裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及深部岩体渗透试验领域，特别是涉及一种满足高应力、高水压、温度、水化学等复杂条件下裂隙岩石的渗透试验装置及渗透试验方法。
【背景技术】
[0002]水电工程、核废料深埋处置、非常规能源开采等工程都是建在复杂的深部岩石基础上，这些深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及水化学环境中，会发生极其复杂的温度-渗流-应力-化学(THMC)耦合作用。目前，对岩石THMC耦合作用的研宄主要处在理论研宄阶段。
[0003]已有法国TOP TNDUSTRIE公司生产的三轴流变实验系统，可加载围压、轴压和孔隙水压。武汉岩土力学研宄所研制一套应力-水流-化学耦合的力学试验系统，能够进行多项岩石力学细观试验，该试验系统主要用于在化学因素影响下的力学特性变化。
[0004]但是现有技术的渗透试验装置设计功能单调，设置实验条件比较少，无法进一步综合探讨多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性演化机制。而温度条件对于研宄岩土体的渗透性变化是很有大的意义的；温度条件在岩土体的存在环境中作为一个场的性质存在能够影响地下水渗流场、应力场、水化学反应，使得岩土体，特别是裂隙岩体时时处于多因素构成的动态平衡体系中。而温度、应力、化学、水流同时共同作用下的岩体，其特性会受到很大的影响，其中渗透率和岩石强度会发生很大的变化，而这项研宄又具有重要的工程价值。它们的研宄可应用于工程体修筑在不良地质灾害(包括涌水、岩爆和岩体失稳等)、研宄大型地下工程中地质灾害的预测预报和深层地下水开发等方面。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术的不足，提供了一种裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法，该试验装置精度较高，能够提供高应力、高水压、温度、化学等复杂试验环境，可用于研宄流固化热多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性演化机制。
[0006]本发明采用以下技术方案:
裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置，包括计算机伺服控制系统、围压室、液压系统、控温系统、化学溶液系统，液压系统和围压室之间分别通过围压装置、轴压装置和渗流装置连接，化学溶液系统和渗流装置相连；
化学溶液系统包括蓄水箱和溶液存放器；围压装置包括承压油缸；轴压装置包括轴向油缸，液压系统和围压室之间通过轴向油缸连接；渗流装置包括高压油水转换装置、低压油水转换装置、高压传感器、低压传感器和流量传感器；高压油水转换装置上设有高压传感器，低压油水转换装置上设有低压传感器，高压油水转换装置和低压油水转换装置均通过流量传感器连接到围压室；
围压室内部从上到下依次设有轴向立柱、上传力柱和下传力柱，围压室外部连接有冷却水箱和体变测量仪； 控温系统包括加温管、冷却管、加温控制器和制冷器，加温管和冷却管设在围压室内部，加温控制器和制冷器设在围压室外部，加温管和加温控制器连接，冷却管和制冷器连接。
[0007]作为优选，围压装置还包括二位三通阀、电液比例阀、二位四通阀、围压供油阀和围压放油阀，二位三通阀、电液比例阀、二位四通阀、承压油缸、围压供油阀和围压放油阀依次连接，围压放油阀和围压室连接，二位三通阀和液压系统连接。
[0008]作为优选，轴压装置还包括轴压下腔供油阀、轴压下腔放油阀、轴压上腔供油阀和轴压上腔放油阀，四者并联连接，且设在液压系统和轴向油缸之间。
[0009]作为优选，控温系统还包括温度传感器，温度传感器设在围压室内部。
[0010]作为优选，还包括压力室上板和承力柱，压力室底座和压力室上板之间通过承力柱连接，轴向立柱固定连接在压力室上板底部，压力室底座和压力室上板相互平行，压力室底座和承力柱相互垂直，所述的承力柱设有四根。
[0011]上述裂隙岩石的多场耦合渗透试验方法，包括以下步骤:
第一步，打开液压系统，为系统加载油源；
第二步，将试样放入围压室内，在试样上设置径向应变片，且将径向应变片连接到径向应变计；
第三步，加载围压，液压系统中的液压油通过承压油缸进入围压室；
第四步，加载轴压，向轴向油缸注油，试样通过轴向立柱、上传力柱和下传力柱产生轴压；
第五步，溶液存放器内的溶液通过高压油水转换装置或低压油水转换装置，增加油压使溶液流入围压室内，高压传感器、低压传感器、流量传感器测量记录数据；
第六步，蓄水箱内的水和溶液存放器内的溶液加载化学场；
第七步，加温控制器、制冷器分别通过加温管、冷却管控制围压室内的温度处于-30°c?150°C ；
第八步，渗出水体流出围压室进入冷却水箱进行数据测量，体变测量仪测量冷却水箱的水位变化值。
[0012]以上步骤中，计算机伺服控制系统分别控制围压装置、轴压装置和渗流装置的围压、轴压和渗透压。
[0013]本发明利用高精度的伺服控制台，同时输出四路压力，用以单独控制围压、轴压和渗透压，且能保证设定压力长期稳定不变，提高试验精度，可以对渗进水量及渗出水量进行准确计量，对围压的补充量、退出量进行精确计量。蓄水箱处设有升温装置，围压室外设置加温控制器和制冷器，可加热、制冷或保温，用于加载温度场，在渗水通道上并有化学溶液自配系统，用来加载化学场。本发明将渗出的高温水或蒸气经冷却水箱后变为低温水进行真实检测。
[0014]采用四柱式承力柱，增大轴向加载范围。
[0015]采用体变测量装置，对渗出水进行准确测量；采用径向应变计，对试样径向变形进行测量。
[0016]作为优选，围压室采用高强度合金钢制成。并且作了防水处理，可以扩大围压加载的上限。
[0017]作为优选，渗流装置上连接有真空泵，实现高压渗水。
[0018]作为优选，试样为Φ50*100、Φ 100*200的圆柱形岩石。
[0019]本发明可以采用全自动、半自动和手动三种控制模式，对轴压、围压、渗透压和轴向位移进行精确独立控制。
[0020]为了提高控制精度及系统的长期运行稳定对轴压、围压、渗透压的控制，本发明采用双闭环控制系统(该控制系统电机泵组可停机工作的节能设备)。
[0021]计算机伺服控制系统，采用模块化设计，程序编写灵活，可随时调整而不影响当前试验状态，而且可保证试验条件保持不变长达一年。
[0022]本发明具有以下有益效果:
(I)本发明的温度、渗流、应力、化学四场的加载系统相互独立，针对岩石(体)所赋存在的地应力条件，可真实模拟高水压、大水力梯度、温变、水化学复杂条件下裂隙岩石的渗透特性、力学特性演变试验研宄。
[0023](2)加温方式:舍弃对流动水的加温，未采用功耗极大而效果极差的管路加温方式，采用功耗较低效果极佳的对蓄水箱的水直接加温到使用温度，并对管路及压力室进行保温加温的加热方式，保证渗进水的真实温度。
[0024](3)压力室内真实温度测量，未采用常规做法在压力壁上钻孔进行间接测量，而将传感器直接放进压力室内进行测量。
【附图说明】
[0025]图1为裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置的原理示意图。
[0026]图2为液压系统的结构示意图。
[0027]图3为轴压加载系统和围压加载系统不意图。
[0028]图4为化学场加载系统和渗流场加载系统示意图。
[0029]图5为压力室及渗出水测量系统不意图。
[0030]图6为裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置的结构示意图。
[0031]图中，各数字代表含义如下:1、油箱；2、电动机油泵；3、油滤；4、单向阀；5、储能器；6、压力表；7、总泄压阀；8、溢流阀；9、二位三通阀；10、阀门堵头；11、电液比例阀；12、二位四通阀；13、承压油缸；14、围压供油阀；15、围压放油阀；16、第一传感器；17、围压进油孔；18、围压室；19、轴向油缸；20、轴压下腔供油阀；21、轴压下腔放油阀；22、轴压上腔供油阀；23、轴压上腔放油阀；24、压力室体；25、上传力柱；26、加温管；27、冷却管；28、试样；29、压力室底座；30、下传力柱；31、渗流入口 ；32、渗流出口 ；33、轴向立柱；34、围压室出气孔道；35、加温控制器；36、制冷器；37、温度传感器；38、冷却水箱；39、体变测量仪；40、手动调速阀；41、加热器；42、蓄水箱；43、压力变送器；44、智能电磁调节阀；45、流量传感器；46、溶液存放器；47、