测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置的制作方法

本发明涉及岩土工程和地质工程技术领域新型室内试验设备，尤其是涉及一种测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置。

背景技术：

根据《核电安全规划(2011-2020年)》和《核电中长期发展规划(2011-2020年)》，2020年中国核电装机容量将达到5800万千瓦，核能发电占比从目前的2％提升至4％。核能的大力发展必将产生大量的高放废物，鉴于其放射性强、毒性大、核素半衰期长等特点，目前国际上普遍考虑对其进行深地质处置。基于“多重屏障体系”的概念设计，将装有废物固化体的处置罐封存在距地表数百米深的稳定地质体中，并在废物罐与围岩体之间填充缓冲材料，形成维护处置库结构稳定、减缓地下水渗流、阻滞核素迁移以及扩散核辐射热的工程屏障系统。大量研究成果表明，以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土具有高膨胀性、低渗透性和强吸附性，且经过适当的工程设计可实现缓冲材料的工程性能要求。

实际处置库建设过程中，高压实膨润土块体将被堆砌在废物罐与围岩体之间，由此造成各类施工接缝的大量存在，它们广泛分布于废物罐与膨润土块体、膨润土块体与围岩以及膨润土块体与块体之间等。这些施工接缝的存在会显著加速地下水的传播、降低膨润土的膨胀力，直接影响工程屏障系统缓冲性能的有效发挥。处置库运营初期，施工接缝作为地下水渗流的首选通道，会明显加速地下水的传播。随着膨润土不断吸水膨胀，这些接缝逐渐闭合，工程屏障系统的防渗性能不断提高，水流无法快速通过，大量累积的地下水会产生高水压作用，一旦水压超过接缝界面水力强度时便会发生水力失效，产生新的裂隙。此时，水流快速通过，水压随之降低，裂隙会被继续水化膨胀的膨润土所填充，实现工程屏障系统的自愈合。后期随着水压的二次增加，极有可能再次发生水力失效。在接缝界面水力失效与自愈合的循环过程中，工程屏障系统的力学强度不断提高，防渗性能也逐渐改善。

针对工程屏障系统自封闭及愈合特性的研究，现有研究工作主要集中在低水压环境下施工接缝对膨润土块体的平均渗透系数及整体膨胀力的影响方面，而针对接缝界面处水分传输特性和应力传递特征的研究，特别是考虑高水压作用下接缝界面水力失效及后期自愈合过程的研究鲜有报道。为此，本发明公开一种测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置，通过模拟膨润土块体与围岩之间的施工接缝，从室内试验分析的角度探讨工程屏障系统水-力演化规律。同时，考虑到围岩地下水中化学成分的存在，从工程实际出发，测定化学溶液对工程屏障系统自封闭及愈合行为的影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置，包括：

压力室：其内部中空形成竖直的测试空腔，待测试的试样放置在测试空腔内并与测试空腔内壁保持间隙，在测试空腔内还设有用于压紧试样并沿测试空腔上下移动的活塞，所述的压力室的底部和活塞内分别设有接通测试空腔的注水通道和排水通道，在压力室的侧壁上还设有接通测试空腔的测量孔；

数字化量测组件：包括多通道数据采集仪，以及设置在压力室上并与多通道数据采集仪连接的轴向压力传感器、径向压力传感器和孔隙水压力传感器，其中，所述的轴向压力传感器的探头接触活塞，所述的径向压力传感器和孔隙水压力传感器均密封设置在所述测量孔内；

注水控制组件：包括注水压力控制器和装有测试用的化学溶液的水盐转换组件，其中，水盐转换组件分别连接压力室的注水通道和注水压力控制器；

测试时，注水压力控制器加压水盐转换组件中的化学溶液经注水通道注入测试空腔中，试样吸收化学溶液膨胀，轴向压力传感器、径向压力传感器和孔隙水压力传感器反馈相应压力信号给多通道数据采集仪，直至各传感器压力无变化或注水压力控制器压力最大为止。

优选的，所述的压力室包括从下到上依次密封设置的底板、试样环和顶板，在顶部上加工有通孔，并与试样环内部通道组合形成所述测试空腔，所述的底板上设有所述注水通道，所述的试样环上设有所述测量孔。

优选的，在试样环与顶板、试样环与底板、试样环与活塞之间均设有用于密封的密封圈；

所述的活塞底部和底板顶部均设有分别连接排水通道和注水通道的环形水槽。

优选的，测试时，试样置于测试空腔内，在试样底部和顶部均铺设有透水单元。

更优选的，所述的透水单元由从试样表面向外依次设置的滤纸和透水石组成。

优选的，所述的测量孔设有四个，并沿试样环中心线对称分布。

优选的，所述的轴向压力传感器的探头与活塞滚动接触。

优选的，所述的水盐转换组件包括两个顶部连通的竖直孔，在两个竖直孔内分别设有测试用化学溶液和去离子水，两个竖直孔的剩余空心部分采用硅油填满，其中，装有化学溶液的竖直孔的底端还连接注水通道，装有去离子水的竖直孔的底端还连接注水压力控制器。

优选的，所述的试验装置还包括呈薄壁圆筒状的径向接缝控制组件，其外径与测试空腔内径相同，壁厚与预设接缝宽度相同。

优选的，所述的注水压力控制器为gds压力/体积控制器，其注水压力最大值为16mpa，压力控制精度为4kpa，体积控制精度为0.1mm³。

进一步优选的，所述的轴向压力传感器、径向压力传感器和孔隙水压力传感器的最大量程为20mpa，数据采集精度为10kpa。

工程屏障系统自封闭及愈合特性主要取决于高压实膨润土的膨胀行为。本发明试验装置中的径向压力传感器所采集的数据是接缝界面处的总压力，即孔隙水压力与膨润土所产生膨胀力的总和。其中，接缝界面处的孔隙水压力可通过试验装置中的孔隙水压力传感器实时监控。通过对比接缝界面处总压力与孔隙水压力的变化，得到接缝界面处膨胀力的演化规律，进一步对工程屏障系统的自封闭及愈合行为进行分析。具体分析过程可参考文献“施工接缝对缓冲材料水-力特性影响研究进展，岩土工程学报”。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、水压控制范围大：本发明采用gds压力/体积控制器，实现了0-16mpa的高水压精确控制。

二、接缝大小控制精确：本发明采用薄壁圆筒将试样导入试样环中部，实现了径向接缝的精确控制。

三、化学溶液入渗：本发明采用水盐转换装置，避免了化学溶液对gds压力/体积控制器的腐蚀问题。

四、测试功能强大：本发明能够实现膨润土在水化过程中膨胀力的各向异性试验研究、施工接缝和化学溶液对膨润土水-力学性能影响的试验研究以及模拟化-水-力耦合作用下工程屏障系统自封闭及愈合行为。

五、采集精度高：本发明实现了数字化量测和数据实时采集，采集精度为0.25‰-0.5‰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中a-a向的剖视示意图；

图3为图1中b-b向的剖视示意图；

图4为图1中c-c向的剖视示意图；

图5为本发明的径向接缝控制组件的结构示意图；

图中，1-底板，2-透水石，3-试样，4-试样环，5-顶板，6-螺栓，7-活塞，8-注水孔，9-径向压力传感器，10-密封圈，11-排水/气孔，12-轴向压力传感器，13-多通道数据采集仪，14-阀门，15-水盐转换组件，16-不锈钢导管，17-gds压力/体积控制器，18-径向接缝控制组件，19-孔隙水压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示的测定工程屏障系统自封闭及愈合特性的试验装置，包括压力室、径向接缝控制组件、注水控制组件、水盐转换组件和数字化量测组件。

压力室包括从下至上依次连接的底板1、试样环4、顶板5和活塞7，顶板5通过螺栓6与底板1固定连接，活塞7与顶板5、试样环4竖向滑动连接，并且与底板1形成加压空间，压力室还包括透水石2，透水石2设置在试样3的上、下表面，为了克服高压实膨润土水化所产生的较大膨胀力，压力室通体采用耐磨性好和刚度大的不锈钢制成。底板1上设有注水通道，注水通道一端连接设置在底板1底部的环形水槽，另一端连接底板1侧壁的注水孔8。活塞7内设有排水通道，并分别连接活塞7底部的环形水槽和侧壁的排水/气孔11。

活塞7与试样环4的滑动面上设有密封圈10，试样环4分别与底板1、顶板5的接触面上设有密封圈10，底板1顶部设有环形水槽，如图2所示，活塞7侧壁设有2个排水/气孔11，并与活塞7底部相连通，如图4所示，活塞7底部设有环形水槽。

径向接缝控制组件18可实现试样3在试样环4中居中放置，径向接缝控制组件18呈薄壁圆筒状，其外径与测试空腔内径相同，壁厚与预设接缝宽度相同，精确控制径向接缝宽度。

注水控制组件采用gds压力/体积控制器17，通过不锈钢导管16与水盐转换组件15相连接，为了避免盐溶液腐蚀，水盐转换组件15采用聚四氟乙烯材料，并通过不锈钢导管16与底板1侧壁的注水孔8相连通，阀门14在试验开始前处于关闭状态。水盐转换组件15包括两个顶部连通的竖直孔，在两个竖直孔内分别设有测试用化学溶液和去离子水，两个竖直孔的剩余空心部分采用硅油填满，其中，装有化学溶液的竖直孔的底端还连接注水通道，装有去离子水的竖直孔的底端还连接注水压力控制器。

数字化量测组件包括多通道数据采集仪13以及与多通道数据采集仪13连接的轴向压力传感器12、径向压力传感器9和孔隙水压力传感器19，轴向压力传感器12的探头与活塞7上表面滚动接触，避免了轴向压力传感器12在安装过程中所需的水平面调平，径向压力传感器9和孔隙水压力传感器19分别设置在测量孔中，如图3所示。为了实现试样环4侧壁与各传感器完全接触，在试样环4侧壁上切割一定大小的平面，并在传感器与侧壁间放置密封圈10，以保证接触界面完全密封，多通道数据采集仪13上设有采集通道、调节按钮和显示屏，采集通道可通过数据线接收各传感器测量值，调节按钮可设定试验数据初始值、校对试验参数，显示屏可显示试验过程中的实时数据，为了自动保存试验数据，可在计算机上安装配套的数据采集软件，该软件可根据试验需要人为设定采集时间间隔和数据保存长度，还可以实时显示数据变化曲线。

解决方案具体操作步骤：

(1)试样压制：根据试样预设干密度和含水率，计算压制成直径为42.2mm，高度为15mm的圆饼状试样3所需散土质量；将粉末状土缓慢倒入压样环中，并搅拌均匀，随后缓慢导入压样杆；通过计算机控制万能压力机保持0.5kn/min的加压速率将土样均匀压实；为了尽量避免卸载过程中试样体积产生回弹，当压力机施加压力值增至42kn时保持试样在该级荷载下静置1个小时，随后缓慢卸载，并将试样3从压样环中缓慢推出。

(2)仪器安装：将底板1、顶板5密封槽内密封圈10安装就位；按照图1所示，将底板1、试样环4和顶板5顺次安装，并用螺栓6固定连接；依次将透水石2、滤纸放置在试样环4内；将径向接缝控制组件18自顶板5的中空结构缓慢导入试样环4内，并与滤纸相接触；将试样3小心置入径向接缝控制组件18，并与滤纸上表面相接触，随后缓慢取出径向接缝控制组件18；将滤纸和透水石2顺次放置在试样3上；将活塞7密封槽内密封圈10安装就位，并沿侧壁均匀涂抹凡士林以减小摩擦，随后将活塞7沿顶板5的中空结构导入试样环4内，并与上部透水石2完全接触；将轴压传感器12放置在活塞7上表面，并用螺栓6与顶板5固定连接；将轴压传感器12、径压传感器9、孔压传感器19分别与多通道数据采集仪13相连接；将多通道数据采集仪13与计算机联机，根据试验需要设置采集时间间隔和数据保存长度，随后将通道数据归零；将gds压力/体积控制器17用不锈钢导管16与水盐转换组件15相连通；采用不锈钢导管16将水盐转换组件15与底板1侧壁的注水孔8相连接；在水盐转换组件15左侧的竖直孔中缓慢倒入一定浓度的盐溶液，右侧竖直孔中倒入去离子水，2种溶液的液面高度均低于水盐转换组件15上部的水平孔底面，随后将水盐转换组件15剩余的空心部分填满硅油，以隔离2个竖直孔中的溶液；将gds压力/体积控制器17与计算机联机，根据试验需要设置采集时间间隔。

(3)开始试验：根据试验需要设定gds压力/体积控制器17的注水条件，打开阀门14，使水盐转换组件15左侧竖直孔中的盐溶液从注水孔8中入渗至压力室内，此时试样3吸水膨胀，由此导致各传感器随之变化，待各传感器读数48小时内基本无变化或者gds压力/体积控制器17的注水压力增至最大量程时，即停止试验。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。