[发明专利]测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统

说明书

本申请属于岩土工程、地质工程技术领域，提供测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统。本系统包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置。试验过程中，首先对岩土体试样施加温度和三轴应力控制；利用气体注入装置向岩土体试样注入高压气体，高压气体经过渗透后进入出口缓冲容器和超低渗流量监测装置，获得气体渗透流量；变形监测装置可在试验过程中测量岩土体试样的局部绝对变形量。本申请提供的方案，其有益效果在于：实现了多场多相耦合条件下超低渗介质的气体渗透的全过程监测，能够获得气体渗透特性和宏观变形特性。

技术领域

本申请涉及一种在土木工程(岩土)及地质工程技术领域，用于测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统。

背景技术

高放射性核废物深地质处置是通过设置各种屏障，将废弃物封存在距地表以下500～1000m的合适岩体中，以阻止核素的泄漏与迁移。根据围岩的不同，处置库可分为单屏障库与双屏障库。其中，双屏障库选用坚硬岩层作为围岩，如美国尤卡山、日本的处置库，以及中国北山预选处置库等。双屏障库中，以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土是最适合的人工屏障缓冲/回填材料，它具备水力屏障、化学屏障和机械屏障等多重功能。

处置库建设与长期运营过程中，受围岩的约束与地下水的入侵影响，膨润土自身吸水膨胀，库内核废料产生衰变热，以及围岩内地下水化学成分与库内混凝土结构部分衰解产生高碱溶液等，都将影响高压实膨润土的缓冲/回填性能的发挥。此外，研究还发现，因废物罐金属壳体腐蚀、微生物降解、水辐解等作用将产生大量气体(氢气、甲烷、二氧化碳等)，并将在罐体周围压实膨润土及相关低渗屏障体中不断积聚，从而产生极高的气体压力。因此，在处置库的长期运营过程中，作为缓冲/回填材料的高压实膨润土将经历热(T)-水(H)-力(M)-化(C)-气(G)极其复杂的多场多相耦合作用过程。

针对多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗流试验，既有的试验装置主要包括三大类：恒体积渗透装置、恒定体积径向渗流试验仪、等向应力渗透装置。其中恒体积渗透装置和恒定体积径向渗流试验仪均是通过对出口端的流量进行监控，只能得到材料的宏观表征参数(渗透率)。对于等向应力渗透装置，借助柔性边界和围压控制系统，通过监测气体压力、流量等数据，可以定性分析渗透过程中气体渗流路径分布以及应力水平(等向应力状态)对气体渗透过程的影响。然而，这三类既有渗透装置都无法模拟试验中温度场、应力场等复杂条件对气体渗透的影响。因此，适用于研究热(T)-水(H)-力(M)耦合作用对多相渗流过程影响的试验装置亟待开发。

发明内容

本申请的目的在于：克服现有技术的不足，提供测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统，可广泛应用于核废料深地质处置、垃圾填埋、矿山尾矿处理、CO₂捕获与地质封存、空气压缩储能、页岩气开采等领域的气体渗透试验研究，快速、准确获得热(T)-水(H)-力(M)耦合条件下超低渗介质气体渗透参数，具有重要工程意义和实践价值。

为实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统，其特征在于，该试验系统包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置。