破碎岩体渗流试验台设计

胡新逸

【摘 要】论文经过理论的推导，研制了一套可以模拟地底破碎岩石受水侵蚀的渗透试验系统，这套系统由数个独立的系统构成，实现两种方式渗透试验可以自由切换。

【Abstract】Through theoretical derivation， a permeation test system is developed， which can simulate the water erosion of broken rock under the earth. The system is composed of several independent systems， which can be freely switched between two ways.

【关键词】破碎岩石；渗流；质量流失；渗透性

【Keywords】fractured rock mass； seepage； mass loss； permeability

【中图分类号】TD421.61；TD402 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）03-0139-02

1 试验系统的设计目标

一个好的工程设计需要诸多方面的努力和细心，好的设计环境，好的理论依据，好的试验数据等等。而设计出好工程的前提必须要有明确的要求。只有良好而明确的设计要求才能创造出优质性能、便宜、技术含量高的渗流测试系统。

2 试验系统功能

本文设计的试验系统参考了杜峰[1]的实验，除了拥有基本的测试功能外，还要具有其渗流试验所不具备的功能。

2.1 施加载荷机构和位移测量功能

渗流试验的过程中需要对岩石样本进行轴向加载，而且轴向压缩量可以进行调节。此外，还需要向岩石样品两端施加一个轴向载荷平衡其内部压力。

2.2 压力控制

当时渗流仪进行试验时压力的波动会对试验造成很大的影响。因此在试验过程中，要保证岩石样品两端的压力恒定。

2.3 信号采集和数据处理

为了提高效率、减少用户的工作量、提高流量和压力的测量精度，本试验要配备高效采集器。

2.4 数据采集装置的采集实时性

试验过程中產生的数据要进行实时收集。

2.5 简便性

各项数据的收集简单方便；采集到的数据信号可以导入计算机中。

3 试验系统结构设计

自行设计的破碎岩体渗流试验系统（图1）主要由轴向加载机构、渗流仪、液压回路、数据采集与分析系统等组成。各个部分的配合关系融洽是系统实验的关键。

3.1 总设计方案

将试验系统各部分功能进行分解，设计出以下试验系统方案，见图1。

首先启动油泵P1，通过油泵P1向双作用液压缸AC2有杆腔注入液压油来驱动双作用液压缸AC2。水泵P2的作用有两个，一是向岩石样本下端注水提供稳定的压力，二是把水注到双作用液压缸的无杆腔。 在渗透仪中放置岩石样本。万能材料试验机具有可移动的横梁，利用这一功能可以调节横梁与底座之间的距离。将渗流仪放置于万能材料试验机上，底部由法兰固定。通过万能材料试验机向渗流仪施加轴向载荷，载荷通过溢水桶、透水板、渗透仪的底板、材料试验机的底座等传递，使破碎岩石样本发生压缩变形。破碎岩石样本的轴向压缩量由位移传感LC 将位移量转换为电信号，再由无纸记录仪实时显示和储存。当位移量达到预设值时，停止加载，实现岩石样本变形量恒定。将材料机的横梁缓慢地向上移动。使岩石样本卸载。打开截止阀 S3和 S4，关闭截止阀 S2，启动水泵 P2。水流进入到渗透仪。回路中溢流阀SV2 可以对岩石样本下端的压力进行控制，在该管路中设置了压力变送器PT来记录渗流仪内部岩石样本下端的压力。最后渗透仪上端由溢流桶流出的混合液体由托盘收集，经过水管收集到振动筛中，利用振动筛来进行分离收集细小颗粒。最后将收集到的颗粒进行烘干处理并用精密电子秤计量其质量。以上步骤完成后即实现了泵站式渗透。

打开S1、S2 、 S4关闭 S3，通过这样的方法形成单一流向，水泵 P2 直接向双作用液压缸 AC 无杆腔注水，活塞杆向上移动。注完水以后，关闭截止阀 S4，打开截止阀 S3，启动油泵 P1。由泵 P1 输出的液压油经过冷却器、截止阀 S1进入到双作用液压缸 AC有杆腔。双作用液压缸 AC 无杆腔的水经过截止阀 S2、S3 和流量计 FT 进入到渗透仪。溢流阀 SV1 控制双作用液压缸AC2 有杆腔的油压，通过这种设计间接地控制了岩石样本下端的压力，水压由压力变送器 PT2 与无纸记录仪组成的系统进行显示和记录。当水用完后，暂停试验，由水泵 P2 再次向液压缸注水，继续试验。

将无纸记录仪与计算机连接，这样就能够做到实时监测压力变送器PT1、PT2和流量计FT等三路信号，而且还能在试验结束后对数据进行处理，极大地缩短了试验的时间，方便了试验过程。

3.2 轴向加载及位移控制方案

试验开始后泵P2向岩样下端注射水压，由于岩石样本中的水压无法自行调节平衡，所以需要在岩石样本两端加载轴向载荷。为了研究孔隙度对渗透性的影响，试验也需要对岩石样本进行压缩。因此，我们设计的试验需要一个轴向加载机构。在刚度达到要求的情况下框架才能完成加载任务，如果框架的刚度不足的话，当水压波动时框架可能会发生弯曲，导致渗流仪内部岩石样本的试验数据变化，那么测得的数据也无法用来研究渗透性变化规律。基于学校有现成的材料试验机。我们选用学校实验室里的万能材料试验机作为承载结构，该材料试验机最大行程为700mm。且具有可调节距离的横梁，可以调整底座与横梁间的距离。由于破碎岩石样本在压缩过程中需要的最大载荷远小于材料机能提供的最大载荷，故无需对万能材料试验机进行刚度校核。

试验选用万能材料试验机来进行轴向加载，见图1。材料试验机固定渗透仪的同时由材料试验机提供动力，活塞位移由位移传感器LC测定。

3.3 渗流仪

密封是否得到保证是整个试验的核心。渗透仪内部的部件如图3-2。

水从底板进入开始渗流。经过透水板进入岩石样本中。然在试验的过程中溢水桶会向外面流出水和砂粒，水和砂粒流入到托盘里，从而从托盘的管嘴流出。为了便于细小颗粒和水的混合物流出收集，我们将托盘的底板设计成锥面。缸筒是渗流试验中最为重要的一环，也是实现渗透试验的基础。

4 液压系统的设计

液压缸注射器式回路由油泵、冷却器、压力表、双作用液压缸组成。双作用液压缸活塞有杆腔注入液压油无杆腔则注入水，油泵输送液压油到液压缸有杆腔，从而驱动活塞向下移动。在液压缸活塞的作用下，无杆腔的水通过管路被注射到渗透仪中。泵站式渗透较为简单由水泵、开关阀、流量传感器等组成。

5 信号采集与数据处理

我们在开关S3与渗流仪之间连接的管路中设置了流量传感器和压力变送器，在材料试验机上设置了位移传感器，位移传感器一端与溢流桶盖顶部相连，通过这种方式测量岩石的压缩量。此外在渗流仪缸筒的周侧还开有螺纹孔，用于安装压力变送器。数据线将流量传感器、压力变送器与无纸记录仪连接起来，无纸记录仪与个人计算机连接。个人计算机原则上由用户配置，如需生产单位配备，用户应提出技术性能指标。无纸记录仪安装箱可由配电箱改造而成，接线端子和无纸记录仪安装在改造的配电箱壁上，具体尺寸现场确定。各传感器与无纸记录仪之间的连线根据物资市场商品供货情况而定。

6 结语

在原有渗流实验基础上增设了一个双作用液压缸，将两个泵和液压缸联系起来。当液压缸内的水用完后可以通过水泵向内注水，继续试验达到增长试验的目的。针对设计的缸筒长度较短这一情况提出了一套初步的改进措施，可以加长渗透仪缸筒长度来加大加速因子。与之相应的必须要设计出一套新的加载机构。

【参考文献】

【1】杜锋.破碎岩体水沙两相渗透特性试验研究[D].徐州：中国矿业大学， 2013.