围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法

摘要

本发明公开围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法，涉及围岩裂隙研究技术领域，包括压力/体积控制器、纯水/溶液转换器、试验岩心、加压结构和回收结构；缓冲材料试样设于试验岩心内，试验岩心设于加压结构内，纯水/溶液转换器一端与压力/体积控制器连通，纯水/溶液转换器另一端与试验岩心的一端连通，回收结构用于回收试验岩心流出的溶液。使用花岗岩岩心加工成中空腔体，压实膨润土在腔体内被限制膨胀。裂隙可用完整岩心切割出人工裂隙，或选取带天然裂隙岩心加工出容纳膨润土样品的腔体。使用地下水或特定试验溶液在试验体系内流动，研究花岗岩裂隙水作用下钠基膨润土的膨胀封堵性能及抗侵蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及围岩裂隙研究技术领域，特别是涉及围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法。

背景技术

作为高放废物地质处置库的重要组成部分，缓冲材料膨润土的重要作用之一是封堵围岩裂隙。然而，膨胀挤入围岩裂隙的膨润土因裂隙侧壁摩擦力的影响，其密度随着挤入距离的增大而减小，并与裂隙中的地下水相互作用形成更为松散的膨润土凝胶体，甚至出现游离态膨润土胶体颗粒。当地下水流的剪切力超过膨润土凝胶体/胶体颗粒的抗侵蚀能力时，膨润土颗粒就会被地下水带走而随之沿围岩裂隙泄露。

使用真实花岗岩裂隙重现缓冲材料封堵裂隙及随后的侵蚀过程无疑最能够反映废物处置单元内缓冲材料-围岩相互作用的实际情况，但限于岩石裂隙本身的复杂性以及样品加工、试验装置设计研发的难度，此类试验少见报道。而使用大尺度岩块进行试验能够较容易使用光学手段测定裂隙形貌，样品及装置加工难度较小型裂隙相对低，但实现水流的封堵及精确测量困难较大。因此，需要对试验条件作一定妥协，使用尽可能简单的技术手段模拟处置库围岩裂隙水对缓冲材料的侵蚀，同时又能够尽可能真实的还原现场实际的边界条件，使得室内试验的结果准确可靠，为现场大型试验的设计以及缓冲材料的选材等提供科学的依据。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法，通过在完整岩石中人工切割出已知开度的裂隙，或选用带天然裂隙的岩心，研究裂隙水作用下膨润土的膨胀封堵裂隙的性能及抗侵蚀性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置，包括压力/体积控制器、纯水/溶液转换器、试验岩心、加压结构和回收结构；缓冲材料试样设置于所述试验岩心内，所述试验岩心设置于所述加压结构内，所述纯水/溶液转换器一端与所述压力/体积控制器相连通，所述纯水/溶液转换器另一端与所述试验岩心的一端相连通，所述回收结构用于回收所述试验岩心另一端流出的溶液。

可选的，所述试验岩心包括岩石、堵块、透水垫块和密封套；所述岩石内部一端设置有已知开度的裂隙，所述岩石内部另一端设置有中空腔体，所述裂隙与所述中空腔体相连通，所述缓冲材料试样设置于所述中空腔体内，所述堵块设置于所述中空腔体远离所述裂隙的一端；所述岩石两端分别设置有一所述透水垫块，所述密封套设置于所述岩石外部；所述纯水/溶液转换器一端与靠近所述堵块一侧的所述透水垫块相连通；所述回收结构与靠近所述裂隙一侧的所述透水垫块相连通。

可选的，所述加压结构包括密封壳体、供气机构、左底座和右底座；所述左底座设置于所述密封壳体内部的左侧壁上，所述右底座通过螺栓与所述左底座相连接；所述试验岩心设置于所述左底座与所述右底座之间；所述供气机构与所述密封壳体内部相连通。

可选的，所述密封壳体上设置有气压表。

可选的，所述密封壳体上设置有安全阀。

可选的，所述供气机构包括氮气瓶。

可选的，所述缓冲材料试样为钠基膨润土块，其含水量为15％，密度为1.6g/cm

可选的，所述回收结构包括集液瓶。

可选的，所述纯水/溶液转换器包括顶盖、底座、水仓和隔水膜；所述水仓设置于所述顶盖与所述底座之间，所述隔水膜设置于所述水仓中部，所述顶盖上设置有排气孔和出水孔，所述底座上设置有进水孔，所述进水孔与所述压力/体积控制器相连通，所述出水孔与所述试验岩心相连通。

本发明还公开一种上述的围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的方法，主要包括以下步骤：

第一步，选取有明显沿长度方向贯通裂隙的花岗岩岩心，截取10cm，从一端钻孔，孔直径3cm，深度6.5cm；或，选取完整岩心，截取10cm，在中部钻出φ3cm×6.5cm的中空腔体，随后沿长度方向切割成相同的两部分；

第二步，使用三维激光扫描仪获取天然/人工裂隙表面形貌；

第三步，称取含水率15％的钠基膨润土粉末，在压力机上用特制压实模具制备φ3cm×3cm圆柱形膨润土块，干密度1.6g/cm

第四步，打开密封壳体，将密封套套在岩心外表面，使用扎带将密封套两端固定在左底座和右底座顶端；左底座和右底座用不锈钢螺栓固定在试验腔体上；组装密封壳体并密封；

第五步，连接供气机构与密封壳体，充气检查连接管路及密封壳体的气密封，如发现漏气要及时处理；将密封壳体内部气压加至不小于4000kPa,使密封套紧贴岩石外表面；

第六步，打开纯水/溶液转换器的排气孔，使用蠕动泵或注射器将试验溶液经由出水孔注入上部水仓，直至试验溶液溢出排气孔，关闭排气孔；

第七步，操作压力/体积控制器吸满纯水，连接压力/体积控制器、纯水溶液转换器、加压机构，连接加压机构与回收机构；

第八步，使用压力/体积控制器经由纯水/溶液转换器的出水孔将试验溶液压入试验岩心，水流速度的范围为0.01～1mL/min；试验过程中持续记录水压变化；

第九步，每24h更换一次集液瓶；收集的侵蚀液震荡均匀后测定浊度、电导率、pH值后在105℃下烘干至恒重；

第十步，当72小时内测定的侵蚀液浊度均小于0.1NTU时认为试验已达到平衡，结束进液；降低密封壳体内的气压至大气压力，打开密封壳体；

第十一步，打开岩心测量膨润土挤入裂隙的深度，并再次扫描裂隙表面形貌，与试验前进行对比；

第十二步，分析水流速度、水压力、裂隙形貌与膨润土挤入裂隙距离、侵蚀量的关系，掌握钠基膨润土在花岗岩裂隙水侵蚀条件下的封堵及抗侵蚀性能参数。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法，使用带天然裂隙的岩石，或完整岩石加工裂隙，将圆柱形膨润土样品限制在岩石样品内部，尽可能真实反映了实际处置坑内的结构，是一个缩微的处置坑结构，并能够模拟有贯通裂隙水流的情况下膨润土膨胀封堵裂隙及侵蚀的情形；将膨润土样品及岩石整体放入加压机构内并施加较高气压，使得试验溶液仅能够沿裂隙流动从而将膨润土封堵裂隙及侵蚀相关参数与裂隙表面参数联系起来，解决了此类试验中无法直接研究这两组变量相互关系的根本问题；同时，根据大量的试验提出了加压机构中的气压值，使得裂隙的表面参数不因膨润土膨胀力的影响而改变，做到了试验参数的精确控制；使用压力/体积控制器为试验提供水流的同时，能够记录试验系统内水压力的变化，可以将水压力变化与膨润土进入裂隙的相关信息联系起来；创造性地应用了纯水/溶液转化器，极大拓展了试验溶液的种类，可以研究酸、碱等腐蚀性溶液，及高盐度、含重金属、含放射性物质等的特殊溶液对于膨润土侵蚀的影响；根据大量试验结果，提出了试验平衡的定量化条件。综上，本发明中的围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置及方法，使用简单易操作的技术手段模拟处置库围岩裂隙水对缓冲材料的侵蚀，同时又能够尽可能真实的还原现场实际的边界条件，使得试验的结果准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置的结构示意图；

图2为本发明围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置的使用状态结构示意图。

附图标记说明：1、压力/体积控制器；2、纯水/溶液转换器；3、氮气瓶；4、集液瓶；5、透水垫块；6、膨润土块；7、密封套；8、气压表；9、左底座；10、右底座；11、安全阀；12、裂隙；13、岩石；14、堵块；21、紧固螺丝；22、排气孔；23、顶盖；24、出水孔；25、上部水仓；26、隔水膜；27、下部水仓；28、底座；29、进水孔；210、支撑座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1和2所示，本实施例提供围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置，包括压力/体积控制器1、纯水/溶液转换器2、试验岩心、加压结构和回收结构；缓冲材料试样设置于所述试验岩心内，所述试验岩心设置于所述加压结构内，所述纯水/溶液转换器2一端与所述压力/体积控制器1相连通，所述纯水/溶液转换器2另一端与所述试验岩心的一端相连通，所述回收结构用于回收所述试验岩心另一端流出的溶液。

于本具体实施例中，所述试验岩心包括岩石13、堵块14、透水垫块5和密封套7；所述岩石13内部一端设置有已知开度的裂隙12，所述岩石13内部另一端设置有中空腔体，所述裂隙12与所述中空腔体相连通，所述缓冲材料试样设置于所述中空腔体内，所述堵块14设置于所述中空腔体远离所述裂隙12的一端；所述岩石13两端分别设置有一所述透水垫块5，所述密封套7设置于所述岩石13外部；所述纯水/溶液转换器2一端与靠近所述堵块14一侧的所述透水垫块5相连通；所述回收结构与靠近所述裂隙12一侧的所述透水垫块5相连通。透水垫块5为多孔不锈钢板。

所述加压结构包括密封壳体、供气机构、左底座9和右底座10；所述左底座9设置于所述密封壳体内部的左侧壁上，所述右底座10通过螺栓与所述左底座9相连接；所述试验岩心设置于所述左底座9与所述右底座10之间；所述供气机构与所述密封壳体内部相连通。

所述密封壳体上设置有气压表8。所述密封壳体上设置有安全阀11。

所述供气机构包括氮气瓶3。氮气瓶3为试验腔体内部提供不低于4000kPa的压力并在试验过程中一直保持。其作用是保证花岗岩外表面包裹的密封套7紧贴在花岗岩外表面上，使得试验时泵入的液体无法沿花岗岩表面流动，而是全部沿裂隙12流动，这样才能研究液体的性质，如流速、流量、化学成分等与侵蚀的关系。选取不低于4000kPa的气压，即保证试验选取的密度条件下的压实膨润土样品接触水后产生的膨胀力不足以撑开花岗岩裂隙12而改变裂隙12参数。气压值可通过氮气瓶3上的阀门和压力表手动调节，也可接自动气压调节装置。因压力较大，密封壳体上安装了气压表8和安全阀11。该气压表8上示值与氮气瓶3上气压表8对比，评估系统是否有漏气；而安全阀11则在系统压力大于设定值时自动泄气。供气机构可使用液压泵泵入水压或油压代替。

所述缓冲材料试样为钠基膨润土块6，其含水量为15％，密度为1.6g/cm

所述回收结构包括集液瓶4。

所述纯水/溶液转换器2包括顶盖23、底座28、水仓和隔水膜26；所述水仓设置于所述顶盖23与所述底座28之间，所述隔水膜26设置于所述水仓中部，所述顶盖23上设置有排气孔22和出水孔24，所述底座28上设置有进水孔29，所述进水孔29与所述压力/体积控制器1相连通，所述出水孔24与所述试验岩心相连通。压力/体积控制器1能够精确控制泵入液体的流量，并自动记录其压力。因是精密仪器，一般需使用蒸馏水，避免水中颗粒物或其他杂质沉淀影响其精度。在使用酸性、碱性或高盐度液体作为试验介质时，需要使用纯水/溶液转换器。

纯水/溶液转换器配合压力/体积控制器1使用，为试验腔体提供进液来源。隔水膜26是耐酸、碱的特氟龙材料制成的柔性隔膜。隔膜将两种液体分开，一种是来自压力/体积控制器1的纯水(蒸馏水/去离子水)，一种是试验用溶液。当压力/体积控制器1以一定流量泵水时，隔膜变形推动试验用溶液进入试验腔体。其实质是对压力/体积控制器1的一种保护装置，可以推广用于多种溶液条件下(除酸、碱、盐之外，含重金属离子、放射性物质等污染水)的土工试验。

实施例二：

本实施例公开一种实施例一中的围岩裂隙水对缓冲材料侵蚀过程影响研究的装置的方法，主要包括以下步骤：

第一步，选取有明显沿长度方向贯通裂隙的花岗岩岩心，截取10cm，从一端钻孔，孔直径3cm，深度6.5cm；或，选取完整岩心，截取10cm，在中部钻出φ3cm×6.5cm的中空腔体，随后沿长度方向切割成相同的两部分，后续步骤中加水后水流无法沿着岩石外表面流动而全部经由裂隙流动，同时膨润土块6接触水后产生的膨胀力由于远小于外部气压而不改变裂隙的开度；

第二步，使用三维激光扫描仪获取天然/人工裂隙表面形貌；

第三步，称取含水率15％的钠基膨润土粉末，在压力机上用特制压实模具制备φ3cm×3cm圆柱形膨润土块6，干密度1.6g/cm

第四步，打开密封壳体，将密封套7套在岩心外表面，使用扎带将密封套7两端固定在左底座9和右底座10顶端；左底座9和右底座10用不锈钢螺栓固定在试验腔体上；组装密封壳体并密封；

第五步，连接供气机构与密封壳体，充气检查连接管路及密封壳体的气密封，如发现漏气要及时处理；将密封壳体内部气压加至不小于4000kPa,使密封套紧贴岩石13外表面；

第六步，打开纯水/溶液转换器2的排气孔22，使用蠕动泵或注射器将试验溶液经由出水孔注入上部水仓25，直至试验溶液溢出排气孔22，关闭排气孔22；

第七步，操作压力/体积控制器1吸满纯水，连接压力/体积控制器1、纯水/溶液转换器2、加压机构，连接加压机构与回收机构；

第八步，使用压力/体积控制器1经由纯水/溶液转换器2的出水孔将试验溶液压入试验岩心，水流速度的范围为0.01～1mL/min。试验过程中持续记录水压变化；

第九步，每24h更换一次集液瓶4；收集的侵蚀液震荡均匀后测定浊度、电导率、pH值后在105℃下烘干至恒重；

第十步，当72小时内测定的侵蚀液浊度均小于0.1NTU时认为试验已达到平衡，结束进液；降低密封壳体内的气压至大气压力，打开密封壳体；

第十一步，打开岩心测量膨润土挤入裂隙的深度，并再次扫描裂隙表面形貌，与试验前进行对比；

第十二步，分析水流速度、水压力、裂隙形貌与膨润土挤入裂隙距离、侵蚀量的(即每天收集的侵蚀液烘干至恒重得到的固体物质，计算整个试验过程中固体物质的总重)关系，掌握钠基膨润土在花岗岩裂隙水侵蚀条件下的封堵及抗侵蚀性能参数。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。