和耦合难题，若不能有效密封，那么水在沿易渗流的某一个周边孔流出后，很可能会在岩石下部周边孔端面与下部渗流端头之间的界面串流，从而导致部分水可能沿其他渗流孔流出，造成测试结果不可靠。
6.综上所述，目前缺少一种能够模拟深地环境条件与工程加载应力路径综合影响下反映水流在各向异性粗糙结构面流动状态的渗流试验机，从而使得深地环境下岩体结构面各向异性渗流研究难以获得实质性进展。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的旨在针对上述现有技术，提供一种模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，能够实现深地环境与工程应力路径综合影响下对各向异性粗糙结构面的渗流试验，反映岩体结构面各向异性粗糙状态对渗流的影响。
8.本实用新型的思路为：在设计的试验机下端周边孔渗流垫块上设计有密封槽，该
密封槽与设计的渗流封通器组合后，渗流封通器外径小于上端部出口、下端部进口内径(约小于1mm即可)，这样封堵器可以在试件下部周边孔与下端渗流垫块渗流孔进口间有一定间隙的活动，并可以通过封通器上的密封去进行密封，不仅可以克服加工精度误差导致试件周边孔与下端头周边孔不能有效对应导致的密封失效难题，还可以克服渗流串孔流动难题；此外，可同时测定相同加载条件下，沿不同渗流方向的相同渗透距离的各向异性结构面粗糙状态对渗流的影响，解决了加载繁琐、费时费力的难题。同时，将该试验机作为测试系统的一部分，填补目前在设备研制中未充分考虑的技术空白。
9.基于上述思路，本实用新型提供的模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，其包括底座，安装于底座上的三轴压力室，固定于三轴压力室内底部的三轴渗流承载底盘，安装于三轴渗流承载底盘上的渗流组件以及用于向渗流组件施加垂向压力的加载立柱；
10.所述渗流组件包括渗透压头以及与渗透压头组合使用的试件；所述渗透压头包括上渗流垫块、下渗流垫块以及将上渗流垫块、下渗流垫块和试件连接的若干封通器；
11.所述上渗流垫块开设有沿垂向的第一渗流通道，第一渗流通道出口开设有密封槽；
12.所述下渗流垫块开设有沿垂向的若干第二渗流通道，若干第二渗流通道均匀分布在下渗流垫块周向边缘，第二渗流通道进口开设有密封槽；
13.所述试件由含中心渗流孔的上试件和含周边渗流孔的下试件组合而成；所述上试件和下试件结合的界面为粗糙界面；上试件中心渗流孔进口和下试件周边渗流孔出口均开设有密封槽；
14.所述封通器为含中心通水孔的柱形结构，其外径小于第一渗流通道、第二渗流通道、上试件和下试件开设的密封槽内径；所述封通器两端套设有密封圈，密封圈的外径大于密封槽内径；
15.所述试件设置于上渗流垫块和下渗流垫块之间，封通器安装于上渗流垫块密封槽与上试件密封槽以及下试件密封槽与下渗流块密封槽配合形成的密封腔体内，封通器经密封圈与各密封槽之间紧配合；所述上渗流垫块与上试件、上试件与下试件、下试件与下渗流垫块接触位置经缠绕的柔性密封带形成一个整体。
16.上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，上渗流垫块的第一渗流通道进口以及下渗流垫块的第二渗流通道出口设置有刚性锥度渗流管；通过刚性锥度渗流管将水引入上渗流垫块，或者将水引出下渗流垫块。所述刚性锥度渗流管由锥度体以及套设在锥度体上的螺纹帽和螺栓，螺栓的外径大于螺纹帽的外径；所述锥度体内开设有与第一渗流通道进口和第二渗流通道出口连通的渗流通孔；所述锥度体与第一渗流通道进口和第二渗流通道出口内底部锥度匹配；所述螺纹帽与锥度体经螺纹连接；所述螺栓与第一渗流通道进口和第二渗流通道出口经螺纹连接。通过刚性锥度渗流管能够实现对第一渗流通道进口和第二渗流通道出口实现良好的密封连接。
17.上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，所述上渗流垫块第一渗流通道进口经刚性锥度渗流管与接入三轴压力室的进水管连接；所述下渗流垫块第二渗流通道出口经刚性锥度渗流管与接入三轴压力室的渗流引出管内的相应子管道连接。
18.上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，所述上试件和下
试件结合的粗糙界面形状相适配，从而使上试件和下试件结合的界面相贴合。
19.上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，上渗流垫块、上试件、下试件及下渗流垫块形成的整体外部进一步设置有样品密封保护膜。
20.上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，所述三轴室底座上进一步设置有围压介质进出管。
21.与现有技术相比，本实用新型提供的模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机具有以下有益效果：
22.1、本实用新型通过设置在上渗流垫块/下渗流垫块渗流通道与试件渗流孔之间的封通器，能够实现对渗流孔和渗流通道的良好密封，使得各渗流通道之间互不影响，从而能够实现同时测量岩体中复杂结构面各向异性对渗流的影响，解决了传统岩体结构面渗流测试中难以同时测量结构面各个方向各向异性渗流的问题，并且不需要繁琐加载、省时省力，节省成本。
23.2、本实用新型设计的封通器与渗流压头和试件接触部位允许存在一定的间隙，不仅降低了加工难度，而且通过封通器上的密封与密封槽之间的紧配合能够实现有效密封，克服渗流串孔流动难题。
24.3、本实用新型由于能够同时测定相同加载条件下，沿不同渗流方向的相同渗透距离的结构面粗糙状态各向异性对渗流的影响，能够避免加载时效、加载压力难以精确控制对岩体复杂结构面各向异性渗流测试精度的影响；因此，填补了目前岩体复杂结构面各向异性渗流研究中未充分考虑因素的技术空白。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例1中模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机结构示意图。
26.图2为本实用新型实施例1中渗流组件结构示意图。
27.图3为本实用新型实施例1中上渗流垫块结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图。
28.图4为本实用新型实施例1中下渗流垫块结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图。
29.图5为本实用新型实施例1中试件结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为剖视图， (c)为俯视图，(d)为仰视图。
30.图6为本实用新型实施例1中封通器结构示意图；其中，(a)主视图，(b)为部分剖视图；(c)为俯视图。
31.图7为本实用新型实施例1中刚性锥度渗流管结构示意图。
32.图中，1、上渗流垫块；1
‑
1、第一渗流通道进口；1
‑
2、第一渗流通道出口；2、下渗流垫块；2
‑
1、第二渗流通道出口；2
‑
2、第二渗流通道进口；1
‑
3、2
‑
3，对中销孔；3、封通器； 3
‑
1、通水孔；3
‑
2、限位台阶；3
‑
2、密封圈；4、刚性锥度密封渗流管；4
‑
1、渗流通孔；4
‑
2、锥度体；4
‑
3、螺丝帽；4
‑
4、螺栓；5、试件；5
‑
1、上试件；5
‑
2、上试件中心渗流孔进口； 5
‑
3、粗糙界面；5
‑
4、下试件；5
‑
5、下试件周边渗流孔出口；6、柔性密封带；7、样品密封保护膜；8、加载立柱；9、三轴压力室；10、三轴渗流承载底盘；11、底座；12、连接螺栓；13、渗流引出管；14、围压
介质进出管；15、进水管。
具体实施方式
33.以下将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型。
34.实施例
35.本实施例提供的模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机，如图1所示，其包括三轴压力室9，安装于三轴压力室内底部的三轴渗流承载底盘10，安装于三轴渗流承载底盘上的渗流组件以及用于向渗流组件施加垂向压力的加载立柱8。
36.如图2所示，渗流组件包括渗透压头以及与渗透压头组合使用的岩石试件5。渗透压头包括上渗流垫块1、下渗流垫块2以及将上渗流垫块、下渗流垫块和试件连接的若干封通器 3。
37.如图3所示，上渗流垫块1开设有沿垂向的第一渗流通道，第一渗流通道成倒l形，第一渗流通道进口1
‑
1从上渗流垫块侧面上部引出。第一渗流通道进口1
‑
1安装有将水引入的刚性锥度渗流管4，第一渗流通道出口1
‑
2开设有密封槽。上渗流垫块1顶部开设有第一对中销孔1
‑
3。
38.如图4所示，下渗流垫块开设有沿垂向的若干第二渗流通道，若干第二渗流通道均匀分布在下渗流垫块周向边缘。第二渗流通道成l形，第二渗流通道出口2
‑
1从下渗流垫块侧面下部引出。第二渗流通道出口2
‑
1安装有将渗流引出的刚性锥度渗流管4，第二渗流通道进口2
‑
2开设有密封槽。下渗流垫块2底部开设有第二对中销孔2
‑
3。
39.如图5所示，岩石试件5由上试件5
‑
1和下试件5
‑
4组合而成。上试件5
‑
1开设有中心渗流孔，中心渗流孔进口5
‑
2开设有密封槽。下试件5
‑
4沿其周边边缘，开设有与下射流垫块第二渗流通道数量和位置匹配的若干周边渗流孔，周边渗流孔出口5
‑
5开设有密封槽。上试件和下试件结合的对接面为粗糙界面5
‑
3。
40.封通器用于对上渗流垫块与上试件中心渗流孔的对接密封，以及下渗流垫块与下试件周边渗流孔的对接密封。如图6所示封通器3为含中心通水孔3
‑
1的柱形结构，其外径小于第一渗流通道、第二渗流通道、上试件和下试件开设的密封槽内径，两者差1mm左右。封通器两端限位台阶3
‑
2上套设有o型密封圈3
‑
3，密封圈的外径略大于密封槽内径，两者差 0.2～0.6mm左右；这样设计的封通器可以在试件与上渗流垫块/下渗流垫块的密封槽内有一定间隙的活动，并可以通过封通器上的密封圈实现有效密封。不仅能够克服加工精度误差导致试件与上渗流垫块/下渗流垫块对接位置不能有效对应导致的密封失效难题，还可以克服试件周边渗流孔与下渗流垫块第二渗流通道接触位置渗流串孔流动难题。
41.上述刚性锥度渗流管，如图7所示，其由锥度体4
‑
2以及套设在锥度体上的螺纹帽4
‑
3 和螺栓4
‑
4，螺栓的外径略大于螺纹帽的外径。锥度体内开设有与第一渗流通道进口1
‑
1和第二渗流通道出口2
‑
1连通的渗流通孔4
‑
1；所述锥度体4
‑
2与第一渗流通道进口1
‑
1和第二渗流通道出口2
‑
1内底部锥度匹配。螺纹帽设计有内螺纹，锥度体设有外螺纹。螺栓设计有外螺纹，第一渗流通道进口1
‑
1和第二渗流通道出口2
‑
1设计有内螺纹。因此刚性锥度
渗流管管壁与螺纹帽经螺纹连接。上渗流垫块第一渗流通道进口、下渗流垫块第二渗流通道出口与刚性锥度渗流管通过螺栓经螺纹连接。通过刚性锥度渗流管能够实现对第一渗流通道进口1
‑
1和第二渗流通道出口2
‑
1实现良好的密封连接。
42.如图1及图2所示，上述试件设置于上渗流垫块和下渗流垫块之间，封通器安装于上渗流垫块密封槽与上试件密封槽以及下试件密封槽与下渗流块密封槽配合形成的密封腔体内，封通器经密封圈与各密封槽之间紧配合；上渗流垫块与上试件、上试件与下试件、下试件与下渗流垫块接触位置经缠绕的自粘性柔性密封带形成一个整体。为了满足高温高压试验需求，还可以采用样品密封保护膜(例如热封膜)将上渗流垫块、试件、下渗流垫块进一步密封。柔性密封带在这里有两个作用：(1)当某个封通器意外失效时，防止水流出试件；(2)防止围压热封膜沿接缝处意外破损，保障围压介质不能进入试件中。
43.如图1所示，试验机进一步包括用于固定三轴压力室的底座11，将水引入上渗流垫块的进水管15及将渗流从下渗流垫块引出的渗流引出管13。底座上进一步设置有围压介质进出管14。上渗流垫块第一渗流通道进口经刚性锥度渗流管与接入三轴压力室的进水管15连接；下渗流垫块第二渗流通道出口经刚性锥度渗流管与接入三轴压力室的渗流引出管13内的相应子管道连接。
44.本实施例进一步提供了一种基于上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机搭建的测试系统，除了上述模拟深部多物理场与工程应力状态耦合的岩体渗流试验机外，还包括用于控制试验机的控制系统、用于数据处理的工作站以及用于控制控制系统和工作站运行的操作控制中心。试验机工作站与控制系统之间通信连接。操作控制中心与控制系统之间电连接。所述控制系统包括用于控制试验机三轴压力室内环境压力的围压控制子系统、用于控制试验机三轴压力室的内环境温度的温度控制子系统、用于控制试验机进水和渗流引水测试的渗流控制子系统和用于向渗流组件施加垂向压力的加载控制子系统。
45.上述工作站为具有数据处理功能的计算机。上述操作控制中心、围压控制子系统、温度控制子系统、渗流控制子系统和加载控制子系统均采用本领域常规设备实现。
46.利用上述测试系统，进行深地环境下岩体复杂结构面各向异性渗流测试步骤如下：
47.s1组装渗流组件
48.将已预制好中心孔的上试件和下试件组合在一起，并利用柔性密封带沿中部接缝处密封缠绕；然后，将多个封通器分别安放在下渗流垫块的各个第二渗流通道密封槽中，并将下试件周边渗流孔出口密封槽与封通器另一头对接；其后，将封通器安装在上试件中心渗流孔进口密封槽中，并将其与上渗流垫块第一渗流通道出口密封槽对接；之后，在上试件与上渗流垫块接触圆周、下试件与下渗流垫块接触圆周等部位，沿中部接缝处缠绕柔性密封带密封，使上渗流垫块、试件和下渗流垫块形成一个整体；最后，采用样品密封保护膜将上渗流垫块、试件、下渗流垫块进一步密封；
49.s2安装渗流组件
50.将密封为一个整体的渗流组件置于三轴压力室内的三轴渗流承载底盘上，依靠对中销进行对中；
51.s3调整加载立柱及三轴室底座
52.使驱动装置连接的加载立柱与上渗流垫块接触好，然后将第一渗流通道进口与进水管连接；并分别将下渗流垫块各第二渗流通道出口与渗流引出管连接；其中，渗流引出管引出的渗流分别对应下渗流垫块的各第二渗流通道；
53.s4调整三轴压力室
54.使三轴压力室与三轴室底座对接到位，然后利用螺栓连接为一体；
55.s5调整三轴压力室内围压压力
56.通过围压介质进出管，向三轴压力室内注满围压介质，从而向试件施加预定围压压力；
57.s6调整三轴压力室内温度
58.当需要考虑温度效应时，通过加温装置经三轴压力室内围压介质对岩石试件进行加温，并待温度加至目标值后再进行步骤s7；
59.s7渗流加载
60.按预定渗流控制模式，通过渗流控制子系统向试件施加渗流，同时测量所有渗流通道的渗流量；
61.s8加载轴向荷载
62.通过加载立柱，对试件施加轴向荷载，当荷载加载至目标值后，通过渗流控制子系统向试件施加渗流，同时测量所有渗流通道的渗流量；可以采用质量流量计、流量泵或天平等对各个通道的渗流量进行测量。
63.若仅需要进行轴向荷载下的渗流测量，而不需要考虑围压和温度的影响，那么利用上述测试系统，进行深地环境下岩体复杂结构面各向异性渗流测试步骤如下：
64.s1
′
组装渗流组件
65.将已预制好中心孔的上试件和下试件组合在一起，并利用柔性密封带沿中部接缝处密封缠绕；然后，将多个封通器分别安放在下渗流垫块的各个第二渗流通道密封槽中，并将下试件周边渗流孔出口密封槽与封通器另一头对接；其后，将封通器安装在上试件中心渗流孔进口密封槽中，并将其与上渗流垫块第一渗流通道出口密封槽对接；之后，在上试件与上渗流垫块接触圆周、下试件与下渗流垫块接触圆周等部位，沿中部接缝处缠绕柔性密封带密封，使上渗流垫块、试件和下渗流垫块形成一个整体；
66.s2
′
安装渗流组件
67.将密封为一个整体的渗流组件置于三轴压力室内的三轴渗流承载底盘上，依靠对中销进行对中；
68.s3
′
调整加载立柱及三轴室底座
69.使驱动装置连接的加载立柱与上渗流垫块接触好，然后将第一渗流通道进口与进水管连接；并分别将下渗流垫块各第二渗流通道出口与渗流引出管连接；其中，渗流引出管引出的渗流分别对应下渗流垫块的各第二渗流通道；
70.s4
′
渗流加载
71.按预定渗流控制模式，通过渗流控制子系统向试件施加渗流，同时测量所有渗流通道的渗流量；
72.s5
′
加载轴向荷载
73.通过加载立柱，对试件施加轴向荷载，当荷载加载至目标值后，通过渗流控制子系
统向试件施加渗流，同时测量所有渗流通道的渗流量；可以采用质量流量计、流量泵或天平等对各个通道的渗流量进行测量。
74.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。