专利名称：岩体裂隙非饱和渗流试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩体水力学试验领域，尤其涉及一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置。
背景技术：
自然界中存在着大量的诸如降雨(或雾化雨)入渗引起的裂隙岩体非饱和渗流问题有待深入研究。裂隙是岩体渗流的主要通道，它对裂隙岩体的水力行为起控制作用，故单裂隙非饱和渗流的研究是裂隙岩体非饱和渗流研究的基本问题和理论基础。由于在模拟裂隙岩体非饱和渗流时一般多借鉴多孔介质非饱和渗流的分析方法，其控制方程相同(或类似)于多孔介质非饱和渗流的控制方程—Richards方程。因此在进行裂隙岩体非饱和渗流数值分析时，最为关键的是单裂隙毛细压力～饱和度以及非饱和渗透系数～毛细压力关系的建立。目前在测定上述两个单裂隙非饱和水力参数时，主要还是借助于水-油拟稳态驱替试验和水-油(或水-气)二相流试验，而非饱和渗流指的是只有水相流动，气相只占据流动空间并不流动，因此运用现有试验装置所测出的单裂隙非饱和水力参数不能直接用于裂隙岩体非饱和渗流的分析。
为了达到真正意义上的非饱和渗流状态，本发明借鉴多孔介质非饱和渗流的试验方法，基于动力法原理，研制出了一套可用于测定单裂隙非饱和水力参数的非饱和渗流试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置。
它具有马氏瓶，马氏瓶放置在第一电子天平上，马氏瓶经进水软管与第一端帽相接，在端帽内设有毛细隔栅、通气孔，毛细隔栅内设有进气小槽，进气小槽与通气孔相通，第一端帽、毛细隔栅上连接有第一张力计，第一端帽放置在升降台上，在升降台上与第一端帽相对应处放置有第二端帽，第二端帽、毛细隔栅上连接有第二张力计、出水软管，出水软管另一端与有机玻璃筒相接，有机玻璃筒上端经溢流管与有机玻璃杯相接，有机玻璃杯放置在第二电子天平上。
所述的毛细隔栅选用多孔砂浆块。多孔砂浆块由水∶水泥∶砂＝1.3～1.5∶1∶4～6配合浇筑而成。砂的粒径为0.315～0.63mm。
本发明结构简单，操作简便，解决了传统水-气、水-油二相流试验装置或拟稳态驱替试验装置的不足，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，试验精度高。
图1是岩体裂隙非饱和渗流试验装置示意图；图2是本发明的毛细隔栅和端帽示意图。
具体实施例方式
如图1、2所示，岩体裂隙非饱和渗流试验装置具有马氏瓶1，马氏瓶放置在第一电子天平2上，马氏瓶经进水软管3与第一端帽4相接，在端帽内设有毛细隔栅6、通气孔15，毛细隔栅内设有进气小槽16，进气小槽与通气孔相通，第一端帽、毛细隔栅上连接有第一张力计8，第一端帽放置在升降台14上，在升降台上与第一端帽相对应处放置有第二端帽5，第二端帽、毛细隔栅上连接有第二张力计9、出水软管7，出水软管另一端与有机玻璃筒10相接，有机玻璃筒上端经溢流管11与有机玻璃杯12相接，有机玻璃杯放置在第二电子天平13上。
本发明的实施过程是按端帽尺寸切割好裂隙试件，将裂隙试件置于两端帽之间并夹紧，裂隙试件平行于水流向的两侧边涂环氧树脂以防漏水。先让裂隙和毛细隔栅等饱水；再用升降台抬升裂隙试件位置，使裂隙内水相压力变为某个负值，由毛细吸持理论可知，裂隙将开始排水。从抬升开始时刻开始，测算相邻的若干个相同时段内供水水量、集水水量和张力计中的水量变化量直至稳定流动状态(当某个时段内供水水量等于集水水量和张力计中的水量变化量之和时即认为流动已达稳定状态)。由水量平衡原理可知，供水水量与集水水量和张力计中的水量变化量之和的累计差值即为裂隙在该级毛细压力作用下所排出的水量，根据裂隙的饱和含水量，可求得该级毛细压力所对应的裂隙饱和度。流动稳定后测得给定时段内通过裂隙的水量，再根据达西定律和裂隙的平均开度、长度以及宽度，可求得裂隙在该级毛细压力下的非饱和渗透系数。逐级抬升裂隙试件，重复上述步骤，可测求得一系列裂隙排水时的毛细压力～饱和度以及非饱和渗透系数～毛细压力的关系数据点。同理，从裂隙试件最高位置开始，利用升降台逐级降低裂隙试件位置(裂隙将开始吸水)，可测求得一系列裂隙吸水时的毛细压力～饱和度以及非饱和渗透系数～毛细压力的关系数据点。
如图1所示，某个裂隙试件位置对应的裂隙内水相的毛细压力hc为hc=h1+h22---(1)]]>
式中h1为裂隙面与第一张力计中水位的高差，即裂隙进水侧的毛细压力；h2为裂隙面与第二张力计中水位的高差，即裂隙出水侧的毛细压力；hc为裂隙内水相的平均毛细压力值。
当裂隙试件由位置1(对应的毛细压力为hc1)抬升(或降低)至位置2 (对应的毛细压力为hc2)时，由毛细吸持理论可知，裂隙将排水(或吸水)，其内水流需经过一段时间后才能达到新的稳定流动状态。记gw1、gw2、…、gwn为抬升(或降低)开始时至裂隙内水流达到新的稳定流动状态后，n个相邻时段内的供水水量(由时段初和时段末第一电子天平的读数的差值换算而得)；jw1、jw2、…、jwn为抬升(或降低)开始时至裂隙内水流达到新的稳定流动状态后，n个相邻时段内的集水水量(由时段初和时段末第二电子天平的读数的差值换算而得)；zw1、zw2、…、zwn为抬升(或降低)开始时至裂隙内水流达到新的稳定流动状态后，n个相邻时段内张力计中水量的变化量(根据时段初和时段末两个张力计中水位的变化值求得，增大为正)。根据水量平衡原理，毛细压力由hc1变为hc2后，即对应于毛细压力hc2的裂隙排水量(或吸水量)Δθ为Δθ＝|(jw+zw)-gw| (2)式中jw＝jw1+jw2+...+jwn，zw＝zw1+zw2+...+zwn，gw＝gw1+gw2+…+gwn。
同上，改变裂隙试件位置高程可求得一系列毛细压力与裂隙排水量(或吸水量)的关系数据点。
要求得每级毛细压力所对应的饱和度，还需知道裂隙的饱和含水量。对岩体裂隙而言，由于岩块的含水量较之裂隙的含水量要大的多，故传统的用于测定多孔介质含水量的方法(如中子水分仪法，X射线衰减法等)不能用于测量裂隙的饱和含水量。这里的做法是累计各级毛细压力下的排水量，再乘以1.05(天然裂隙的束缚水饱和度一般为5％左右，故乘以1.05)作为裂隙的饱和含水量。根据饱和含水量和各级毛细压力下裂隙的排水量(或吸水量)，就可求得某级毛细压力对应的裂隙饱和度。
每级毛细压力下，待流动稳定后，测得给定时段内通过裂隙的水量，即可求得一系列裂隙排水(或吸水)时的非饱和渗透系数与毛细压力的关系数据点。
饱和(或非饱和)渗透系数k的计算公式如下 式中w为时段t内通过裂隙的水量(cm3)；l为裂隙长度(cm)；a为裂隙宽度(cm)；b为裂隙的平均开度(cm)，这里指的是力学开度；h1、h2意义同式(1)。
权利要求
1.一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于，它具有马氏瓶(1)，马氏瓶放置在第一电子天平(2)上，马氏瓶经进水软管(3)与第一端帽(4)相接，在端帽内设有毛细隔栅(6)、通气孔(15)，毛细隔栅内设有进气小槽(16)，第一端帽、毛细隔栅上连接有第一张力计(8)，第一端帽放置在升降台(14)上，在升降台上与第一端帽相对应处放置有第二端帽(5)，第二端帽、毛细隔栅上连接有第二张力计(9)、出水软管(7)，出水软管另一端与有机玻璃筒(10)相接，有机玻璃筒上端经溢流管(11)与有机玻璃杯(12)相接，有机玻璃杯放置在第二电子天平(13)上。
2.根据权利要求1所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于，所述的毛细隔栅(6)选用多孔砂浆块。
3.根据权利要求2所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于，所述的多孔砂浆块由水∶水泥∶砂＝1.3～1.5∶1∶4～6配合浇筑而成。
4.根据权利要求3所述的一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置，其特征在于，所述的砂的粒径为0.315～0.63mm。
全文摘要
本发明公开了一种岩体裂隙非饱和渗流试验装置。它具有马氏瓶，马氏瓶放置在第一电子天平上，马氏瓶经进水软管与第一端帽相接，在端帽内设有毛细隔栅、通气孔，毛细隔栅内设有进气小槽，进气小槽与通气孔相通，第一端帽、毛细隔栅上连接有第一张力计，第一端帽放置在升降台上，在升降台上与第一端帽相对应处放置有第二端帽，第二端帽、毛细隔栅上连接有第二张力计、出水软管，出水软管另一端与有机玻璃筒相接，有机玻璃筒上端经溢流管与有机玻璃杯相接，有机玻璃杯放置在第二电子天平上。本发明结构简单，操作简便，解决了传统二相流试验装置或驱替试验装置的不足，能测得真正意义上的裂隙非饱和水力参数，试验精度高。
文档编号G01N15/08GK1963454SQ20061005395
公开日2007年5月16日 申请日期2006年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者胡云进 申请人:浙江大学