层状岩体横观各向同性渗透系数测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土工程中岩体各向同性渗透系数的测试技术。
【背景技术】
[0002] 层状岩体是指构造比较简单的沉积岩，岩层可以成水平或陡倾状，节理之间通常 平行或近似平行，岩层可以是固结的岩石，也可以是没有固结的堆积物，层状岩体的变形和 破坏特征主要受岩层组合和结构面的控制。自然界中的岩体具有层状结构的约占陆地面积 的2/3,在我国占到77.3%，层状岩体分布的广泛性导致在工程建设中会遇到大量的层状岩 体稳定问题，这些明显的层状结构，使层状岩体的力学特征极为复杂如何判断这些岩体的 稳定性，一直是岩石力学界研究的热点问题之一。
[0003] 节理作为岩层划分的界面，其反映出岩体在沉积过程中的间断性，虽然岩层中可 能包含横切的或不整合节理，但总体上节理是高度贯通的结构面，这些结构面一般由某一 岩层内的矿物组成，颗粒的粗细、胶结物的组成基本相同，并且呈现定向排列的特征，这些 定向排列的结构、构造、微裂纹等使层状岩体表现出横观各向同性的性质，这种性质也导致 层状岩体的渗透系数沿着节理方向和垂直节理方向呈现出不同的渗透性，并且将直接影响 工程的稳定性。
[0004] 地下工程开挖以后，由于应力调整会在围岩中产生损伤，这些损伤会导致围岩力 学和水力学特性发生变化，而这些变化能够被定量测试，例如水和气体的渗透性。但目前对 于层状岩体渗透系数的测试装置仍有沿用针对完整岩体的，无法反映出节理对于岩体渗透 性的影响，也就无法准确、客观地反映出岩体的损伤程度。
【发明内容】
[0005] 本发明首先要解决的技术问题是提供一种层状岩体横观各向同性渗透系数测试 装置，能够在同一装置上进行水平和垂直两个方向以及水和气体两种介质的渗透性测试， 完善了层状岩体各向同性特征的评价。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:层状岩体横观各向同性渗透系数 测试装置，包括用于存储液体的压力容器、用于存储惰性气体的气罐和用于放置层状岩体 试样的密闭测试容器，所述密闭测试容器的一侧设有进口通道，另一侧设有水平出口，所述 密闭测试容器的上下两侧设有垂直出口，所述垂直出口和所述水平出口均通过联通管道连 接至回收容器，所述进口通道处设有用于控制密闭测试容器的总进口启闭的第二控制开 关，所述第二控制开关的上游设有第一压力表，所述垂直出口处设有用于控制垂直出口启 闭的第一控制开关，所述水平出口处设有用于控制水平出口启闭的第三控制开关，所述回 收容器的入口处设有用于控制回收容器入口启闭的第四控制开关，所述第四控制开关的上 游设有第二压力表，所述压力容器的出口处设有用于控制压力容器出口启闭的第五控制开 关，所述压力容器上连接有第三压力表，所述气罐的出口处设有用于控制气罐出口启闭的 第六控制开关，所述气罐上连接有第四压力表。
[0007] 本发明还提供一种层状岩体横观各向同性渗透系数测试方法，所述方法应用上述 测试装置并包括以下步骤： (1) 将包含层状节理的岩体试样放入密闭测试容器中，保持节理方向与流体进口方向 垂直； (2) 进行垂直节理方向的气体渗透性测试； (3) 进行平行节理方向的气体渗透性测试； (4) 进行垂直节理方向的水渗透性测试； (5 )进行水平节理方向的水渗透性测试。
[0008] (6)根据步骤(2)-(4)的测试结果对层状岩体的渗透系数进行整体性评估。
[0009] 在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术 方案： 所述垂直方向的气体渗透性测试具体包括以下步骤： 3.1) 关闭第五控制开关，开启第六控制开关，控制渗透压力在0.1~0.5MPa; 3.2) 关闭第一控制开关，开启第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关，使得惰性 气体在密闭容器内沿垂直于岩体试样的节理方向上通过； 3.3) 通入一定时间的气体，并记录第一压力表和第二压力表的读数； 3.4) 根据式（1)计算垂直节理方向的层状岩体气体渗透系数；
(1) 式中K为惰性气体渗透系数，A为岩样横截面面积，L为岩样长度，分别为1号压力 表和2号压力表读数，Po为大气压力，为气体的粘度，Q〇为单位时间内的流量。
[0010] 所述水平节理方向的气体渗透性测试具体包括以下步骤： 4.1) 关闭第五控制开关，开启第六控制开关，控制渗透压力在0.1~0.5MPa; 4.2) 关闭第三控制开关，开启第一控制开关、第二控制开关和第四控制开关，使得惰性 气体在密闭容器内沿岩体试样的节理方向上通过，并从岩体两侧的出口渗出； 4.3) 通入一定时间的气体，并记录第一压力表和第二压力表的读数； 4.4) 根据式(1)计算水平节理方向的层状岩体气体渗透系数。
[0011] 所述垂直节理方向的水渗透性测试具体包括以下步骤： 5.1) 关闭第六控制开关，开启第五控制开关，控制渗透压力在0.1~0.5MPa; 5.2) 关闭第一控制开关，开启第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关，使得水在 密闭容器内沿垂直于岩体试样的节理方向上通过； 5.3) 通入一定时间的水，并记录第一压力表和第二压力表的读数； 5.4) 根据式(1)计算垂直节理方向的层状岩体水渗透系数。
[0012] 所述水平节理方向的水渗透性测试具体包括以下步骤： 6.1) 关闭第六控制开关，开启第五控制开关，控制渗透压力在0.1~0.5MPa; 6.2) 关闭第三控制开关，开启第一控制开关、第二控制开关和第四控制开关，使得水在 密闭容器内沿岩体试样的节理方向上通过，并从岩体两侧的出口渗出； 6.3) 通入一定时间的水，并记录第一压力表和第二压力表的读数； 6.4) 根据式(1)计算水平节理方向的层状岩体水渗透系数。
[0013] 所述整体性评估步骤包括根据气体渗透性测试和水渗透性测试两种测试方法的 前后顺序，将这两项测试时间衔接在一起，作为横坐标，而纵坐标为根据专利要求3、4、5、6 计算获得的气体和水渗透系数，分别建立垂直和水平渗透系数与时间的对应关系，最终渗 透系数都将会稳定在一固定数值，将此数值作为该方向的最后渗透系数。
[0014] 本发明的有益效果是:本发明提供了一种层状岩体横观各向同性损伤程度测试装 置和方法，针对层状岩体的发育特征，设置了专门的控制阀门，能够控制水和气体的渗透方 向，分别测试出垂直和水平方向的渗透系数，并且能够在同一装置上实现水和气体的渗透 性测试;本发明通过合理的开关设计控制气体或者液体的流动方向，得到垂直节理和平行 节理两个方向的渗透系数，实现了横观各向同性岩体渗透性的准确测试，较传统测试方法 能够更加准确地反映出横观各向同性岩体的渗透特征，同时该装置技术门槛低，操作简单， 工作流程清晰，便于工地使用。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的测试装置的整体结构图。
[0016] 图2是垂直节理方向的渗透系数测试示意图。
[0017]图3是水平节理方向的渗透系数测试示意图。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1，层状岩体横观各向同性渗透系数测试装置，参照附图1。
[0019] 本发明的层状岩体横观各向同性渗透系数测试装置包括包括用于存储液体的压 力容器1、用于存储惰性气体的气罐2和用于放置层状岩体试样的密闭测试容器3,压力容器 1内存储水，气罐2内装有氮气，密闭测试容器3的一侧设有进口通道4，进口通道4通过联通 管道分别与压力容器1和气罐2连接，密闭测试容器3的另一侧设有水平出口 5,密闭测试容 器的上下两侧设有垂直出口 6,两个垂直出口 6和水平出口 5均通过联通管道连接至回收容 器7,进口通道4处设有用于控制密闭测试容器的总进口启闭的第二控制开关8,第二控制开 关8的上游设有第一压力表9,两个垂直出口6处各自设有用于控制该垂直出口启闭的第一 控制开关10，水平出口 5处设有用于控制水平出口启闭的第三控制开关11，回收容器7的入 口处设有用于控制回收容器入口启闭的第四控制开关12,第四控制开关12的上游设有第二 压力表13,压力容器1的出口处设有用于控制压力容器出口启闭的第五控制开关14,压力容