[发明专利]一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法

说明书

一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法，装置包括夹持机构、法向加载机构及水力加载系统；夹持机构用于密封试样；法向加载机构用于向试样施加法向压力；水力加载系统用于向试样施加水力压力。方法为：拼合试样并密封粗糙裂隙；试样放入密封胶囊中并使裂隙与胶囊进出水口直线对齐；垫块放入胶囊与试样贴合，胶封垫块与胶囊间缝隙，围压密封腔加压，试样实现多重密封；将密封有试样的夹持机构送入法向加载机构内；将水力加载系统接入胶囊进出水口；气缸施加法向压力，水泵施加水力压力，使试样上半部上下浮动，测量浮动量和裂隙张开度；记录和存储实验数据，用于研究不同粗糙度和张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下的渗流特性。

技术领域

本发明属于裂隙岩体渗流和矿山岩体水力学技术领域，特别是涉及一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法。

背景技术

在地质环境中，岩体的粗糙裂隙与地下水的相互作用和相互影响，改变和影响着地质环境的状态，地下水与岩体粗糙裂隙之间发生力学方面的相互作用，也不断地改善着作用在双方的力学状态和力学特征。岩体内部裂隙纵横交错且相互联接，形成了一个广泛而复杂的裂隙网络系统。裂隙的研究对地下水流运动、石油开采、煤层气开采、水利工程以及地下空间工程都具有重要的意义。单一裂隙是构成裂隙的基本单元，裂隙的张开度、粗糙起伏程度等几何参数是影响裂隙内流体流动的主要因素。

目前，基于光滑平行理论的单一裂隙渗流立方定律已广泛应用于岩体裂隙的渗流分析。由于天然岩体裂隙面的粗糙性及不规则性，很难满足岩体平行板模型光滑裂隙的假定，导致计算结果存在较大的误差。在目前的相关研究中，有关仿真模拟计算真实裂隙粗糙度对渗流的影响试验均存在一定的局限性，仅能反映某种特定粗糙度的裂隙，或者是随机生成的裂隙模型，这些计算结果难以完全反映裂隙的水力特性。因此，研制一套能真实反映实际情况的试验系统，使得试验结果更接近工程实际，同时使得计算结果的精确度和准确性更符合实际情况。

现阶段，很少有人在试验中通过直接测量粗糙裂隙的张开度的大小来分析不同粗糙度裂隙对渗流的影响。以往的研究主要侧重于将裂隙的张开度认为等效水力隙宽，或者根据经验公式推算得到裂隙张开度的大小。国外学者Barton等许多学者基于大量的试验成果得出了等效水力隙宽和机械隙宽的关系，通过这个关系确定裂隙的张开度，然后在研究不同粗糙度裂隙对渗流的影响。国外学者Lomize、Louis、Barton、速宝玉等基于大量试验研究及统计分析，得出了修正的立方定律经验公式，并用于计算粗糙裂隙渗流规律。国内学者贺玉龙等人的不同节理粗糙度系数单裂隙渗流试验，得出了不同JRC裂隙渗透率与有效应力之间的关系。国内学者许光祥等利用加工的钢板来模拟单裂隙，模拟了几种粗糙面呈规则形状或非规则形状、以及上下两个粗糙面是否吻合的情况的粗糙面，采用平均隙宽代替水力隙宽，提出可以采用超立方和次立方定律总结以往的粗糙裂隙试验成果，并初步提出了临界判别的定性标准。国内学者张柬等选用含天然裂隙的岩体，将不同隙宽、不同粗糙度的裂隙岩块加工成规则的尺寸，利用激光扫描仪对裂隙面进行扫描，根据扫描数据计算隙宽，然后利用特定的装置对所选岩体进行试验，发现粗糙裂隙的渗流试验很难得出单宽渗流流量与平均隙宽的线性关系，试验结果表明单宽流量与平均隙宽存在着次立方和超立方两种情况，平均隙宽的幂指数随裂隙面粗糙程度的增大而增大。国内学者刘日成等利用普通的透明玻璃代替完整岩体，玻璃之间的间距代表裂隙张开度，组成三维平板模型，通过试验模型装置研究了三维交叉裂隙的非线性渗流特性，计算了三维模型宽度对计算结果的影响，随着模型宽度的增大，在相同水压力下裂隙内流体的雷诺数也随着增大，但增大的趋势逐渐变缓，并趋于稳定。

尽管人们已经认识到不同粗糙度的裂隙岩体对岩体渗流特性影响的重要性，但是相关的研究较少，主要是实验过程中粗糙裂隙的粗糙度和张开度等几何参数测定困难，具有局部性，难以全面测量评价对岩体渗流的影响。

目前，粗糙裂隙岩体在法向压力和水力压力的作用下，能够准确的测量到裂隙的张开度大小和数值化裂隙的粗糙度系数还鲜有文献报道，更没有相关的试验装置和试验方法。

发明内容