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申请/专利权人：南京理工大学

摘要：本发明公开了一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置及方法，在研究裂隙岩体水力学性质时，假设岩体受外力，考虑岩体受力情况下，通过观察岩石渗透面的连通性、粗糙度以及水分渗透状态进行适当修正获得裂缝渗透率。该装置由水箱和裂隙试件夹紧连接构成渗流路径，利用阀门控制水流的流通，通过两个的水箱的高差来控制裂隙试件左右两侧的水头差，在裂隙中水流稳定后，在裂隙顶面施加单向围压，通过记录时间和量筒中水的重量的增量，计算得出裂隙试件在单向围压下的渗透率。本发明具有构造简单，装置透明易观测，易于调节水头和围压等优点。

主权项：1.一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：包括第一水阀2、第五水阀15、第二流入水箱5、第二流出水箱6、第一流入水箱7、第一流出水箱8、试件支座11、垫块12、电子秤16、量筒17、第四水阀9、第六水阀10、第七水阀14、两个直线导轨1、两组水箱支架3和两个压力计4；两组水箱支架3固定在地面上，第一流出水箱8固定在一组水箱支架3上，两个相互平行的直线导轨1固定在另一组水箱支架3上，第一流入水箱7固定在直线导轨1的滑块上，使得第一流入水箱7能够沿直线导轨1上下滑动，改变水头差；第一流入水箱7上设有第一水阀2、第四水阀9和第五水阀15，第四水阀9通过第一导管与第二流入水箱5相连，第一导管上设有一个压力计4，试件设置在试件支座11上，第二流入水箱5的一个侧壁上开有流液圆孔，第二流出水箱6的一个侧壁上开有流液圆孔，裂隙试件夹紧于第二流入水箱5和第二流出水箱6之间，裂隙试件两端分别抵住流液圆孔，第一流出水箱8上设有第六水阀10和第七水阀14，第七水阀14通过第二导管与第二流出水箱6相连，第二导管上设有一个压力计4，第六水阀10通过第三导管与量筒17相连，量筒17设置在电子秤16上，垫块12设置在裂隙试件顶面；还包括两个第二水阀13，第二流入水箱5和第二流出水箱6上分别设有第二水阀13，用于往其中灌满水，达到试验要求；利用透明防水胶将裂隙试件裸露在外的四个侧面进行密封。

全文数据：一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置及方法技术领域本发明属于裂隙岩体水力学领域，具体涉及一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置及方法。背景技术岩石是组成地壳结构基本物质，是经历了漫长地质史的大自然产物，天然岩石内部有许多微裂隙、节理、断层等结构上的缺陷。并且，在埋深很高的地底，岩石会承受复杂的围压，导致水在岩石裂缝中的渗透率会出现不同的变化情况，具有复杂性和特殊性。结构面是岩体中液体渗透的良好通道，严重时可以导致工程的失稳破坏。因此，岩石裂隙渗透规律始终是国际岩石力学界研究的热门课题。现有的测试单向围压下的岩石渗透率测试方法大部分都是在三轴系统上进行，但是现有的三轴系统仪器较大而不灵巧，操作较复杂。达西定律揭示了层流条件土体颗粒孔隙介质中渗流速度与水力梯度之间的线性关系，其表达式为：v＝ki。式中：v为渗流速度；k为介质渗透系数；i为水力梯度。影响土体渗透系数的主要因素有粒度成分、密实度无粘性土或孔隙比粘性土。在开挖出的地底岩石孔洞中填入土料，土料中的水分会裹胁土料中其他成分渗入周围岩体的裂缝中。这些裂缝由开挖时的机械操作产生的大量岩石裂缝以及自然存在于岩体中的裂缝组成。岩石中复杂的应力会对水分的渗流产生不可预测的影响，不加以防范可能会产生重大事故。光滑平行板裂隙模型认为裂隙由两片光滑、平直、无限长的平行板构成，由流体为不可压缩、黏性及水流为层流的假定，根据流体力学基本原理可以推导出平行板裂隙的水流公式Q＝γb3i12η，即立方定律，其中，γ·η分别为流体的重度和动力粘度，b为裂隙开度。此时，单一岩石裂隙的渗透系数可表示为k＝rb212η，影响其数值大小的裂隙几何形态参数主要是等效开度和粗糙度。发明内容本发明目的在于提供一种可施加单向围压的岩石渗透率测试方法及装置，在研究裂隙岩体水力学性质时，假设岩体受外力，考虑岩体受力情况下，通过观察岩石渗透面的连通性、粗糙度以及水分渗透状态进行适当修正获得裂缝渗透率。实现本发明目的的技术解决方案为：一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，包括第一水阀、第五水阀、第二流入水箱、第二流出水箱、第一流入水箱、第一流出水箱、试件支座、垫块、电子秤、量筒、第四水阀、第六水阀、第七水阀、两个直线导轨、两组水箱支架和两个压力计；两组水箱支架固定在地面上，第一流出水箱固定在一组水箱支架上，两个相互平行的直线导轨固定在另一组水箱支架上，第一流入水箱固定在直线导轨的滑块上，使得第一流入水箱能够沿直线导轨上下滑动，改变水头差；第一流入水箱上设有第一水阀、第四水阀和第五水阀，第四水阀通过第一导管与第二流入水箱相连，第一导管上设有一个压力计，试件设置在试件支座上，第二流入水箱的一个侧壁上开有流液圆孔，第二流出水箱的一个侧壁上开有流液圆孔，裂隙试件夹紧于第二流入水箱和第二流出水箱之间，裂隙试件两端分别抵住流液圆孔，第一流出水箱上设有第六水阀和第七水阀，第七水阀通过第二导管与第二流出水箱相连，第二导管上设有一个压力计，第六水阀通过第三导管与量筒相连，量筒设置在电子秤上，垫块设置在裂隙试件顶面。本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1构造简单；2用水箱可以调节水头差；3装置上装有阀门，实验操作易于调节；4装置透明，易于拆卸，容易进行观测；5施加围压装置易于操作；6可进行变水头试验，适用性广泛。附图说明图1为本发明的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置的结构示意图。图2为本发明的第二流入水箱第二流出水箱示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。本发明所述的一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置及方法，对裂隙试件进行压缩加载测试，用于收集一定时间内不同单向围压情况下量筒中增加的水量，进而计算得出岩石试件裂缝的渗透率。结合图1和图2，本发明所述的一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，包括第一水阀2、第五水阀15、第二流入水箱5、第二流出水箱6、第一流入水箱7、第一流出水箱8、试件支座11、垫块12、电子秤16、量筒17、第四水阀9、第六水阀10、第七水阀14、两个直线导轨1、两组水箱支架3和两个压力计4。两组水箱支架3固定在地面上，第一流出水箱8固定在一组水箱支架3上，两个相互平行的直线导轨1固定在另一组水箱支架3上，第一流入水箱7固定在直线导轨1的滑块上，使得第一流入水箱7能够沿直线导轨1上下滑动，改变水头差。第一流入水箱7上设有第一水阀2、第四水阀9和第五水阀15，第一水阀2和第六水阀10的作用是控制试验进行时的水头差稳定，第五水阀15的作用是持续往第一流入水箱7中灌水，保证其不会因水的流失而导致水头下降，第四水阀9通过第一导管与第二流入水箱5相连，第一导管上设有一个压力计4，试件设置在试件支座11上，第二流入水箱5的一个侧壁上开有流液圆孔，第二流出水箱6的一个侧壁上开有流液圆孔，裂隙试件夹紧于第二流入水箱5和第二流出水箱6之间，裂隙试件两端分别抵住流液圆孔，第一流出水箱8上设有第六水阀10和第七水阀14，第七水阀14通过第二导管与第二流出水箱6相连，第二导管上设有一个压力计4，第六水阀10通过第三导管与量筒17相连，量筒17设置在电子秤16上，垫块12设置在裂隙试件顶面。压力计4用于精确地观测裂隙试件两端的水头差。所述第二流入水箱5和第二流出水箱6结构相同，为长方体，其上的流液圆孔的直径为所夹紧的裂隙试件侧面的边长1.1-1.3倍，保证第二流入水箱5中的液体能够沿裂隙试件的裂隙完全流入第二流出水箱6，不发生漏液。所述第二流入水箱5和第二流出水箱6上设有流液圆孔的面的宽度大于裂隙试件顶面的宽度。所述第二流入水箱5和第二流出水箱6上分别设有第二水阀13，用于往其中灌满水，达到试验要求。所述裂隙试件含有裂隙的长方体标准岩石，裂隙沿水平面方向贯穿试件的中心轴线所在的平面。所述裂隙试件夹紧于第二流入水箱5和第二流出水箱6之间，可通过螺栓夹紧，也可通过物件抵住第二流入水箱5和第二流出水箱6外侧，达到夹紧密闭的作用。所述裂隙试件的尺寸范围为10cm×10cm×20cm。所述垫块12刚好压在裂隙试件顶面，与其顶面尺寸匹配，液压千斤顶作用在垫块12上，对其施加压力，通过垫块12传递压力使得裂隙试件均匀受力。所述可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置的试验方法，具体步骤如下：步骤1、制备含有裂隙的长方体标准岩石作为裂隙试件，所述裂隙沿水平面方向贯穿试件的中心轴线所在的平面。步骤2、将裂隙试件放置在试件支座11上，通过第二流入水箱5和第二流出水箱6设有流液圆孔的一侧将裂隙试件夹紧，并采用螺栓增加夹紧力。固定时，注意将裂隙试件的裂隙对准流液圆孔，保证第二流入水箱5中的液体能够沿裂隙试件的裂隙完全流入第二流出水箱6，不发生漏液。步骤3、利用透明防水胶将裂隙试件裸露在外的四个侧面进行密封，保证在试验进行时，水不会流到裂隙试件外，确保了试验的精确性。步骤4、关闭第四水阀9、第七水阀14，第一流入水箱7注水到与第一水阀2等高水平面，第一流出水箱8注水到与第六水阀10等高水平面。第二流入水箱5、第二流出水箱6不注水。将第一流入水箱7利用直线导轨升高，使得第一流入水箱7与第一流出水箱8中的水面产生水头差。步骤5、打开第二流入水箱5、第二流出水箱6的第二水阀13并将其注满水关闭，并且打开第四水阀9、第七水阀14，开始进行实验。第一流出水箱8的水管开始流出水后，再等待5-10分钟作为实验开始时间，并开始施加单向围压。在裂隙试件顶面设有一个与其顶面大小相同的垫块12，液压千斤顶通过垫块12对裂隙试件施加单向围压，第一流出水箱8导管连接量筒17，并且采用电子秤16进行测量收集到的水量，利用公式kf＝QfηLAΔP，式中kf为渗透率，单位为mm2；Qf为单位时间渗流量，mm2·s-1；η为动力粘度，单位为Mpa·s；L为试样高度，单位为mm；A为试样截面面积，单位为mm2；ΔP为试样两端渗透压力差，单位为Mpa；步骤7、进行不同围压下的试验，获得不同围压作用下的岩石渗透性能。综上所述，本发明可以同时考虑水头差和围压大小两种自变量，且该实验装置不仅可以用来做变单向围压渗透率试验，还可进行如变水头差等其它不同的岩石裂隙渗透率实验，适用性广泛，且实验数据收集简单且精确。

权利要求：1.一种可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：包括第一水阀2、第五水阀15、第二流入水箱5、第二流出水箱6、第一流入水箱7、第一流出水箱8、试件支座11、垫块12、电子秤16、量筒17、第四水阀9、第六水阀10、第七水阀14、两个直线导轨1、两组水箱支架3和两个压力计4；两组水箱支架3固定在地面上，第一流出水箱8固定在一组水箱支架3上，两个相互平行的直线导轨1固定在另一组水箱支架3上，第一流入水箱7固定在直线导轨1的滑块上，使得第一流入水箱7能够沿直线导轨1上下滑动，改变水头差；第一流入水箱7上设有第一水阀2、第四水阀9和第五水阀15，第四水阀9通过第一导管与第二流入水箱5相连，第一导管上设有一个压力计4，试件设置在试件支座11上，第二流入水箱5的一个侧壁上开有流液圆孔，第二流出水箱6的一个侧壁上开有流液圆孔，裂隙试件夹紧于第二流入水箱5和第二流出水箱6之间，裂隙试件两端分别抵住流液圆孔，第一流出水箱8上设有第六水阀10和第七水阀14，第七水阀14通过第二导管与第二流出水箱6相连，第二导管上设有一个压力计4，第六水阀10通过第三导管与量筒17相连，量筒17设置在电子秤16上，垫块12设置在裂隙试件顶面。2.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：第一水阀2和第六水阀10用于控制试验进行时的水头差稳定，第五水阀15用于持续往第一流入水箱7中灌水，保证其不会因水的流失而导致水头下降。3.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：压力计4用于精确地观测裂隙试件两端的水头差。4.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：所述第二流入水箱5和第二流出水箱6结构相同，均为长方体，其上的流液圆孔的直径为所夹紧的裂隙试件侧面的边长1.1-1.3倍，保证第二流入水箱5中的液体能够沿裂隙试件的裂隙完全流入第二流出水箱6，不发生漏液。5.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：所述第二流入水箱5和第二流出水箱6上设有流液圆孔的面的宽度大于裂隙试件顶面的宽度。6.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：还包括两个第二水阀13，第二流入水箱5和第二流出水箱6上分别设有第二水阀13，用于往其中灌满水，达到试验要求。7.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：所述裂隙试件含有裂隙的长方体标准岩石，裂隙沿水平面方向贯穿试件的中心轴线所在的平面。8.根据权利要求1所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置，其特征在于：所述垫块12刚好压在裂隙试件顶面，与其顶面尺寸匹配，液压千斤顶作用在垫块12上，对其施加压力。9.一种基于上述权利要求1-8中任意一项所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、制备含有裂隙的长方体标准岩石作为裂隙试件，所述裂隙沿水平面方向贯穿试件的中心轴线所在的平面；步骤2、将裂隙试件放置在试件支座11上，通过第二流入水箱5和第二流出水箱6设有流液圆孔的一侧将裂隙试件夹紧，并采用螺栓增加夹紧力；步骤3、利用透明防水胶将裂隙试件裸露在外的四个侧面进行密封，保证在试验进行时，水不会流到裂隙试件外，确保了试验的精确性；步骤4、关闭第四水阀9和第七水阀14，第一流入水箱7注水到与第一水阀2等高水平面，第一流出水箱8注水到与第六水阀10等高水平面；第二流入水箱5、第二流出水箱6不注水；将第一流入水箱7利用直线导轨升高，使得第一流入水箱7与第一流出水箱8中的水面产生水头差；步骤5、打开第二流入水箱5、第二流出水箱6的第二水阀13并将其注满水关闭，并且打开第四水阀9、第七水阀14，开始进行实验，第一流出水箱8的水管开始流出水后，再等待5-10分钟作为实验开始时间，并开始施加单向围压，在裂隙试件顶面设有一个与其顶面大小相同的垫块12，液压千斤顶通过垫块12对裂隙试件施加单向围压，第一流出水箱8导管连接量筒17，并且采用电子秤16进行测量收集到的水量，利用公式kf＝QfrLAΔP，式中kf为渗透率，单位为mm2；Qf为单位时间渗流量，mm2·s-1；η为动力粘度，单位为Mpa·s；L为试样高度，单位为mm；A为试样截面面积，单位为mm2；ΔP为试样两端渗透压力差，单位为Mpa；步骤7、进行不同围压下的试验，获得不同围压作用下的岩石渗透性能。10.根据权利要求9所述的可施加单向围压的岩石裂隙渗透率测试装置的试验方法，其特征在于：步骤2中，固定时，注意将裂隙试件的裂隙对准流液圆孔，保证第二流入水箱5中的液体能够沿裂隙试件的裂隙完全流入第二流出水箱6，不发生漏液。

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