CN107144469B - 模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪及方法，该装置具有由顶盖、圆筒和底座构成的压力室，在底座上固定安装圆柱状试件，在顶盖上穿设试件轴力施加装置，试件两端端分别连接出水管和用于提供劈裂水压力的第一进水管，压力室连接用于提供围压的第二进水管，第一进水管与钻孔试件的孔壁之间隔有不透水膜，在不透水膜上附着电阻丝，在圆筒布置声发射传感器。该方法包括试件制作、试验仪搭建、试件加载和破坏过程分析等步骤。本发明填补了突加高水头渗透液体的水力劈裂破坏试验装置与方法的空白，为更深一步研究水力劈裂的机理提供了试验条件。

Description

模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪及其试验方法，属于水工试验装置领域。

背景技术

岩体水力劈裂是岩体渗流—应力耦合研究的一个方面，是指岩体在水压作用下微裂纹的萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破坏等物理现象的统称，反应了渗透水压力对岩体结构作用的影响。1959年12月2日，法国Malpasset 拱坝在初次蓄水时即发生全坝溃决，这是典型的水力劈裂作用所造成的工程事故例子。人们开始认识到从基础理论和工程应用两方面研究水力劈裂作用的重要性。水力劈裂是许多岩体工程（水工建筑物、石油开采、矿井突水防治、核废料地下处置、地下污染物运移、地下干热岩体热能开发等）稳定性研究的理论基础，具有重要的理论和工程意义。

虽然很多人基于弹性力学，断裂力学，能量法等对水力劈裂的机理进行了一些研究，也得出了一些成果，但是由于水力劈裂过程是一个复杂的过程，它涉及到岩石力学、断裂力学、流体力学、渗流力学等学科，再加上地下的情况非常复杂,使得迄今人们对水力劈裂机理的认识仍然很不够,以致水力劈裂在工程应用方面还有很多问题亟待解决。

对于岩体水力劈裂研究而言，岩体劈裂的机制是一个核心问题。试验研究是岩体水力劈裂机制研究的一个有效、直观的方法。目前大多数人对水力劈裂的试验研究，一方面是基于稳定渗流工况，将水压逐级升高，使试件在稳定渗流下发生破坏，另一方面就直接忽略岩体的渗透性，将水的作用简化为面力，试验时在水的作用面上套一层膜，使试件在面力的作用下发生破坏。在工程实际中还有一种情况，比如在水库、大坝等大型水利工程运营期间，在高水头作用下，当其防渗结构受到的损伤累计到一定程度后，就会发生破裂，考虑到防渗结构后面的岩体是有一定渗透性的，此时高压水就突然以渗透液体的形式施加到岩体上，很可能导致岩体在高水头渗透性液体作用下发生水力劈裂，而此时的水力劈裂基本上是非稳定渗流情况下发生的，这就是所谓的突加高水头渗透液体的水力劈裂破坏，然而目前的试验装置还没有办法模拟这种工况，所以本发明专利基于这种背景，设计了一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，来填补这方面的空白，为更深一步研究水力劈裂的机理，提供试验上的条件。

发明内容

发明目的：针对现有水力劈裂试验装置不能模拟突加高水头渗透液体的水力劈裂破坏这一缺陷，本发明提供了一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪及其试验方法，为更深一步研究水力劈裂的机理，提供试验上的条件。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，具有由顶盖、圆筒和底座构成的压力室，所述底座上固定安装圆柱状试件，所述顶盖上穿设试件轴力施加装置，所述试件两端端分别连接出水管和用于提供劈裂水压力的第一进水管，所述压力室连接用于提供围压的第二进水管，所述第一进水管与钻孔试件的孔壁之间隔有不透水膜，所述不透水膜上附着电阻丝，所述圆筒布置有声发射传感器。

具体地，所述试件外部套设透水圆筒，渗透到水力劈裂试件边界上的水可以通过透水圆筒流到透水板内；透水圆筒外部套设橡胶套，来达到水密封性的效果。

具体地，在压力室底座上的第一凹槽内铺设第一止水橡胶和透水板，可以达到很好的止水效果，凹槽也为透水板的定位提供了便利；透水板上面放置不透水钢板，模拟水力劈裂试件下端的不透水边界条件；所述橡胶套的长度大于试件的长度，橡胶套的下端延伸至压力室底座上对应的凹槽内，在凹槽的外侧铺设第二止水橡胶，楔形钢环插于对应的凹槽内，可以达到很好的止水效果，同时也进一步固定了透水板的位置；不透水膜的顶端与试件之间安装有中空圆柱与顶块，所述第一进水管穿入中空圆柱中，所述橡胶套的上端延伸到顶块上，通过钢圈将橡胶套的上端压在对应的凹槽内，可以达到很好的止水效果。

具体地，所述电阻丝在不透水膜上等间距分布。电阻丝通过导线与外部的电源相连，导线可以附着在第一进水管上，与第一进水管一同连接至装置外部，当水力劈裂试件内的水压上升到足够大时，通过电源给附着在不透水膜上的电阻丝进行加热，将温度升高到不透水膜的熔点，使不透水膜融化，进而可以模拟试件在突加高水头渗透性液体情况下的水力劈裂。

具体地，所述声发射传感器的数量是四个，四个声发射传感器在圆筒上对称的分布，可更加准确地判定/监测水力劈裂的发生。

具体地，所述圆筒的材料为透明的高强玻璃，便于试验过程的观察；压力室顶盖和压力室底座上沿周边各有个螺栓孔，圆筒通过螺栓与压力室顶盖和压力室底座相连，圆筒与压力室顶盖和压力室底座之间放置密封垫，用来防止装置的漏水和漏气。

具体地，在压力室顶盖上设有出气孔，出气孔上有出气口阀门，在试验过程出气孔可用于放出装置内的气体；出水管位于压力室底座内，出水管上有安设有出水管阀门，出水管的一端接于透水板的底部，另一端接于量筒上方，试验时透过试件的液体经由出水管收集到量筒内；量筒放置在电子天平上，电子天平可自动实时采集数据，通过对采集到的数据进行分析可以判断水力劈裂发生时是处于稳定渗流阶段还是非稳定渗流阶段。

使用上述模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪的试验方法包括以下步骤：

步骤1，制作水力劈裂柱状试件，试件材料可以是岩石、混凝土或其他材料，内部钻孔；

步骤2，搭建试验仪，安装试件，并在钻孔内安装不透水膜，连接管路；

步骤3，试件加载：

3.1充气或充水施加围压；

3.2通过轴力钢棒施加轴压；

3.3通过第一进水管对水力劈裂试件内部施加水压；

3.4电阻丝通电加热融化不透水膜，然后关闭电源，模拟试件在突加高水头渗透性液体情况下的水力劈裂；

步骤4，通过声发射值突然增加判断发生水力劈裂，根据此时的电子天平读数，判断水力劈裂发生时是处于非稳定渗流阶段还是稳定渗流阶段；如何没有发生水力劈裂，则增加试件内水头值，重复试验；

步骤5，根据试验结果，分析突加高水头渗透性液体下水力劈裂的机理。

有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下显著的进步：

1.当水力劈裂试件内的水压上升到足够大时，通过电源给附着在不透水膜上的电阻丝进行加热，使不透水膜融化，进而可以模拟试件在突加高水头渗透性液体情况下的水力劈裂，来研究在突加高水头渗透性液体下水力劈裂的机理，在这方面填补了试验装置的空白。

2.本发明专利借助楔形钢环、钢圈与止水橡胶和橡胶套的有效配合，可以十分简单有效的达到很好的水密闭性效果，为水力劈裂试验的顺利进行提供了可能。

3.本发明专利通过电子天平实时记录渗出液体的质量，可以判断水力劈裂发生时是处于非稳定渗流阶段还是稳定渗流阶段，另外，当不对电阻丝进行加热，保持不透水膜完整时，就可以研究在面力作用下，试件发生水力劈裂的机理。

附图说明

图1是本发明实施例的模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪的结构示意图；

图2是图1中水力劈裂试件的局部放大图；

图3是图1中压力室顶盖和顶块的俯视图；

图4是顶块的局部放大图；

图5是楔形钢环的轴视图；

图中：1压力室顶盖、2圆筒、3压力室底座、4螺栓、5出气孔、6出水管、7第一进水管、8第二进水管、9出气口阀门、10出水管阀门、11第一控制阀门、12第二控制阀门、13量筒、14电子天平、15声发射传感器、16导线、17电源、18不透水钢板、19透水板、20第一止水橡胶、21楔形钢环、22第二止水橡胶、23透水圆筒、24橡胶套、25顶块、26钢圈、27中空圆柱、28不透水膜、29电阻丝、30轴力钢棒、31轴力垫板、32水力劈裂试件、33密封垫。

具体实施方式

本实施例的模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪如图1-5所示，该装置主要包括1压力室顶盖、2圆筒、3压力室底座、4螺栓、5出气孔、6出水管、7第一进水管、8第二进水管、9出气口阀门、10出水管阀门、11第一控制阀门、12第二控制阀门、13量筒、14电子天平、15声发射传感器、16导线、17电源、18不透水钢板、19透水板、20第一止水橡胶、21楔形钢环、22第二止水橡胶、23透水圆筒、24橡胶套、25顶块、26钢圈、27中空圆柱、28不透水膜、29电阻丝、30轴力钢棒、31轴力垫板、32水力劈裂试件、33密封垫；其中压力室顶盖1、圆筒2、压力室底座3构成了试验装置的压力室，圆筒2的材料为透明的高强玻璃，为了便于试验过程的观察；压力室顶盖1和压力室底座3上沿周边各有8个螺栓孔，圆筒2通过螺栓4与压力室顶盖1和压力室底座3相连，圆筒2与压力室顶盖1和压力室底座3之间放置密封垫33；出气孔5位于压力室顶盖1上；出水管6位于压力室底座3内，出水管6的一端接于透水板19的底部，另一端接于量筒13上方，试验时透过试件的液体经由出水管6收集到量筒13内；量筒14放置在电子天平上，电子天平14可自动实时采集数据，通过对采集到的数据进行分析，可以判断水力劈裂发生时是处于稳定渗流阶段还是非稳定渗流阶段。

第一进水管7的一端穿过顶块25内部，接于水力劈裂试件32的中空圆筒内，为水力劈裂试件32提高劈裂水压力，通过第二进水管8为压力室提供围压；透水板19位于压力室底座3上的一个对应的凹槽内，凹槽上铺设第一止水橡胶20，可以达到很好的止水效果，凹槽也为透水板19的定位提供了便利，所述透水板19的直径为240mm，厚为60mm，凹槽深度为10mm；透水板19上面放置不透水钢板18，模拟水力劈裂试件32下端的不透水边界条件，所述不透水钢板18厚度为7mm；水力劈裂试件32外部套设透水圆筒23，所述水力劈裂试件32的直径为240mm，高450mm，内部钻孔直径为40mm，高为300mm，透水圆筒23的内径为240mm，厚为7mm；透水圆筒23外部套设橡胶套24，橡胶套24的长度大于试件的长度，橡胶套24的下端延伸至压力室底座3上对应的凹槽内，在凹槽的外侧铺设第二止水橡胶22，所述凹槽深为25mm，楔形钢环21插于对应的凹槽内，可以达到很好的止水效果，同时也进一步固定了透水板19的位置；橡胶套24的上端延伸到顶块25上，通过钢圈26将橡胶套24的上端压在对应的凹槽内，可以达到很好的止水效果，所述顶块25厚50mm，。

不透水膜28位于水力劈裂试件32内部预先钻好的孔洞内，不透水膜28的上端延伸到中空圆柱27的上表面，将顶块25盖在中空圆柱27上，中空圆柱27的外径为42mm；不透水膜28上附着有等间距分布的电阻丝29，电阻丝29通过导线16与外部的电源17相连，导线可以附着在第一进水管7上，与第一进水管7一同连接至装置外部，优选的，不透水膜28可以选择强度适宜，熔点较低的土工膜。

上述模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪的试验方法包括以下步骤：

步骤1，试件的制作：制作水力劈裂试件32，试件材料可以是岩石、混凝土或其他材料，试件直径为240mm，高450mm，内部钻孔直径为40mm，高为300mm。

步骤2，试验前的准备：在对应的凹槽内铺设第一止水橡胶20，在其上放置透水板19和不透水钢板18，将水力劈裂试件32放在不透水钢板18上。将附着有电阻丝29的不透水膜28放在水力劈裂试件32内部的钻孔内，将中空圆柱27放在水力劈裂试件32上，然后将不透水膜28的上端延伸到中空圆柱27的上表面，将电阻丝29的导线与顶块25内预先埋设的导线连接起来，把顶块25放置在水力劈裂试件32上。将透水圆筒23套在水力劈裂试件32上，将橡胶套24套在透水圆筒23上，使橡胶套24的下延伸至下发对应的凹槽内，在凹槽内铺设第二止水橡胶22，然后将楔形钢环21插入凹槽，把橡胶套24的上端延伸到顶块25上，将钢圈26放入顶块25对应的凹槽内，通过钢圈26将橡胶套24的上端压在凹槽内。将轴力垫板31放在顶块25上，然后通过螺栓4将圆筒2与压力室顶盖1压力室底座3连接，连接时注意在接口处放置密封垫33，将4个声发射传感器15对称的分布在圆筒2上，用来监测水力劈裂的发生，将量筒13放在电子天平14上，打开声发射传感器15和电子天平14，准备试验。

步骤3，试样的加载：根据事先的计算，首先施加围压，可以过充气或充水，以充水为例，将第二进水管8接至供水系统，在刚开始的供水阶段，将出气孔5上的出气口阀门9打开，排除装置内气体，当气体排除完是再关闭阀门，围压施加好之后，再通过轴力钢棒30施加轴压。然后通过第一进水管7对水力劈裂试件32内部施加水压，直至达到预设值，通过电源17给附着在不透水膜上的电阻丝29进行加热，使不透水膜28融化，然后关闭电源，进而可以模拟试件在突加高水头渗透性液体情况下的水力劈裂。

步骤4，破坏过程分析：观察过程中水力劈裂试件32的声发射值，当发现声发射值突然增加表明发生水力劈裂，根据此时的电子天平读数，判断水力劈裂发生时是处于非稳定渗流阶段还是稳定渗流阶段，如何没有发生水力劈裂，可以增加试件内水头值，重复试验。根据试验结果，分析突加高水头渗透性液体下水力劈裂的机理。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，具有由顶盖、圆筒和底座构成的压力室，所述底座上固定安装圆柱状试件，所述顶盖上穿设试件轴力施加装置，其特征在于：所述试件两端分别连接出水管和用于提供劈裂水压力的第一进水管，所述压力室连接用于提供围压的第二进水管，所述试件内部预先钻好孔洞，所述第一进水管与所述试件的孔壁之间隔有不透水膜，所述不透水膜上附着电阻丝，所述圆筒布置有声发射传感器。

2.根据权利要求1所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：所述试件外部套设透水圆筒，透水圆筒外部套设橡胶套。

3.根据权利要求2所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：在压力室底座上的第一凹槽内依次铺设第一止水橡胶、透水板和不透水钢板，

所述橡胶套的下端延伸至压力室底座上的第二凹槽与楔形钢环之间。

4.根据权利要求2所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：所述不透水膜的顶端与试件之间安装有中空圆柱与顶块，所述第一进水管穿入中空圆柱中，所述橡胶套的上端延伸到顶块上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：所述电阻丝在不透水膜上等间距分布，电阻丝通过导线与外部的电源相连，所述声发射传感器的数量是四个，四个声发射传感器在圆筒上对称的分布。

6.根据权利要求1所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：所述圆筒的材料为透明的高强玻璃；压力室顶盖和压力室底座上沿周边设有法兰，所述顶盖及底座通过螺栓与密封垫安装在法兰上。

7.根据权利要求1所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪，其特征在于：在压力室顶盖上设有出气孔，出气孔上有出气口阀门；出水管上设有出水管阀门，出水管的一端接于透水板的底部，另一端接于量筒上方，量筒放置在电子天平上。

8.根据权利要求1所述的一种模拟突加高水头渗透性液体的水力劈裂试验仪的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，制作水力劈裂柱状试件，内部钻孔；

步骤2，搭建试验仪，安装试件，并在钻孔内安装不透水膜，连接管路；

步骤3，试件加载：

3.1充气或充水施加围压；

3.2通过轴力钢棒施加轴压；

3.3通过第一进水管对水力劈裂试件内部施加水压；

3.4电阻丝通电加热融化不透水膜，然后关闭电源，模拟试件在突加高水头渗透性液体情况下的水力劈裂；

步骤4，通过声发射值突然增加判断发生水力劈裂，根据此时的电子天平读数，判断水力劈裂发生时是处于非稳定渗流阶段还是稳定渗流阶段；如果没有发生水力劈裂，则增加试件内水头值，重复试验；

步骤5，根据试验结果，分析突加高水头渗透性液体下水力劈裂的机理。