本发明涉及破碎岩石水砂两相渗透试验设备领域，具体而言，涉及一种可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置。
背景技术：
目前采矿工程、隧道工程等含破碎地质构造的工程领域中，陷落柱突水/突固、复杂岩溶隧道突水/突泥等安全问题时常出现。陷落柱突水/突固、复杂岩溶隧道突水/突泥等问题都可以认为是破碎岩石中水砂两相渗流失稳所引发的灾害，故而破碎岩石的水砂两相渗流的渗透试验就成为研究陷落柱突水/突固、复杂岩溶隧道突水/突泥等问题的基础。
现有的破碎岩石的水砂两相渗流的试验装置往往由加载系统、渗透回路、数据采集系统、颗粒回收系统等部分组成。但该系统存在以下弊端：试验过程中，难以对渗透回路中的渗透仪内部情况进行观测；另外，现有的试验装置采用的是“水驱沙”的方式，补充砂时需要停机，大大减缓了试验的效率和试验的连续性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置，其不仅结构简单，易于操作，便于观察试验现象，更大大提高了试验的准确性和效率。
本发明的实施例是这样实现的：
一种可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置，包括加载架、渗透仪以及可持续多途径加砂装置；
渗透仪的缸筒采用高强度透明高分子材料制成，渗透仪的缸筒内设置有传感器，传感器与数据采集系统电连接；
可持续多途径加砂装置包括一条加砂干路、多条加砂支路以及多个加砂口；多条加砂支路并联并汇聚于加砂干路，加砂干路靠近渗透仪的部分与渗透仪连接，加砂干路远离渗透仪的部分设置有第四截止阀，每条加砂支路均设置有一个加砂截止阀，每条加砂支路各与一个加砂口连通。
在本发明较佳的实施例中，上述加砂支路包括第一加砂支路、第二加砂支路和第三加砂支路，加砂口包括第一加砂口和第二加砂口；
第一加砂支路的两端、第二加砂支路的两端以及第三加砂支路的两端分别汇聚于加砂干路；第一加砂支路设置有相互连接的第一加砂截止阀和自动加砂装置，第一加砂口设置于自动加砂装置上；第二加砂支路上设置有第二加砂截止阀，第二加砂支路通过第四加砂截止阀与第二加砂口连通；第三加砂支路上设置有第三加砂截止阀，第三加砂支路通过第五加砂截止阀与第二加砂口连通。
在本发明较佳的实施例中，上述试验装置还包括第一液压控制系统和第二液压控制系统；
第一液压控制系统包括双作用液压缸、第一支路和第二支路，第一支路包括依次连接的第一截止阀、第一换向阀、第一定量柱塞泵和第一电机，第二支路包括依次连接的第二截止阀、第二换向阀、第二定量柱塞泵和第二电机，双作用液压缸安装于加载架的上部，第一截止阀与双作用液压缸的上腔连通，第二截止阀与双作用液压缸的下腔连通，双作用液压缸的活塞杆与渗透仪连接；
第二液压控制系统包括单作用液压缸和第三截止阀，单作用液压缸的活塞杆与渗透仪连接，第三截止阀的一端与单作用液压缸连通，另一端与第二换向阀连接。
在本发明较佳的实施例中，上述第一截止阀与双作用液压缸的上腔之间设置有第五截止阀，第四截止阀与用于连接第一截止阀和第五截止阀的管道连接。
在本发明较佳的实施例中，上述试验装置还包括注射器，注射器为液压缸，注射器的两端分别与第六截止阀和第七截止阀连接，第六截止阀与第一截止阀和第四截止阀之间的管道连接，第七截止阀与第二截止阀和第二换向阀之间的管道连接。
在本发明较佳的实施例中，上述加载架为中空结构，渗透仪设置于加载架的内部，加载架的内部的底壁设置有凹槽，单作用液压缸安装于凹槽内。
在本发明较佳的实施例中，上述渗透仪内设置有位移传感器，位移传感器与无纸记录仪电连接。
在本发明较佳的实施例中，上述第一换向阀与第一定量柱塞泵之间连接有第一溢流阀。
在本发明较佳的实施例中，上述第二换向阀与第二定量柱塞泵之间连接有第二溢流阀，第二溢流阀与第二定量柱塞泵之间连接有冷却器。
在本发明较佳的实施例中，上述试验装置还包括第二振动筛和蓄水池，第二振动筛和蓄水池连接，第二振动筛与渗透仪连接。
本发明提供的可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置的有益效果是：这种试验装置的渗透仪的缸筒采用高强度透明高分子材料制成，试验者可以通过高强度透明高分子材料制成的缸筒，非常直观地观察缸筒内的试验现象，以便试验者根据观测结果相应进行调整。另外，通过设置可持续多途径加砂装置，可实现泵站式渗透，能够实现持续地进行砂补充，无需停机补充砂，保证了试验的连续性，提高了试验的效率和试验效果。因此，这种试验装置不仅结构简单，易于操作，便于观察试验现象，更大大提高了试验的准确性和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置的结构示意图。
图中标记分别为：
可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置10；
加载架100；凹槽101；
渗透仪200；
双作用液压缸300；第一截止阀301；第一换向阀302；第一定量柱塞泵303；第一电机304；第一溢流阀305；第二截止阀306；第二换向阀307；第二定量柱塞泵308；第二电机309；第二溢流阀310；冷却器311；第五截止阀312；
单作用液压缸400；第三截止阀401；
可持续多途径加砂装置500；加砂干路501；第四截止阀502；第一加砂支路503；第二加砂支路504；第三加砂支路505；第一加砂口506；第二加砂口507；第一振动筛508；第一加砂截止阀509；第二加砂截止阀510；第三加砂截止阀511；第四加砂截止阀512；第五加砂截止阀513；
注射器600；第六截止阀601；第七截止阀602；
第二振动筛700；蓄水池701。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”“第五”“第六”“第七”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；连通可以是通过管道连通，也可以是直接连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
本实施例提供了一种可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置10，这种试验装置包括加载架100、渗透仪200、第一液压控制系统、第二液压控制系统、可持续多途径加砂装置500、注射器600、第二振动筛700和蓄水池701。
其中，加载架100为中空结构，渗透仪200设置于加载架100的内部，加载架100的内部的底壁设置有凹槽101，单作用液压缸400安装于凹槽101内。应当理解，加载架100内部形成压缩腔体空间，用于容纳渗透仪200和岩样。
另外，本发明的设计者发现，现有的渗透回路中渗透仪200采用钢质材料制成，难以对渗透仪200内部情况进行观测。为了解决这一技术问题，本实施例中，渗透仪200的缸筒采用高强度透明高分子材料制成，渗透仪200的缸筒内设置有传感器，传感器与数据采集系统电连接。试验时，试验者可以通过高强度透明高分子材料制成的缸筒，非常直观地观察缸筒内的试验现象，以便试验者根据观测结果相应进行调整。而传感器可以有助于对试验过程中渗流场的立体刻画。
应当注意的是，本实施例中，渗透仪200的缸筒采用高强度透明高分子材料制成，这种材料为现有材料。此处所指的高强度是指这种材料能够达到或接近现有的钢材料制成缸筒的强度，如果采用普通的透明高分子材料制作缸筒，难以缸筒在试验时容易被破坏。因此，为了保证缸筒透明可观测试验，又保证缸筒的强度，使缸筒不易损坏，优选采用高强度透明高分子材料制作缸筒。
本发明的设计者在研究中发现，现有的试验装置采用的是“水驱沙”的方式，补充砂时需要停机，大大减缓了试验的效率和试验的连续性。究其原因，是因为试验装置中缺少砂补充装置。
为了解决这一技术问题，本实施例中设置的可持续多途径加砂装置500，能够持续地进行砂补充，保证了试验的连续性，提高了试验的效率和试验效果。这种可持续多途径加砂装置500包括一条加砂干路501、多条加砂支路以及多个加砂口。
多条加砂支路并联并汇聚于加砂干路501，加砂干路501靠近渗透仪200的部分与渗透仪200连接，加砂干路501远离渗透仪200的部分设置有第四截止阀502，每条加砂支路均设置有一个加砂截止阀，每条加砂支路各与一个加砂口连通。
其中，加砂支路包括第一加砂支路503、第二加砂支路504和第三加砂支路505，加砂口包括第一加砂口506和第二加砂口507。
第一加砂支路503的两端、第二加砂支路504的两端以及第三加砂支路505的两端分别汇聚于加砂干路501。第一加砂支路503设置有相互连接的第一加砂截止阀509和自动加砂装置，第一加砂口506设置于自动加砂装置上。作为优选，自动加砂装置为第一振动筛508。第二加砂支路504上设置有第二加砂截止阀510，第二加砂支路504通过第四加砂截止阀512与第二加砂口507连通。第三加砂支路505上设置有第三加砂截止阀511，第三加砂支路505通过第五加砂截止阀513与第二加砂口507连通。
本发明的设计者在研究中还发现，现有的试验装置的加载系统一般采用大型的材料试验机，体积较大，且较笨重，不仅要求足够大的实验室面积，而且不容易搬动；材料试验机压缩腔体的有效空间有限，不能满足不同高度渗透仪200的安放；材料试验机压缩腔体的设计不够人性化，渗透仪200搬动较困难。
本实施例为了解决这一技术问题，采用了加载架100和两套液压控制系统来代替现有的材料试验机，大大节省了框架的材料，增强了框架的刚度，减小了装置的体积，使装置更加轻便，改善了制作工艺性，渗透仪200易于安放和移动。
具体地，第一液压控制系统包括双作用液压缸300、第一支路和第二支路，第一支路包括依次连接的第一截止阀301、第一换向阀302、第一定量柱塞泵303和第一电机304，第二支路包括依次连接的第二截止阀306、第二换向阀307、第二定量柱塞泵308和第二电机309，双作用液压缸300安装于加载架100的上部，第一截止阀301与双作用液压缸300的上腔连通，第二截止阀306与双作用液压缸300的下腔连通，双作用液压缸300的活塞杆与渗透仪200连接。
作为优选，第一定量柱塞泵303与水缸连接，能够抽水或回流，形成水路。第二定量柱塞泵308与油缸连接，能够抽油或回流，形成油路。
第一液压控制系统通过第一支路和第二支路控制双作用液压缸300的活塞杆向下或向上运动。第一支路抽水时，第二支路回流，双作用液压缸300的活塞杆向下运动，可减小加载架100的压缩腔体空间；第二支路抽油时，第一支路回流，双作用液压缸300的活塞杆向上运动，可增大加载架100的压缩腔体空间。因此，根据渗透仪200的高度，可通过双作用液压缸300按需调节压缩腔体空间，直至合适位置，以达到粗略控制岩样的位移的目的。
第二液压控制系统包括单作用液压缸400和第三截止阀401，单作用液压缸400的活塞杆与渗透仪200连接，第三截止阀401的一端与单作用液压缸400连通，另一端与第二换向阀307连接。其中，第一换向阀302和第二换向阀307均为三位四通阀，均包括位、中位以及位。
也就是说，本实施例中，单作用液压缸400实际上与双作用液压缸300中的油路是共用一条油路的，通过第二换向阀307、第二截止阀306和第三截止阀401实现油路的切换以及抽油、回流。
单作用液压缸400的液压油推动活塞杆向上移动，使岩样发生压缩变形，以精确控制岩样的位移。单作用液压缸400的液压油回流，在重力和弹簧恢复力的作用下，单作用液压缸400的活塞杆向下移动，使岩样卸载。
第一截止阀301与双作用液压缸300的上腔之间设置有第五截止阀312，第四截止阀502与用于连接第一截止阀301和第五截止阀312的管道连接。
在上述结构的基础上，这种可持续多途径加砂装置500能够用于自动加砂和手动加砂，并且能够根据需要进行切换，保证实验的连续性，无需停机补砂。可持续多途径加砂装置500可以作为一通路，能够实现泵站式渗透方式，提高试验的准确性和试验效果。
另外，本实施例还可以采用注射器式渗透方式，具体是通过注射器600来实现的。本实施例中，注射器600为液压缸，注射器600的两端分别与第六截止阀601和第七截止阀602连接，第六截止阀601与第一截止阀301和第四截止阀502之间的管道连接，第七截止阀602与第二截止阀306和第二换向阀307之间的管道连接。
另外，渗透仪200内设置有位移传感器，位移传感器与无纸记录仪电连接。岩样在受到单作用液压缸400压力时，岩样的轴向压缩量由位移传感器将位移信号转换为电压信号，该电压信号由无纸记录仪实时显示和储存。
作为优选，第一换向阀302与第一定量柱塞泵303之间连接有第一溢流阀305，第二换向阀307与第二定量柱塞泵308之间连接有第二溢流阀310，第二溢流阀310与第二定量柱塞泵308之间依次连接有节流阀和冷却器311。
第二振动筛700和蓄水池701连接，第二振动筛700与渗透仪200连接。第二振动筛700通过蓄水池701为渗透仪200内供水。
以下具体说明本实施例提供的可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置10的工作过程：
其中，双作用液压缸300控制的具体步骤是：
步骤1：将第一换向阀302置于位，将第二换向阀307置于位，关闭第六截止阀601、第四截止阀502、第七截止阀602、第三截止阀401，打开第一截止阀301、第五截止阀312、第二截止阀306，由第一定量柱塞泵303向双作用液压缸300的上腔注水，注水过程中，双作用液压缸300的活塞杆向下运动。同时双作用液压缸300内的液压油经过第二换向阀307和第二截止阀306回流。
步骤2：注水完毕后，关闭第一截止阀301、第五截止阀312，将第一换向阀302置于中位。
步骤3：将第二换向阀307阀芯置于位，将第一换向阀302置于位，关闭第六截止阀601、第四截止阀502、第七截止阀602、第三截止阀401，打开第一截止阀301、第五截止阀312、第二截止阀306，启动第一变量柱塞泵。由第二变量柱塞泵输出的液压油经过节流阀、第二换向阀307和第二截止阀306进入到双作用液压缸300的下腔。液压油驱动活塞杆向上运动，同时双作用液压缸300上腔的水经过第一换向阀302和第一截止阀301、第五截止阀312回流。
上述的步骤1可减小加载架100压缩腔体空间，步骤3可增大加载架100压缩腔体空间。利用这两步骤，可根据渗透仪200高度按需调节腔体空间，直至合适位置，以达到粗略控制岩样的位移。
另外，单作用液压缸400控制的具体步骤是：
步骤(1)：将第二换向阀307的阀芯置于位，将第一换向阀302置于中位，关闭第一截止阀301、第六截止阀601、第四截止阀502、第五截止阀312、第七截止阀602、第二截止阀306，打开第三截止阀401，启动第二变量柱塞泵。由第二变量柱塞泵输出的液压油经过节流阀、第二换向阀307和第三截止阀401向单作用液压缸400提供压力，液压油推动活塞杆向上移动，使岩样发生压缩变形，以精确控制岩样的位移。岩样的轴向压缩量由位移传感器将位移转换为电压信号，电压信号由无纸记录仪实时显示和储存。
步骤(2)：当位移达到预设值时，将第二换向阀307的阀芯由位换至中位并将第三截止阀401关闭，实现岩样变形量恒定。在油路中安装压力传感器，转换为电压信号后，可由无纸记录仪实时采集。
步骤(3)：将第二换向阀307的阀芯置于位，打开第三截止阀401，则在重力和弹簧恢复力的作用下，单作用液压缸400的活塞杆向下移动，使岩样卸载。
该试验装置能够实现两种不同的渗透方式，一种是泵站式渗透，另一种是注射器式渗透。切换方便，可根据需要相应选择调整。
其中，泵站式渗透的步骤是：
将第一换向阀302置于位，将第二换向阀307置于中位，关闭第六截止阀601、第五截止阀312、第七截止阀602、第三截止阀401、第二截止阀306，打开第一截止阀301、第四截止阀502，由第一定量柱塞泵303经过第一换向阀302、第一截止阀301、第四截止阀502和可持续多途径加砂装置500向渗透仪200内注水渗透。
另外，注射器式渗透的步骤是：
步骤①：将第一换向阀302置于位，将第二换向阀307置于位，关闭第四截止阀502、第五截止阀312、第三截止阀401、第二截止阀306，打开第一截止阀301、第六截止阀601、第七截止阀602，由第一定量柱塞泵303经过第一换向阀302、第一截止阀301、第六截止阀601向注射器600的下腔注水渗透。油路中的液压油经过第二换向阀307和第七截止阀602回流。
步骤②：将第二换向阀307置于位，将第一换向阀302置于中位，关闭第一截止阀301、第五截止阀312、第三截止阀401、第二截止阀306，打开第六截止阀601、第四截止阀502、第七截止阀602，启动第二变量柱塞泵。由第二变量柱塞泵输出的液压油经过节流阀、第二换向阀307和第七截止阀602向注射器600提供压力，液压油推动活塞杆向下移动，使注射器600的下腔内的水被压出，经过第六截止阀601、第四截止阀502和可持续多途径加砂装置500向渗透仪200内注水渗透。
另外，可持续多途径加砂装置500可分为自动加砂和手工加砂两种方式。可以根据实际需要相应选择加砂方式。
一般情况下，使用自动加砂装置，具体过程如下：打开第一加砂截止阀509，关闭第二加砂截止阀510、第三加砂截止阀511、第四加砂截止阀512、第五加砂截止阀513，由振动筛的第一加砂口506加砂，通过第一加砂支路503采用振动筛按固定频率匀速加砂后渗透，这种加砂方式可直接进行补充。
模拟突水、突泥/突固瞬间时可采用手动加砂装置。为保障模拟过程的可持续性，采用了双通道的方式，具体过程如下：
打开第二加砂截止阀510，关闭第一加砂截止阀509、第三加砂截止阀511、第四加砂截止阀512、第五加砂截止阀513，可通过第二加砂支路504进行含砂渗透。需补充砂时，可打开第三加砂截止阀511，关闭第二加砂截止阀510，通过第三加砂支路505进行渗透，同时打开第四加砂截止阀512，关闭第五加砂截止阀513，从第二加砂口507对第二加砂支路504进行砂的补充。
同样也可以打开第三加砂截止阀511，关闭第一加砂截止阀509、第二加砂截止阀510、第四加砂截止阀512、第五加砂截止阀513，通过第三加砂支路505进行加砂渗透。需补充砂时，可打开第二加砂截止阀510，关闭第三加砂截止阀511，通过第二加砂支路504进行渗透，同时打开第五加砂截止阀513，关闭第四加砂截止阀512，从第二加砂口507对第三加砂支路505进行砂的补充。
以上无论由哪个加砂支路流出，都是通过加砂干路501流至渗透仪200内。
综上所述，本实施例提供的可持续多途径加砂的破碎岩石渗透试验装置10的渗透仪200的缸筒采用高强度透明高分子材料制成，试验者可以通过高强度透明高分子材料制成的缸筒，非常直观地观察缸筒内的试验现象，以便试验者根据观测结果相应进行调整。另外，通过设置可持续多途径加砂装置500，可实现泵站式渗透，能够实现持续地进行砂补充，无需停机补充砂，保证了试验的连续性，提高了试验的效率和试验效果。并且，采用加载架100和两套液压控制系统来代替现有的材料试验机，大大节省了框架的材料，增强了框架的刚度，减小了装置的体积，使装置更加轻便，改善了制作工艺性，渗透仪200易于安放和移动。并且，试验时根据渗透仪200的高度，可通过双作用液压缸300，按需调节加载架100的内部空间，直至合适位置，以达到粗略控制岩样的位移，再通过单作用液压缸400使岩样发生压缩变形，以精确控制岩样的位移。
这种试验装置不仅结构简单，易于操作，便于观察试验现象，更大大提高了试验的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。